隧道改擴(kuò)建關(guān)鍵技術(shù)問題的探討實用教案

1、1一、研究背景一、研究背景二、隧道改擴(kuò)建形式二、隧道改擴(kuò)建形式三、隧道改擴(kuò)建的主要技術(shù)難點三、隧道改擴(kuò)建的主要技術(shù)難點四、隧道原位擴(kuò)建形式研究四、隧道原位擴(kuò)建形式研究 五、臨近隧道爆破震動合理五、臨近隧道爆破震動合理(hl)(hl)控制震速的研究控制震速的研究報告報告(bogo)內(nèi)容內(nèi)容第1頁/共52頁第一頁，共52頁。2一、研究一、研究(ynji)背景背景第2頁/共52頁第二頁，共52頁。3p現(xiàn)有雙向四車道乃至雙向六車道公路隧道現(xiàn)有雙向四車道乃至雙向六車道公路隧道已不能適應(yīng)交通量日益增長的需求，在原有已不能適應(yīng)交通量日益增長的需求，在原有公路隧道基礎(chǔ)公路隧道基礎(chǔ)(jch)(jch)上改建或新

2、建成雙向八上改建或新建成雙向八車道公路隧道的建設(shè)顯得尤為迫切車道公路隧道的建設(shè)顯得尤為迫切 p經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通量日益經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通量日益(ry)(ry)增加增加 研究研究(ynji)背背景景第3頁/共52頁第三頁，共52頁。4 目前正在緊張施工的福建泉州至廈門段高速公路目前正在緊張施工的福建泉州至廈門段高速公路(o s (o s n l)n l)改擴(kuò)建工程，路線全長改擴(kuò)建工程，路線全長81.9Km81.9Km。原為雙向四車道高速。原為雙向四車道高速公路公路(o s n l)(o s n l)，擴(kuò)建為雙向八車道高速公路，擴(kuò)建為雙向八車道高速公路(o s n (o s n l)l)。全路段共設(shè)大坪山

3、隧道、蘇厝隧道、山頭隧道、大帽山隧。全路段共設(shè)大坪山隧道、蘇厝隧道、山頭隧道、大帽山隧道道4 4座座 ，需要改擴(kuò)建成雙向八車道隧道。，需要改擴(kuò)建成雙向八車道隧道。研究研究(ynji)背背景景原大帽山隧道(sudo)第4頁/共52頁第四頁，共52頁。5大帽山隧道擴(kuò)建(kujin)方案先進(jìn)行新建四車道隧道的開挖，同時原隧道保持(boch)通車第5頁/共52頁第五頁，共52頁。6蘇厝、山頭隧道擴(kuò)建(kujin)方案原隧道原隧道(sudo)原隧道原隧道(sudo)新隧道新隧道新隧道新隧道研究背景研究背景第6頁/共52頁第六頁，共52頁。7第7頁/共52頁第七頁，共52頁。8 日本天王(tinwng)山

4、隧道擴(kuò)挖老舊隧道擴(kuò)挖 日本大藏隧道擴(kuò)挖 關(guān)村壩隧道擴(kuò)建鐵路隧道喇叭口擴(kuò)挖研究研究(ynji)背背景景第8頁/共52頁第八頁，共52頁。9研究研究(ynji)背背景景1、側(cè)壁錨桿補強 2、鋼制防護(hù)(fngh)板設(shè)置 第9頁/共52頁第九頁，共52頁。103、拱頂(n dn)管棚施工 4、上半斷面(dun min)擴(kuò)挖 5、下半斷面(dun min)擴(kuò)挖 6、側(cè)壁錨桿及混凝土襯砌 第10頁/共52頁第十頁，共52頁。117、鋼制防護(hù)(fngh)板撤離 8、仰拱襯砌施工(sh gng) 9、仰拱襯砌中央(zhngyng)段施工 第11頁/共52頁第十一頁，共52頁。12 如此規(guī)模的隧道擴(kuò)建工程在國內(nèi)

5、屬首如此規(guī)模的隧道擴(kuò)建工程在國內(nèi)屬首次，設(shè)計施工難度大，受福建省高速公路建次，設(shè)計施工難度大，受福建省高速公路建設(shè)總指揮部委托，我院承擔(dān)設(shè)總指揮部委托，我院承擔(dān)(chngdn) (chngdn) “福廈漳高速公路擴(kuò)建工程福廈漳高速公路擴(kuò)建工程隧道擴(kuò)建關(guān)隧道擴(kuò)建關(guān)鍵技術(shù)研究鍵技術(shù)研究”項目的研究工作。項目的研究工作。研究研究(ynji)背背景景第12頁/共52頁第十二頁，共52頁。13二、隧道二、隧道(sudo)改擴(kuò)建的主改擴(kuò)建的主要形式要形式第13頁/共52頁第十三頁，共52頁。14雙洞四車道隧道雙洞四車道隧道(sudo)(sudo)擴(kuò)建成八車道隧道擴(kuò)建成八車道隧道(sudo)(sudo)的的

6、三種形式：三種形式：雙洞原位擴(kuò)建雙洞原位擴(kuò)建另增加兩個兩車道隧道另增加兩個兩車道隧道(sudo)(sudo)，形成四洞小凈，形成四洞小凈距隧道距隧道(sudo)(sudo)群群一個洞原位擴(kuò)建，另再增一個四車道或兩車道隧一個洞原位擴(kuò)建，另再增一個四車道或兩車道隧道道(sudo)(sudo)，形成三洞小凈距隧道，形成三洞小凈距隧道(sudo)(sudo)群群第14頁/共52頁第十四頁，共52頁。15擴(kuò)建擴(kuò)建(kujin)(kujin)形式一形式一: :雙洞雙洞原位擴(kuò)建原位擴(kuò)建(kujin)(kujin)第15頁/共52頁第十五頁，共52頁。16擴(kuò)建形式二擴(kuò)建形式二: :新增兩個兩車道新增兩個兩車道

7、(chdo)(chdo)隧道隧道第16頁/共52頁第十六頁，共52頁。17擴(kuò)建擴(kuò)建(kujin)形式三形式三:一個原位擴(kuò)建一個原位擴(kuò)建(kujin),另再增一個四車另再增一個四車道或兩車道隧道道或兩車道隧道第17頁/共52頁第十七頁，共52頁。18三、隧道改擴(kuò)建的主要三、隧道改擴(kuò)建的主要(zhyo) 技術(shù)難點技術(shù)難點第18頁/共52頁第十八頁，共52頁。19隧道擴(kuò)建形式的選擇隧道擴(kuò)建形式的選擇隧道原位擴(kuò)建施工工藝及施工方法隧道原位擴(kuò)建施工工藝及施工方法小隧道原位擴(kuò)建成大斷面隧道的圍巖力學(xué)特性小隧道原位擴(kuò)建成大斷面隧道的圍巖力學(xué)特性(txng)(txng)原位擴(kuò)建對圍巖的擾動及對原有隧道的影響原

8、位擴(kuò)建對圍巖的擾動及對原有隧道的影響擴(kuò)建成小凈距隧道群的相互影響擴(kuò)建成小凈距隧道群的相互影響爆破震動對已有隧道結(jié)構(gòu)的影響爆破震動對已有隧道結(jié)構(gòu)的影響臨近隧道爆破震動合理控制震速的研究臨近隧道爆破震動合理控制震速的研究第19頁/共52頁第十九頁，共52頁。20四、隧道(sudo)原位擴(kuò)建 形式研究第20頁/共52頁第二十頁，共52頁。21單洞原位擴(kuò)建(kujin)三種形式： 單側(cè)擴(kuò)建(kujin) 兩側(cè)(lin c)擴(kuò)建 周圍擴(kuò)建 第21頁/共52頁第二十一頁，共52頁。22 以泉廈高速公路大帽山隧道為例，以泉廈高速公路大帽山隧道為例，對對IVIV、V V級圍巖條件下三種級圍巖條件下三種(sn

9、zhn)(sn zhn)不同的原位擴(kuò)建形式下圍巖的力學(xué)特性不同的原位擴(kuò)建形式下圍巖的力學(xué)特性進(jìn)行分析。進(jìn)行分析。第22頁/共52頁第二十二頁，共52頁。23原大帽山隧道(sudo)內(nèi)輪廓圖 擴(kuò)建(kujin)后隧道內(nèi)輪廓圖 第23頁/共52頁第二十三頁，共52頁。24擴(kuò)建隧道圍巖、支護(hù)(zh h)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù) 第24頁/共52頁第二十四頁，共52頁。25計算計算(j sun)模型模型第25頁/共52頁第二十五頁，共52頁。26單側(cè)擴(kuò)建(kujin) 兩側(cè)(lin c)擴(kuò)建 周圍擴(kuò)建 第26頁/共52頁第二十六頁，共52頁。27第27頁/共52頁第二十七頁，共52頁。28單側(cè)擴(kuò)建(kujin

10、) 兩側(cè)(lin c)擴(kuò)建 周圍擴(kuò)建 V級圍巖下三個方案圍巖的最大主應(yīng)力（級圍巖下三個方案圍巖的最大主應(yīng)力（1）分別為：）分別為：-0.954 0.098MPa、-1.016 0.087MPa和和-0.575 0.118MPa；最小主應(yīng)力（；最小主應(yīng)力（3）分別為：分別為：-2.639-0.075MPa、-2.251-0.175MPa和和-1.970-0.147MPa；圍；圍巖最大壓剪應(yīng)力（巖最大壓剪應(yīng)力（Sxy）分別為：）分別為：-0.481 0.475MPa、-0.776 0.516MPa和和-0.779 0.331MPa?？梢姡紤]圍巖受拉破壞時，方案一?？梢?，考慮圍巖受拉破壞時，方案一

11、好于方案二，方案三好于方案一，但方案三的受拉影響范圍較大。因此，好于方案二，方案三好于方案一，但方案三的受拉影響范圍較大。因此，方案一優(yōu)于其它兩個方案。方案一優(yōu)于其它兩個方案。 第28頁/共52頁第二十八頁，共52頁。29單側(cè)擴(kuò)建(kujin) 兩側(cè)(lin c)擴(kuò)建 周圍擴(kuò)建 V V級圍巖下三個方案的屈服接級圍巖下三個方案的屈服接近度最大值分別為近度最大值分別為1.3531.353、1.5021.502和和1.3461.346，其中方案一，其中方案一和三較方案二小，但方案一屈和三較方案二小，但方案一屈服接近度大于服接近度大于1.01.0的范圍較的范圍較小。小。第29頁/共52頁第二十九頁，共

12、52頁。30小結(jié)(xioji)：（1 1）隧道原位擴(kuò)建有單側(cè)擴(kuò)建、兩側(cè)擴(kuò)建和周圍擴(kuò)建三種）隧道原位擴(kuò)建有單側(cè)擴(kuò)建、兩側(cè)擴(kuò)建和周圍擴(kuò)建三種(sn (sn zhn)zhn)形式，三種形式，三種(sn zhn)(sn zhn)形式擴(kuò)建對圍巖的影響是不同的，形式擴(kuò)建對圍巖的影響是不同的，其施工方案也不同。其施工方案也不同。（2 2）從數(shù)值計算比較分析結(jié)果來看，單側(cè)擴(kuò)建方案要優(yōu)于其它）從數(shù)值計算比較分析結(jié)果來看，單側(cè)擴(kuò)建方案要優(yōu)于其它兩個方案。兩個方案。（3 3）從施工對原隧道圍巖的擾動情況看，單側(cè)擴(kuò)建對隧道頂及）從施工對原隧道圍巖的擾動情況看，單側(cè)擴(kuò)建對隧道頂及一側(cè)圍巖擾動較大，兩側(cè)擴(kuò)建對隧道頂及兩側(cè)

13、圍巖擾動較大，而一側(cè)圍巖擾動較大，兩側(cè)擴(kuò)建對隧道頂及兩側(cè)圍巖擾動較大，而周圍擴(kuò)建對原隧道周圍的巖體均產(chǎn)生較大的擾動。周圍擴(kuò)建對原隧道周圍的巖體均產(chǎn)生較大的擾動。（4 4）在選擇原位擴(kuò)建形式時，應(yīng)盡量選擇單側(cè)擴(kuò)建的方案。）在選擇原位擴(kuò)建形式時，應(yīng)盡量選擇單側(cè)擴(kuò)建的方案。第30頁/共52頁第三十頁，共52頁。31五、臨近(ln jn)隧道爆破震動合理控制震速的研究第31頁/共52頁第三十一頁，共52頁。32先新建后原位擴(kuò)建(kujin)大帽山隧道施工(sh gng)工序第32頁/共52頁第三十二頁，共52頁。33先新建一個四車道(chdo)隧道再原位擴(kuò)建原兩車道隧道(sudo)成為四車道隧道(su

14、do)原隧道保持原隧道保持(boch)正常正常通車通車如何保證新隧道爆破開挖期如何保證新隧道爆破開挖期間原隧道結(jié)構(gòu)安全？間原隧道結(jié)構(gòu)安全？第33頁/共52頁第三十三頁，共52頁。34現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定(gudng)交通隧道爆破震動速度限值15cm/s。 存在的問題：1、規(guī)范(gufn)沒有考慮圍巖條件。2、沒有考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的特點。3、沒有考慮圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。實際施工爆破震動測試表明，原隧道震動速度(sd)達(dá)到20cm/s25cm/s時二襯卻安然無恙。矛盾？第34頁/共52頁第三十四頁，共52頁。35 本次研究中，根據(jù)不同的開挖方案和爆破震動本次研究中，根據(jù)不同的開挖方案和爆破震動藥量，

15、計算其在達(dá)到一定爆破震動速度時原二襯的藥量，計算其在達(dá)到一定爆破震動速度時原二襯的應(yīng)力分布情況。評價原隧道二次襯砌是否破損的依應(yīng)力分布情況。評價原隧道二次襯砌是否破損的依據(jù)，以混凝土的動極限抗拉強度（動極限抗拉據(jù)，以混凝土的動極限抗拉強度（動極限抗拉Rld Rld =2.2=2.21.5=3.30MPa1.5=3.30MPa）和動設(shè)計強度（軸心抗拉）和動設(shè)計強度（軸心抗拉fctd=1.47fctd=1.471.5=2.20MPa1.5=2.20MPa）為參考值，圈定）為參考值，圈定(qun (qun dn)dn)其分布范圍，同時把單位面積的荷載換算成其分布范圍，同時把單位面積的荷載換算成藥量，

16、并與薩道夫斯基公式計算藥量進(jìn)行比較。藥量，并與薩道夫斯基公式計算藥量進(jìn)行比較。第35頁/共52頁第三十五頁，共52頁。36IV級圍巖(wi yn)段：采用CRD工法。 施工(sh gng)方法計算(j sun)取樣點第36頁/共52頁第三十六頁，共52頁。37開挖(ki w)左側(cè)上臺階A 當(dāng)使得原二襯最大爆破震動當(dāng)使得原二襯最大爆破震動(zhndng)(zhndng)速度為速度為15.57cm/s15.57cm/s時，按薩道夫斯基公式計算的單段爆破藥量為時，按薩道夫斯基公式計算的單段爆破藥量為8.0kg8.0kg。爆破(bop)荷載曲線 速度-時間 第37頁/共52頁第三十七頁，共52頁。38

17、MES=2.20MPaMES=3.30MPa最大震動速度最大震動速度Vmax=15.57cm/sVmax=15.57cm/s時，二襯達(dá)到動極限強度的范圍很小，位于時，二襯達(dá)到動極限強度的范圍很小，位于隧道右側(cè)邊墻（靠近爆破震動側(cè)），約占二次襯砌的隧道右側(cè)邊墻（靠近爆破震動側(cè)），約占二次襯砌的1%1%；達(dá)到動設(shè)計；達(dá)到動設(shè)計(shj)(shj)強度的有較小的范圍，分布在原左隧道右邊墻，約占二次襯砌的強度的有較小的范圍，分布在原左隧道右邊墻，約占二次襯砌的3%3%。計算結(jié)果驗證了規(guī)范關(guān)于交通隧道震動速度上限為。計算結(jié)果驗證了規(guī)范關(guān)于交通隧道震動速度上限為15cm/s15cm/s的合理性。的合理性。

18、 第38頁/共52頁第三十八頁，共52頁。39 當(dāng)使得當(dāng)使得(sh de)(sh de)原二襯最大爆破震動速度為原二襯最大爆破震動速度為20.76cm/s 20.76cm/s 時，按薩時，按薩道夫斯基公式計算的單段爆破藥量為道夫斯基公式計算的單段爆破藥量為9.82kg9.82kg。和實際施加藥量接近。和實際施加藥量接近。爆破(bop)荷載曲線 速度(sd)-時間 第39頁/共52頁第三十九頁，共52頁。40當(dāng)原左隧道二襯最大震動當(dāng)原左隧道二襯最大震動(zhndng)(zhndng)速度速度Vmax=20.76cm/sVmax=20.76cm/s時，二襯時，二襯達(dá)到極限強度和設(shè)計強度的范圍都有所

19、增大，分布在隧道右邊墻，達(dá)到極限強度和設(shè)計強度的范圍都有所增大，分布在隧道右邊墻，分別占隧道二次襯砌的分別占隧道二次襯砌的3%3%和和6%6%，已從二襯開始向外擴(kuò)大到圍巖。，已從二襯開始向外擴(kuò)大到圍巖。 MES=2.20MPaMES=3.30MPa第40頁/共52頁第四十頁，共52頁。41 當(dāng)使得原二襯最大爆破震動當(dāng)使得原二襯最大爆破震動(zhndng)(zhndng)速度為速度為25.95cm/s25.95cm/s時，按時，按薩道夫斯基公式計算的單段爆破藥量為薩道夫斯基公式計算的單段爆破藥量為12.35kg12.35kg。爆破荷載(hzi)曲線 速度(sd)-時間 第41頁/共52頁第四十一

20、頁，共52頁。42最大震動速度Vmax=25.95cm/s時，原左隧道二襯達(dá)到極限強度和設(shè)計強度的范圍進(jìn)一步增大(zn d)。分布在隧道右邊墻，分別約占隧道二次襯砌的8%和15%，已從二襯向外擴(kuò)大到圍巖。 MES=2.20MPaMES=3.30MPa第42頁/共52頁第四十二頁，共52頁。43 當(dāng)使得原二襯最大爆破震動速度為當(dāng)使得原二襯最大爆破震動速度為31.14cm/s31.14cm/s時，按薩道夫斯基時，按薩道夫斯基公式公式(gngsh)(gngsh)計算的單段爆破藥量為計算的單段爆破藥量為15.0kg15.0kg。最大震動速度Vmax=31.14cm/s時，原左隧道二襯達(dá)到動極限強度和動

21、設(shè)計強度的范圍進(jìn)一步有所增大，分布在隧道右邊墻，影響到二次襯砌的范圍分別(fnbi)約占隧道整個二次襯砌的12%和20%，已從二襯向外擴(kuò)大到圍巖 MES=2.20MPaMES=3.30MPa第43頁/共52頁第四十三頁，共52頁。44同樣，開挖左側(cè)下臺階時，當(dāng)原隧道二襯震動速度同樣，開挖左側(cè)下臺階時，當(dāng)原隧道二襯震動速度達(dá)到達(dá)到20cm/s20cm/s以上時，原左隧道二襯達(dá)到動極限強度以上時，原左隧道二襯達(dá)到動極限強度和動設(shè)計強度的范圍開始和動設(shè)計強度的范圍開始(kish)(kish)由二襯擴(kuò)展到圍由二襯擴(kuò)展到圍巖。且隨著震速的增加，范圍迅速增大。巖。且隨著震速的增加，范圍迅速增大。第44頁/

22、共52頁第四十四頁，共52頁。45小結(jié)：小結(jié)：1 1、新建隧道、新建隧道(sudo)(sudo)開挖左側(cè)上臺階時，原左隧道開挖左側(cè)上臺階時，原左隧道(sudo)(sudo)右邊墻的爆破震動速度最大，最大爆破震動速度分別為右邊墻的爆破震動速度最大，最大爆破震動速度分別為15.57cm/s15.57cm/s、20.76cm/s20.76cm/s、25.95cm/s25.95cm/s和和31.14cm/s31.14cm/s時，二次襯時，二次襯砌迎爆面達(dá)到動極限強度（砌迎爆面達(dá)到動極限強度（3.30MPa3.30MPa）和動設(shè)計強度）和動設(shè)計強度（2.20MPa2.20MPa）的分布范圍分別約占隧道）

23、的分布范圍分別約占隧道(sudo)(sudo)整個二次襯砌整個二次襯砌的的1%1%和和3%3%，3%3%和和6%6%，8%8%和和15%15%，12%12%和和20%20%。2 2、隧道、隧道(sudo)(sudo)二襯爆破震動速度為二襯爆破震動速度為15cm/s15cm/s時，原左隧道時，原左隧道(sudo)(sudo)支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大平均有效應(yīng)力達(dá)到襯砌混凝土動極支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大平均有效應(yīng)力達(dá)到襯砌混凝土動極限強度和動設(shè)計強度的范圍很小，約限強度和動設(shè)計強度的范圍很小，約3%3%左右，驗證了規(guī)范控左右，驗證了規(guī)范控制值的正確性，同時可以看出，是否達(dá)到動極限強度和動設(shè)制值的正確性，同時可以看出，

24、是否達(dá)到動極限強度和動設(shè)計強度除與震速有關(guān)外還與距離計強度除與震速有關(guān)外還與距離R R有關(guān)。隨著二襯處爆破震動有關(guān)。隨著二襯處爆破震動速度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到動極限強度和動設(shè)計強度的范圍速度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到動極限強度和動設(shè)計強度的范圍由無到有，并逐漸增大。當(dāng)隧道由無到有，并逐漸增大。當(dāng)隧道(sudo)(sudo)二襯最大震動隧道二襯最大震動隧道(sudo)Vmax=20cm/s(sudo)Vmax=20cm/s時，隧道時，隧道(sudo)(sudo)二襯達(dá)到動極限強度二襯達(dá)到動極限強度和動設(shè)計強度的最大范圍分別占隧道和動設(shè)計強度的最大范圍分別占隧道(sudo)(sudo)二次襯砌的二次襯砌

25、的3%3%和和6%6%，并開始向圍巖擴(kuò)展。因此，大帽山新建隧道，并開始向圍巖擴(kuò)展。因此，大帽山新建隧道(sudo)IV(sudo)IV級圍巖段采用級圍巖段采用CRDCRD工法施工時原隧道工法施工時原隧道(sudo)(sudo)二襯二襯的爆破震動最大速度控制在的爆破震動最大速度控制在20cm/s20cm/s左右比較合適，単段最大左右比較合適，単段最大藥量控制在藥量控制在10kg10kg左右。左右。 第45頁/共52頁第四十五頁，共52頁。46III級圍巖(wi yn)段： CRD工法 先行(xinxng)導(dǎo)洞A面積為30m2左右 先行導(dǎo)洞A面積(min j)為14m2左右第46頁/共52頁第四十六頁，共52頁。47 經(jīng)過計算，采用方案一和二時，當(dāng)數(shù)值計算所施加的爆經(jīng)過計算，采用方案一和二時，當(dāng)數(shù)值計算所施加的爆破藥量達(dá)到實際藥量時，原左隧道二襯最大震動速度已達(dá)破藥量達(dá)到實際藥量時，原左隧道二襯最大震動速度已達(dá)31.00cm/s31.00cm/s，二襯達(dá)到極限強度，二襯達(dá)到極限強度(qing