小净距隧道设计、施工关键技术研究

双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究报告简本——1——一.研究背景西部广大地区地形、地质条件复杂，山岭区公路建设中遇到大量的隧道工程。因地形条件限制、路线总体线形要求或特殊的桥隧相连等情形，双洞隧道左右线间距往往不能达到规范要求，通常需要采用小净距或连拱等特殊隧道结构型式。相对连拱隧道而言，小净距隧道因其工程风险较小、造价相对较低等优点，有逐步得到广泛应用的趋势。“双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究”为2003年度交通部西部交通建设科技项目，项目研究针对小净距隧道设计与施工中存在的重点、难点技术问题开展研究工作，以期推动小净距隧道设计施工技术的成熟化，促进小净距隧道技术工程应用，取得良好的社会、经济效益。二.研究目标与内容项目研究目标为：针对Ⅲ～Ⅴ级围岩，对双车道双洞小净距(1B以下,B－隧道开挖宽度)隧道设计、施工关键技术进行系统研究。提出可供设计与施工应用的小净距隧道标准断面和标准设计，编制双洞小净距隧道设计与施工指南、规程或工法标准。同时，提高西部交通科技水平，培养西部交通科技人才。针对研究目标，项目拟定了五个方面的研究内容：(1)小净距隧道中岩墙加固判定标准及方法研究(2)小净距隧道主体结构设计参数的研究(3)小净距隧道的合理施工方法研究(4)小净距隧道爆破振动对相邻隧道及围岩稳定性影响的研究双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究报告简本——2——(5)现场监控量测管理体系、监控基准及安全保证体系研究三.技术路线与研究手段根据拟定的研究内容，本课题在对文献收集、现场调查分析的基础上，采用室内相似模型试验、理论分析与数值模拟计算、现场试验等多种研究手段综合进行。同时，将课题研究与依托工程的实施紧密结合，实现研究成果的应用和验证。本课题研究的技术路线见图1。双洞小净距隧道设计与施工关键技术研究中岩墙加固判定条件及方法研究爆破振动对围岩及邻近隧道的影响研究主体结构设计参数研究小净距隧道施工方法研究监控量测管理体系及监控基准研究■文献检索，收集有关中岩墙加固方法■对不同围岩、不同间距，拟定加固方案■文献调查，收集国内外小净距隧道爆破振动研究资料■文献调研■对不同围岩，拟定各种合理的断面型式、支护参数方案■文献调研收集国内外小净距隧道实例■施工方案初步比选■文献调研，收集国内外小净距隧道施工实例，拟定初步监控量测管理体系及监控基准数值模拟分析相似模型试验动力分析，确定控制爆破标准结构分析支护参数确定支护参数优化施工方案数值模拟模型试验验证施工方案分析模型试验、数值分析及现场试验的有关结果，拟定量测基准在依托工程设计施工中反映研究成果，确定现场试验方案确定在依托工程中实施的安全管理体系和量测项目在依托工程中进行现场试验：1.埋设量测元件2.试验段详细项目量测3.施工国产监控量测管理4.分析测试成果，验证和修正室内研究成果研究成果归纳整理：1.绘制小净距隧道设计图集2.撰写小净距隧道设计与施工指南3.撰写研究总报告图1技术路线项目主要采用如下研究手段：(1)文献与现场调研为了全面了解和跟踪国内外对小净距隧道的研究动态和进展，积累双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究报告简本——3——必要的研究基础资料，项目组通过文献检索、资料收集等方式，全面收集了公开发表的论文、研究报告等资料。同时，通过座谈、现场调研和实地考察等方式，对福建、浙江等地的小净距隧道设计和施工建设经验进行了全面深入的了解，并对收集到的资料和信息作了认真的归纳和总结吸收，编制了文献调研资料共四册。图2与福建省交通设计院同行座谈图3文献调研成果(3)室内模型试验针对研究的目的和具体内容，采取1/30的几何相似比，对模型材料进行组合遴选，按相似理论对围岩特性和物性、原始地应力场、支护结构刚度、支护时机、开挖步序以及中岩墙加固方式等进行严格的相似模拟。完成了毛洞试验系列、支护试验系列、中岩墙加固模拟试验系列、工法比选试验系列、偏压试验系列等共计44组试验内容，重点研究了不同工况条件下小净距隧道的力学特征和试验规律。双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究报告简本——4——图4模型试验台架图5衬砌模拟模型(4)数值模拟分析计算机数值模拟分析以二维分析为主体，同时采用三维分析，考虑隧道的空间效应和时间效应，并对施工爆破影响进行动力分析。主要采用有限差分法(FLAC)和有限元法(FEM)对施工开挖模式、支护结构体系、围岩稳定性、加固效果以及爆破影响等进行了数值模拟分析。共计完成二维弹性/弹塑性静力分析252组，三维静力分析20余组，二维动力分析264组，三维动力分析25组。0500100015002000250001020304050隧道纵向距离/m先行洞拱腰质点附加峰值拉应力/kPa两隧道同步推进先行隧道超前6m先行隧道超前12m先行隧道超前18m先行隧道贯通图6二维有限元分析模型图7附加峰值拉应力分布曲线双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究报告简本——5——(5)现场原位试验结合科研依托工程建设项目，根据地质情况和净距特征布设了9测试断面内容，包括地表下沉、地中位移、锚杆轴力、钢支撑内力、喷砼与二衬接触压力、位移收敛、中岩墙垂直应力、爆破震速等，在依托工程中进行了为期一年半的现场原位测试，全面系统地实测了各次开挖所引起的围岩松弛范围、初期支护结构和永久衬砌结构的实际受力状况、中岩墙应力分布规律以及爆破振动对已建隧道的影响。图8测试断面平面布置图图9断面测点布置示意图双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究报告简本——6——四.依托工程概况都(江堰)至汶(川)公路是国道317(213)线的共用段，路线起于成灌高速公路都江堰收费站石马巷，经映秀至汶川，路线全长82.5km。本研究项目选择都汶公路紫坪铺隧道小净距段为依托工程。图10依托工程——紫坪铺隧道紫坪铺隧道为双洞双车道分离式隧道，左线长4111m，右线长4081m。出口段(汶川端)左右线由普通分离式段向洞口方向逐渐靠拢，形成小净距段，与1500m长的庙子坪特大桥相接。隧道净距从21.86米渐变到3.73米，小净距段落长度共205米(见图11)。隧道埋深从121.8米渐变至5.4米；围岩级别由Ⅲ级变到Ⅴ级(见图12)。该隧道净距大小、围岩条件以及隧道埋深在小净距项目中具有较强的代表性和典型意义，为本课题提供了良好的研究基础和试验条件，同时也为课题成果的应用和验证提供了试验基地。双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究报告简本——7——图11紫坪铺隧道小净距段平面图30.14878.029.48927.8455.33881.99120.78880.41SZK9120.781001.19900880940920100098096010401020114010801060112011001160E-0.48T-124.09R-16000E-0.48T-124.09R-16000308°307°+235.00LK17ⅡⅢ+390.00Ⅳ+350.00Ⅲ汶川洞口桩号LK17+440设计高程890.27m+440.00LK17围岩级别图12紫坪铺隧道小净距段纵断面图依托工程洞口段净距小、埋深浅，且处于古滑坡体内，设计上采用预应力锚索、注浆锚杆以及抗滑桩等措施加固滑坡体，为隧道挂口进洞提供安全保障；并在洞口段净距为3.73～6.55m的30米段落，采用水平低预应力对穿式锚杆和水平φ42注浆小导管加固中岩墙；洞口段净距为6.55～8.43m的后25米段落采用水平φ42注浆小导管加固中岩墙。双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究报告简本——8——图13依托工程中岩墙加固措施在课题研究过程中，根据取得的相关研究成果，结合依托工程现场施工进度和监控量测信息反馈，课题组为项目的建设提供了及时的咨询和指导。设计单位根据有关研究结果，及时修改和变更设计工计3项，同时项目组提交了7份工作简报用于指导和纠正施工中的有关技术问题，为紫坪铺隧道小净距段的成功实施提供了技术上的保证。五.主要研究成果(1)小净距隧道的定义与分类现行《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)以及一些相关研究对小净距隧道的定义存在含糊、笼统或者不够确切问题。针对于此，本项目提出了小净距隧道、中岩墙、净距等关键专业名词术语的科学定义，对方便学术交流和规范设计行为等有重要意义。对小净距隧道依据其双洞间相互影响程度的不同，进行必要的分类，并拟定相应的工程应对措施，提供对小净距隧道的设计与施工的技术保障，规范设计与施工行为，保证小净距隧道的施工安全和工程经济性，具有重要的指导意义。本课题在综合数值分析、模型试验和现场试验三双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究报告简本——9——个方面研究成果的基础上，根据双洞间相互影响的主导因素和程度差异，提出了小净距隧道的分类依据及相应的工程处理措施。表1小净距隧道分类表围岩条件及加强措施小净距隧道分类分离式单洞A类(严重影响)B类(中等影响)C类(轻微影响)围岩级别Ⅲ≤0.375B(0.375～0.75)B(0.75～2.0)B≥2.0BⅣ≤0.5B(0.5～1.0)B(1.0～2.5)B≥2.5BⅤ≤0.75B(0.75～1.5)B(1.5～3.5)B≥3.5B加强措施中岩墙重点加固简单加固不加固按单洞设计初期支护加强加强加强按单洞设计二次衬砌加强加强不加强按单洞设计注：表中B为隧道开挖断面宽度。注：本图尺寸以m计。先行洞后行洞先行洞后行洞先行洞后行洞a)Ⅴ-30-[3]塌方至地表1231230b)Ⅳ-30-[3]联合塌落拱12312c)Ⅲ-30-[3]毛洞自稳123126.9塌方区域塌方区域图14模型试验不同围岩失稳破坏规律双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究报告简本——10——注：本图尺寸以m计。6～6.36～6.3a)Ⅴ-30-[6]塌方至地表b)Ⅴ-30-[9]双洞独立成拱c)Ⅴ-30-[12]双洞独立成拱先行洞后行洞先行洞后行洞塌方区域塌方区域塌方区域塌方区域塌方区域30129126～6.36～6.3先行洞后行洞12612121212图15模型试验不同净距失稳破坏规律(2)小净距隧道中岩墙加固技术通过理论分析，提出了中岩墙预应力锚杆的加固原理。某一埋深条件下中岩墙承受垂直应力y时，预应力锚杆通过垫板对岩壁以某一压力扩散角施加壁压x。从摩尔圆可看出，增大中岩墙壁压x，中岩墙受力状态从单向受压调整为双向受压状态，进而提高了中岩墙承载能力和稳定性。σyσxσxxminφστσyσxσ图16中岩墙预应力加固机理图示双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究报告简本——11——项目对预应力指标的合理取值问题进行了研究和分析论证，给出了中岩墙垂直应力的估算公式和预应力指标的论证分析方法，并对相关参数作了敏感性分析。图17中岩墙垂直应力理论解析针对注浆加固范围、注浆加固对塑性区的约束、注浆加固控制工艺等方面开展了系统研究，并在模型试验和现场试验中进行了相关验证，提出了中岩墙加固措施的选取原则和加固工艺控制措施。图18不同注浆范围塑性区分布规律(3)小净距隧道施工方法通过二维和三维数值模拟分析及模型试验研究验证，项目研究了小净距隧道的施工开挖方法及工况组合、掌子面的施工间距、支护体系的施作时机等关键技术问题。双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究报告简本——12——测点4测点6测点10测点13测点14测点15测点11测点12BDBⅤ-30-[3]-p（反）Ⅴ-30-[3]-p（正）注：1、H＝30m，B＝12m，D＝3m；2、为了使地中位移更加明显，绘图时将位移值放大了25倍；3、图中只标出了Ⅴ-30-[3]-p（台）的数据，单位以mm计，负值代表位移向下；4、图中位移向右代表实际位移向下。HⅤ-30-[3]-p（全）Ⅴ-30-[3]-p-257.1-285.9-283.2-285.6-339.8-304.8-363.9-355.2图19后行洞不同的施工方法的地中位移对比a)无支护b)初期支护不封闭c)初期支护封闭图20不同初期支护条件的塑性区分布综合数值模拟计算、模型试验和现场试验的研究成果，提出了小净距隧道施工措施的选取原则、小净距隧道相邻洞室掌子面合理间