客运专线黄土特大断面隧道施工关键技术

客运专线黄土特大断面隧道施工关键技术研究1、目的和意义郑西客运专线隧道断面大，开挖面积达170m2以上，隧道埋深浅，新老黄土地层常具有不同方向的构造节理，有的原生节理呈“X”形，成对出现，并具有一定的延续性，稳定性差，湿陷性显著。在隧道开挖时，土体极容易顺着节理方向张开或剪断，出现坍塌现象，特别是隧道开挖断面面积大幅度增加，必然出现许多理论及隧道施工安全的新课题，如黄土特大断面隧道围岩压力、特大断面的分部开挖问题、隧底地基承载力不足及施工废水的合理处理问题等。而且国内外黄土地层特大断面隧道工程实践较少，可以借鉴的工程经验很少，因此结合郑西客运专线隧道工程，评价黄土大断面隧道结构物的安全性，在工程实践中开展快速、安全施工技术研究，具有重大的理论意义和重大工程实用价值。2、主要研究内容2.1黄土特大断面隧道测试试验与分析研究(1)现场测试试验①围岩内部位移与锚杆轴力测试；②支护变形、应力、压力测试；③衬砌变形、应力、压力测试。(2)黄土物理力学性能室内试验包括：强度、含水量、弹性模量、内聚力、内摩擦角、湿陷性等。2.2黄土特大断面隧道施工变形机制与位移管理基准研究(1)湿陷性黄土工程特性及变形力学机制；(2)黄土特大断面隧道极限位移、预留变形量、二衬施作时机等位移管理基准。2.3黄土特大断面隧道合理支护形式研究(1)隧底湿陷性黄土处理技术；(2)合理锚杆形成与参数；(3)合理支护、结构形式与参数。2.4黄土特大断面隧道结构安全性研究(1)黄土地层特大断面隧道围岩压力或隧道结构荷载的确定；(2)特大断面多分部施工对隧道稳定性的影响；(3)黄土特大断面隧道结构安全性综合评价。3主要研究方法3.1黄土特大断面隧道测试试验与分析研究(1)选择有代表性区段作为试验段工程，开展隧道变形、围岩内部位移、锚杆轴力、围岩压力、支护应力、二衬接触压力和二衬应力的试验测试，上述各项测试的测点布置如图1所示。对非试验段各隧道施工位移监测进行统一管理，综合分析黄土隧道位移特征。(2)选择有代表区段取样，开展黄土结构特征微观分析，并进行强度、弹性模量等物理力学性能室内试验。3.2黄土特大断面隧道变形机制与位移管理基准研究(1)黄土微观结构决定了黄土的基本性能，受隧道开挖、支护施工过程的影响，隧道周边的黄土(围岩)应力重分布应力路径、应力形式的改变，特别在地下水的影响，与一般岩体相比较，将形成不同的洞室变形与围岩应力释放特征。这种洞室力学效应下的黄土工程特性研究，以掌握黄土隧道的变形力学机制。(2)隧道设计、施工规范中均列有铁路单、双线隧道施工极限位移和隧道稳定性判别标准。众所周知，隧道位移与围岩性质、洞室大小、支护参数及施工方法紧密相关，对黄土、客专双线特大断面隧道应建立自身的隧道极限位移。利用实际的黄土围岩物理力学参数，隧道埋深、断面支护参数及施工方法实际，进行隧道极限位移的计算模拟。根据计算模拟值、实测值及安全度，以及黄土隧道实际的变形、压力特征，综合确定黄土隧道极限位移、预留变形量、二衬施作时机位移管理基准。3.3黄土特大断面隧道合理支护形式(1)现行规范中隧道结构荷载是建立在工程实践统计基础之上，主要来源于传统铁路单、双线隧道，根据开挖跨度外延后得到的特大断面隧道围岩压力与实际情况将会有相当大的出入。黄土地层，特别是新黄土地层，因其独特的力学特性，将会使作用在特大断面隧道结构上的荷载量值及分布规律与常规断面隧道有很大差别。对典型黄土地层、典型隧道断面，采用埋设压力传感器对作用在隧道结构上的荷载进行现场测试，也统计分析的方法得到黄土地层特大断面隧道围岩压力的量值大小及分布规律，提出黄土特大断面隧道的结构形式。(2)由于黄土地层特有的稳定性差的力学特性，特别是在特大断面隧道施工中为保证围岩稳定性，必须采用多分部施工方法，采用相应的临时支护结构。在多分部的施工过程中，临时支护结构体系的力学转换过程异常复杂，必须保证临时支护结构拆除过程中隧道的稳定性，为此采用现场量测结合束之模拟的方法来研究特大断面隧道施工的多分部开挖对隧道结构的安全性影响。(3)高速铁路隧道高标准的要求，支护作为结构的一部分，传统的强度等级、钢筋保护层厚度不能满足结构耐久性要求；大断面分部施工支护结构应力转换过程复杂。因此，利用综合试验和计算分析结果，结合结构耐久性要求，提出黄土特大断面隧道支护的合理设计参数。3.4黄土特大断面隧道结构安全性研究(1)黄土地层，特别是湿陷性黄土地层，应特别注意施工废水的处理。与一般湿陷性黄土地基处理措施不同，洞内隧底湿陷性黄土处理不仅要提高地基承载力，更重要的是保护黄土围岩，阻止地下水及洞内水渗入土层。因此，考虑到黄土特有的物理特性，优化选择合适的地基加固措施，保证隧道稳定性。(2)黄土地层自身的锚固力低，锚管注浆存在软化黄土问题，在黄土隧道中应研究全长膨胀式锚杆形式及其相应施工技术。结合郑西客运专线黄土地层大断面隧道施工，在现场进行锚管注浆浆液配方试验，进行锚管拉力试验，为设计提供可靠依据。(3)隧道是围岩与支护、结构的综合体，隧道的安全性对不同施工阶段应有不同的内容和意义。高地应力软岩区段，围岩软弱，隧道支护较厚、刚度较大，个别支护截面混凝土开裂或破损，支护结构仍然可继续承载。确定支护后隧道的稳定性可以支护极限状态为准，即一旦支护失稳，围岩失去支护抗力也将迅速失稳，导致支护隧道的失稳。受围岩约束的支护结构为拱形超静定结构，当屈服截面个数多到使超静定结构时为结构的极限状态；支护钢筋混凝土截面屈服以“铰”的塑性转动来定义。根据支护施作时机、支护封闭时机、隧道开挖后弹性位移分析，实测围岩压力和支护位移特征分析，综合确定围岩应力释放系数，以围岩与支护的综合体进行稳定安全性评价。在复合式衬砌设计中，二次衬砌原则是不受力的，即等待初期支护变形基本稳定后再施作二次衬砌。在下列特殊情况下，应适时施作二衬，分担部分围岩荷载，使隧道体系趋于稳定，即：有较大土压、水压作用；或因扰动和相邻施工等环境变化而产生附加荷载；或在膨胀性围岩、挤入性围岩变形长时间持续不稳定；或地压有偏压等。为提高衬砌结构的安全性，在本工程高地应力软弱围岩区段，应尽量减少二衬分担围岩荷载的比例。即重点通过改善洞室形状、提高支护强度与刚度、确定合理的二衬支护时机。衬砌结构与支护之间存在防水层，其厚度也较大，衬砌后的隧道安全性以衬砌自身的安全性为准。受围岩约束，二衬结构也为拱形超静定结构。为提高结构耐久性，遵守隧道规范的有关规定，以任一截面的开裂或屈服定义为整体衬砌结构的极限状态。根据实测围岩压力和二衬接触压力的关系以及压力、变形特征，确定二衬实际围岩压力分担比例；根据规范荷载、实测围岩压力荷载，对衬砌结构安全性进行综合评价。4预期目标、成果形式及主要技术指标4.1预期目标(1)掌握黄土的工程特性和特大断面黄土隧道变形机理；(2)使黄土特大断面隧道断面形式、支护形式与参数、基底加固方法等技术上可行、经济上合理、方便施工和隧道稳定。(3)形成黄土特大断面隧道的位移控制技术与位移管理技术；(4)确保结构长期稳定和安全。4.2成果形式(1)、提交阶段性和结题研究报告；(2)、发表研究论文、申报科技进步奖。4.3主要技术指标(1)提出新、老黄土和湿陷性黄土合理的的物理力学设计计算参数；(2)通过试验段位移、应力和压力测试试验，给出：①隧道变形最终估计值、时态曲线、变形与施工步骤的关系等变形特征；②锚杆轴力、围岩压力、结构应力等应力分布、时态曲线、与施工步骤的关系，竖直压力与水平压力、围岩压力与二衬接触压力关系等应力特征。(3)给出黄土特大断面隧道极限位移和隧道稳定性位移判别准则；(4)给出黄土特大断面隧道支护、结构安全性评价方法及安全性评价。5前期工作基础(1)获奖项目序号成果名称参加/主持获奖名称、等级、时时间1城市松散含水地层层中复杂洞群群浅埋暗挖法法施工技术研研究参加国家科技进步二等等奖(2001))2聚丙烯纤维网湿式式喷射混凝土土衬砌研究主持河北省科技进步三三等奖（2003）3隧道稳定性位移判判别准则主持铁道部科技进步二二等奖（1999）4水平钻孔旋喷机研研制及加固技技术研究主持河北省科技进步三三等奖（2001）5隧道水平旋喷机预预支护加固技技术及变形量量测主持中国铁道学会科学学三等奖（2001）6高寒、高海拔、冻冻土隧道洞内内施工环境控控制技术主持河北省科技进步二二等奖（2004）7软流塑状淤泥质地地层建筑物下下地铁隧道综综合施工技术术参加山东省科技进步二二等奖(2004))8高原严寒条件下桥桥梁高墩成套套快速施工技技术参加青海省科技进步一一等奖(2004))9东秦岭特长隧道出出口段平导快快速施工综合合技术参加天津市科技进步三三等奖(2003))(2)科研项目项目、课题名称((下达编号)项目来源项目起讫时间负责人(姓名、专专业技术职务务)科研经费(万元))目前承担的科研项目的经费合计462青藏线风火山隧道道施工通风技技术及施工温温度场控制铁道部攻关计划2001-20004朱永全教授74.91北京地铁矿山法区区间隧道结构构设计方法研研究北京地铁管理公司司2004-20006朱永全教授45含水淤泥质地层城城市过街道浅浅埋暗挖施工工技术方案中国铁道建筑总公公司2004-20005朱永全教授70乌鞘岭隧道岭脊断断复杂应力变变形控制研究究铁道部攻关计划2004-20006朱永全教授165(3)发表论文序号论文名称作者署名次序发表日期发表刊物、会议名名称三大检索收录情况况Useofjjetgrroutinngtecchniquueintreattingllargedeforrmatioonoftunneel孙星亮(1)2001GeotechnnicalEnginneerinngMeeetingSocieety’sNeeeds,VVol.11and2,Prroceeddingsofthhe14tthSouutheasstAsiiaGeootechnnicalConfeerencee(HonngKonngDeccemberr20011)ISTP检索自适应时序模型在在地下工程位位移预报中的的应用孙星亮(1)2004岩石力学与工程学学报运营条件下铁路桥桥梁的墩台基基础加固孙星亮(1)2004土工基础AnalysessonjjunctiionliinecoonstruuctionnofBBeijinngsubbway刘勇(1)2001SoftsoiilEnggineerring3rdInteernatiionalConfeerenceeonSSoftSSoilEEngineeeringgISTP检索Analysisofthheblaastinggvibrrationneffeectfoorconntinuoous-doouble--archtunneel刘勇(1)2001Frontierrsofrockmechaanicsaandsuustainnabledevellopmenntinthe221stccenturryISTP检索Simulatiionanndmonnitoriingoffmidddlepiilotssafetyyofllinkedd-archhtunnnelunnderbblastiing刘勇(1)2004ProgresssinSSafetyyscieenceaandteechnollogySCI检索AnewprracticceofNATMincoonstruuctionnofaaraillwayttunnell冯卫星(1)2001Frontierrsofrockmechaanicsaandsuustainnabledevellopmenntinthe221stccenturryISTP检索Analysissofllimitdispllacemeentfoorun--lineddtunnnel张素敏(1)2000Progresssinssafetyyscieenceaandteechnollogy,2ndIInternnationnalSyymposiiumonnSafeetysccienceeandTechnnologyyISTP检索ApplicattionoofAutto-adaaptiveeModeeltoDispllacemeengFoorecasstinginUnndergrroundEnginneerinng张素敏(1)2001GeotechnnicalEnginneerinnginsoftGrounnd(proceediingsooftheeregiionalconfeerenceeonggeotecchnicaalasppectsofunndergrroundconsttructiioninnsofttgrouund)隧道上台阶极限位位移计算模拟拟张素敏(1)2003石家庄铁道学院学学报一种应用损伤力学学判别岩体稳稳定性的方法法张素敏(1)2003全国岩土与工程学学术大会论文文集收敛约束原理在隧隧道位移稳定定性判据中的的应用张素敏(1)2004铁道标准设计隧道围岩特性曲线线数值模拟与分析张素敏(1)2004岩土力学EI检索Comparatiiveanaalysissofllimitddisplaacemenntsfoortunnnelsatunnlineddandprimaarysuupporttstagges张素敏(1)2004RockmechhanicssandmininngsciinecessSCI检索Thespliit-tubbemulltoplee-poinntborreholeeexteensomee王海亮(1)2000Progresssinssafetyyscieenceaandteechnollogy,2ndIInternnationnalSyymposiiumonnSafeetysccienceeandTechnnologyyISTP检索StudyonntheyielddablesuppoortwiithovverlapppedII－shapeedsteeel王海亮(1)2000Progresssinssafetyyscieenceaandteechnollogy,2ndIInternnationnalSyymposiiumonnSafeetysccienceeandTechnnologyyISTP检索Groundvvibrattionccauseddbyttunnellconsstructtion王景春(1)2000ProgresssinSSafetyyScieenceaandTeechnollogy,2ndIInternnationnalSyymposiiumonnSafeetysccienceeandTechnnologyyISTP检索用隧道围岩站立时时间确定复合合式衬砌的荷荷载分配莫勋涛(1)2001岩石力学与工程学学报EI检索聚丙烯纤维网喷射射混凝土性能能和衬砌试验验朱永全(1)2004岩石力学与工程学学报隧道稳定性位移判判别准则朱永全(1)2001中国铁道科学CauseanndChaaracteeristiicoflargeedefoormatiionoffsofttrockktunnnelsuupportt朱永全(1)2001Proceediingsooftheeregiionalconfeerenceeonggeotecchniallaspeectsoofunddergrooundcconstrructiooninsoftgrounnd大伙房水库输水隧隧洞TBM安装洞室稳稳定性分析朱永全(1)2003石家庄铁道学院学学报一个基于稳定流理理论的干扰井井群计算实例例刘志春(1)2001石家庄铁道学院学学报井点降水引起地面面沉降的简便便计算方法研研究及应用刘志春(1)2001石家庄铁道学院学学报城市地下工程施工工与地下水渗渗流引起地面面沉降的分析析及预测刘志春(1)2003国防交通工程与技技术松散含水地层紧邻邻建筑物大断断面浅埋洞室室综合施工技技术刘志春(1)2003铁道标准设计北京地铁王府井站站西南风道排排水方案设计计与施工刘志春(1)2003建井技术南京地铁珠江路站站~鼓楼站区间间监控量侧数数据分析刘志春(1)2004石家庄铁道学院学学报任意排列的承压——潜水完整型型干扰井群计计算理论及应应用刘志春(1)2004岩石力学与工程学学报青藏铁路风火山隧隧道洞内外温温度实测与分分析刘志春(1)2004铁道标准设计东秦岭特长隧道平平行导坑快速速施工组织管管理与进度统统计分析刘志春(1)2004石家庄铁道学院学学报淤泥质地层地铁隧隧道施工地表表沉降预测及及分析刘志春(1)2005岩土力学多年冻土桩基温度度场研究李文江(1)2004铁道标准设计大伙房输水隧洞TTBM安装洞室稳稳定性及施工工动态分析李文江(1)2004建井技术浅埋、软土隧道穿穿越铁路站场场施工效应分分析李文江(1)2004石家庄铁道学院学学报铁路站场下暗挖隧隧道地表沉降降基准研究李文江(1)2005岩土力学ApplicattionoofAutto-adaaptiveeModeeltoDispllacemeentFoorecasstinginUnndergrroundEnginneerinng孙星亮(1)2001GeotechnnicalEnginneerinnginsoftGrounnd(proceediingsooftheeregiionalconfeerenceeonggeotecchnicaalasppectsofunndergrroundconsttructiioninnsofttgrouund)国内外水平旋喷注注浆加固技术术的应用发展展孙星亮(1)2001探矿工程水平旋喷固结体力力学性能试验验及分析孙星亮(1)2003岩石力学与工程学学报水平旋喷预支护技技术在铁路隧隧道中的应用用孙星亮(1)2002岩石力学与工程学学报自适应时序模型在在地下工程位位移预报中的的应用孙星亮(1)2004岩石力学与工程学学报水平旋喷预支护技技术在铁路隧隧道中的应用用刘勇(1)2003岩石力学与工程学学报铁路隧道混凝土衬衬砌结构概率率极限状态设设计研究刘勇(1)2001石家庄铁道学院学学报AnalysessonGGradeSeparrationnofWWang-DDongSSectorrofBBeijinngSubbway刘勇(1)2001GeotechnnicalEnginneerinnginsoftGrounnd(proceediingsooftheeregiionalconfeerenceeonggeotecchnicaalasppectsofunndergrroundconsttructiioninnsofttgrouund)TheStocchastiicAnaalysissforLininngStrructurrewitthCorrrelatteRanndomVVariabbles宋玉香(1)2001GeotechnnicalEnginneerinnginsoftGrounnd(procee