CN102900441A - 基于围岩完全变形控制的中国隧道修建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于围岩完全变形控制的中国隧道修建方法,其实施步骤为:(1)地质判定:隧道工程地质勘察与围岩物理力学特性综合评价,确定隧道围岩分级与物理力学参数;(2)标准制定:对隧道围岩变形进行预测,制定围岩变形控制标准和满足安全性、经济性的初步设计方案;(3)对策拟定:针对变形全过程制定详细的变形控制对策,并在施工图设计中将围岩变形控制目标分解到每个施工工序;(4)过程测定:在施工全过程进行监控量测及信息反馈,对关键施工部位和关键施工工序进行重点监测,判断工程的安全性并及时作出反应;(5)状态评估:及时对支护结构状态进行评估,对隧道围岩结构的长期稳定性进行评价,必要时给出合理的补强方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于围岩完全变形控制的中国隧道修建方法,属于地下建筑工程技术领域。
背景技术
隧道工程作为一种地下工程,与地面工程项目相比,由于其周围地质环境的复杂性和不确定性,施工中存在较大的安全风险。近年来国内外隧道工程施工中多次发生大的事故,造成重大的人员伤亡和惨重的经济损失,并对社会的安定带来一定负面的影响。
我国已经成功修建了大量的隧道工程,据不完全统计,目前运营的铁路隧道总数量超过了10000座,总长度超过了7000公里,在建铁路隧道总长度约7500公里,正在设计和规划的铁路隧道的总长度超过10000公里,我国铁路隧道建设的总量已经远远领先世界其他国家。另外,我国公路、水电、城市地铁隧道等的发展速度也非常迅速,我国已经成为名副其实的隧道大国。但是我国隧道修建的技术水平、施工装备、安全质量控制与管理等与隧道发达国家相比还存在较大的差距,我们目前还称不上是隧道强国,主要表现在:没有形成适合我国国情的隧道技术理论体系,例如欧洲各国形成了以挪威法、新奥法和意大利岩土变形控制为基础的隧道技术理论体系,日本形成了以复合式衬砌为基础的隧道技术理论体系,而我国的隧道工程设计还处于半经验、半理论和工程类比的阶段。其原因主要是对复杂地质条件下的隧道围岩稳定性缺乏系统的理论研究,设计时往往偏于安全考虑致使工程措施越来越保守,工程投资难以有效控制,有时也因围岩稳定性控制的设计参数不足造成严重的安全事故;因此,在大规模隧道工程建设的新阶段,加强系统的理论研究,提高设计质量,是适应现代隧道建设的迫切要求。
目前我国隧道工程的建设规模是空前的,面对如此大规模的隧道建设,而且面临复杂多变的地质条件,客运专线及高速铁路建设标准高,迫切需要强有力的技术支撑和工程成本的优化,形成适合我国国情的中国隧道修建方法,包括可靠的设计理论和先进和安全可靠的施工技术。
本发明针对我国隧道工程施工中的围岩稳定性控制问题,提出了以围岩完全变形控制为核心的隧道施工全过程围岩稳定性控制方法,通过地质判定、标准制定、对策拟定、过程测定和状态评估等手段保证隧道工程施工中的安全,建立适合我国国情的隧道修建方法。为了克服现有技术结构的不足,本发明提供一种基于围岩完全变形控制的中国隧道修建方法。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
1.以“围岩为本”。围岩是隧道结构的主体,是构成结构体的主体材料,是施加结构的荷载来源。“结构体-作用荷载-构成材料”三位一体是隧道工程的重要的、独一无二的特征。隧道工程从规划、调查、设计、施工到维修管理都是由这个特性决定的。
2.维护和提高围岩的自支护能力是隧道设计、施工、维修管理的基本原则。设计施工要做到:不使围岩“松弛”或者“少松弛”;围岩、初期支护及二次衬砌是成为一体的结构物,隧道结构物只有与围岩成为一体才能发挥其功能。
3.基于围岩完全变形控制的中国隧道修建方法包括以下五个步骤:
(1)地质判定:隧道工程地质勘察与围岩物理力学特性综合评价,确定隧道围岩分级及其物理力学参数;
(2)标准制定:对隧道围岩变形进行预测,进行可研设计,制定掌子面前方变形、掌子面挤出变形和掌子面后方变形的控制标准;并制定满足安全性和经济性的初步设计方案;
(3)对策拟定:针对变形全过程制定详细的变形控制对策,即制定超前支护、掌子面支护、初期支护和其它辅助工法等措施,并在施工图设计中将围岩变形控制目标分解到每个施工工序;
(4)过程测定:在施工全过程进行监控量测及信息反馈,对关键施工部位和关键施工工序进行重点监测,根据监测信息,判断工程的安全性并在施工措施上及时作出反应;
(5)状态评估:及时对支护结构状态进行评估,即在各施工工序完成后对隧道支护结构施做质量和围岩变形控制效果进行分析,对隧道围岩结构的长期稳定性进行评价,必要时给出合理的补强方案。
适用范围:
本方法适用于采用矿山法进行修建的隧道及地下工程,使隧道施工中的围岩稳定性控制更具有科学化和规范化。
本发明的有益效果是:
(1)适用于隧道工程建设安全风险控制,比如长大深埋软弱围岩隧道穿越不良地质体等的施工控制;
(2)使隧道工程施工安全管理更具科学化,并且使得控制措施的可操作性和针对性,最终实现隧道工程建设安全风险管理的规范化;
(3)在拟定的施工方法和工程条件下,结合工程实际、既往的监测成果和理论分析及数值模拟结果,对每个施工阶段的变形量进行分解,即将总体目标分解为阶段目标进行控制,通过阶段控制目标的实现达到对总体目标的控制,从而确保了隧道工程施工过程安全。
附图说明
图1为本发明基于围岩完全变形控制的中国隧道修建方法的工作程序图;
图2为本发明具体实例中围岩变形监测时程曲线;
图3为本发明具体实例中围岩变形控制对策。
具体实施方式
本发明专利修建方法在贵广铁路天平山隧道、三都隧道,兰渝铁路桃树坪隧道等项目中获得了成功应用。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
某双线单洞铁路隧道,全长3220m,隧道开挖断面140多m2,属特大断面隧道。隧道穿行于黄河高阶地下部,地势上隧道进口低、出口高,地形起伏大,相对高差达200m以上,最小埋深处仅6m,地表上沟谷发育,下切较深,隧道下穿多个垃圾回填的浅埋沟谷、青兰高速、312国道、厂矿企业、密集的居民区。
隧道洞身通过主要地层为冲积卵石土,粗细圆砾土、卵石土及遇水未成岩粉细砂。该隧道出口段围岩为富水粉细砂层,呈砂状结构,成岩作用差,自稳能力差,无胶结,稍有扰动即成松散粉状结构,在富水时基本无自稳能力,呈流塑状,软化现象明显,隧道开挖后围岩没有自稳时间,其变形速度快、变形量大,初期支护还来不及施做,围岩便已发生溜塌。为了保证特大断面富水粉细砂层隧道的施工安全,采用了本发明基于围岩完全变形控制的中国隧道修建方法。
(1)地质判定:如图1所示,根据隧道工程与水文地质勘察试验结果确定了该段围岩为第三系含水未成岩砂层,含水率为3.2~24.2%,比重2.63,孔隙比0.38~0.42,黏粒含量4~10%,渗透系数1.0×10-3~3.5×10-4cm/s,围岩容重2250kg/m3,弹性模量0.2GPa,泊松比0.42,黏聚力20KPa,内摩擦角20°,围岩级别确定为VI级。
(2)标准制定:基于连续介质模型计算得到了无支护、仅有初期支护(初期支护采用I25a工字钢架,间距50cm;钢筋网Φ8钢筋,间距20cm×20cm网格;C30喷混凝土厚33cm。),以及超前支护(超前支护采用桩径为60cm,桩间距为40cm,桩长18m的水平旋喷桩;Φ42超前小导管δ=4mm,L=4m,环向间距40cm,拱部120°布置;长18m,孔间距1.5m梅花形布置的掌子面玻纤锚杆旋喷桩。)和初期支护联合支护3种工况下的围岩变形。计算结果表明:在无支护条件下,围岩变形不收敛,变形值持续增大,直至整个隧道坍塌;仅设初期支护时,隧道围岩拱顶超前变形为179mm,全变形量为418mm,可见掌子面超前变形约占总变形量的42.9%;超前支护和初期支护联合支护条件下,隧道围岩拱顶超前变形为16mm,全变形量为89mm,掌子面超前变形约占总变形量的20%。
基于隧道施工安全性和长期运营可靠性的要求,并考虑地表既有结构物安全性控制等的要求,根据工程经验类比和数值分析等方法制定该隧道拱顶沉降的控制标准为100mm,考虑到一定的安全储备,最后采用90mm作为拱顶沉降控制总体目标,其中超前变形不超过27mm,掌子面挤出变形不超过45mm,掌子面后方变形不超过63mm,最终拱顶沉降预警值为54mm,报警值为72mm。
(3)对策拟定:根据VI级围岩特大跨条件下隧道围岩变形控制标准和数值模拟分析结果,本隧道采用初期支护和超前支护联合支护控制围岩变形。采用注浆超前小导管和超前长钢管控制掌子面前方的围岩变形;采用掌子面的水平旋喷桩、玻纤锚杆旋喷桩控制掌子面的挤出变形,同时控制掌子面前方的围岩变形;采用由钢拱架、喷射混凝土、钢筋网和纵向连接筋组成初期支护控制掌子面后方的围岩变形。
(4)过程测定:隧道施工过程中拱顶沉降监测曲线如图2所示,其中掌子面超前变形按总变形量的20%计。监测结果表明,在该隧道的开挖支护过程中,围岩变形均在控制目标范围内。当下台阶及仰拱开挖时,隧道拱底出现了较大的回弹变形,且隧道结构出现了一定的整体沉降,仍在控制范围内,但这时为了保证高速铁路的长期运营安全,增设了锁脚锚管,并进行了基底处理,如附图3所示。
(5)状态评估:为实现初期支护与围岩的密贴,以增强初期支护的耐久性并控制隧道施工完成后掌子面后方的围岩残余变形,对初期支护背后进行回填注浆,如附图3所示。
Claims (2)
1.基于围岩完全变形控制的隧道修建方法,其特征在于:
(1)以“围岩为本”。围岩是隧道结构的主体,是构成结构体的主体材料,是施加结构的荷载来源。“结构体-作用荷载-构成材料”三位一体是隧道工程的重要的、独一无二的特征。隧道工程从规划、调查、设计、施工到维修管理都是由这个特性决定的。
(2)维护和提高围岩的自支护能力是隧道设计、施工、维修管理的基本原则。设计施工要做到:不使围岩“松弛”或者“少松弛”;围岩、初期支护及二次衬砌是成为一体的结构物,隧道结构物只有与围岩成为一体才能发挥其功能。
2.该方法包括以下步骤:
步骤1,地质判定:通过隧道工程地质勘察与围岩物理力学特性分析得出围岩物理力学参数,包括抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角、剪胀角、渗透系数,总结隧道围岩工程与水文地质特征,并结合隧道横纵断面布置确定围岩分级,
步骤2,标准制定:基于隧道施工安全性和长期运营可靠性的要求,根据工程类比和数值分析方法预测不同方案下掌子面前方变形、掌子面挤出变形、掌子面后方变形,并以此为基础制定3类变形的控制标准,制定满足安全性和经济性要求的初步设计方案,
步骤3,对策拟定:进行施工图设计,针对选定的三种变形类型制定相应的变形控制对策,包括制定超前支护、掌子面支护、初期支护和其它辅助工法措施的设计参数与施工方案,在初步选定的设计参数下将三种类型变形控制最终目标分解到各主要施工阶段,
步骤4,过程测定:在施工全过程进行监控量测及信息反馈,对关键施工部位和关键施工工序进行重点监测,根据监测信息,判断工程的安全性并在施工措施上及时作出反应。需要时采用改进施工工法,加强支护手段提高围岩预加固效果,保证隧道施工过程中的围岩稳定性,
步骤5,状态评估:及时对支护结构状态进行评估,即在各施工工序完成后对隧道支护结构施做质量和围岩变形控制效果进行分析,对隧道围岩结构的长期稳定性进行评价,必要时给出合理的补强方案。
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