分岔隧道設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

1、分岔隧道設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告簡(jiǎn)本1.項(xiàng)目差不多情形滬蓉國(guó)道主干線湖北省境內(nèi)宜昌至恩施段高速公路為我國(guó)最早規(guī)劃的“兩縱兩橫”國(guó)道主干線中的最后還未貫穿路段。于2004年5月全面開工建設(shè)，工程將于2007年底全面建成。由于該工程穿過的區(qū)域多為崇山峻嶺的山區(qū)，地勢(shì)地質(zhì)條件極為復(fù)雜，在工程建設(shè)中遇到了前所未有的難題。為適應(yīng)多變的地勢(shì)和地質(zhì)條件，隧道設(shè)計(jì)中采納新的結(jié)構(gòu)型式分岔隧道：即一端洞口為四車道大拱，另一端洞口為上下行分離隧道。宜昌至恩施段設(shè)置分岔隧道的要緊緣故是：一方面為了跨過四渡河、支井河等高深峽谷型河流，橋梁?jiǎn)慰卓缍染?00米以上，左右幅橋均必須建筑為整體型式，另一方面由于橋梁緊接隧道，

2、兩者之間缺少足夠的過渡路基，因此緊鄰橋梁一端的洞口必須設(shè)置為連拱隧道甚至四車道大拱，而橋梁兩端的隧道又較長(zhǎng)，全部隧道設(shè)置為連拱隧道又不太經(jīng)濟(jì)，在隧道內(nèi)有必要將左右洞室逐步分離，如此就形成了分岔隧道。分岔隧道是在復(fù)雜地勢(shì)地質(zhì)條件下建設(shè)高速公路山嶺隧道的大膽創(chuàng)新，不僅大大拓寬了山區(qū)公路隧道工程的設(shè)計(jì)理念，而且使公路淺埋大跨隧道的設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)得到了較大提升和進(jìn)展。通過數(shù)值模擬、室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)和工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法，對(duì)分岔式隧道的施工工法、巖柱厚度、襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)、支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠度以及考慮隧道局部循環(huán)風(fēng)阻礙的流體動(dòng)力學(xué)以及通風(fēng)工藝等方面進(jìn)行深入細(xì)致的研究，提出切實(shí)可行的工程技術(shù)措施和隧道穩(wěn)固性

3、評(píng)判體系保證工程的長(zhǎng)期穩(wěn)固性。同時(shí)還編制了分岔隧道的設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南，重點(diǎn)依靠八字嶺、廟婭和漆樹梢分岔隧道開展研究，其中八字嶺隧道是研究重點(diǎn)，自2004年4月開始至2007年6月止，歷時(shí)3年。2.依靠工程實(shí)施情形巴東3540面線型左mR=9000m2八字隨道位于宜昌市 縣境內(nèi)，起訖樁號(hào)左線（ZK96+7淺接直線線為在儡集"R=2500mlOl的為接右./隹緋蝴mlF 1H4%式清廳H，K96+730 K100+290,長(zhǎng) 356圖1八字嶺分岔隧道示意圖3 .要緊研究?jī)?nèi)容按照分岔隧道設(shè)計(jì)與施工的特點(diǎn)，本課題結(jié)合八字嶺隧道，共分成三個(gè)專題進(jìn)行研究，重點(diǎn)具體研究?jī)?nèi)容如下：專題一：分岔隧道設(shè)

4、計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)、模型試驗(yàn)、非線性有限元數(shù)值分析等方法，研究四車道大拱隧道、連拱中隔墻、小凈距巖柱的最小寬度及圍巖的支護(hù)參數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)。專題二：分岔隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究通過模型試驗(yàn)、非線性有限元數(shù)值分析等方法，研究四車道大拱隧道、連拱隧道、小凈距隧道的合理施工方法，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋分析和數(shù)值分析，提出八字嶺隧道的合理工法和操縱圍巖振動(dòng)的爆破參數(shù)。專題三：近距離雙洞隧道洞口空氣相互阻礙研究通過室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和三維數(shù)值仿真等方法，研究近距離雙洞隧道洞口空氣相互阻礙以及減小近距離隧道通風(fēng)相互阻礙的工程技術(shù)措施。4 .要緊研究成果提出公路分岔隧道的新型結(jié)構(gòu)型式，豐富和完善

5、了高速公路線形布置方案，為山區(qū)高速公路規(guī)劃提供新的思路，對(duì)節(jié)約土地資源、節(jié)能、工程投資等方面具有明顯效益。通過體會(huì)類比和數(shù)值運(yùn)算的方法，提出分岔隧道在不同圍巖條件下的最優(yōu)施工工序。對(duì)四車道大拱的V級(jí)圍巖，建議采納留巖柱方案，田級(jí)和IV級(jí)圍巖建議采納上下臺(tái)階法或多步開挖方案，n級(jí)圍巖則建議采納全斷面一次開挖的方式。對(duì)連拱隧道的II級(jí)圍巖，建議采納三導(dǎo)洞法，IV級(jí)圍巖采納三導(dǎo)洞法，田級(jí)圍巖采納中導(dǎo)洞全斷面法。II級(jí)圍巖，采納中導(dǎo)洞全斷面法。對(duì)小間距隧道的v級(jí)圍巖，建議采納上下臺(tái)階與正向側(cè)壁導(dǎo)坑組合法，IV級(jí)圍巖采納上下臺(tái)階與正向側(cè)壁導(dǎo)坑組合法。it二晚患雌斷面爆破港。,并將上述巖最小主應(yīng)IPa)M

6、t中：Mt中-LT.iJlCijt£i4tb<lLhjl-4Tri*MhB1iIhffiTlk*t.ND1li>ELU=UQr：圖5小間距和連拱過渡段巖柱塑性區(qū)分布圖按照體會(huì)類比法提出的不同圍巖級(jí)不下的大拱、連拱和小間距隧道的施工工法。通過對(duì)大拱、連拱、小間距隧道以及大拱和連拱過渡段與連拱和小間距過渡段的三維數(shù)值運(yùn)算，大拱段隧洞開挖后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)較好，頂拱處圍巖僅顯現(xiàn)微小的拉應(yīng)力區(qū)，隧洞底板圍巖在開挖終止時(shí)有較大的拉應(yīng)力，因此建議開挖仰拱后施作仰拱襯砌；隧洞圍巖產(chǎn)生的位移也不大，頂拱處位移最大時(shí)不到3mm;施作的中隔墻和二次襯砌應(yīng)力水平并不高，中隔墻本身未顯現(xiàn)塑性區(qū)，建

7、議設(shè)計(jì)采納無中隔墻方案；該方案在八字嶺工程隧道大拱中應(yīng)用。按照小間距段巖柱間塑性區(qū)貫穿的情形錨桿可采納對(duì)穿預(yù)應(yīng)力錨桿，以增強(qiáng)此圍巖區(qū)域的應(yīng)力水平，抗擊圍巖過大變形，田級(jí)圍巖建議最小巖柱厚度為2.5m,IV級(jí)圍巖的最小巖柱寬度能夠考慮為4.0m。按照八字嶺分岔隧道的現(xiàn)場(chǎng)頂拱下沉、收斂、錨桿軸力和多點(diǎn)位移計(jì)以及襯砌和圍巖的監(jiān)測(cè)結(jié)果，采納基于損害力學(xué)的裂隙巖體本構(gòu)模型，能更真實(shí)地反映工程中的裂隙巖體的力學(xué)行為。該模型能夠較好地反應(yīng)節(jié)理裂隙巖體的材料性能劣化、剛度退化及損害累積過程等。并采納等效損害力學(xué)效應(yīng)的方法，對(duì)相應(yīng)的裂隙巖體的受力變形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，還將混合慳模擬退火算法嵌入'BP神

8、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，使得這種改進(jìn)BP網(wǎng)絡(luò)，不僅具有叔大的非線性靠近能力，同時(shí)具有可觀的全局尋優(yōu)的能力、并利用它對(duì)分岔隧道圍巖H數(shù)進(jìn)行反演分析。運(yùn)算結(jié)I策表明：八字嶺分岔隧遒圈輯廊間距段的圍巖力學(xué)特弱于卡段眸底演分析的運(yùn)m 0.00 A吻合,第0吉果和工程5-2場(chǎng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果性要比較第 0.50降 1.00沉 1.50苗 2.00同6現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)日期（日）圖7八字嶺分岔隧道ZK100+190斷面拱頂沉降時(shí)程曲線在爆破作用下，連拱段中隔墻及上部巖體和隧道兩側(cè)拱角及邊墻是要緊危險(xiǎn)區(qū)。連拱段在臺(tái)階法開挖過程中，下臺(tái)階的底板眼爆破時(shí)，爆破震動(dòng)最大，這與運(yùn)算結(jié)果相吻合。臺(tái)階法施工新建隧道時(shí)，下臺(tái)階開挖爆破震動(dòng)對(duì)既有隧

9、道穩(wěn)固性的阻礙比上臺(tái)階大。連拱段爆破時(shí)，建議IV級(jí)圍巖上臺(tái)階開挖爆破最大單段裝藥量為4.0kg,下臺(tái)階為6.0kg;建議田級(jí)圍巖上臺(tái)階開挖爆破最大單段裝藥量為4.8kg,下臺(tái)階為7.0kg。小間距段爆破開挖時(shí)，既有隧道襯砌在爆破產(chǎn)生的地震波作用下，應(yīng)力值將會(huì)產(chǎn)生專門大改變。迎爆側(cè)應(yīng)力狀態(tài)比背爆側(cè)高。關(guān)于迎爆側(cè)來講，襯砌內(nèi)側(cè)與外側(cè)的應(yīng)力值也會(huì)有差不，由運(yùn)算結(jié)果可知，迎爆側(cè)襯砌內(nèi)側(cè)的主應(yīng)力比襯砌外側(cè)大。隨著小間距的增大，兩隧道遠(yuǎn)側(cè)邊墻底部的壓應(yīng)力集中逐步減小，而中央巖柱底部的壓應(yīng)力集中值持續(xù)增大。建議小間距段IV級(jí)圍巖不采納全斷面開挖施工方法，田級(jí)圍巖在全斷面開挖的情形下，最小間距為2.5m。對(duì)爆

10、破震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回來分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果與田級(jí)圍巖數(shù)值運(yùn)算結(jié)果相吻合，因此這兩個(gè)公式今后可用于指導(dǎo)田級(jí)V 172(Q，)1644V 191(Q34 )1.48R圍巖的施工垂直向水平向設(shè)計(jì)分岔隧道三維模型試驗(yàn)架，研究分岔隧道大拱與連拱過渡段、連拱與小間距隧道過渡段的圍巖力學(xué)特性，模型試驗(yàn)結(jié)果表明：分岔段隧道開挖對(duì)掌子面前方的擾動(dòng)阻礙大約為35倍的洞徑范疇，阻礙程度沿開挖方向向前逐步減弱。同時(shí)由于開挖掌子面的空間約束效應(yīng)，掌子面對(duì)其后方已開挖隧洞的洞圉變形通（|山，|法效應(yīng)沿M掌子面的后方方向逐步減弱，因'此施工中，應(yīng)充分利用這一特點(diǎn)，為增加圍巖穩(wěn)固，在隧油1巖進(jìn)行，期;噴車*:護(hù)。圖8三維

11、模型試驗(yàn)架,圖9大拱-連拱過渡段模型圖圖10洞周光纖光柵應(yīng)變傳感器埋設(shè)不同進(jìn)排風(fēng)速度隧道的混風(fēng)過程的三維數(shù)值模擬，得到循環(huán)風(fēng)的強(qiáng)弱取決于排風(fēng)隧道風(fēng)速、進(jìn)風(fēng)隧道風(fēng)速和相鄰隧道的間距。其定量關(guān)系能夠用下式表示：Q 0.216 15.5e”3VaV排2.1式中：Q近距離隧道通風(fēng)相互阻礙程度，D一隧道間距;V進(jìn)、V一進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)速。在進(jìn)風(fēng)風(fēng)速一定時(shí)加大排風(fēng)風(fēng)速，混入進(jìn)風(fēng)隧道的污風(fēng)將迅速減少，反之在排風(fēng)風(fēng)速一定時(shí)加大ri*7進(jìn)風(fēng)6« 同時(shí)5 40 改變。混入30 一二，隧道間麗 4技工。差不多不娓皿1的污風(fēng)迅速增加,發(fā)生“混風(fēng)的比j ，風(fēng)隧道排出三皆d 隧道間距大于10ml 卜岔隧道若不修建橫洞

12、，力排風(fēng)速可不能K3w-比例入量將達(dá)0016%：2.2 0.40.60.81.01.21.41.61.82.%林.污風(fēng)混入比例與進(jìn)，千 .里論值一現(xiàn)線圖（間距 0.6m）重 80i1切場(chǎng)速度云40.排風(fēng)速度同為5m.隧道間距0.6m,洞口流120201400無擋墻理論值三維隧嚼I科模型試驗(yàn)Vlhpi混80060圖1540隧道間距2,5m時(shí)混風(fēng)量與（V20011L圖16漆樹梢隧道循環(huán)段試驗(yàn)3圖17無擋墻時(shí)通風(fēng)相互阻礙理論值、模型試驗(yàn)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比圖隧道錯(cuò)開出躍履足夠空間1、圖18錯(cuò)開隧道口三個(gè)隹落陀算糠型0.6m的情形遼錯(cuò)開段大建在提出減少循環(huán)風(fēng)相互阻礙的三大技術(shù)措施：一為錯(cuò)開隧道口，而為隧

13、道口外修建中隔墻，三維提早修建通風(fēng)橫洞排放污風(fēng)流）弓維不值再算和模型試驗(yàn)的成果均表明：排風(fēng)燧道圖19加筑中隔墻后的三維數(shù)值運(yùn)算模型編制了分岔隧道設(shè)計(jì)施工指南。部分成果差不多被納入立即出版的隧道設(shè)計(jì)細(xì)則，研究成果為修編公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范提供技術(shù)依據(jù)。5.經(jīng)濟(jì)效益分析（ 1）本項(xiàng)研究成果成功地解決了西部專門地勢(shì)和地質(zhì)條件下橋隧相連地區(qū)隧道工程設(shè)計(jì)與施工中的關(guān)鍵技術(shù)難題，豐富了高速公路線形布置形式，豐富了隧道結(jié)構(gòu)型式。（ 2）按照近距離隧道通風(fēng)相互阻礙的研究成果，提出的優(yōu)化隧道的通風(fēng)方案和減小循環(huán)風(fēng)相互阻礙的工程措施，能夠有效地降低隧道循環(huán)風(fēng)的阻礙，并對(duì)隧道通風(fēng)方案進(jìn)行變更，確保了隧道施工技術(shù)方案的安

14、全性、經(jīng)濟(jì)性和合理性。（ 3）通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析，優(yōu)化并取消了八字嶺隧道原有的三次襯砌，減小了施工周期和工程的投資；優(yōu)化小間距段巖柱厚度，及時(shí)修改有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，為分岔隧道設(shè)計(jì)和施工中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，提供了進(jìn)度和質(zhì)量雙重保證。（ 4）形成的淺埋大跨公路隧道和小間距隧道穩(wěn)固性評(píng)判方法，既豐富和完善巖土力學(xué)的運(yùn)算理論和方法，又可直截了當(dāng)為國(guó)內(nèi)外同類工程借鑒，具備了良好的應(yīng)用前景，為我國(guó)西部交通事業(yè)可連續(xù)進(jìn)展、交通學(xué)科進(jìn)展和人才培養(yǎng)方面產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。三次襯砌的曲線，一方面能夠節(jié)約工程成本，還節(jié)約施工周期。（ 5）研究成果在依靠工程的建設(shè)中取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。不僅節(jié)約了總體工程投資，還愛護(hù)了周邊生態(tài)環(huán)境，提升了銜接橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。（ 6）累計(jì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益1億6千萬元。5.已發(fā)表的論文和依靠工程獲獎(jiǎng)?wù)n題