城市矿山法隧道施工安全与风险控制.ppt

城市矿山法隧道施工安全与风险控制 仇文革教授西南交通大学2011年9月青岛 内容提要 一 城市隧道的基本环境特征 1 地质类型 1 土质 长三角地区等 一 城市隧道的基本环境特征 1 地质类型 2 土岩混合 土 石 上软 下硬 青岛 大连等 石 石 土 广州 深圳等 忽软忽硬 一 城市隧道的基本环境特征 1 地质类型 2 硬岩 北欧 一 城市隧道的基本环境特征 2 埋深特点普遍较浅 中国 一 城市隧道的基本环境特征 3 周边环境邻近既有建 构 筑物施工相互影响大 风险高 二 城市矿山法概述 1 全断面开挖法 l 全断面开挖 衬砌全断面一次开挖法 二 城市矿山法概述 1 全断面开挖法 适用条件1 整体性好的围岩 2 有大型施工机械 3 适于采用大型机械化配合施工 优点缺点 二 城市矿山法概述 2 台阶法 台阶法根据台阶长度不同 可划分为长台阶法 短台阶法和超短台阶法三种 二 城市矿山法概述 1 长台阶法 上台阶一般50m以上或大于5倍洞径 上下步可采用同类机械平行作业 优缺点 干扰少 机械配套 通风和测量工作简单 可进行单工序作业 但要求围岩稳定性较好 2 短台阶法 上台阶长度小于5倍大于1 1 5洞径 优缺点 可缩短仰拱封闭时间 利于开挖面稳定 但上下台阶作业干扰较大 3 超短台阶法 上台阶长度仅3 5m 适用于机械化程度不高的地段 优缺点 断面闭合较快 利于开挖面稳定 但上下台阶作业干扰很大 二 城市矿山法概述 2 台阶法 至于施工中究竟采用何种台阶法 长 短 超短 要根据以下两个条件来决定 初次支护形成闭合断面的时间要求 围岩越差 闭合时间要求越短 上断面施工所用的开挖 支护 出碴等机械设备施工场地大小的要求 二 城市矿山法概述 3 分部开挖法 分部开挖法可分为 环形开挖留核心土法 侧壁导坑法 中隔壁法 CD法和CRD法 中洞法等 二 城市矿山法概述 3 分部开挖法 环形开挖留核心土法 二 城市矿山法概述 3 分部开挖法 侧壁导坑法 单侧壁导坑法 双侧壁导坑法 返回 二 城市矿山法概述 3 分部开挖法 中隔壁法 CD法 CRD法 二 城市矿山法概述 3 分部开挖法 中洞法 在连拱隧道或分叉隧道的喇叭口地段 先开挖两洞之间的立柱 或中墙 部分 完成立柱 或中墙 混凝土浇筑后 再进行左右两洞开挖的施工 二 城市矿山法概述 4 其他一些适合于特大断面隧道开挖方法 二 城市矿山法概述 4 其他一些适合于特大断面隧道开挖方法 预衬砌法 盾构辅助法 一 隧道开挖后的围岩变形特征 一 隧道开挖后的围岩变形特征 土体移动的空间效应 横向断面地层沉降形状 一 隧道开挖后的围岩变形特征 土体分层沉降示意图 一 隧道开挖后的围岩变形特征 地层移动的时间效应 一 隧道开挖后的围岩变形特征 地层损失理论地层移动由地层损失引起 并认为地表沉陷槽的体积应等于地层损失的体积 该法的理论基础是 在隧道施工过程中产生了一定的地层损失 相当于从地层中挖去一块岩土体 形成一个空洞 从而导致上部的岩土体产生移动和变形 最终该空洞被填充 而在地表则形成体积等于空洞体积的沉降槽 一 隧道开挖后的围岩变形特征 应该说 隧道开挖后 围岩的变形是不可避免的 但是如果在开挖后及时采取有效措施 则围岩变形处于可控范围 反之 在围岩变形超过某一极限值后发生塌方 二 隧道塌方机理 二 隧道塌方机理 二 隧道塌方机理 1 有效支护2 隧道埋深选择3 曲线变轨4 各分部开挖的贡献率5 掌子面的预加固6 信息化施工 有效支护 隧道埋深选择 将隧道建在合适的深度 减小施工风险 曲线变轨 利用曲线变轨原理 根据先前监测数据预测有可能塌方时 提前改变施工方法或支护参数 使其沉降曲线改变原有轨迹 朝安全 稳定方向发展 各分部的贡献率 通过分析各分部对拱顶沉降的贡献率 做到 好钢用在刀刃上 重点控制主要块 快速施工次要块 掌子面和侧墙对某点沉降的贡献率 径向锚杆固然重要 掌子面变形引起的土体变位也不容忽视 有时掌子面前方的超前锚杆显得更为重要 如 新意法 理念就是重视掌子面前方锚杆作用 未有超前加固措施的 超前加固后 用玻璃纤维筋加固前方土体 信息化施工 作为新奥法三大要素之一的信息化施工 对于施工安全控制至关重要 信息化施工 一 基本概念 三大基本类型 1 新建工程接近既有隧道施工 2 新建隧道接近既有工程 3 两条及以上隧道近距离同期施工 一 基本概念 近接施工最主要的问题是新建工程将会对既有工程原来的稳定性产生影响 这种影响最本质的原因是由于新建工程的施工引起围岩应力状态再次重分布 从而导致一系列的力学行为变化 这种受力特征会因工程修建的时间先后关系 空间位置关系及其施工方法的不同而不同 二 近接影响分区 建筑荷载下的地基附加应力场 二 近接影响分区 单一隧道的二次应力场影响范围 二 近接影响分区 由于建筑物地基的附加应力影响和隧道开挖引起的应力重分布都是局部的 从相距的远到近 有一个应力场逐渐叠加的过程 二 近接影响分区 近接施工的影响不仅存在着局域性 而且在局部的范围内应力重分布是有梯度变化的 这也表明影响程度是不同的 因此提出近接施工影响分区及标准 二 近接影响分区 既有规范 我们认为仅适用于软土 硬岩地层评判指标 安全系数实现方法 强度折减法多工况数值模拟 安全系数计算结果 考虑相对尺度的影响 分别计算了 隧道 建筑物 相对尺寸 D B 为2 1 1 2的三种情况 对三种计算工况进行规律分析 建立影响分区如下 青岛胶州湾海底隧道接线工程应用 对于上软下硬地层 1 上面软层借鉴日本既有规范 2 下面硬层与上述计算方法同 青岛胶州湾海底隧道接线工程应用 二 对策研究 1 对既有隧道或工程采取措施 2 对新建隧道或工程采取措施 3 对既有工程和新建工程之间的围岩采取措施 硬岩 软岩有别 对于强影响区的对策研究 再来一个我们以往的案例 深圳重叠隧道 深圳地铁一期工程1号线 深圳建市以来政府投资最大的国家重点工程项目 线路全长17 39Km 设车站15座 由深圳市地铁有限公司承担建设管理 全线于2000年开工 03年完成土建施工 04年12月建成通车 2 依托工程概况 1 概述 近接施工基本概念及工程背景 2 依托工程概况 本课题 地铁重叠隧道设计与施工关键技术研究 是结合地铁1号线罗大段工程的修建进行的 罗大段工程 位于深圳罗湖区 起于深圳火车站 出火车站后往北沿人民南路 邻罗雨干渠 在嘉宾路口设国贸站 出国贸站往北穿越深南东路后进入东门商业区 在此设置老街站 与地铁3号线换乘 出站后往西沿解放路在红岭中路与深南中路交叉口西侧设大剧院站 香港特区 2 依托工程概况 罗大段线路 全长约2 8Km 含4站3区间 含桩基托换工程 土建投资约7 48亿元 由铁二院设计 由中铁隧道局等单位施工 罗湖区 人口密度 9821人 平方公里 国大段线路三站两区间长1778 6km 土建投资近5 8亿元 总体看 地层 上软下硬 上部主要为软弱的砾质粘性土和砂层 下部 局部 为强度较高的微风化层 高地下水位 地下水位埋深约3 7m 隧道位于地下水之中 土质围岩工程特性很差 花岗岩全风化层及残积土 遇水及扰动后极易软化崩解 强度迅速降低 F4断层及次生断层 破碎 围岩自稳性很差 国大区间围岩条件统计 上软下硬 段长度占总长50 0 软岩段占38 5 硬岩段占11 5 双洞重叠隧道净距小 1 6m 10 8m 全段隧道空间转换复杂 2号竖井 明挖段 6 桩基托换类型 数量多 单体规模大 难度大风险高 1 数值分析 判定标准 塑性区和最大主应力重分布的双重标准 计算系列 总共38组 见下表 1 数值分析 限于篇幅 以两洞水平进行分区判定说明 单洞开挖 净距0 5D 净距1 0D 净距1 5D 0 5D时 塑性区贯通 1 0D时 强影响区和弱影响区的分界点 1 5D时 近接影响忽略不计 1 数值分析 近接影响分区图 1 数值分析 近接影响分区图 1 数值分析 3重叠隧道设计与施工技术 1 重叠隧道设计分段2 重叠隧道施工顺序3 重叠隧道工作面合理间距4 不同洞型空间转换方法 主要内容 1 数值模拟 计算模型 模型概述 重点分析重叠及交错隧道段 纵向范围为CK2 360 CK2 390单洞双层段30m CK2 390 CK2 560双洞段170m 共长200m 隧道断面范围为80m 宽 75m 高 整体模型图 典型断面图 隧道结构图 研究方法 2 模型试验 试验模型 概述 围岩为V级 施工顺序为 先上后下 考察开挖下洞对上洞衬砌的影响 整体模型图 衬砌试件 研究方法 1 重叠隧道设计分段研究 1 深圳重叠隧道近接度分区 按照深圳地铁重叠线路隧道实际洞型分布形态 得出该工程两隧道近接影响程度判定结果 1 深圳重叠隧道近接度分区 与日本铁路隧道近接度分区标准相比 在下半空间范围内接近 其它范围有所差异 1 重叠隧道设计分段研究 2 深圳重叠隧道近接影响分段 双洞重叠隧道相互影响情况分段表 1 重叠隧道设计分段研究 3 深圳重叠隧道分段设计参数确定 当左线隧道位于右线隧道下45 区 且两隧道净距小于1 0D时 设计支护参数加强两级 当左线隧道位于右线隧道上45 区 且两隧道净距小于1 0D时 设计支护参数加强两级 当左线隧道位于右线隧道上45 区 且两隧道净距小于1 5D时 设计支护参数加强一级 当左线隧道位于右线隧道上45 区 且两隧道净距大于1 5D时 按一般单线隧道设计 1 重叠隧道设计分段研究 3 综合结论 不同研究方法结果比较表 工1与工2均满足规范要求 级围岩 数值分析与模型试验的结论一致 即工1最优 上部 级下部 级围岩 工2最优 级围岩 工2最优 2 重叠隧道施工顺序研究 3 重叠隧道工作面合理间距研究 分析方法 数值模拟 模型试验 施工方案 工1 先上后下 工2 先下后上 围岩条件 上下洞V级 上下洞 级 2 深圳地铁不同洞型空间转化采用方案 经过综合论证 深圳地铁老大区间重叠隧道采用了方案 成功地解决了不同洞型空间转换的问题 4 重叠隧道不同洞型空间转化技术 2号竖井位置 0 52 1 20 5 重叠隧道技术总结 提出了浅埋暗挖法施工两隧道的近接度标准 根据该标准 将深圳地铁重叠隧道分为三段 即强影响段 弱影响段和无影响段 根据该分段进行了相应支护参数设计 即强影响段支护设计加强两级 弱影响段加强一级 无影响段则按一般隧道设计 确定了重叠隧道施工顺序 即 在软弱围岩条件下 采用 先上后下 在上软下硬和硬岩条件下 采用 先下后上 确定了重叠隧道各工作面合理间距 即 在软弱和上软下硬围岩条件下 后建隧道掌子面与先建隧道的二次衬砌工作面之间的合理间距应大于6D 在硬岩条件下 则应大于5D 比选了重叠隧道不同洞型空间转换方法 即 采用暗挖法时 以单洞双层隧道向双洞重叠隧道施工为宜 采用明挖法时 在洞型转变处设置一竖井 向两个方向掘进施工 难度最小 4单洞双层隧道设计与施工技术 边墙高度小于或者等于13m 采用一般支护措施边墙高度大于13m 采用加强支护措施 1 单洞双层隧道设计 以信息化施工管理为核心