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连拱隧道建设关键技术的研究
发布:admin 发布时间:2016-06-29 浏览次数:2836


一、立项背景

    本项目属交通部西部交通建设科技项目,研究期限2002年~2005年。项目针对连拱隧道渗漏水、施工工序、隔墙顶部混凝土、隔墙承载力和稳定性、爆破震动的影响等问题开展研究,以解决连拱隧道修建过程中存在的问题。

    随着我国交通基础设施建设规模的逐步扩大,公路隧道修建的数量也日益增多,新的隧道结构型式和相应的施工方法也不断涌现,连拱隧道即是其中之一。建设中的思茅~小勐养高速公路全长97.22公里,全线有13座连拱隧道,本课题以该工程项目为研究背景,由云南省公路规划勘察设计院、同济大学、云南思小高速公路有限公司三家组成联合体与贵州省交通规划勘察设计研究院、四川交通厅公路规划勘察设计研究院,密切结合勘察、设计、施工等的关键技术问题共同开展理论与实践的联合攻关研究,为工程实践服务,真正做到科研为生产实践服务,使我国的连拱隧道修建水平再上一个新台阶。

二、研究目的

    与传统的分幅修建单体隧道相比,连拱隧道在线路平面、洞口位置等的选择上均较分幅修建隧道优越,而且自由度较大;同时,其综合造价较单跨结构低(考虑到隧道分修的双洞进出口各有较长的连接引线,引起的土地征用增多、前后段桥路工程增加、洞身附属工程增加等一系列问题,连拱结构则有明显的优势)。但由于隧道跨度大,结构复杂,不利因素多,加上可供类比的工程很少,设计和施工难度因而很大。

    今后一个时期,连拱隧道在我国特别是西部地区仍然将大量采用。开展连拱隧道设计与施工技术的研究,目的在于探明隧道围岩与结构的力学转换机制,攻克设计与施工中的技术难点,保证工程的顺利进行与圆满完成,获得一套系统完善的研究成果。这对今后类似工程的修建将有积极的参考价值;对丰富和发展我国公路隧道的设计与施工方法,亦具有十分重要的意义。

三、主要研究内容

    本课题研究的总体目标为:针对连拱隧道衬砌结构设计、施工和中墙防水方面所存在的问题,建立一套系统完善的用于连拱隧道设计与施工的方法和成套工程技术,并形成相应的施工规程,为西部山区高速公路建设服务。项目主要研究内容如下:

    (一)连拱隧道裂缝与中墙渗漏水等病害调查及其产生机理研究;

    (二)现场监测与超前地质预报研究;

    (三)室内模型试验研究

    研究IVV级围岩(旧类)地质条件下,高速公路连拱隧道开挖的可行性,分析掌握连拱隧道开挖时围岩与结构的整体力学性质,变形趋势以及稳定性特点。与此同时,物理模型所得的结果可与后期的数值模拟所得的结果进行对比分析,在一定程度上进行相互验证。

    (四)连拱隧道成套设计技术研究

    (五)动态反馈设计与信息化施工研究;

    (六)理论与数值模拟分析

    (七)软件研究

    1、连拱隧道施工监测数据库管理软件的研制;

    2、连拱隧道施工动态数值模拟分析软件的研制;

    3、连拱隧道施工动态反馈分析软件的研制;

    4、连拱隧道计算机辅助设计软件的研制; 

    5、边坡稳定性分析软件的研制。

四、取得的主要成果

    本项目经过4年多的刻苦攻关,取得了一系列科研成果,公开发表论文60篇,获得专利4项,出版专著1本。项目研究成果达到国际先进水平,其中连拱隧道计算模型等部分成果达到国际领先水平。项目成果应用于以思茅~小勐养高速公路为依托工程,取得了良好的效果。

    (一)典型裂缝、渗漏水病害调查与分析专题研究

    1、连拱隧道裂缝调查

隧道衬砌结构受力破坏产生的裂缝,是衬砌受力状态的综合反映。裂缝的部位和性质与衬砌结构形式、结构几何尺寸、围岩压力大小及分布、施工技术、工程质量及建筑材料等因素有密切关系。

   

典型连拱隧道裂缝平面展开图

    从现场检测的结果来看,裂缝产生的主要原因还在于施工质量问题;从渗漏水情况来看,大部分是由于施工缝防水处理不良造成的,也有部分是由于混凝土不密实而被地下水渗透形成的,这一方面说明施工质量较差,设计意图不能得到保证,另一方面也说明我们的设计可能还不完善,施工上难于实现。

      

整  体                                 中  墙

    2、裂缝产生的计算机仿真模拟研究

    裂缝数值模拟初步揭示了连拱隧道裂缝产生的机理,但是由于现有的商用软件在隧道衬砌结构裂缝模拟上的局限性,本研究未能模拟结构裂缝的开展过程,而且模拟中采用传统的荷载结构法,把外部岩土体对隧道衬砌的作用当成外部荷载来考虑,而忽略了岩体和隧道衬砌的共同作用等效果,另外在模拟中也没有考虑岩体出现断层节理等现象对隧道衬砌裂缝的影响,因而模拟的计算结果难免不太理想,也不全面,这些也是以后亟待进一步研究的问题。

    (二)现场监测和探查专题研究

    1、现场监控量测研究

    受云南省思小高速公路建设指挥部的委托,并配合交通部西部交通建设科技项目“连拱隧道建设关键技术研究”的现场测试工作,同济大学地下建筑与工程系派出由教授﹑博士﹑硕士带队组成的监测组于2003年8月底进驻思小高速公路施工现场,在大渡岗和曼歇设驻地办公室,驻扎现场承担四条隧道的现场监控量测工作。

    2、连拱隧道超前地质预报与施工控制技术研究

    充分利用连拱隧道中导洞先行施工的有利条件,提出了整套连拱隧道中导洞超前地质预报流程与方法,为业主决策提供了重要的依据,保证了工期和施工安全,节约了工程造价,具有重要的推广价值,为实现连拱隧道动态反馈设计奠定了基础。



      

隧道结构面局部展开图

    (1)在施工过程中进行详细的地质描述及对地层、岩性、构造、地下水、围岩破坏现象进行分析,中导洞施工结束后,即对隧道的地质条件有更为详尽和准确的认识,从而能够准确地进行超前地质预报,并提出合理的施工工序和施工中应注意的问题,对正洞的施工具有重要的指导作用;

    (2)通过连拱隧道中导洞施工过程中的详细的地质描述,可以纠正原设计中对于地质条件的不正确的认识或结论,从而使设计建立在更为可靠的基础之上,能保证施工的顺利进行和隧道的安全性;

    (3)施工揭露的地质情况和监测结果表明,本课题进行的超前地质预报和提出的施工控制建议是正确、合理、有效的,避免了施工过程中因地质原因而造成的各种事故。

    (三)室内模型试验专题研究

    1、数字照相技术

    模型试验研究采用同济大学地下建筑与工程系李元海博士(指导老师:朱合华)研究得出的一种新的图象分析技术:BTIE法。将数码照相变形技术应用于模型试验的研究,量测时,在模型试验观测面上,不再需要布置嵌入式量测标志点或描画网格,直接用数码相机在试验各阶段拍摄照片,然后对照片序列进行图像相关分析,即可得出模型试验的位移场分布。利用图像匹配技术追踪模型上点的位移,借用FEM常用的四边形等参单元进行图像校准和应变计算,采用双线性插值技术可以实现微小变形量测,拓宽了模型试验全场细观变形研究的手段。

      

采用数字照相变形量测技术进行拱顶位移分析

    2、围岩压力释放率

    为了消除或减少模型试验过程中,由于模型的制作、量测系统自身的变化等因素影响,在分析围岩压力的变化规律时,提出了“围岩压力释放率”的概念,突出了连拱隧道开挖过程中围岩压力的变化特性,使得分析的结果更清晰、合理。

   (四)设计方法专题研究

    1、连拱隧道适应性研究

    研究了一级高速公路500m以下的公路隧道、500-750m的隧道、750m以上的隧道的合修连拱方案。

    2、连拱隧道荷载模式

    系统分析依托工程的监测数据、模型试验、经验公式、理论计算围岩压力分布与确定情况,基于双塌落拱的假定首次建立了深埋连拱隧道的荷载模式。

    对于连拱隧道而言,由于中导洞开挖后即施工了中隔墙对中间围岩进行了加固,显然若按整个开挖跨度计算的垂直压力应该小于实际的连拱隧道垂直压力;理论上若中隔墙在中隔墙顶未发生变形前就进行支护,且和围岩密贴,那么隧道计算松动压力的宽度应选择一般的连拱隧道宽度的一半,但实际施工时首先中隔墙顶部围岩在支护时已经发生了一定的变形,其次中隔墙施工也不可能做到和围岩十分密贴,所以隧道松动压力的计算值应该在取半结构宽度与取整个开挖宽度之间取值。

   

深埋连拱隧道荷载分布图

    3、设计计算方法

    建立了有厚度的广义梁单元和广义杆单元方法,较好地解决了中墙与二衬接头部位在设计计算中的尺寸效应问题。

    4、连拱隧道支护参数与防排水设计

    首次提出了三层直中墙结构,建立了本课题推荐的三层中墙结构的成套设计与施工方法,总结、推荐并完成了成套的不同结构型式的连拱隧道结构设计、施工及防排水技术。

    (五)动态反馈设计与信息化施工专题研究

    成立动态反馈设计和信息化施工决策组,及时、快速、超前处理施工中所发生的问题和一切突发事故。

    1、根据对已开挖段地质素描,监控量测,工程实验,质量检测等获取信息的处理,再结合对未开挖段超前地质预报信息的综合分析,可及时、快速地对发生和即将发生的事故进行正确的分析和决策并进行处理;

    2、建立由建设、设计、监理、施工签认现场变更处理卡制度,信息立即反馈到施工单位,施工单位立即组织人力、物力进行施工,如遇有不良地段,危险情况发生,先组织抢险,后组织上报,避免事故的发生;

      

边坡加固措施

    3、建立了成套动态反馈设计与信息化施工系统,保证依托工程施工的顺利进行和圆满完成,实现了经济效益与社会效益双丰收。

连拱隧道网络多媒体演示系统界面

五、社会经济效益

    连拱隧道建设的关键技术研究系统解决了连拱隧道建设中存在的设计与施工关键问题,为元磨高速公路、思小高速公路等依托工程提前竣工或顺利施工奠定了坚实的基础。完成的连拱隧道设计准则和设计方法、工程应用报告、施工操作规程、以及设计计算、理论分析和管理软件等成果的实用性强,可直接推广应用,可为推动我国交通建设的发展起到积极的作用。

    连拱隧道建设关键技术的研究,有利于进一步发展西部交通建设,有利于加快西部人民群众脱贫致富的步伐,对促进西部大开发,具有十分重要的意义。西部诸多地区历史悠久,物产富饶,旅游资源十分丰富,但由于交通运输条件的限制,区域内经济发展相对落后。本项目的完成,对于优化区域内的路网结构,充分发挥地区公路网功能,提高区域内公路网的通行能力有着重要的意义。同时也为西部地区改善投资环境,发展旅游产业,开发本地资源,加速经济发展,促进西部大开发,加快脱贫致富步伐,全面建设小康社会具有十分重要的意义。对促进西部经济、文化的发展和社会稳定有重要意义。

 
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