隧道改扩建关键技术问题的探讨

1、胡胡 居居 义义 博博 士士 副研究员副研究员隧道改扩建关键技术问题的探讨2016.9.192016.9.19招商局重庆交通科研设计院有限公司招商局重庆交通科研设计院有限公司一、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控制震速的研究五、临近隧道爆破震动合理控制震速的研究报告内容报告内容一、研究背景一、研究背景p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，

2、在原有公路隧道基础上改建或新建成双向八车道公公路隧道基础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路隧道的建设显得尤为迫切 p经济发展，交通量日益增加经济发展，交通量日益增加 研究背景研究背景 目前正在紧张施工的福建泉州至厦门段高速公路改扩建工目前正在紧张施工的福建泉州至厦门段高速公路改扩建工程，路线全长程，路线全长81.9Km81.9Km。原为双向四车道高速公路，扩建为双。原为双向四车道高速公路，扩建为双向八车道高速公路。全路段共设大坪山隧道、苏厝隧道、山头向八车道高速公路。全路段共设大坪山隧道、苏厝隧道、山头隧道、大帽山隧道隧道、大帽山隧道4 4座座 ，需要改扩建成双向八车道隧道。

3、，需要改扩建成双向八车道隧道。研究背景研究背景原大帽山隧道原大帽山隧道大帽山隧道扩大帽山隧道扩建方案建方案先进行新建四车先进行新建四车道隧道的开挖，道隧道的开挖，同时原隧道保持同时原隧道保持通车通车苏厝、山头隧苏厝、山头隧道扩建方案道扩建方案原隧道原隧道原隧道原隧道新隧道新隧道新隧道新隧道研究背景研究背景研究背景研究背景研究背景研究背景1、侧壁锚杆补强、侧壁锚杆补强 2、钢制防护板设置、钢制防护板设置 3、拱顶管棚施工、拱顶管棚施工 4、上半断面扩挖、上半断面扩挖 5、下半断面扩挖、下半断面扩挖 6、侧壁锚杆及混凝土衬砌、侧壁锚杆及混凝土衬砌 7、钢制防护板撤离、钢制防护板撤离 8、仰拱衬砌施

4、工、仰拱衬砌施工 9、仰拱衬砌中央段施工、仰拱衬砌中央段施工 研究背景研究背景二、隧道改扩建的主要形式二、隧道改扩建的主要形式双洞四车道隧道扩建成八车道隧道的三种形式：双洞四车道隧道扩建成八车道隧道的三种形式：双洞原位扩建双洞原位扩建另增加两个两车道隧道，形成四洞小净距隧道群另增加两个两车道隧道，形成四洞小净距隧道群一个洞原位扩建，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，形成三洞小净距隧道群道，形成三洞小净距隧道群扩建扩建形式一形式一:双洞双洞原位扩建原位扩建扩建扩建形式二形式二:新增新增两个两车道隧道两个两车道隧道扩建形式三扩建形式三:一个原位扩建一个原位扩建

5、,另再增一个四车道或两车道隧道另再增一个四车道或两车道隧道三、隧道改扩建的主要三、隧道改扩建的主要 技术难点技术难点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原位扩建对围岩的扰动及对原有隧道的影响原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四、隧道原位扩建四、隧道原位扩建 形式研究形式研究单

6、洞原位扩建三种形式：单洞原位扩建三种形式： 单侧扩建单侧扩建 两侧扩建两侧扩建 周围扩建周围扩建 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级围岩条件下三种不同的原位级围岩条件下三种不同的原位扩建形式下围岩的力学特性进行分析。扩建形式下围岩的力学特性进行分析。原大帽山隧道内轮廓图原大帽山隧道内轮廓图 扩建后隧道内轮廓图扩建后隧道内轮廓图 名 称 E/kPa /(kN/m3) c/kPa / 抗拉强度/kPa K V 级围岩 1.0106 0.4 23.0 50.0 20.0 20.0 0.3 IV 级围岩 3.0106 0.35 23.0 400.0 35

7、.0 150.0 0.5 喷射混凝土 0.2 第一层 25cm，第二层 20cm， 锚 杆 2.0108 0.3 78.5 长 5.0m，直径 0.025m，间距 0.7m 工 20b 2.0108 0.26 A=0.0039578m2，Ix=0.000025m2，Iy=0.00000169m2 V级 二衬 55cm 3.0108 0.2 23.0 2300 55.0 2000.0 0.3 锚 杆 2.0108 0.3 78.5 长 4.0m，直径 0.025m，间距 1.0m 工 18 2.0108 0.26 A=0.0030756m2，Ix=0.0000166m2，Iy=0.0000012

8、2m2 IV级 二衬 50cm 3.0108 0.2 23.0 2300 55.0 2000.0 0.5 扩建隧道围岩、支护结构物理力学参数扩建隧道围岩、支护结构物理力学参数 计算模型计算模型单侧扩建单侧扩建 两侧扩建两侧扩建 周围扩建周围扩建 单侧扩建单侧扩建 两侧扩建两侧扩建 周围扩建周围扩建 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

9、和-1.970-0.147MPa；围岩最大压剪应力（；围岩最大压剪应力（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。可见，考虑围岩受拉破坏时，方案一好于方案二，方案三好于方案一，但方案三的受拉影时，方案一好于方案二，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。响范围较大。因此，方案一优于其它两个方案。 单侧扩建单侧扩建 两侧扩建两侧扩建 周围扩建周围扩建 V V级围岩下三个方案的屈服级围岩下三个方案的屈服接近度最大值分别为接近度最大值分别为1.3531.353

10、、1.5021.502和和1.3461.346，其中方案，其中方案一和三较方案二小，但方一和三较方案二小，但方案一屈服接近度大于案一屈服接近度大于1.01.0的的范围较小。范围较小。（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形式，三种形式扩建对围岩的影响是不同的，其施工方案形式，三种形式扩建对围岩的影响是不同的，其施工方案也不同。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）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。其它两个方案。（3 3）从施工对原隧道围岩的扰动情况看，单侧扩建对隧道）从施工对

11、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围岩扰顶及一侧围岩扰动较大，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较大，而周围扩建对原隧道周围的岩体均产生较大的扰动。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。五、临近隧道爆破震动合五、临近隧道爆破震动合理控制震速的研究理控制震速的研究先新建先新建后原位后原位扩建扩建大帽山隧道施工工序大帽山隧道施工工序先新建一个四车道隧道先新建一个四车道隧道再原位扩建原两车道隧道成为四车道隧道再原位扩建原两车道隧道成为

12、四车道隧道原隧道保持原隧道保持正常通车正常通车如何保证新隧道爆破开挖如何保证新隧道爆破开挖期间原隧道结构安全？期间原隧道结构安全？现行规范规定交通隧道爆破震动速度限值现行规范规定交通隧道爆破震动速度限值15cm/s。 存在的问题：存在的问题：1、规范没有考虑围岩条件。、规范没有考虑围岩条件。2、没有考虑支护结构自身的特点。、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。、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，原隧道震动速度达到实际施工爆破震动测试表明，原隧道震动速度达到20cm/s25cm/s时二衬却安然无恙。时二衬却安然无恙。矛矛盾？盾？ 本次研究中

13、，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，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，圈定其分布）为参考值，圈定其分布范围，同时把单位面积的荷载

14、换算成药量，并与萨范围，同时把单位面积的荷载换算成药量，并与萨道夫斯基公式计算药量进行比较。道夫斯基公式计算药量进行比较。IV级围岩段：采用级围岩段：采用CRD工法。工法。 施工方法施工方法计算取样点计算取样点开挖左侧上台阶开挖左侧上台阶A 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15.57cm/s15.57cm/s时，按萨道夫时，按萨道夫斯基公式计算的单段爆破药量为斯基公式计算的单段爆破药量为8.0kg8.0kg。爆破荷载曲线爆破荷载曲线 速度速度-时间时间 MES=2.20MPaMES=3.30MPa最大震动速度最大震动速度Vmax=15.57cm/sVmax=15.5

15、7cm/s时，二衬达到动极限强度的范围很小，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），约占二次衬砌的位于隧道右侧边墙（靠近爆破震动侧），约占二次衬砌的1%1%；达到；达到动设计强度的有较小的范围，分布在原左隧道右边墙，约占二次衬动设计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。 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20.76cm/s 20.76cm/s 时，按萨道时，按萨道夫斯基公式计

16、算的单段爆破药量为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。和实际施加药量接近。近。爆破荷载曲线爆破荷载曲线 速度速度-时间时间 当原左隧道二衬最大震动速度当原左隧道二衬最大震动速度Vmax=20.76cm/sVmax=20.76cm/s时，二衬达时，二衬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边墙，分别占隧道二次衬砌的3%3%和和6%6%，已从二衬开始向外，已从二衬开始向外扩大到围岩。扩大到围岩。 MES=2.20MPaMES=3.30MPa 当使得原二衬最大爆破震动速度为

17、当使得原二衬最大爆破震动速度为25.95cm/s25.95cm/s时，按萨道夫时，按萨道夫斯基公式计算的单段爆破药量为斯基公式计算的单段爆破药量为12.35kg12.35kg。爆破荷载曲线爆破荷载曲线 速度速度-时间时间 最大震动速度最大震动速度Vmax=25.95cm/sVmax=25.95cm/s时，原左隧道二衬达到极限强时，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。分布在隧道右边墙，分别度和设计强度的范围进一步增大。分布在隧道右边墙，分别约占隧道二次衬砌的约占隧道二次衬砌的8%8%和和15%15%，已从二衬向外扩大到围岩。，已从二衬向外扩大到围岩。 MES=2.20MPaMES

18、=3.30MPa 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，按萨道夫时，按萨道夫斯基公式计算的单段爆破药量为斯基公式计算的单段爆破药量为15.0kg15.0kg。最大震动速度最大震动速度Vmax=31.14cm/sVmax=31.14cm/s时，原左隧道二衬达到动极限强度和动时，原左隧道二衬达到动极限强度和动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约占隧道整个二次衬砌的砌的范围分别约占隧道整个二次衬砌的12%12%和和20%20%，已从二衬向外扩

19、大，已从二衬向外扩大到围岩到围岩 MES=2.20MPaMES=3.30MPa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由二衬扩展到围岩。且随和动设计强度的范围开始由二衬扩展到围岩。且随着震速的增加，范围迅速增大。着震速的增加，范围迅速增大。小结：小结：1 1、新建隧道开挖左侧上台阶时，原左隧道右边墙的爆破震动速度最大，最大、新建隧道开挖左侧上台阶时，原左隧道右边墙的爆破震动速度最大，最大爆破震动速度分别为爆破震动速度分别为15

20、.57cm/s15.57cm/s、20.76cm/s20.76cm/s、25.95cm/s25.95cm/s和和31.14cm/s31.14cm/s时，二时，二次衬砌迎爆面达到动极限强度（次衬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）的分布范围分别约占隧道整个二次衬砌的范围分别约占隧道整个二次衬砌的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、隧道二衬爆破震动速度为、隧道二衬爆破震动速度为15cm/s15cm/s时，原左隧道支护结构的最大平均有效应时，原

21、左隧道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3%3%左右，验证了左右，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计强度除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计强度除与震速有关外还与距离与震速有关外还与距离R R有关。随着二衬处爆破震动速度的增加，支护结构达有关。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由无到有，并逐渐增大。当隧道二衬最大到动极限强度和动设计强度的范围由无到有，并逐渐增大。当隧道二衬最大震动隧道震动隧道Vmax=20c

22、m/sVmax=20cm/s时，隧道二衬达到动极限强度和动设计强度的最大范围时，隧道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二次衬砌的分别占隧道二次衬砌的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IVIV级围岩段采用级围岩段采用CRDCRD工法施工时原隧道二衬的爆破震动最大速度控制在工法施工时原隧道二衬的爆破震动最大速度控制在20cm/s20cm/s左右比较合适，単段最大药量控制在左右比较合适，単段最大药量控制在10kg10kg左右。左右。 III级围岩段：级围岩段： CRD工法工法 先行导洞先行导洞A面积为面积为30m2左右

23、左右 先行导洞先行导洞A面积为面积为14m2左右左右 经过计算，采用方案一和二时，当数值计算所施经过计算，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动速度已达31.00cm/s31.00cm/s，二衬达到极限强度和设计强，二衬达到极限强度和设计强度的范围占隧道二次衬砌的度的范围占隧道二次衬砌的15%15%和和20%20%，并从二衬向外，并从二衬向外扩大到围岩。扩大到围岩。MES=2.20MPa 当采用方案三时候，当原左隧道二衬最大震动速当采用方案三时候，当原左隧道二衬最大震动速度度Vmax=25. 00cm/