超浅埋矩形暗挖隧道施工技术研究

1、科技开发项目申请立项报告 项 目 名 称: 超浅埋矩形暗挖隧道施工技术研究 申 请 单 位: 中交二航局 项目负责人 : 罗卫 申 请 时 间: 2009年3月 项目委托单位: 中交第二航务工程局有限公司 中交第二航务工程局有限公司项目提出单位项目委托单位项目批准单位及文号1.项目研究的主要内容及技术方案 1.1、研究目的和意义近年来，由于基础设施的大建设和交通的大发展，出现了大量下穿既有铁路和公路或在既有结构旁近距离修建隧道工程的实例，如深圳地铁重叠隧道、广州地铁三号线盾构隧道下穿广州火车站、包兰线增建二线八米源隧道下穿既有陇海铁路、206国道改造工程拾荷隧道下穿广梅汕铁路等。在运营繁忙的公

2、路、铁路和既有建筑物等结构物下面修建隧道或下穿通道等地下工程时，在目前的技术条件下多采用暗挖的施工方法。如此以来，对于既有铁路、公路及其它构筑物下的浅埋隧道来说，不仅要受到地层和自身永久荷载的作用，而且还会受列车（汽车）动载作用。而当隧道的覆盖层较薄且地面荷载较大或者穿越一些不良地层时，隧道结构的受力和周围地层的变形将会非常复杂，加上下穿隧道往往具有大断面和大跨度的特点，其自身的建设对施工方法和技术水平等具有很高的要求。因此类似的近接施工工程具有很大的难度和风险，处理不当，则可能造成结构的损坏和功能的失效，给人民生命和财产带来严重损失。因此，如何确保在工程施工过程中新建隧道结构的受力安全性，有

3、效控制地面或既有结构物的沉陷，全面保持地层处于稳定状态，降低工程成本，提高经济效益，便成为类似工程迫切需要解决的一系列问题。尽管隧道施工技术在国内外均已得到了很大的发展，在地层较为均一、施工环境较为简单的情况下已经取得了阶段性的成果。然而，对于铁路、公路及其它构筑物下的浅埋隧道来说，汽车、列车等动荷载的作用程度及相邻结构物的影响规律等方面的相关理论及规范还非常欠缺，尤其是在下穿隧道具有大断面、大跨度、薄覆盖层等特点的情况下，无论是在其自身结构物的安全分析方面，还是在环境效应的控制、施工风险的评估方面，既有的成果都存在较大的不足。龙大高速下穿通道的建设又使这一技术难题重新凸显出来。为了确保万无一

4、失，很有必要对汽车动荷载下大跨度、大断面隧道结构的安全性能、环境效应及施工风险等问题作深入详细地分析。同时，相关研究成果也可以为类似工程提供技术参考或指导，进一步提高我国复杂条件下隧道工程施工的技术水平。1.2、研究内容、技术方案：（1）隧道施工过程中动态仿真数值模拟模型的建立。通过对高速公路上的汽车动荷载的作用规律展开分析，得到更为合理的汽车动荷载模拟方法；结合依托工程自身特点，研究开挖过程中初始地应力的释放规律；并采用大型有限元（有限差分）程序，建立下穿通道施工过程中动态仿真数值模拟模型。（2）下穿高速超宽矩形断面隧道施工过程监测及其反演分析现场监测结果的反演分析及进一步施工时产生的受力、

5、变形状况预测。比较现场阶段性的实测结果和动态仿真数值模拟同阶段的计算结果，进一步探寻结构受力及地层位移的发展规律，进行反演分析，调整岩土体的物理力学参数或监测点的布置位置，并对下一阶段施工中研究对象的受力、变形状态进行预测，如此反复，直至施工完毕。（3）超浅埋暗挖隧道结构安全性评估及施工工艺的可行性分析基于动态仿真数值模拟模型和阶段性的监测结果，对已确定施工方案的各个阶段中大跨度下穿通道的受力状况和收敛位移等进行深入分析，对下穿隧道结构安全性能及施工方法的可行性进行评价，并针对施工中的薄弱环节及可能出现的意外提出可行的控制措施。（4）施工期高速公路地面沉降及对策对于超浅覆的高速公路而言，地表变

6、形（主要是不均匀沉降）的大小直接决定了其运营安全。根据高速公路的等级和设计标准，建立合理的运营安全控制标准（变形允许值等）；基于动态仿真数值模拟模型和阶段性的监测结果，对各阶段地层的变形和位移展开深入分析，并准确预测最终的地表沉降和地层位移（包括后期沉降），分析新建隧道施工对既有公路的影响程度，评价其运营安全。（5）超宽矩形断面浅埋隧道主要设计、施工参数的优化分析支护参数和施工参数不同，施工中结构的受力状态和地层位移等会有很大的差别。本课题将对涉及到的主要设计、施工参数和支护参数展开详细讨论，深入分析各个参数对结构受力和地层位移的影响规律，在满足施工安全和使用功能的前提下，优化近接施工中的各主

7、要参数，确保工程安全。（6）下穿高速路超宽矩形断面浅埋隧道施工中风险的分析复杂条件下隧道近接施工涉及到众多的不确定性，其在建设阶段存在着众多的技术风险。本课题将在广泛调研国内外隧道施工风险相关文献的基础上，对复杂条件下隧道近接施工风险事故（出现的或可能出现的）进行风险辨识，并对风险事故产生的机理进行分析；提出适用于复杂条件下隧道近接施工的风险定义模式，建立风险分析与评价模型，得出依托工程项目风险值和风险指数的计算方法以及评价标准，对下穿高速路隧道浅埋暗挖施工期风险进行概率分析。1.3、拟解决的关键技术（1）目前的汽车动荷载模拟模型具有较大的近似性，当浅埋暗挖施工时相邻结构物的间距较大时，能够获

8、得较为理想的结果，但本课题依托工程相邻结构物间距很小（最大2.50m），目前的模拟模型无法满足分析要求。因此，建立更为合理的汽车动荷载模拟方法是本课题的关键问题之一。（2）汽车动荷载作用下超大断面下穿通道开挖过程中地应力释放规律具有自身的特点，初始地应力的释放规律的模拟合理与否将会直接影响到分析结果的好坏，这也是本课题开展过程中的一个难点之一。（3）汽车动荷载和下穿通道动态施工引起的释放荷载等共同作用下隧道结构与高速公路相互作用机理和影响程度是本课题的核心内容，需要很好地解决。（4）超前管棚在隧道浅埋暗挖施工（下穿公路、铁路或其它建筑物）中已有较多的应用，但其加固效果及其对地层变形的控制能力等

9、方面研究还远滞后于工程实践。因此，对大跨矩形断面隧道施工中超前管棚的棚架原理和加固效果进行分析具有非常重要的意义，也是本研究的创新点之一。（5）复杂条件下隧道施工期风险分析现在还处于定性分析或半定量分析阶段，针对课题依托工程，建立更科学的半定量或定量风险评估方法也是本研究的关键技术。1.4、项目的创新点（1）探索出更为合理的汽车动荷载作用规律和模拟方法，建立更科学的考虑汽车动荷载作用的动态仿真数值模拟模型。（2）结合数值模拟和现场监测的方法，系统地分析汽车动荷载和动态施工引起的释放荷载等共同作用下隧道结构与高速公路相互作用机理和影响程度，从一定程度上完善浅埋暗挖施工的技术水平，具有一定的创新性

10、。（3）对大跨矩形断面隧道施工中超前管棚的棚架原理和加固效果进行空间分析具有非常重要的意义，很好地弥补了将管棚简单看作地基梁来进行分析的不足。同时，对其主要参数进行探讨优化，可以得到一些具有创新性的结论。（4）复杂条件下隧道施工期风险分析现在还处于定性分析或半定量分析阶段，建立更科学的半定量或定量风险评估方法能够很好地完善隧道风险评估体系。1.5、依托工程的概况本工程线路以下穿通道的方式穿越龙大高速公路，线路中心线与龙大高速公路中心线的夹角约83°，包括西侧和东侧各一座下穿通道。龙大高速公路设计时速为100公里/小时，全线双向六车道，在该段为近东西走向。本工程线路为近南北走向。该段地

11、貌单元属剥蚀残丘，后经人工改造，原始地形业已改变，地势北高南低，西高东低。西侧下穿通道采用三跨箱形结构，其中，左跨上层为人行通道、下层为共同沟；中跨与右跨为车行通道。 车行通道之间隔墙为连续刚构结构，可互相通视。线路东侧有一座4.1m宽既有人行通道，受其限制，东侧下穿通道只能采用两跨箱形结构。西侧下穿通道的支护结构由初期支护与二次衬砌及内部隔墙、架空板组成，结构总宽33.42m，总高 8.42m，覆盖层厚度为0.502.50m。东侧下穿通道的支护结构由初期支护与二次衬砌及内部隔墙组成，结构总宽24.32m，总高8.42m，覆盖层厚度为0.502.50m。为确保施工期间龙大高速公路地面交通的正常

12、进行，下穿通道采用管棚超前支护，结合小导管注浆加固地层的“浅埋暗挖法”施工。2.项目的先进性、使用性、可行性评估及同类技术的查新报告2.1、国内外技术发展现状与趋势目前，国内外针对下穿既有公路（铁路）的隧道施工过程中的力学行为和变形性态的研究还较少。从现有成果来看，均是以简单条件下隧道受力变形分析为基础的，由于其受力条件较为复杂，一般均采用数值模拟的方法。从不同的分析角度来看，下穿既有公路（铁路）或其它构筑物的隧道的研究主要涉及到以下几个方面。（1）隧道施工动态仿真数值模拟方面。这一方面是开展下穿既有公路（铁路）地下通道受力和变形数值分析的基础，目前国内外已经获得了大量的研究成果。从目前的研究

13、成果来看，进行动态仿真数值模拟分析中地应力释放系数的取值具有很大的主观性，实际上，每个开挖步释放系数的大小与隧道的埋深、围岩条件、施工方法与顺序等有非常密切的关系。因此，还迫切需要根据依托工程的实际情况，开展进一步的研究工作，建立更为合理的应力释放模拟方法。（2）汽车（列车）动荷载的模拟方面。对于下覆隧道而言，当覆盖层厚度较小时，其受汽车（列车）振动的影响较大。关于列车的振动荷载，已有较多学者进行了较为深入的研究，建立了模拟轮系的运动方程，从而推导汽车（列车）振动荷载。事实上，相对于列车动荷载而言，汽车荷载大小及其分布位置具有更大的随机性，尽管列车振动荷载的模拟方法较为成熟，但却无法直接应用，

14、而仅有的汽车荷载的模拟方法都有很大的近似性。因此，如何根据工程实际情况建立合理的汽车动荷载分析模型的问题亟待进一步研究。（3）近接既有公路（铁路）施工中隧道结构安全及其对既有构筑物的影响方面。隧道施工对邻近地面结构产生的影响，实际上是隧道施工引起的地层位移问题。在隧道施工引起的地表移动和变形中，地表沉降的大小和分布是最受关注的。（4）复杂条件下大断面隧道近接施工风险分析方面。自20世纪70年代Einstein在隧道与地下工程中引入风险分析以来，风险评估及风险管理的研究在欧美国家取得了一定的成果，得到了大量应用。总体来看，目前关于隧道工程（特别是近接施工）的风险研究还不太完善，还基本停留在定性分

15、析或者半定量分析阶段，还需要做大量的研究工作。3准备工作情况、人才及装备条件、技术引进措施研究工作分为调研、现场测试、理论分析、归纳总结四个阶段。（1）采用动态仿真数值模拟和现场实测分析相结合的方法，对既定施工方案各个阶段结构受力和地层位移进行分析比较，研究结构受力及地层位移的发展规律，并反演岩土体物理力学参数，调整分析模型。（2）采用调整后的数值分析模型对结构的最终受力和地层的最终变形进行预测，并与最终现场监测结果进行对比，评价结构的受力安全和高速公路的运营安全。（3）基于动态数值模拟模型，对主要的支护参数和施工参数展开深入讨论，优化施工参数。（4）在广泛调研国内外隧道浅埋暗挖施工风险相关文

16、献的基础上，采用理论分析的方法（概率分析法、模糊数学法等），结合工程经验，建立风险分析与评价模型，得出项目风险值和风险指数的评价标准，对隧道浅埋暗挖施工期风险进行概率分析。课题拟采用的技术路线如图1所示。图1 课题拟采用的技术路线图4成果的具体体现课题完成后，能够直接为依托工程龙大高速下穿通道的建设提供服务，项目的研究成果将确保下穿通道结构受力和龙大高速正常运营的安全性，施工中的技术创新将逐步完善我国浅埋暗挖施工的技术水平。另外，本课题中一些子问题的研究结论本身就具有很好的创新性，针对类似工程能够建立更为合理的分析方法，进一步明确管棚的棚架原理和对变形的控制效果，减小浅埋暗挖施工的风险，降低工

17、程成本。因此，能够为国家带来显著的经济效益和社会效益。5.项目负责人及本单位和协作单位主要负责人项目负责人及本单位和协作单位主要研究人员姓 名年龄单 位职 称项目任务分工李明龙37深圳分公司高级工程师顾问董汉军40深圳分公司高级工程师顾问翟世泓40深圳分公司高级工程师顾问石勇40深圳市光侨路2标项目部高级工程师顾问罗卫33深圳市光侨路2标项目部工程师负责人沈友梁34深圳市光侨路2标项目部工程师参与石雅水52深圳市光侨路2标项目部工程师参与邓新25深圳市光侨路2标项目部助理工程师参与6.计划工作进度（按季度安排进度，明确每季度内完成的阶段目标） 第一阶段：（2009年03月04月）完成隧道浅埋暗

18、挖施工关键技术问题的调研，制定监控量测方案，初步确定汽车动荷载的模拟方法，建立考虑汽车动荷载的动态仿真数值模拟模型。第二阶段：（2009年04月10月）根据现场监测所得各个阶段的应力、变形等数据，进行参数反演，调整动态数值仿真模型，并对后续阶段的受力和变形进行预测，指导施工顺利进行；综合比较数值计算结果与监测数据，评价各阶段隧道结构受力和高速公路运营的安全性；通过改变主要的支护参数和施工参数，开展大量的数值模拟工作，优化主要的施工参数；开展理论分析，建立隧道浅埋暗挖施工风险评估模型，对隧道的施工风险进行概率分析，并提出可行的风险控制措施。第三阶段：（2009年11月12月）完成项目结题专题报告，整理分析数据和研究结论，向重要学术期刊投递相关学术论文，准备结题。7.项目经费情况(1)项目申请总经费(万元) 150万项 目总经费（万元）其 中自 筹本单位拨经费协作单位拨经费中交集团拨经费局拨经费