客運專線黃土特大斷面隧道施工關鍵技術研究

1、客運專線黃土特大斷面隧道施工關鍵技術研究1、目的和意義鄭西客運專線隧道斷面大，開挖面積達170m2以上，隧道埋深淺，新老黃土地層常具有不同方向的構造節(jié)理，有的原生節(jié)理呈“X”形，成對出現(xiàn)，并具有一定的延續(xù)性，穩(wěn)定性差，濕陷性顯著。在隧道開挖時，土體極容易順著節(jié)理方向張開或剪斷，出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，特別是隧道開挖斷面面積大幅度增加，必然出現(xiàn)許多理論及隧道施工安全的新課題，如黃土特大斷面隧道圍巖壓力、特大斷面的分部開挖問題、隧底地基承載力不足及施工廢水的合理處理問題等。而且國內(nèi)外黃土地層特大斷面隧道工程實踐較少，可以借鑒的工程經(jīng)驗很少，因此結合鄭西客運專線隧道工程，評價黃土大斷面隧道結構物的安全性，在工

2、程實踐中開展快速、安全施工技術研究，具有重大的理論意義和重大工程實用價值。2、主要研究內(nèi)容2.1 黃土特大斷面隧道測試試驗與分析研究(1)現(xiàn)場測試試驗圍巖內(nèi)部位移與錨桿軸力測試；支護變形、應力、壓力測試；襯砌變形、應力、壓力測試。(2)黃土物理力學性能室內(nèi)試驗包括：強度、含水量、彈性模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、濕陷性等。2.2 黃土特大斷面隧道施工變形機制與位移管理基準研究(1)濕陷性黃土工程特性及變形力學機制；(2)黃土特大斷面隧道極限位移、預留變形量、二襯施作時機等位移管理基準。2.3 黃土特大斷面隧道合理支護形式研究(1)隧底濕陷性黃土處理技術；(2)合理錨桿形成與參數(shù)；(3)合理支護、結構

3、形式與參數(shù)。2.4 黃土特大斷面隧道結構安全性研究(1)黃土地層特大斷面隧道圍巖壓力或隧道結構荷載的確定；(2)特大斷面多分部施工對隧道穩(wěn)定性的影響；(3)黃土特大斷面隧道結構安全性綜合評價。3 主要研究方法3.1 黃土特大斷面隧道測試試驗與分析研究(1)選擇有代表性區(qū)段作為試驗段工程，開展隧道變形、圍巖內(nèi)部位移、錨桿軸力、圍巖壓力、支護應力、二襯接觸壓力和二襯應力的試驗測試，上述各項測試的測點布置如圖1所示。對非試驗段各隧道施工位移監(jiān)測進行統(tǒng)一管理，綜合分析黃土隧道位移特征。(2)選擇有代表區(qū)段取樣，開展黃土結構特征微觀分析，并進行強度、彈性模量等物理力學性能室內(nèi)試驗。3.2 黃土特大斷面隧

4、道變形機制與位移管理基準研究(1)黃土微觀結構決定了黃土的基本性能，受隧道開挖、支護施工過程的影響，隧道周邊的黃土(圍巖)應力重分布應力路徑、應力形式的改變，特別在地下水的影響，與一般巖體相比較，將形成不同的洞室變形與圍巖應力釋放特征。這種洞室力學效應下的黃土工程特性研究，以掌握黃土隧道的變形力學機制。(2)隧道設計、施工規(guī)范中均列有鐵路單、雙線隧道施工極限位移和隧道穩(wěn)定性判別標準。眾所周知，隧道位移與圍巖性質(zhì)、洞室大小、支護參數(shù)及施工方法緊密相關，對黃土、客專雙線特大斷面隧道應建立自身的隧道極限位移。利用實際的黃土圍巖物理力學參數(shù)，隧道埋深、斷面支護參數(shù)及施工方法實際，進行隧道極限位移的計算

5、模擬。根據(jù)計算模擬值、實測值及安全度，以及黃土隧道實際的變形、壓力特征，綜合確定黃土隧道極限位移、預留變形量、二襯施作時機位移管理基準。3.3 黃土特大斷面隧道合理支護形式(1)現(xiàn)行規(guī)范中隧道結構荷載是建立在工程實踐統(tǒng)計基礎之上，主要來源于傳統(tǒng)鐵路單、雙線隧道，根據(jù)開挖跨度外延后得到的特大斷面隧道圍巖壓力與實際情況將會有相當大的出入。黃土地層，特別是新黃土地層，因其獨特的力學特性，將會使作用在特大斷面隧道結構上的荷載量值及分布規(guī)律與常規(guī)斷面隧道有很大差別。對典型黃土地層、典型隧道斷面，采用埋設壓力傳感器對作用在隧道結構上的荷載進行現(xiàn)場測試，也統(tǒng)計分析的方法得到黃土地層特大斷面隧道圍巖壓力的量值

6、大小及分布規(guī)律，提出黃土特大斷面隧道的結構形式。(2)由于黃土地層特有的穩(wěn)定性差的力學特性，特別是在特大斷面隧道施工中為保證圍巖穩(wěn)定性，必須采用多分部施工方法，采用相應的臨時支護結構。在多分部的施工過程中，臨時支護結構體系的力學轉換過程異常復雜，必須保證臨時支護結構拆除過程中隧道的穩(wěn)定性，為此采用現(xiàn)場量測結合束之模擬的方法來研究特大斷面隧道施工的多分部開挖對隧道結構的安全性影響。(3)高速鐵路隧道高標準的要求，支護作為結構的一部分，傳統(tǒng)的強度等級、鋼筋保護層厚度不能滿足結構耐久性要求；大斷面分部施工支護結構應力轉換過程復雜。因此，利用綜合試驗和計算分析結果，結合結構耐久性要求，提出黃土特大斷面

7、隧道支護的合理設計參數(shù)。3.4 黃土特大斷面隧道結構安全性研究(1)黃土地層，特別是濕陷性黃土地層，應特別注意施工廢水的處理。與一般濕陷性黃土地基處理措施不同，洞內(nèi)隧底濕陷性黃土處理不僅要提高地基承載力，更重要的是保護黃土圍巖，阻止地下水及洞內(nèi)水滲入土層。因此，考慮到黃土特有的物理特性，優(yōu)化選擇合適的地基加固措施，保證隧道穩(wěn)定性。(2)黃土地層自身的錨固力低，錨管注漿存在軟化黃土問題，在黃土隧道中應研究全長膨脹式錨桿形式及其相應施工技術。結合鄭西客運專線黃土地層大斷面隧道施工，在現(xiàn)場進行錨管注漿漿液配方試驗，進行錨管拉力試驗，為設計提供可靠依據(jù)。(3)隧道是圍巖與支護、結構的綜合體，隧道的安全

8、性對不同施工階段應有不同的內(nèi)容和意義。高地應力軟巖區(qū)段，圍巖軟弱，隧道支護較厚、剛度較大，個別支護截面混凝土開裂或破損，支護結構仍然可繼續(xù)承載。確定支護后隧道的穩(wěn)定性可以支護極限狀態(tài)為準，即一旦支護失穩(wěn)，圍巖失去支護抗力也將迅速失穩(wěn)，導致支護隧道的失穩(wěn)。受圍巖約束的支護結構為拱形超靜定結構，當屈服截面?zhèn)€數(shù)多到使超靜定結構時為結構的極限狀態(tài)；支護鋼筋混凝土截面屈服以“鉸”的塑性轉動來定義。根據(jù)支護施作時機、支護封閉時機、隧道開挖后彈性位移分析，實測圍巖壓力和支護位移特征分析，綜合確定圍巖應力釋放系數(shù)，以圍巖與支護的綜合體進行穩(wěn)定安全性評價。在復合式襯砌設計中，二次襯砌原則是不受力的，即等待初期支

9、護變形基本穩(wěn)定后再施作二次襯砌。在下列特殊情況下，應適時施作二襯，分擔部分圍巖荷載，使隧道體系趨于穩(wěn)定，即：有較大土壓、水壓作用；或因擾動和相鄰施工等環(huán)境變化而產(chǎn)生附加荷載；或在膨脹性圍巖、擠入性圍巖變形長時間持續(xù)不穩(wěn)定；或地壓有偏壓等。為提高襯砌結構的安全性，在本工程高地應力軟弱圍巖區(qū)段，應盡量減少二襯分擔圍巖荷載的比例。即重點通過改善洞室形狀、提高支護強度與剛度、確定合理的二襯支護時機。襯砌結構與支護之間存在防水層，其厚度也較大，襯砌后的隧道安全性以襯砌自身的安全性為準。受圍巖約束，二襯結構也為拱形超靜定結構。為提高結構耐久性，遵守隧道規(guī)范的有關規(guī)定，以任一截面的開裂或屈服定義為整體襯砌結

10、構的極限狀態(tài)。根據(jù)實測圍巖壓力和二襯接觸壓力的關系以及壓力、變形特征，確定二襯實際圍巖壓力分擔比例；根據(jù)規(guī)范荷載、實測圍巖壓力荷載，對襯砌結構安全性進行綜合評價。4 預期目標、成果形式及主要技術指標4.1 預期目標(1)掌握黃土的工程特性和特大斷面黃土隧道變形機理；(2)使黃土特大斷面隧道斷面形式、支護形式與參數(shù)、基底加固方法等技術上可行、經(jīng)濟上合理、方便施工和隧道穩(wěn)定。(3)形成黃土特大斷面隧道的位移控制技術與位移管理技術；(4)確保結構長期穩(wěn)定和安全。4.2 成果形式(1)、提交階段性和結題研究報告；(2)、發(fā)表研究論文、申報科技進步獎。4.3 主要技術指標(1)提出新、老黃土和濕陷性黃土

11、合理的的物理力學設計計算參數(shù)；(2)通過試驗段位移、應力和壓力測試試驗，給出：隧道變形最終估計值、時態(tài)曲線、變形與施工步驟的關系等變形特征；錨桿軸力、圍巖壓力、結構應力等應力分布、時態(tài)曲線、與施工步驟的關系，豎直壓力與水平壓力、圍巖壓力與二襯接觸壓力關系等應力特征。(3)給出黃土特大斷面隧道極限位移和隧道穩(wěn)定性位移判別準則；(4)給出黃土特大斷面隧道支護、結構安全性評價方法及安全性評價。5 前期工作基礎(1)獲獎項目序號成果名稱參加/主持獲獎名稱、等級、時間1城市松散含水地層中復雜洞群淺埋暗挖法施工技術研究參加國家科技進步二等獎(2001)2聚丙烯纖維網(wǎng)濕式噴射混凝土襯砌研究主持河北省科技進步

12、三等獎（2003）3隧道穩(wěn)定性位移判別準則主持鐵道部科技進步二等獎（1999）4水平鉆孔旋噴機研制及加固技術研究主持河北省科技進步三等獎（2001）5隧道水平旋噴機預支護加固技術及變形量測主持中國鐵道學會科學三等獎（2001）6高寒、高海拔、凍土隧道洞內(nèi)施工環(huán)境控制技術主持河北省科技進步二等獎（2004）7軟流塑狀淤泥質(zhì)地層建筑物下地鐵隧道綜合施工技術參加山東省科技進步二等獎(2004)8高原嚴寒條件下橋梁高墩成套快速施工技術參加青海省科技進步一等獎(2004)9東秦嶺特長隧道出口段平導快速施工綜合技術參加天津市科技進步三等獎(2003)(2)科研項目項目、課題名稱(下達編號)項目來源項目起訖

13、時間負責人(姓名、專業(yè)技術職務)科研經(jīng)費(萬元)目 前 承 擔 的 科 研 項 目 的 經(jīng) 費 合 計462青藏線風火山隧道施工通風技術及施工溫度場控制鐵道部攻關計劃2001-2004朱永全教授74.91北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結構設計方法研究北京地鐵管理公司2004-2006朱永全教授45含水淤泥質(zhì)地層城市過街道淺埋暗挖施工技術方案中國鐵道建筑總公司2004-2005朱永全教授70烏鞘嶺隧道嶺脊斷復雜應力變形控制研究鐵道部攻關計劃2004-2006朱永全教授165(3)發(fā)表論文序號論文名稱作者署名次序發(fā)表日期發(fā)表刊物、會議名稱三大檢索收錄情況Use of jet grouting techni

14、que in treating large deformation of tunnel孫星亮(1)2001Geotechnical Engineering Meeting Societys Needs, Vol. 1 and 2, Proceedings of the 14th Southeast Asia Geotechnical Conference (Hong Kong December 2001)ISTP檢索自適應時序模型在地下工程位移預報中的應用孫星亮(1)2004巖石力學與工程學報運營條件下鐵路橋梁的墩臺基礎加固孫星亮(1)2004土工基礎Analyses on junction

15、line construction of Beijing subway劉勇(1)2001Soft soil Engineering3rd International Conference on Soft Soil EngineeringISTP檢索Analysis of the blasting vibration effect for continuous-double-arch tunnel劉勇(1)2001Frontiers of rock mechanicsand sustainable development in the 21st centuryISTP檢索Simulation a

16、nd monitoring of middle pilot safety of linked-arch tunnel under blasting劉勇(1)2004Progress in Safety science and technologySCI檢索A new practice of NATM in construction of a railway tunnel馮衛(wèi)星(1)2001Frontiers of rock mechanicsand sustainable development in the 21st centuryISTP檢索Analysis of limit displa

17、cement for un-lined tunnel張素敏(1)2000Progress in safety science and technology, 2nd International Symposium on Safety science and TechnologyISTP檢索Application of Auto-adaptive Model to Displacemeng Forecasting in Underground Engineering張素敏(1)2001Geotechnical Engineering in soft Ground(proceedings of t

18、he regional conference on geotechnical aspects of underground construction in soft ground)隧道上臺階極限位移計算模擬張素敏(1)2003石家莊鐵道學院學報一種應用損傷力學判別巖體穩(wěn)定性的方法張素敏(1)2003全國巖土與工程學術大會論文集收斂約束原理在隧道位移穩(wěn)定性判據(jù)中的應用張素敏(1)2004鐵道標準設計隧道圍巖特性曲線數(shù)值模擬與分析張素敏(1)2004巖土力學EI檢索Comparative analysis of limit displacements for tunnels at unlined

19、and primary support stages張素敏(1)2004Rock mechanics and mining scinecesSCI檢索The split-tube multople-point borehole extensome王海亮(1)2000Progress in safety science and technology, 2nd International Symposium on Safety science and TechnologyISTP檢索Study on the yieldable support with overlapped Ishaped ste

20、el王海亮(1)2000Progress in safety science and technology, 2nd International Symposium on Safety science and TechnologyISTP檢索Ground vibration caused by tunnel construction王景春(1)2000Progress in Safety Science and Technology, 2nd International Symposium on Safety science and TechnologyISTP檢索用隧道圍巖站立時間確定復合式

21、襯砌的荷載分配莫勛濤(1)2001巖石力學與工程學報EI檢索聚丙烯纖維網(wǎng)噴射混凝土性能和襯砌試驗朱永全(1)2004巖石力學與工程學報隧道穩(wěn)定性位移判別準則朱永全(1)2001中國鐵道科學Cause and Characteristic of large deformation of soft rock tunnel support朱永全(1)2001Proceedings of the regional conference on geotechnial aspects of underground construction in soft ground大伙房水庫輸水隧洞TBM安裝洞室穩(wěn)定性

22、分析朱永全(1)2003石家莊鐵道學院學報一個基于穩(wěn)定流理論的干擾井群計算實例劉志春(1)2001石家莊鐵道學院學報井點降水引起地面沉降的簡便計算方法研究及應用劉志春(1)2001石家莊鐵道學院學報城市地下工程施工與地下水滲流引起地面沉降的分析及預測劉志春(1)2003國防交通工程與技術松散含水地層緊鄰建筑物大斷面淺埋洞室綜合施工技術劉志春(1)2003鐵道標準設計北京地鐵王府井站西南風道排水方案設計與施工劉志春(1)2003建井技術南京地鐵珠江路站鼓樓站區(qū)間監(jiān)控量側數(shù)據(jù)分析劉志春(1)2004石家莊鐵道學院學報任意排列的承壓潛水完整型干擾井群計算理論及應用劉志春(1)2004巖石力學與工程學

23、報青藏鐵路風火山隧道洞內(nèi)外溫度實測與分析劉志春(1)2004鐵道標準設計東秦嶺特長隧道平行導坑快速施工組織管理與進度統(tǒng)計分析劉志春(1)2004石家莊鐵道學院學報淤泥質(zhì)地層地鐵隧道施工地表沉降預測及分析劉志春(1)2005巖土力學多年凍土樁基溫度場研究李文江(1)2004鐵道標準設計大伙房輸水隧洞TBM安裝洞室穩(wěn)定性及施工動態(tài)分析李文江(1)2004建井技術淺埋、軟土隧道穿越鐵路站場施工效應分析李文江(1)2004石家莊鐵道學院學報鐵路站場下暗挖隧道地表沉降基準研究李文江(1)2005巖土力學Application of Auto-adaptive Model to Displacement

24、Forecasting in Underground Engineering孫星亮(1)2001Geotechnical Engineering in soft Ground(proceedings of the regional conference on geotechnical aspects of underground construction in soft ground)國內(nèi)外水平旋噴注漿加固技術的應用發(fā)展孫星亮(1)2001探礦工程水平旋噴固結體力學性能試驗及分析孫星亮(1)2003巖石力學與工程學報水平旋噴預支護技術在鐵路隧道中的應用孫星亮(1)2002巖石力學與工程學報自適

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