小净距隧道设计方法与设计技术培训

1、小净距隧道设计方法与设计技术培训汇报提纲一.项目研究背景二.项目执行情况三.研究方法与手段四.主要研究成果项目背景近20年来我国交通事业的发展迅速，公路特别是高速公路逐渐向山区延伸，公路隧道数量和型式越来越多，难度也越来越大。项目背景规范要求双线隧道净距围岩级别最小净距(m)2 B2.5 B3.5 B项目背景净距不易达到要求情况：路线沿河傍山，拉开路线间距，对隧道洞外路基、桥梁等方案有较大影响项目背景净距不易达到要求情况：桥隧相连，采用分离式隧道方案对洞外桥梁布设和工程规模控制有较大影响项目背景净距不易达到要求情况：中短隧道：受路线整体线型技术指标控制，调整隧道间距自由度低项目背景为减小路线间

2、距，90年代初期，国内逐步修建了一批连拱隧道项目背景连拱隧道存在的问题：施工工序较为复杂防排水质量不易保证易发生开裂渗漏项目背景继连拱隧道之后，国内出现了首批的小净距隧道：隧道 招宝山隧道紫坪铺隧道金旗山隧道丰泽街隧道仙岳山隧道净距(m) 3.53.755.16.44 19项目背景围绕这些项目，在小净距隧道的中岩墙加固、爆破振动和理论数值分析方面，尽管积累了的初步经验，但尚缺乏系统的研究：基本概念？（什么是小净距隧道？）分类及对应措施（不同的围岩、不同净距对应的设计施工措施是什么？）如何确保小净距隧道的施工安全和长期运营安全？（监控量测体系及基准值的建立，控制爆破手段与指标的确定等）什么情况下

3、采用小净距隧道？如何应用？（适用条件？）项目背景汇报提纲一.项目研究背景二.项目执行情况三.研究方法与手段四.主要研究成果2.1研究内容与技术路线岩柱加固判定标准及方法支护设计爆破振动监控量测基准施工方法子课题一：小净距隧道岩柱加固判定标准及方法研究子课题二：小净距隧道主体结构设计参数研究子课题三：小净距隧道的合理施工方法研究子课题四：小净距隧道爆破振动对相邻隧道及围岩稳定性影响研究子课题五：现场监控量测管理体系、监控基准及安全保证体系研究2.1研究内容与技术路线针对级围岩，对双车道双洞小净距(1B以下,B隧道开挖宽度)隧道设计、施工关键技术进行系统研究提出可供设计与施工应用的小净距隧道标准断

4、面和标准设计，编制双洞小净距隧道设计与施工指南、规程或工法标准同时，提高西部交通科技水平，培养西部交通科技人才 总体研究目标2.1研究内容与技术路线技术路线2.3项目研究人员与设备硬件投入：设计组装1/30模型试验台架采购现场试验测试元件若干2.3项目研究人员与设备多点位移计 测力锚杆 土压力盒 钢筋应变计 混凝土应变计 速度传感器 2.4 主要研究工作量二维分析模型数值计算内容：分析类型：二、三维弹性/弹塑性/动力分析二维静力分析：计算工况共计252组，其中弹性分析计算168组，弹塑性分析计算84组2.4 主要研究工作量三维分析模型三维静力分析：计算工况共计18组动力分析：计算工况共计20余

5、组2.4 主要研究工作量 本课题依托紫坪铺隧道小净距段开展现场试验研究，在各净距段布设了9个测试断面，开展了为期1年半、10余项测试项目的研究工作2.4 主要研究工作量本课题采用了1/30模型试验，共计试验40余组。工况组合如下表：围岩类别IIIIIIV净距(m)3、6、9、123、63埋深(m)305、15、30、50、8030施工方法先行洞：上下台阶 后行洞：全断面、上下台阶、侧壁导坑先行洞：上下台阶后行洞：全断面、上下台阶先行洞：上下台阶后行洞：全断面、上下台阶中岩柱加固预应力锚杆、注浆加固2.5 成果报告(1)研究总报告(第一卷)(2)数值计算研究报告(第二卷)(3)模型试验研究报告(

6、第三卷)(4)现场试验研究报告(第四卷)(5)依托工程实施总结报告(第五卷)(6)双洞小净距隧道设计与施工指南(第六卷)(7)双洞小净距隧道设计图集(第七卷)汇报提纲一.项目研究背景二.项目执行情况三.研究方法与手段四.主要研究成果3.1资料收集与现场调研三研究方法与手段 2003年12月，完成对福建、浙江等省国内主要小净距项目的现场调研3.1资料收集与现场调研 宁波招宝山隧道，最小净距2.98米，地层岩性主要为流纹斑岩，为国内目前净距最小的公路隧道 3.1资料收集与现场调研 厦门仙岳山隧道，净距19米，是国内早期建成的小净距隧道之一3.1资料收集与现场调研 课题组共检索到中文文献85篇，硕博

7、士论文4册，研究报告2册。通过对收集的资料分析和现场调研取得的信息整理，完成调研报告4册3.2理论分析 采用“等代圆”方法，对净距的影响作了验证性分析。理论分析表明，当净距小于45倍洞径时，双洞间应力场存在相互影响 3.2理论分析提出了中岩墙垂直应力的理论估算公式3.2理论分析 对中岩墙的加固原理进行了理论上的探讨，采用莫尔库仑强度理论，对预应力锚杆的预应力指标进行了分析论证，并作了相应的参数敏感性分析 3.3模型试验研究模型试验研究内容和目的：小净距隧道地表、地中、洞周位移特征 小净距隧道的破坏方式及过程 围岩级别、净距、埋深变化对围岩稳定性的影响 不同支护方式的支护效果分析 小净距隧道的合

8、理施工工序及施工方法 中岩墙加固的判定条件及加固方法 3.3模型试验研究模型试验设计原理：相似第一定理和相似第二定理模型试验几何相似比：1/30围岩相似材料采用重晶石粉、粉煤灰、河砂、机油、石英砂、松香等材料配制3.3模型试验研究支护相似材料采用厚石膏、铁丝、铝丝等模拟二衬模拟锚杆模拟钢架模拟3.3模型试验研究模型试验台架3.4.现场试验研究 依托紫坪铺隧道小净距段开展现场试验研究，在各净距段布设了9个测试断面，开展了为期1年半、10余项的测试项目的研究工作3.4.现场试验研究多点位移计 测力锚杆 土压力盒 钢筋应变计 混凝土应变计 速度传感器 3.4.现场试验研究洞内多点位移计的安装 震动速

9、度采集系统 初支与二衬间土压力盒安装 钢支撑钢筋应变计安装二衬内混凝土应变计安装 中岩墙内土压力盒安装 3.4.现场试验研究测试项目与方法:(1)地质与支护状态的观察主要是对喷层、锚杆、钢支撑、模筑二次衬砌、掌子面、岩性、地下水等内容进行直接的观察和记录以此作为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据，并根据喷层表面状态及锚杆的工作状态，分析支护结构的安全性通过素描、数码拍照等手段实施 3.4.现场试验研究测试项目与方法:(2)洞口段地表下沉量测目的：了解地表下沉的范围以及下沉量的大小；地表下沉量随先、后行洞掌子面推进的变化规律；地表下沉稳定的时间 3.4.现场试验研究测试项目与方法:(3)地中位移

10、量测(洞内设点和地表设点)目的：了解隧道的径向位移分布和松弛范围，确定围岩塑性区 3.4.现场试验研究测试项目与方法:(4)锚杆轴力量测目的：了解锚杆受力状态及轴向力的大小，为确定合理的锚杆参数提供依据；判断围岩变形的发展趋势，概略判断围岩内强度下降区的界限；评价锚杆的支护效果；掌握岩体内应力重分布的过程3.4.现场试验研究测试项目与方法:(5)围岩压力量测目的：了解初期支护实际受荷情况、初期支护对围岩的支护效果3.4.现场试验研究测试项目与方法:(6)钢支撑内力量测目的：了解钢支撑与喷射混凝土对围岩的组合支护效果、钢支撑的实际工作状态；判断初期支护承载能力 3.4.现场试验研究测试项目与方法

11、:(7)初期支护与二衬间的接触压力量测目的：研究二衬的作用与二次衬砌的实际受荷情况；了解初期支护传递给二衬的力的大小 3.4.现场试验研究测试项目与方法:(8)二次衬砌内力量测 目的：了解二次衬砌的受力条件，判断支护结构长期使用的可靠性以及安全度 3.4.现场试验研究测试项目与方法:(9)中岩墙压应力量测目的：了解中岩墙的土压力的大小，以及后行洞开挖引起的中岩墙的土压应力的变化 3.4.现场试验研究测试项目与方法:(10)爆破震动监控量测目的：评价后行洞爆破开挖对先行洞的影响，找出震动速度峰值出现区域，总结震动速度的衰减规律 汇报提纲一.项目研究背景二.项目执行情况三.研究方法与手段四.主要研

12、究成果1.小净距隧道名词术语现行隧规定义：小净距隧道“小净距隧道指上下行双洞洞壁净距较小，不能按独立双洞考虑的隧道结构”小净距隧道是指隧道间的中间岩柱厚度小于下表建议值的特殊隧道布置形式 围岩级别最小净距(m)1.0B1.5B2.0B2.5B3.5B4.0B1.小净距隧道名词术语“京福高速公路福建段小净距隧道设计施工关键技术研究”课题提出：小净距隧道是指并行双洞公路隧道中夹岩厚度较小，一般小于1.5倍隧道开挖断面宽度的一种特殊隧道结构型式本课题提出：小净距隧道指在应力场和位移场上存在相互影响的双洞隧道结构 1.小净距隧道名词术语目前对中岩墙的术语应用上较为混乱，有中间岩柱、中岩柱、中夹岩、中岩

13、墙等多种称谓 现行隧规采用中间岩柱，但未给出明确定义“柱”一般指断面长度和宽度尺寸相当的结构构件“墙”一般指断面长度比宽度大得多的构件本课题提出：中岩墙定义为“指左洞右侧拱腰到边墙脚处与右洞左侧拱腰到边墙脚处之间的岩体” 小净距隧道的净距是指中岩墙最小水平厚度 4.2小净距隧道分类分类依据按“等代圆”法理论分析结果表明：当净距小于45B时，双洞间应力场存在相互影响中岩墙垂直应力计算结果表明：当净距大于1.5B后中岩墙垂直应力趋于常数 4.2小净距隧道分类单洞塑性区理论分析结果表明：V级围岩双洞塑性区大小将是13.76m，即净距小于该值(约大于1B)时，塑性区可能贯通中岩墙IV级围岩双洞塑性区大

14、小将是5.64m，即净距小于该值(略小于0.5B)时，塑性区可能贯通中岩墙 4.2小净距隧道分类净距：9净距：12净距：18203050数值分析结果表明：级围岩，净距为9m(0.75B)时，塑性区全部处于贯通；在净距为12m(1B)时，仅在50m埋深时塑性区贯通；在净距大于12m(1B)后，各种埋深条件下塑性区均处于分离状态4.2小净距隧道分类净距：3净距：6203050数值分析结果表明：IV级围岩，净距为3m(0.25B)时，塑性区在中岩墙位置全部处于贯通状态；在净距大于6m(0.5B)时，530m埋深情况下塑性区均处于分离状态 4.2小净距隧道分类动力数值计算结果表明：当隧道净距小于6m(

15、0.5B)时，随着净距的减小爆破震动影响显著增加；当隧道净距大于12m(1.0B)后，爆破振动影响增幅变缓 4.2小净距隧道分类模型试验现象揭示：级围岩，当净距为3m(0.25B)时，除5m埋深外，埋深15m、30m、50m、80m时，中岩墙均出现坍塌破坏。当净距大于6m，双洞毛洞基本能自稳级围岩，30m埋深，6m(0.5B)净距时，中岩墙出现坍塌破坏，整个围岩坍塌至地表，当净距为9(0.75B)时，中岩墙未出现贯通坍塌 4.2小净距隧道分类围岩条件及加强措施小净距隧道分类分离式单洞A类(严重影响)B类(中等影响)C类(轻微影响)围岩级别0.375B(0.3750.75)B(0.752.0)B

16、2.0B0.5B(0.51.0)B(1.02.5)B2.5B0.75B(0.751.5)B(1.53.5)B3.5B加强措施中岩墙重点加固简单加固不加固按单洞设计初期支护加强加强加强按单洞设计二次衬砌加强加强不加强按单洞设计4.3中岩墙加固判定与方法中岩墙的加固原理： 提高岩体的物性指标，如注浆加固中岩墙4.3中岩墙加固判定与方法中岩墙的加固原理： 增加壁压，改变中岩墙为双向受力状态4.3中岩墙加固判定与方法数值分析结果表明： 弹性分析时，中岩墙垂直应力呈“马鞍型”分布 弹塑性分析时，中岩墙垂直应力呈“单驼峰型”分布3m净距弹性分析结果3m净距弹塑性分析结果4.3中岩墙加固判定与方法中岩墙承载

17、范围假定计算简图中岩墙垂直应力计算假定： 假定上覆岩体均质，隧道以自重应力为主 中岩墙垂直应力呈均匀分布4.3中岩墙加固判定与方法推导出中岩墙垂直应力的理论估算公式中岩墙垂直应力随净距的增大而减小，并逐步趋向于一常数公式实质上是对通常浅埋隧道压力在小净距条件下的修正和补充公式对中岩墙稳定性和加固效果评价具有重要的理论价值4.3中岩墙加固判定与方法中岩墙加固的两个途径：(1)提高中岩墙岩体的强度指标，如注浆加固(2)改善中岩墙的受力状态，如预应力锚杆预应力锚杆的加固原理：某一埋深条件下中岩墙承受垂直应力时，预应力锚杆通过垫板对岩壁以某一压力扩散角施加壁压，根据莫尔库仑强度理论，通过摩尔圆可看出，

18、增大中岩墙壁压，中岩墙受力状态从单向受压调整为双向受压状态，进而提高了中岩墙承载能力和稳定性 4.3中岩墙加固判定与方法预应力锚杆的极限抗拉力：一般22、25、32锚杆，杆体材料强度可承受的预应力值约在100210kN之间预应力指标的测算方法： 4.3中岩墙加固判定与方法中岩墙加固原则：中岩墙加固措施宜尽量简化，一般以注浆或锚固为主，其加固措施不宜超过二种一般说来，注浆能改变塑性范围，其它支护方式(如锚杆、钢架)等可起到约束塑性区进一步发展的作用以硬质岩为主的II、III级围岩，完整性较好，宜采用锚固方式为主加固中岩墙；以软质岩为主的IV、V级围岩，节理裂隙发育，宜先注浆加固，再采用锚固方式4

19、.3中岩墙加固判定与方法中岩墙加固原则：中岩墙加固范围应综合围岩条件、净距大小等因素确定，一般为中岩墙侧设计基线(通过设计高程点)以上30454.3中岩墙加固判定与方法围岩级别中岩墙净距0.25B0.375B0.375B0.5B0.5B0.75B0.75B1.0B对穿预应力锚杆加固预应力长锚杆加固系统锚杆加长/超前小导管(锚杆)注浆加固对穿预应力锚杆加固预应力长锚杆加固系统锚杆加长V1.超前小导管注浆加固2.预应力长锚杆加固预应力长锚杆加固4.4掌子面合理施工间距为研究先后行洞掌子面纵向合理间距，了解施工开挖的空间效应影响，本课题采用了三维静力和动力数值分析为减小边界效应的影响，选取先后行洞计

20、算模型中断面作为目标断面，示意图见右下。研究不同掌子面开挖间距时的力学响应4.4掌子面合理施工间距三维静力分析结果表明：相邻隧道掌子面间距不同，对隧道的最终变形和受力影响不大，而对隧道变形、受力的过程有较大的影响掌子面间距小于1B时，应力和位移的影响较为明显，大于2B以上时，影响不明显 中岩墙中点竖向应力目标面拱顶沉降4.4掌子面合理施工间距三维动力分析结果表明：爆破振动对开挖掌子面前后1B范围内影响较大 爆破振动对不同的掌子面开挖间距间差异较小综合以上研究结论，提出：小净距隧道先行洞和后行洞掌子面间距不宜小于2B 4.5小净距隧道控制爆破数值计算结果表明：后行洞爆破开挖时，先行洞洞周迎爆侧质

21、点爆破振动最为强烈，一般以拱腰处质点的X向速度为最大，爆破荷载产生的附加峰值拉应力较大。因此，后行洞爆破施工中，先行洞迎爆侧是监控量测的重点部位 4.5小净距隧道控制爆破爆破振动测试结果： 爆破开挖上台阶时，X向峰值速度的极值出现在迎爆侧的测点44.5小净距隧道控制爆破爆破振动测试结果： 爆破开挖下台阶时，X向峰值速度的极值出现出现部位与开挖上台阶时类似4.5小净距隧道控制爆破爆破震动规律：后行洞上台阶爆破后行洞下台阶爆破4.5小净距隧道控制爆破爆破震动规律：先行洞结构震速衰减规律4.5小净距隧道爆破控制结合理论分析和测试成果，提出爆破震速控制标准建议值：爆破减振措施：将一次爆破的所有炮孔分成

22、几段按顺序起爆 采用微差，爆破延时应控制在100ms以上 掏槽爆破宜尽量远离中岩墙，以减小对中岩墙造成的损伤 除要控制最大段装药量外，还需控制开挖的进尺，不宜大于隧道净距的1/3 围岩级别小净距隧道影响程度C（轻微影响）B（一般影响）A（严重影响）152010128101015810588105854.6监控量测围岩级别小净距隧道分类覆盖层厚度/300A0.080.240.160.400.320.96B0.090.270.180.450.361.08C0.100.300.200.500.401.20A0.120.400.320.960.641.60B0.130.450.361.080.721.

23、80C0.150.500.401.200.802.00A0.160.640.481.280.802.40B0.180.720.541.440.902.70C0.200.800.601.601.003.00小净距隧道允许洞周相对位移值4.6监控量测综合分析数值计算、模型试验和现场实测数据表明：A类小净距隧道，后行隧道开挖引起的变形占先行隧道总变形的3040B类小净距隧道，后行隧道开挖引起的变形占先行隧道总变形的1020C类小净距隧道，后行隧道开挖引起的变形占先行隧道总变形的10以下 控制原则建议：C类小净距隧道按普通分离式隧道控制标准采用，先行隧道开挖后控制在90B类小净距隧道按普通分离式隧道控

24、制标准的90采用，先行隧道开挖后控制在80A类小净距隧道按普通分离式隧道控制标准的80采用，先行隧道开挖后控制在60 4.6监控量测为保证小净距隧道施工安全，建议对小净距隧道采用三级位移管理标准 等级标 准措 施三级预警任一点的位移大于10mm，实测相对位移达到容许值的80%报告现场管理人员二级预警两个相邻测点的位移均大于15mm，或任一点的位移速度超过15mm/月，实测相对位移超过容许值的90分析原因，写出书面报告，采取控制措施，提出处理事态的预案建议一级预警位移大于15mm，实测相对位移超过容许值的90，并且多处测点位移均在加速发展应立即现场调查，迅速采取应急措施4.7依托工程实施与验证3

25、.736.558.4312.3621.864.7依托工程实施与验证围岩级别：级隧道埋深：5.4121.86m 依托工程具有较强的代表性和典型意义，为本课题提供了良好的研究基础和试验条件，同时也为课题成果的应用和验证提供了试验基地4.7依托工程实施与验证设计处理措施：V级围岩净距3.736.55m中岩墙加固V级围岩净距6.5512.36m中岩墙加固4.7依托工程实施与验证设计处理措施：IV级围岩净距8.6312.36m中岩墙加固4.7依托工程实施与验证设计处理措施：IV级围岩净距12.3621.86m中岩墙加固4.7依托工程实施与验证对依托工程的作用与影响：现场试验的有关测试成果及时反映了隧道施

26、工中动态信息，为动态设计和信息化施工提供了重要依据课题组及时总结相关的研究成果，共发布了9份科研工作简报用于指导和纠正施工中的有关问题 4.7依托工程实施与验证对依托工程的作用与影响：设计单位根据课题组的研究成果，完成了中岩墙加固施工工艺的改进和设计参数优化，及时修改和变更设计共计3项，保证了隧道施工技术方案的安全性、经济性和合理性课题组的研究成果在依托工程的建设中取得了显著的经济效益和社会效益。本依托工程采用小净距技术方案产生的直接经济效益达4000余万元，并对节省洞口占地和提高桥梁结构稳定性等方面发挥了积极的社会效益4.8指南与图集一. 总 则介绍指南编制目的、适用范围定义了小净距隧道主要

27、术语提出了小净距隧道分类标准二. 小净距隧道勘察勘察的资料收集范围地形与地质调查气象调查工程环境调查围岩分级三. 小净距隧道设计净距确定与深浅埋分界支护参数与结构检算中岩墙加固技术措施辅助施工措施施工组织设计四. 小净距隧道施工开挖方法与爆破施工工序中岩墙加固施工工艺应急预案五. 监控量测与质量控制监控量测内容监控量测方法量测数据的处理与应用质量控制措施指南主要内容4.8指南与图集指南编制目的：本课题在广泛收集整理国内小净距隧道设计与施工技术现状的基础上，结合本课题的研究成果和设计与施工的实际需要，为便于研究成果的推广应用和转化，编制了双洞小净距隧道设计与施工指南一册围岩比例建议净距IIIII800.375BIIIII占50800.5BIIIII