【高地应力对隧道工程造价的影响分析案例7300字】

高地应力对隧道工程造价的影响分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u12149高地应力对隧道工程造价的影响分析案例 ③加强钢架锁脚及纵向连接，初期支护应尽早封闭。变形等级三级的隧道支护宜采用短、中长、长锚杆（索）组合、注浆加固及掌子面围岩加固等配合大刚度钢架初期支护体系；必要时可采用双层支护等措施。变形等级四级的隧道支护宜采用短、中长、长锚杆（索）组合、注浆加固及掌子面围岩加固等配合双层支护体系；必要时可采用多层支护等措施。根据《川藏铁路高地应力软岩隧道设计暂行规定》中对于各级变形的隧道支护设计应符合下列要求，川藏铁路高地应力软岩隧道二次衬砌应采用钢筋混凝土，仰拱厚度不应小于拱墙厚度；正洞与辅助坑道、联络通道交叉处及设置附属洞室部位，二次衬砌应加强；二次衬砌可按理论分析及工程类比法设计，并根据监控量测及现场试验数据进行调整；二次衬砌施作应在围岩和初期支护变形基本稳定后进行，变形基本稳定应符合变形速率明显下降并趋于缓和；变形等级为四级地段可在初期支护与二次衬砌间设置缓冲释压层结构。（3）超前导洞应力释放对于软岩大变形强烈地段，如果采取变形释放，则周期长、成本高、风险大，工程上一般考虑采取超前导洞法进行先期应力释放。超前导洞法是指先超前开挖一条小导洞进行应力释放，小导洞开挖一定长度后，再按隧道设计好的断面进行扩挖、支护和衬砌的一种方法。一般来说，高地应力软岩地层采用超前导洞法隧道施工，超前导洞法作用包括提前释放应力、围岩预先变形，从而减小扩挖时正洞所受到的高地应力，从而达到减小正洞软岩大变形的效果。此外超前导洞还具有提高围岩预加固效率、改善隧道排水条件，查明隧洞前方地质情况等作用。如果超前导洞太小可能造成围岩应力释放太少，从而对软岩大变形控制效果不好，如果超前到导洞太大则可能造成围岩应力释放过大，从而可能会出现软岩大变形增加的情况。所以超前导洞的位置和断面尺寸确定很重要。目前根据调查可知，超前导洞（平导）应力释放在堡镇、乌鞘岭、木寨岭、新城子等典型挤压大变形隧道工程实践中得到验证，取得较好的应力释放效果，尤其是对二次衬砌的影响较为显著。如乌鞘岭隧道在埋深最大的地段，通过隧道左线位置的平行导坑释放围岩应力，监测得到隧道左线的平行导坑的收敛变形为100～150mm，隧道扩挖的收敛变形为250～300mm，是未采用超前导洞隧洞收敛变形的70～75%；木寨岭隧道岭脊核心段采用超前导洞释放应力，通过对比可以看出，超前导坑应力释放后第1层软岩大变形减小幅度约11.7%，第2层软岩大变形减小幅度约22.3%，隧道大变形累计减小幅度34%；新城子隧道喇叭口小净距段左线采用超前导洞释放应力，通过对比可以看出，接触压力降低了45%左右，位移减小了25%。图4-2乌鞘岭隧道平行导坑导坑释放图4-3木寨岭隧道岭脊超前导洞释放1.96m0.66m7.2m1.96m0.66m7.2m1.09m图.4-4新城子隧道喇叭口段前导洞释放通过乌鞘岭、木寨岭、新城子、毛羽山等超前导洞应力释放试验可知，超前应力释放在极高地应力条件下作用较为突出，同时为达到释放效果，超前导洞要有足够的释放截面比及释放时间，截面比不小于70%，时间不小于30天。（4）预留变形量 当隧道发生大变形时，岩体侵入隧道断面内，所以在确认开挖轮廓后，应该考虑软岩大变形对隧道的影响，确定预留变形量。在确定预留量时，应该要确定变形量留够。因为预留的变形量过量了，可以通过加厚二次衬砌的办法来弥补，虽然多用了一些回填混凝土，但结构的安全度也相应增大。相反，如果预留变形量不够，软岩大变形会使得初期支护中的喷锚支护侵入二次衬砌中的模注混凝土净空，这样的情况下，只能拆除初期支护和二次衬砌，然后对隧道断面进行扩挖，重新安装新的初期支护和二次衬砌。大幅度增加了隧道工程的土建费用。《川藏铁路高地应力软岩隧道设计暂行规定》和各个规范对于预留变形量做了如下规定，规定见表4-1和表4-2。表4-1暂行规定预留变形量建议值（mm）变形等级一二三四小、中跨（B≤12m）100～200200～300300～450450~600大跨及以上（12＜B≤15m）150～250250～350350～500500~650注：根据围岩变形的不均匀性，预留变形量可分工序、分部差异化设置。表4-2常规支护条件下的预留变形量（mm）规范或标准名称不同围岩级别下的预留变形量铁路小跨（公路双车道）隧道铁路中跨（公路三车道）隧道ⅢⅣⅤⅢⅣⅤ铁路隧道设计规范TB10003-201610～3030～5050～8030～5050～8080～120公路隧道设计规范JTGD70-200420～5050～8080～12050～8080～120100～150新奥法指南—30～5050～70—50～7070～100250-350km/h隧道30～5050～8080～12050～8080～100100～150高速铁路隧道200km/h隧道30～4030～8080～10050～8080～100100～150160km/h隧道10～4030～8080～10030～5050～80100～150120km/h隧道10～4030～5030～5030～5050～80100～150（5）断面优化众所周知，当地应力静水状态时（侧压力系数k=1），隧道以圆形受力最好，如果（k不等于1），则以椭圆最好，椭圆的长轴应与较大的地应力方向一致。由上文地应力特征可知，在浅层，地应力量值较小，侧压力系数较大。即隧道以椭圆断面设置，随着深度增加，地应力量值增大，侧压力系数稳定在k稳定在1左右，即隧道以圆形为主，即随着地应力增加，隧道逐渐从椭圆形变为圆形。并且在断面优化时，经常伴随着增大仰拱或边墙矢跨比来适应高地应力，惠那山隧道及家竹箐隧道施工时都采用过上述断面优化的方法。《川藏铁路高地应力软岩隧道设计暂行规定》中，对于中、小跨隧道一、二级变形时，断面形式采用椭圆形轮廓，三级变形时，断面形式采用近圆形轮廓，四级变形时，断面形式采用圆形轮廓。对于大跨隧道一、二级变形时，断面形式采用优化仰拱曲率，三级变形时，断面形式采用近圆形轮廓，四级变形时，断面形式采用圆形轮廓。（6）施工工法对高地应力软岩隧道，建议一般采用大断面或全断面法施工，该工法工序简单，可实现仰拱的快速封闭。而采用台阶法施工时，虽然分台阶开挖有利于地应力的逐步释放，但台阶过长易导致应力释放过度，且不利于仰拱的快速封闭。全断面法需对掌子面进行预加固，有利于初期支护的快速封闭，但对变形潜势分级强烈地段地应力释放有限，通过试验采用。根据《川藏铁路高地应力软岩隧道设计暂行规定》，川藏铁路高地应力软岩隧道施工方法应根据围岩变形等级、断面大小确定，一、二级变形段可采用微台阶法或全断面法施工，三、四级变形段落宜采用微台阶法施工。加强监测《川藏铁路高地应力软岩隧道设计暂行规定》监控量测设计应根据隧道的规模、变形等级、地形地质条件、支护类型和参数、施工方法及周围环境等进行。并且对不同变形等级的量测进行了规定，随着高地应力增加，围岩大变形等级相应的增加，其必须量测的项目从变形等级为一级时的6个逐渐增加到变形等级为四级时的16个。其监测的间距随着地应力增加，变形等级提高而减少。1.1.2硬岩区高地应力区隧道工程措施岩爆等级越高，积聚的能量以及可能产生的破坏越大，需要的岩爆防控措施越强。不同岩爆防控措施的防控能力、经济投入及耗时耗力等存在差异。为了达到岩爆最佳防控效果，需要根据潜在岩爆等级，采用对应力度的防控措施。避免防控措施力度不够造成岩爆防控失败，或防控措施力度过大造成不必要的浪费。结合锦屏二级水电站引水隧洞等重大深埋隧道与隧洞工程岩爆防控经验，针对不同等级岩爆灾害提出了针对性的防控策略和技术方法。基于这些技术方法已经在水电行业形成了首部针对深埋隧道（洞）岩爆风险评估与防控的技术规范，根据《水电工程岩爆风险评估规范》（NB/T10143-2019）。这些成熟的岩爆防控技术可有力指导川藏铁路隧道岩爆灾害的防控防治工作。（1）加强监测监测已证明是洞察开挖洞段危险程度的有效工具，加强监测是控制岩爆的有效手段之一，川藏铁路监测要求“实施跟紧，实时分析，有情必报，及时规避”。重点评估支护需求，对现有支护系统无法满足的洞段，“延缓施工作业”，尊重岩体破裂规律和能量释放演化过程机制。（2）岩爆风险防控“三步走”策略岩爆防控工作应从川藏铁路隧道工程整体岩爆防控策略的高度来顶层设计和实施，应遵照“三步走”策略。优化工程布置和开挖方式、实施应力释放和加强支护措施可称为岩爆风险防控“三步走”策略。岩爆风险防控“三步走”策略是在JP-II水电站引水隧洞工程、川藏巴玉隧道工程、巴基斯坦NJ水电站引水隧洞工程等重大工程岩爆风险防控措施的深入研究和工程中不断应用和完善的基础上总结而成。第一步：通过优化工程布置和开挖方式，如开挖速率、开挖顺序、断面尺寸、同时开挖的掌子面数、相向开挖改单向开挖的时机、导洞的位置、尺寸等，减少开挖引起的岩体内部能量集中水平。降低隧道岩爆风险。第二步：实施应力释放措施，以期释放和转移储存在岩体的部分能量。通过实施应力释放孔等，预释放储存在岩体的部分能量。通过研究应力和能量可能的转移位置和途径，将能量适当转移到深部岩体内，从而减少围岩表层能量和应力集中水平，降低岩爆风险。第三步：通过支护系统吸收岩体释放的能量。采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网等多重联合支护方法，提高隧道围岩的强度，同时吸收岩爆破坏时释放的能量，降低岩爆风险。1.3高地应力对隧道工程造价影响高地应力是矿山法山岭隧道技术经济指标的主要因素，本文以矿山法山岭隧道为主要研究对象，基于高地应力采取的工程措施，研究高地应力对隧道造价技术经济指标的影响。其结果见图（图4-5~图4-6）。图4-5软岩地区隧道造价随地应力增加指标变化图（箭头表示造价增加）图4-6硬岩地区隧道造价随地应力增加指标变化图（箭头表示造价增加）现对图4-6、4-7说明如下：（1）高地应力对土石方造价影响由高地应力措施来看随着地应力的不断提高，铁路矿山法山岭隧道的土建技术经济指标明显增加。软岩情况下，地应力铁路矿山法山岭隧道的土石方技术经济指标影响较大，主要原因是地应力不断提高，工程上会采取预留变形量和断面优化来减少高地应力灾害，预留变形量和断面优化导致开挖断面越大，结合高地应力开挖单价不变，高地应力增加导致土石方开挖技术经济指标增高；土石方外运受开挖量和土石方运距影响，土石方运距不受高地应力影响，开挖量的增加导致外运技术经济指标也要增加。即软岩情况下，高地应力使得土石方开挖和外运指标都会增加。硬岩情况下，地应力对铁路矿山法山岭隧道的土石方技术经济指标影响不大，主要原因是地应力不断提高，开挖断面基本不变，开挖单价不变，土石方外运也不变，即土石方每延米技术经济指标基本不受高地应力影响。（2）高地应力对支护造价影响隧道支护造价主要由超前支护、初期支护和临时支护三部分组成。软岩情况下，超前支护一般包括超前锚杆、超前小导管和超前管棚三种形式，地应力越高，超前支护措施越强。极高应力状态下一般采用超前管棚，高地应力或者中高应力区围岩下超前锚杆或超前小导管，正常应力状态下一般不采取超前支护措施。硬岩情况下，超前支护基本不受影响。初期支护措施主要包括钢筋网、喷射砼和锚杆等，随着地应力的增加，初期支护造价显著增加。对于软岩和硬岩条件下，只要进入高地应力状态，极高应力、中高应力以及高地应力状态下必须加强初期支护，且地应力越高，初期支护措施越强，工程量越多，相应造价增加也越多，软岩情况下，对造价影响最显著的便是初期支护，硬岩情况下初期支护是影响造价显著的指标之一。临时支护措施主要包括临时钢架、临时喷射砼、锁脚锚杆或锚杆等，高地应力所采取的工程措施没有关于临时支护的工程措施，即临时支护不受地应力影响。由此可见，初期支护技术经济指标是影响高地应力隧道的最显著指标，因此进行方案比选时，设计人员合理确定地应力状态以及初期支护设计至关重要。（3）高地应力对二次衬砌及防水造价影响软岩情况下，正常应力状态下转变为高地应力状态需要加强二次衬砌，高地应力转变为中高应力状态下需要加强二次衬砌，中高应力转变为极高应力需要加强二次衬砌。而对于防水措施来说，基本不受高地应力影响。对于硬岩情况下，根据岩爆措施来看，硬岩隧道二次衬砌和防水基本不受高地应力影响。（4）高地应力对附属工程及其他造价影响由上述工程措施可知，附属工程受地应力影响较小，技术经济指标相对稳定，受地应力增加基本不变，不是方案比选时技术经济比较的重点。在其他费用中，软岩情况下，其人工费用所受地应力影响较大，超前应力释放使得工期增加，以及人工完成超前应力释放都使得人工费用增加，软岩受施工方法影响较大，其施工方法并不能使用全断面开挖法，随着高地应力级别越高，其施工方法越复杂，相应的施工造价也会相应提高。围岩加固费用受地应力影响较大，地应力的提高，其围岩需要加固才能修建隧道。施工监测方面受地应力较大，地应力越大，其监测频率及监测密度增大，监测方法及工具相应增大，监测项目相应增多，其施工监测费用相应的增加。硬岩情况下，其人工费用所受地应力增加影响较大，硬岩情况下，其工期受应力释放影响增加，其人工费用随着工期的增加相应的增大。施工方法都可采用全断面法，其施工方法受地应力影响不大。围岩加固费用受地应力影响不大，由于硬岩自身岩性稳定性，高地应力状态下一般不需要加固围岩。施工监测方面受地应力较大，地应力越