隧道改扩建关键技术问题的探讨实用教案

1、1一、研究背景一、研究背景二、隧道改扩建形式二、隧道改扩建形式三、隧道改扩建的主要技术难点三、隧道改扩建的主要技术难点四、隧道原位扩建形式研究四、隧道原位扩建形式研究 五、临近隧道爆破震动合理五、临近隧道爆破震动合理(hl)(hl)控制震速的研究控制震速的研究报告报告(bogo)内容内容第1页/共52页第一页，共52页。2一、研究一、研究(ynji)背景背景第2页/共52页第二页，共52页。3p现有双向四车道乃至双向六车道公路隧道现有双向四车道乃至双向六车道公路隧道已不能适应交通量日益增长的需求，在原有已不能适应交通量日益增长的需求，在原有公路隧道基础公路隧道基础(jch)(jch)上改建或新

2、建成双向八上改建或新建成双向八车道公路隧道的建设显得尤为迫切车道公路隧道的建设显得尤为迫切 p经济发展，交通量日益经济发展，交通量日益(ry)(ry)增加增加 研究研究(ynji)背背景景第3页/共52页第三页，共52页。4 目前正在紧张施工的福建泉州至厦门段高速公路目前正在紧张施工的福建泉州至厦门段高速公路(o s (o s n l)n l)改扩建工程，路线全长改扩建工程，路线全长81.9Km81.9Km。原为双向四车道高速。原为双向四车道高速公路公路(o s n l)(o s n l)，扩建为双向八车道高速公路，扩建为双向八车道高速公路(o s n (o s n l)l)。全路段共设大坪山

3、隧道、苏厝隧道、山头隧道、大帽山隧。全路段共设大坪山隧道、苏厝隧道、山头隧道、大帽山隧道道4 4座座 ，需要改扩建成双向八车道隧道。，需要改扩建成双向八车道隧道。研究研究(ynji)背背景景原大帽山隧道(sudo)第4页/共52页第四页，共52页。5大帽山隧道扩建(kujin)方案先进行新建四车道隧道的开挖，同时原隧道保持(boch)通车第5页/共52页第五页，共52页。6苏厝、山头隧道扩建(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页/共52页第六页，共52页。7第7页/共52页第七页，共52页。8 日本天王(tinwng)山

4、隧道扩挖老旧隧道扩挖 日本大藏隧道扩挖 关村坝隧道扩建铁路隧道喇叭口扩挖研究研究(ynji)背背景景第8页/共52页第八页，共52页。9研究研究(ynji)背背景景1、侧壁锚杆补强 2、钢制防护(fngh)板设置 第9页/共52页第九页，共52页。103、拱顶(n dn)管棚施工 4、上半断面(dun min)扩挖 5、下半断面(dun min)扩挖 6、侧壁锚杆及混凝土衬砌 第10页/共52页第十页，共52页。117、钢制防护(fngh)板撤离 8、仰拱衬砌施工(sh gng) 9、仰拱衬砌中央(zhngyng)段施工 第11页/共52页第十一页，共52页。12 如此规模的隧道扩建工程在国内

5、属首如此规模的隧道扩建工程在国内属首次，设计施工难度大，受福建省高速公路建次，设计施工难度大，受福建省高速公路建设总指挥部委托，我院承担设总指挥部委托，我院承担(chngdn) (chngdn) “福厦漳高速公路扩建工程福厦漳高速公路扩建工程隧道扩建关隧道扩建关键技术研究键技术研究”项目的研究工作。项目的研究工作。研究研究(ynji)背背景景第12页/共52页第十二页，共52页。13二、隧道二、隧道(sudo)改扩建的主改扩建的主要形式要形式第13页/共52页第十三页，共52页。14双洞四车道隧道双洞四车道隧道(sudo)(sudo)扩建成八车道隧道扩建成八车道隧道(sudo)(sudo)的的

6、三种形式：三种形式：双洞原位扩建双洞原位扩建另增加两个两车道隧道另增加两个两车道隧道(sudo)(sudo)，形成四洞小净，形成四洞小净距隧道距隧道(sudo)(sudo)群群一个洞原位扩建，另再增一个四车道或两车道隧一个洞原位扩建，另再增一个四车道或两车道隧道道(sudo)(sudo)，形成三洞小净距隧道，形成三洞小净距隧道(sudo)(sudo)群群第14页/共52页第十四页，共52页。15扩建扩建(kujin)(kujin)形式一形式一: :双洞双洞原位扩建原位扩建(kujin)(kujin)第15页/共52页第十五页，共52页。16扩建形式二扩建形式二: :新增两个两车道新增两个两车道

7、(chdo)(chdo)隧道隧道第16页/共52页第十六页，共52页。17扩建扩建(kujin)形式三形式三:一个原位扩建一个原位扩建(kujin),另再增一个四车另再增一个四车道或两车道隧道道或两车道隧道第17页/共52页第十七页，共52页。18三、隧道改扩建的主要三、隧道改扩建的主要(zhyo) 技术难点技术难点第18页/共52页第十八页，共52页。19隧道扩建形式的选择隧道扩建形式的选择隧道原位扩建施工工艺及施工方法隧道原位扩建施工工艺及施工方法小隧道原位扩建成大断面隧道的围岩力学特性小隧道原位扩建成大断面隧道的围岩力学特性(txng)(txng)原位扩建对围岩的扰动及对原有隧道的影响原

8、位扩建对围岩的扰动及对原有隧道的影响扩建成小净距隧道群的相互影响扩建成小净距隧道群的相互影响爆破震动对已有隧道结构的影响爆破震动对已有隧道结构的影响临近隧道爆破震动合理控制震速的研究临近隧道爆破震动合理控制震速的研究第19页/共52页第十九页，共52页。20四、隧道(sudo)原位扩建 形式研究第20页/共52页第二十页，共52页。21单洞原位扩建(kujin)三种形式： 单侧扩建(kujin) 两侧(lin c)扩建 周围扩建 第21页/共52页第二十一页，共52页。22 以泉厦高速公路大帽山隧道为例，以泉厦高速公路大帽山隧道为例，对对IVIV、V V级围岩条件下三种级围岩条件下三种(sn

9、zhn)(sn zhn)不同的原位扩建形式下围岩的力学特性不同的原位扩建形式下围岩的力学特性进行分析。进行分析。第22页/共52页第二十二页，共52页。23原大帽山隧道(sudo)内轮廓图 扩建(kujin)后隧道内轮廓图 第23页/共52页第二十三页，共52页。24扩建隧道围岩、支护(zh h)结构物理力学参数 第24页/共52页第二十四页，共52页。25计算计算(j sun)模型模型第25页/共52页第二十五页，共52页。26单侧扩建(kujin) 两侧(lin c)扩建 周围扩建 第26页/共52页第二十六页，共52页。27第27页/共52页第二十七页，共52页。28单侧扩建(kujin

10、) 两侧(lin c)扩建 周围扩建 V级围岩下三个方案围岩的最大主应力（级围岩下三个方案围岩的最大主应力（1）分别为：）分别为：-0.954 0.098MPa、-1.016 0.087MPa和和-0.575 0.118MPa；最小主应力（；最小主应力（3）分别为：分别为：-2.639-0.075MPa、-2.251-0.175MPa和和-1.970-0.147MPa；围；围岩最大压剪应力（岩最大压剪应力（Sxy）分别为：）分别为：-0.481 0.475MPa、-0.776 0.516MPa和和-0.779 0.331MPa。可见，考虑围岩受拉破坏时，方案一。可见，考虑围岩受拉破坏时，方案一

11、好于方案二，方案三好于方案一，但方案三的受拉影响范围较大。因此，好于方案二，方案三好于方案一，但方案三的受拉影响范围较大。因此，方案一优于其它两个方案。方案一优于其它两个方案。 第28页/共52页第二十八页，共52页。29单侧扩建(kujin) 两侧(lin c)扩建 周围扩建 V V级围岩下三个方案的屈服接级围岩下三个方案的屈服接近度最大值分别为近度最大值分别为1.3531.353、1.5021.502和和1.3461.346，其中方案一，其中方案一和三较方案二小，但方案一屈和三较方案二小，但方案一屈服接近度大于服接近度大于1.01.0的范围较的范围较小。小。第29页/共52页第二十九页，共

12、52页。30小结(xioji)：（1 1）隧道原位扩建有单侧扩建、两侧扩建和周围扩建三种）隧道原位扩建有单侧扩建、两侧扩建和周围扩建三种(sn (sn zhn)zhn)形式，三种形式，三种(sn zhn)(sn zhn)形式扩建对围岩的影响是不同的，形式扩建对围岩的影响是不同的，其施工方案也不同。其施工方案也不同。（2 2）从数值计算比较分析结果来看，单侧扩建方案要优于其它）从数值计算比较分析结果来看，单侧扩建方案要优于其它两个方案。两个方案。（3 3）从施工对原隧道围岩的扰动情况看，单侧扩建对隧道顶及）从施工对原隧道围岩的扰动情况看，单侧扩建对隧道顶及一侧围岩扰动较大，两侧扩建对隧道顶及两侧

13、围岩扰动较大，而一侧围岩扰动较大，两侧扩建对隧道顶及两侧围岩扰动较大，而周围扩建对原隧道周围的岩体均产生较大的扰动。周围扩建对原隧道周围的岩体均产生较大的扰动。（4 4）在选择原位扩建形式时，应尽量选择单侧扩建的方案。）在选择原位扩建形式时，应尽量选择单侧扩建的方案。第30页/共52页第三十页，共52页。31五、临近(ln jn)隧道爆破震动合理控制震速的研究第31页/共52页第三十一页，共52页。32先新建后原位扩建(kujin)大帽山隧道施工(sh gng)工序第32页/共52页第三十二页，共52页。33先新建一个四车道(chdo)隧道再原位扩建原两车道隧道(sudo)成为四车道隧道(su

14、do)原隧道保持原隧道保持(boch)正常正常通车通车如何保证新隧道爆破开挖期如何保证新隧道爆破开挖期间原隧道结构安全？间原隧道结构安全？第33页/共52页第三十三页，共52页。34现行规范规定(gudng)交通隧道爆破震动速度限值15cm/s。 存在的问题：1、规范(gufn)没有考虑围岩条件。2、没有考虑支护结构自身的特点。3、没有考虑围岩与支护结构的协同作用。实际施工爆破震动测试表明，原隧道震动速度(sd)达到20cm/s25cm/s时二衬却安然无恙。矛盾？第34页/共52页第三十四页，共52页。35 本次研究中，根据不同的开挖方案和爆破震动本次研究中，根据不同的开挖方案和爆破震动药量，

15、计算其在达到一定爆破震动速度时原二衬的药量，计算其在达到一定爆破震动速度时原二衬的应力分布情况。评价原隧道二次衬砌是否破损的依应力分布情况。评价原隧道二次衬砌是否破损的依据，以混凝土的动极限抗拉强度（动极限抗拉据，以混凝土的动极限抗拉强度（动极限抗拉Rld Rld =2.2=2.21.5=3.30MPa1.5=3.30MPa）和动设计强度（轴心抗拉）和动设计强度（轴心抗拉fctd=1.47fctd=1.471.5=2.20MPa1.5=2.20MPa）为参考值，圈定）为参考值，圈定(qun (qun dn)dn)其分布范围，同时把单位面积的荷载换算成其分布范围，同时把单位面积的荷载换算成药量，

16、并与萨道夫斯基公式计算药量进行比较。药量，并与萨道夫斯基公式计算药量进行比较。第35页/共52页第三十五页，共52页。36IV级围岩(wi yn)段：采用CRD工法。 施工(sh gng)方法计算(j sun)取样点第36页/共52页第三十六页，共52页。37开挖(ki w)左侧上台阶A 当使得原二衬最大爆破震动当使得原二衬最大爆破震动(zhndng)(zhndng)速度为速度为15.57cm/s15.57cm/s时，按萨道夫斯基公式计算的单段爆破药量为时，按萨道夫斯基公式计算的单段爆破药量为8.0kg8.0kg。爆破(bop)荷载曲线 速度-时间 第37页/共52页第三十七页，共52页。38

17、MES=2.20MPaMES=3.30MPa最大震动速度最大震动速度Vmax=15.57cm/sVmax=15.57cm/s时，二衬达到动极限强度的范围很小，位于时，二衬达到动极限强度的范围很小，位于隧道右侧边墙（靠近爆破震动侧），约占二次衬砌的隧道右侧边墙（靠近爆破震动侧），约占二次衬砌的1%1%；达到动设计；达到动设计(shj)(shj)强度的有较小的范围，分布在原左隧道右边墙，约占二次衬砌的强度的有较小的范围，分布在原左隧道右边墙，约占二次衬砌的3%3%。计算结果验证了规范关于交通隧道震动速度上限为。计算结果验证了规范关于交通隧道震动速度上限为15cm/s15cm/s的合理性。的合理性。

18、 第38页/共52页第三十八页，共52页。39 当使得当使得(sh de)(sh de)原二衬最大爆破震动速度为原二衬最大爆破震动速度为20.76cm/s 20.76cm/s 时，按萨时，按萨道夫斯基公式计算的单段爆破药量为道夫斯基公式计算的单段爆破药量为9.82kg9.82kg。和实际施加药量接近。和实际施加药量接近。爆破(bop)荷载曲线 速度(sd)-时间 第39页/共52页第三十九页，共52页。40当原左隧道二衬最大震动当原左隧道二衬最大震动(zhndng)(zhndng)速度速度Vmax=20.76cm/sVmax=20.76cm/s时，二衬时，二衬达到极限强度和设计强度的范围都有所

19、增大，分布在隧道右边墙，达到极限强度和设计强度的范围都有所增大，分布在隧道右边墙，分别占隧道二次衬砌的分别占隧道二次衬砌的3%3%和和6%6%，已从二衬开始向外扩大到围岩。，已从二衬开始向外扩大到围岩。 MES=2.20MPaMES=3.30MPa第40页/共52页第四十页，共52页。41 当使得原二衬最大爆破震动当使得原二衬最大爆破震动(zhndng)(zhndng)速度为速度为25.95cm/s25.95cm/s时，按时，按萨道夫斯基公式计算的单段爆破药量为萨道夫斯基公式计算的单段爆破药量为12.35kg12.35kg。爆破荷载(hzi)曲线 速度(sd)-时间 第41页/共52页第四十一

20、页，共52页。42最大震动速度Vmax=25.95cm/s时，原左隧道二衬达到极限强度和设计强度的范围进一步增大(zn d)。分布在隧道右边墙，分别约占隧道二次衬砌的8%和15%，已从二衬向外扩大到围岩。 MES=2.20MPaMES=3.30MPa第42页/共52页第四十二页，共52页。43 当使得原二衬最大爆破震动速度为当使得原二衬最大爆破震动速度为31.14cm/s31.14cm/s时，按萨道夫斯基时，按萨道夫斯基公式公式(gngsh)(gngsh)计算的单段爆破药量为计算的单段爆破药量为15.0kg15.0kg。最大震动速度Vmax=31.14cm/s时，原左隧道二衬达到动极限强度和动

21、设计强度的范围进一步有所增大，分布在隧道右边墙，影响到二次衬砌的范围分别(fnbi)约占隧道整个二次衬砌的12%和20%，已从二衬向外扩大到围岩 MES=2.20MPaMES=3.30MPa第43页/共52页第四十三页，共52页。44同样，开挖左侧下台阶时，当原隧道二衬震动速度同样，开挖左侧下台阶时，当原隧道二衬震动速度达到达到20cm/s20cm/s以上时，原左隧道二衬达到动极限强度以上时，原左隧道二衬达到动极限强度和动设计强度的范围开始和动设计强度的范围开始(kish)(kish)由二衬扩展到围由二衬扩展到围岩。且随着震速的增加，范围迅速增大。岩。且随着震速的增加，范围迅速增大。第44页/

22、共52页第四十四页，共52页。45小结：小结：1 1、新建隧道、新建隧道(sudo)(sudo)开挖左侧上台阶时，原左隧道开挖左侧上台阶时，原左隧道(sudo)(sudo)右边墙的爆破震动速度最大，最大爆破震动速度分别为右边墙的爆破震动速度最大，最大爆破震动速度分别为15.57cm/s15.57cm/s、20.76cm/s20.76cm/s、25.95cm/s25.95cm/s和和31.14cm/s31.14cm/s时，二次衬时，二次衬砌迎爆面达到动极限强度（砌迎爆面达到动极限强度（3.30MPa3.30MPa）和动设计强度）和动设计强度（2.20MPa2.20MPa）的分布范围分别约占隧道）

23、的分布范围分别约占隧道(sudo)(sudo)整个二次衬砌整个二次衬砌的的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)二衬爆破震动速度为二衬爆破震动速度为15cm/s15cm/s时，原左隧道时，原左隧道(sudo)(sudo)支护结构的最大平均有效应力达到衬砌混凝土动极支护结构的最大平均有效应力达到衬砌混凝土动极限强度和动设计强度的范围很小，约限强度和动设计强度的范围很小，约3%3%左右，验证了规范控左右，验证了规范控制值的正确性，同时可以看出，是否达到动极限强度和动设制值的正确性，同时可以看出，

24、是否达到动极限强度和动设计强度除与震速有关外还与距离计强度除与震速有关外还与距离R R有关。随着二衬处爆破震动有关。随着二衬处爆破震动速度的增加，支护结构达到动极限强度和动设计强度的范围速度的增加，支护结构达到动极限强度和动设计强度的范围由无到有，并逐渐增大。当隧道由无到有，并逐渐增大。当隧道(sudo)(sudo)二衬最大震动隧道二衬最大震动隧道(sudo)Vmax=20cm/s(sudo)Vmax=20cm/s时，隧道时，隧道(sudo)(sudo)二衬达到动极限强度二衬达到动极限强度和动设计强度的最大范围分别占隧道和动设计强度的最大范围分别占隧道(sudo)(sudo)二次衬砌的二次衬砌

25、的3%3%和和6%6%，并开始向围岩扩展。因此，大帽山新建隧道，并开始向围岩扩展。因此，大帽山新建隧道(sudo)IV(sudo)IV级围岩段采用级围岩段采用CRDCRD工法施工时原隧道工法施工时原隧道(sudo)(sudo)二衬二衬的爆破震动最大速度控制在的爆破震动最大速度控制在20cm/s20cm/s左右比较合适，単段最大左右比较合适，単段最大药量控制在药量控制在10kg10kg左右。左右。 第45页/共52页第四十五页，共52页。46III级围岩(wi yn)段： CRD工法 先行(xinxng)导洞A面积为30m2左右 先行导洞A面积(min j)为14m2左右第46页/共52页第四十六页，共52页。47 经过计算，采用方案一和二时，当数值计算所施加的爆经过计算，采用方案一和二时，当数值计算所施加的爆破药量达到实际药量时，原左隧道二衬最大震动速度已达破药量达到实际药量时，原左隧道二衬最大震动速度已达31.00cm/s31.00cm/s，二衬达到极限强度，二衬达到极限强度(qing