分岔隧道设计施工关键技术

分岔隧道设计施工关键技术研究报告简本1.项目基本情况沪蓉国道主干线湖北省境内宜昌至恩施段高速公路为我国最早规划的“两纵两横”国道主干线中的最后还未贯通路段。于2004年5月全面开工建设，工程将于2007年底全面建成。由于该工程穿过的区域多为崇山峻岭的山区，地形地质条件极为复杂，在工程建设中遇到了前所未有的难题。为适应多变的地形和地质条件，隧道设计中采用新的结构型式－分岔隧道：即一端洞口为四车道大拱，另一端洞口为上下行分离隧道。宜昌至恩施段设置分岔隧道的主要原因是：一方面为了跨越四渡河、支井河等高深峡谷型河流，桥梁单孔跨度均在400米以上，左右幅桥均必须建造为整体型式，另一方面由于桥梁紧接隧道，两者之间缺少足够的过渡路基，因此紧邻桥梁一端的洞口必须设置为连拱隧道甚至四车道大拱，而桥梁两端的隧道又较长，全部隧道设置为连拱隧道又不太经济，在隧道内有必要将左右洞室逐渐分离，这样就形成了分岔隧道。分岔隧道是在复杂地形地质条件下建设高速公路山岭隧道的大胆创新，不仅大大拓宽了山区公路隧道工程的设计理念，而且使公路浅埋大跨隧道的设计与施工的技术得到了较大提升和发展。通过数值模拟、室内物理模型实验和工程现场测试相结合的方法，对分岔式隧道的施工工法、岩柱厚度、衬砌支护时机、支护结构的可靠度以及考虑隧道局部循环风影响的流体动力学以及通风工艺等方面进行深入细致的研究，提出切实可行的工程技术措施和隧道稳定性评价体系保证工程的长期稳定性。同时还编制了分岔隧道的设计施工技术指南，重点依托八字岭、庙垭和漆树槽分岔隧道开展研究，其中八字岭隧道是研究重点，自2004年4月开始至2007年6月止，历时3年。2.依托工程实施情况八字岭隧道位于宜昌市长阳县恩施土家族苗族自治州的巴东县境内，起讫桩号左线(ZK96+750～K100+290)，长3540m，右线YK96+730～K100+290，长3560m。隧道平面线型左线为左偏半径R=2500m的圆曲线接直线接右偏半径R=9000m的圆曲线接直线，右线为左偏半径R=2500m的圆曲线接直线接右偏半径R=8000m的圆曲线接直线。左、右线纵坡均为2.4％单向上坡。隧道最大埋深约为390m。隧道进出口均为端墙式洞门。图1八字岭分岔隧道示意图3.主要研究内容根据分岔隧道设计与施工的特点，本课题结合八字岭隧道，共分成三个专题进行研究，重点具体研究内容如下：专题一：分岔隧道设计关键技术研究通过现场监控量测、模型试验、非线性有限元数值分析等方法，研究四车道大拱隧道、连拱中隔墙、小净距岩柱的最小宽度及围岩的支护参数等关键指标。专题二：分岔隧道施工关键技术研究通过模型试验、非线性有限元数值分析等方法，研究四车道大拱隧道、连拱隧道、小净距隧道的合理施工方法，通过对现场的监测结果反馈分析和数值分析，提出八字岭隧道的合理工法和控制围岩振动的爆破参数。驳专题三：近层距离双洞隧脚道洞口空气勿相互影响研携究狐通过室内模剧型试验、现缓场试验和三心维数值仿真按等方法，研蒜究近距离双饥洞隧道洞口倚空气相互影卷响以及减小旷近距离隧道晒通风相互影场响的工程技陵术措施。阴4.主要封研究成果挤提出公路分拼岔隧道的新垮型结构型式隆，丰富和完心善了高速公样路线形布置俘方案，为山哈区高速公路础规划提供新佣的思路，对拉节约土地资刑源、节能、夹工程投资等桐方面具有显惜著效益。港通过经验类宾比和数值计寄算的方法，固提出分岔隧小道在不同围源岩条件下的蓝最优施工工弊序。对四车巩道大拱的秒Ⅴ狮级蚊围岩，建议形采用留岩柱尊方案，伞Ⅲ娇级勿和悄Ⅳ棋级贸围岩建议盟采用勒上下台阶法辣或多步开挖攀方案，惩Ⅱ肚级阻围岩则建议争采用惜全断面一次带开挖的方式裤。对连拱隧阴道的让Ⅱ拍级剩围岩，建议询采用三导洞初法，透Ⅳ晌级夕围岩采用三泽导洞法，散Ⅲ碍级居围岩转采用跟中导洞全断薯面法。窝Ⅱ干级泥围岩，采用家中导洞全断幕面法。对小奇间距隧道的悄Ⅴ处级部围岩，建议叮采用月上下台阶与嘴正向侧壁导钻坑组合法，嘉Ⅳ龟级救围岩赢采用暮上下台阶与鹊正向侧壁导蚂坑组合法。齐Ⅲ屑级肌围岩采用上膛下台阶法，患Ⅱ度级芒围岩采用全肌断面爆破法颠。并将上述范工法直接应已用到八字岭仍、庙垭和漆暑树槽分岔隧遣道的开挖实坝践中。宾图运2子团八字岭分岔眉隧道三维计惹算模型劳图源3粱冲大拱连拱过钥渡段尚连拱段中导心洞开挖后围辅岩最大主应浑力分布然（MPa）童图披4叔据大拱连拱过须渡段召连拱段中导凝洞开挖后围听岩最粗小班主应力分布翠（MPa）角图旱5咸小间距和连身拱过渡段岩沫柱塑性区分表布图奔根据经验类痰比法提出的割不同站围岩级别衰下的大拱、稿连拱和小间匆距隧道的施摊工工法。另通过对大拱心、连拱、小舟间距隧道以食及大拱和连向拱过渡段与扒连拱和小间维距过渡段的轧三维数值计王算，拒大拱段隧洞爱开挖后的围殖岩应力状态爪较好，顶拱增处围岩仅出古现微小的拉份应力区，隧滑洞以底板围岩在踪开挖结束时赠有较大的拉冲应力，因此慕建议开挖仰驻拱后丈施作仰拱衬蒙砌；隧洞围严岩产生的位课移也不大，妇顶拱处位移庸最大时不到畅3mm毯；施作的中舍隔墙和二次态衬砌应力水洪平并不高，稻中隔墙本身贿未出现塑性掠区，建议设福计采用无中隔隔墙方案；彩该方案在八迟字岭工程隧顾道大拱中应漫用链。根据小间坦距段抄岩柱间塑性奴区贯通的情毙况锚杆可采玻用对穿预应压力锚杆，以脉增强此围岩渣区域的应力锦水平，抵抗袖围岩过大变柳形凶，请Ⅲ摸级泼围岩建议最么小岩柱厚度赏为刊2.5m谈，墨Ⅳ刃级趟围岩的最小丈岩柱宽度可传以考虑为语4.0食m证。露根据八字岭奥分岔隧道的拨现场顶拱下跑沉、收敛、竟锚杆轴力和傲多点位移计限以及衬砌和梁围岩的监测琴结果，采用垮基于损伤力平学的裂隙岩疤体本构部模型珍，能更真实欣地反映工程灵中的裂隙岩玻体的力学行涌为。嚼该模型富可以较好纽地反应贯节理裂隙岩件体的材料性丰能劣化、刚湖度退化及损款伤累积过程排等。并采用见等效损伤力枯学效应的方流法，对相应串的裂隙岩体阔的受力变形货过程进行了慌数值模拟，旺还将混合型示模拟退火算鸭法嵌入BP型神经网络中害，使得这种析改进BP网柴络，不仅具宿有强大的非贺线性逼近能钟力，同时具夕有可观的全浑局寻差优的能力，节并利用它对逼分岔隧道围提岩参数进行拉反演分析。衬计算结果表元明使：环八字岭分岔旺隧道围岩小矮间距段的围魄岩力学特性医要弱于大拱底段，反演分肉析的计算结专果和工程现皇场的监测结拐果比较吻合僚。壤图6现场胃监控量测隆图7朋八字岭分岔惧隧道驴ZK100谊+190断兆面拱顶沉降迅时程曲线毕在爆破作用唉下，连拱段敬中隔墙及上咐部岩体和隧城道两侧拱角迈及边墙是主冶要危险区。号连拱段在台存阶法开挖过厅程中，下台践阶的底板眼康爆破时，爆贵破震动最大谊，这与计算鸡结果相吻合竞。台阶法施加工新建隧道史时，下台阶傲开挖爆破震稠动对既有隧氏道稳定性的颂影响比上台霜阶大。连拱塔段爆破时，钩建议幅Ⅳ谦级滋围岩上台阶贯开挖爆破最卧大单段装药萄量为止4.0区k碑g特，下台阶为跃6.0腥k智g密；建议摇Ⅲ迅级歌围岩上台阶掠开挖爆破最局大单段装药干量为工4.8述k敢g挎，下台阶为扣7.0招k翼g晨。耗小间距段爆抗破开挖时，察既有隧道衬隆砌在爆破产晨生的地震波踏作用下，应芒力值将会产棍生很大改变虫。迎爆侧应丢力状态比背首爆侧高。对钟于迎爆侧来金说，衬砌内蹈侧与外侧的朴应力值也会岩有差别，由睁计算结果可姨知，迎爆侧肾衬砌内侧的弄主应力比衬扇砌外侧大。束随着小间距良的增大，两胁隧道远侧边漏墙底部的压育应力集中逐困渐减小，而检中央岩柱底剥部的压应力长集中值不断驳增大。建议零小间距段引Ⅳ责级杨围岩不采用饶全断面开挖洋施工方法，截Ⅲ唤级培围岩在全断霜面开挖的情灵况下，最小谊间距为猫2.5m亲。勿对爆破震动茄监测数据进敬行了回归分皱析，监测结贯果与玻Ⅲ压级好围岩数值计级算结果相吻洪合，因此这请两个公式今喜后可用于指包导薪Ⅲ批级东围岩的施工崭。瘦垂直向足贫各形痰水平向伟事赶球设计分岔隧绸道三维模型败试验架，研掀究分岔隧道叉大拱与连拱胞过渡段、连来拱与小间距用隧道过渡段辞的围岩力学巡特性，模型筝试验结果表睬明：分岔段叙隧道开挖对葬掌子面前方抹的扰动影响游大约为3～趁5倍的洞径昼范围，影响浮程度沿开挖躬方向向前逐转渐减弱。同岂时由于开挖崖掌子面的空第间约束效应夜,掌子面汽对其后方已冰开挖隧洞的枯洞周变形具面有约束作用破，约束效应啊沿远离掌子框面的后方方邪向逐渐减弱西，因此施工瞒中，应充分展利用这一特厉点，为增加挥围岩稳定，充在隧道开挖检后，及时对宏围岩进行初捕期喷锚网支简护。唤图殃8寻三维模型烤试验架撕图间9屠雅大拱-连拱愿过渡段模型真图航冲具两堵胶仆谁坑康闯持赤图和1距0郊洞周光纤光越栅应变传感余器埋设盛是播虏崇坐调蔑图灯11撑高速静态忙电阻应变仪驾测量系统盟通过室内三巡维模型试验袭和数值计算管，夫研究不同隧追道间距、不泡同进排风速朽度隧道的混寸风过程的三服维数值模拟鸦，得到循环盐风的强弱取愚决于排风隧屿道风速、进元风隧道风速依和相邻隧道管的间距。其抖定量关系可丰以用下式表送示：倾式中：Q—妻近距离隧道获通风相互影锅响程度，D胜—隧道间距眯；称、苗—进、排虏风风速。在毁进风风速一硬定时加大排快风风速菠，驰混入进风隧豪道的污风将橡迅速减少，购反之在排风纷风速一定时粗加大进钥风风速则会侵使混入进风验隧道的污风懂迅速增加，恢而进、排风声速同时改变跃时蜂只要进排风她速比不发生瓶变化，混风便的比例就不垒会改变。混侦入进风隧道鱼的风量占排或风隧道排出炕污风的比例乔是随着隧道童间距的加大拖而减少的，复在隧道间距掀大于填10m歼时这一比例亲已经不足5位%束。对八字岭叨分岔隧道若李不已修筑横洞，禾其污风吸入都量将达16昼%。列图鼠1貌2火污风混入现比例与进排焰风速比曲线纳图（间距0索.6m）跳图暴1关3熊进、排败风速度同为竟5m裤/s，隧道证间距梯0.6m禁，洞口流场叛速度云图剧图核1包4粉三维隧道阶通风模型试扭验办图臭1蝶5房隧道间距如2.5m时各混风量与根（V进/V奉排）当关系图瓣图1缝6齐漆树槽隧道慕循环风试验勉图套17仪姐无挡墙时通会风相互影响去理论值、模介型试验值与元现场实测值纹对比图离提出减少循俭环风相互影财响的三大技泰术措施：一跨为错开隧道怖口，而为在松隧道口外修悠筑中隔墙，恋三维提前修旦筑通风横洞重排放污风流剧。三维数值虾计算过和模型试验刘的成果均摸表明：隧道旁错开出洞口守的方式效果中最好。错开汗隧道出口段舒对于减少近森距离隧道通展风相互影响率是十分有效挑的，隧道间拦距僵0.6m尾的情况下错透开段大于碧10m旅时循环风的呀现象已经基远本消失，但赛是对于修建询在崇山峻岭执中的近距离睁隧道来说，肆某些情况下势可能缺少足续够听空间修筑隔较墙。卷图齿18窄错开隧额道口三维数嘴值计算模型虎图避19遍加筑中隔穴墙后的三维渐数值计算模沿型艳编制了惨分岔隧道设浑计施工指南研。快部分成果已缩经被纳入即肆将出版的隧戒道设计细则页，研究成果领为修编《公刊路隧道设计搂规范》提供脖技术依据裳。荐5昼.僵煎经济效益分饭析休（1）本项尘研究成果成职功地准解决了西部云特殊地形和绍地质条件下拾桥隧相连地盯区隧道工程慌设计与施工例中的关键技贡术难题，丰隙富了高速公尖路线形杂布置形式，贱丰富了隧道置结构型式。诊（2）尚根据近距离隙隧道通风相稳互影响的研桥究成果，惭提出碍的汇优化隧道的狗通风方案和姻减小循环风葵相互影响的狱工程措施共，逼可以有效地撇降低隧道循织环风的影响狱，到并对隧道通娇风方案进行券变更，确保昌了隧道施工粒技术方案的接安全性、经条济性和合理撕性嫌。临（浩3豪）发通过现场监匀测、室内试歪验、理论分椒析，优化并柜取消了八字敞岭隧道原有借的三次衬砌央，减小阀了蛇施工周期和榆工程的投资勒；优化小间槽距段岩柱厚物度，及时修河改相关设计铅参数，为分登岔隧道设计猴和施工中的役关键技术难狭点，提供了泪进度和质量毅双重保证。腿（4）形成示的翅浅埋大跨公辈路隧道和小在间距隧道稳棋定性评价方获法，既丰富堆和完善岩土菌力学的计算仪理论和方法绘，又可直接隆为国内外同所类工程借鉴张，具备了良株好的应用前接景，为我国史西部交通事介业可持续发攀展、交通学周科发展和人拴才培养方面直产生显著的陕经济效益。马三次衬砌的拥曲线，一方沿面可以节约言工程成本，桃还节约施工呆周期。佛（5）研究洁成果在依托身工程的建设裹中取得了显父著的经济效嚷益和社会效范益。不仅节身省了总体工获程投资，还喇保护了周边摊生态环境，映提高了衔接摄桥梁结构的吨稳定性。如（烧6累）累计产生捏经济效益1代亿6千万元百。络5.侍昌已发表的论谊文和依托工延程