分岔隧道設計施工關鍵技術研究

1、分岔隧道設計施工關鍵技術研究報告簡本分岔隧道設計施工關鍵技術研究報告簡本1. 項目基本情況滬蓉國道道主干線線湖北省省境內宜昌至至恩施段段高速公公路為我我國最早早規(guī)劃的的“兩縱縱兩橫”國道主主干線中中的最后后還未貫貫通路段段。于220044年5月月全面開開工建設設，工程程將于220077年底全全面建成成。由于于該工程程穿過的的區(qū)域多多為崇山山峻嶺的的山區(qū)，地形地地質條件件極為復復雜，在在工程建設設中遇到到了前所所未有的的難題。為適應多多變的地地形和地質條條件，隧隧道設計計中采用用新的結結構型式式分岔岔隧道：即一端端洞口為為四車道道大拱，另一端端洞口為為上下行行分離隧隧道。宜宜昌至恩恩施段設設置分

2、岔岔隧道的的主要原原因是：一方面面為了跨跨越四渡渡河、支支井河等等高深峽峽谷型河河流，橋橋梁單孔孔跨度均均在4000米以以上，左左右幅橋橋均必須須建造為為整體型型式，另另一方面面由于橋橋梁緊接接隧道，兩者之之間缺少少足夠的的過渡路路基，因因此緊鄰鄰橋梁一一端的洞洞口必須須設置為為連拱隧隧道甚至至四車道道大拱，而橋梁梁兩端的的隧道又又較長，全部隧隧道設置置為連拱拱隧道又又不太經經濟，在在隧道內內有必要要將左右右洞室逐逐漸分離離，這樣樣就形成成了分岔岔隧道。分岔隧隧道是在在復雜地地形地質質條件下下建設高高速公路路山嶺隧隧道的大大膽創(chuàng)新新，不僅僅大大拓拓寬了山山區(qū)公路路隧道工工程的設設計理念念，而且

3、且使公路路淺埋大大跨隧道道的設計計與施工工的技術術得到了了較大提提升和發(fā)發(fā)展。通過數值值模擬、室內物物理模型型實驗和和工程現現場測試試相結合合的方法法，對分岔岔式隧道道的施工工工法、巖柱厚厚度、襯襯砌支護護時機、支護結結構的可可靠度以以及考慮慮隧道局局部循環(huán)環(huán)風影響響的流體體動力學學以及通通風工藝藝等方面面進行深深入細致致的研究究，提出出切實可可行的工工程技術術措施和和隧道穩(wěn)穩(wěn)定性評評價體系系保證工工程的長長期穩(wěn)定定性。同時還編制了分岔隧隧道的設設計施工工技術指指南，重點依依托八字字嶺、廟廟埡和漆漆樹槽分分岔隧道道開展研研究，其其中八字字嶺隧道道是研究究重點，自20004年年4月開開始至200

4、07年66月止，歷時33年。2.依托托工程實實施情況況八字嶺隧隧道位于于宜昌市市長陽縣縣恩施土土家族苗苗族自治治州的巴巴東縣境境內，起起訖樁號號左線(ZK996+7750K1000+2290)，長335400m，右右線YKK96+7300K1100+2900，長335600m。隧隧道平面面線型左左線為左左偏半徑徑R=225000m的圓圓曲線接接直線接接右偏半半徑R=90000m的的圓曲線線接直線線，右線線為左偏偏半徑RR=25500mm的圓曲曲線接直直線接右右偏半徑徑R=880000m的圓圓曲線接接直線。左、右右線縱坡坡均為22.4單向上上坡。隧隧道最大大埋深約約為3990m。隧道進進出口均均

5、為端墻墻式洞門門。圖1 八字嶺嶺分岔隧隧道示意意圖3. 主主要研究究內容根據分岔岔隧道設設計與施施工的特特點，本本課題結結合八字字嶺隧道道，共分分成三個個專題進進行研究究，重點點具體研研究內容容如下：專題一：分岔隧隧道設計計關鍵技技術研究究通過現場場監(jiān)控量量測、模模型試驗驗、非線線性有限限元數值值分析等等方法，研究四四車道大大拱隧道道、連拱拱中隔墻墻、小凈凈距巖柱柱的最小小寬度及及圍巖的的支護參參數等關關鍵指標標。專題二：分岔隧隧道施工工關鍵技技術研究究通過模型型試驗、非線性性有限元元數值分分析等方方法，研研究四車車道大拱拱隧道、連拱隧隧道、小小凈距隧隧道的合合理施工工方法，通過對對現場的的監(jiān)

6、測結結果反饋饋分析和和數值分分析，提提出八字字嶺隧道道的合理理工法和和控制圍圍巖振動動的爆破破參數。專題三：近距離離雙洞隧隧道洞口口空氣相相互影響響研究通過室內內模型試試驗、現現場試驗驗和三維維數值仿仿真等方方法，研研究近距距離雙洞洞隧道洞洞口空氣氣相互影影響以及及減小近近距離隧隧道通風風相互影影響的工工程技術術措施。4. 主主要研究究成果提出公路路分岔隧隧道的新新型結構構型式，豐富和和完善了了高速公公路線形形布置方方案，為為山區(qū)高高速公路路規(guī)劃提提供新的的思路，對節(jié)約約土地資資源、節(jié)節(jié)能、工工程投資資等方面面具有顯顯著效益益。通過經驗驗類比和和數值計計算的方方法，提提出分岔岔隧道在在不同圍圍

7、巖條件件下的最最優(yōu)施工工工序。對四車車道大拱拱的級圍巖，建議采采用留巖巖柱方案案，級和級圍巖建建議采用用上下臺臺階法或或多步開開挖方案案，級圍巖則則建議采采用全斷斷面一次次開挖的的方式。對連拱拱隧道的的級圍巖，建議采采用三導導洞法，級圍巖采采用三導導洞法，級圍巖采用用中導洞洞全斷面面法。級圍巖，采用中中導洞全全斷面法法。對小小間距隧隧道的級圍巖，建議采采用上下下臺階與與正向側側壁導坑坑組合法法，級圍巖采用用上下臺臺階與正正向側壁壁導坑組組合法。級圍巖采采用上下下臺階法法，級圍巖采采用全斷斷面爆破破法。并并將上述述工法直直接應用用到八字字嶺、廟廟埡和漆漆樹槽分分岔隧道道的開挖挖實踐中中。圖2八字

8、字嶺分岔岔隧道三三維計算算模型圖3大拱拱連拱過過渡段連連拱段中中導洞開開挖后圍圍巖最大大主應力力分布（MPaa）圖4大拱拱連拱過過渡段連連拱段中中導洞開開挖后圍圍巖最小小主應力力分布（MPaa）圖 5 小間距距和連拱拱過渡段段巖柱塑塑性區(qū)分分布圖根據經驗驗類比法法提出的的不同圍圍巖級別別下的大大拱、連連拱和小小間距隧隧道的施施工工法法。通過對大大拱、連連拱、小小間距隧隧道以及及大拱和和連拱過過渡段與與連拱和和小間距距過渡段段的三維維數值計計算，大大拱段隧隧洞開挖挖后的圍圍巖應力力狀態(tài)較較好，頂頂拱處圍圍巖僅出出現微小小的拉應應力區(qū)，隧洞底底板圍巖巖在開挖挖結束時時有較大大的拉應應力，因因此建議

9、議開挖仰仰拱后施施作仰拱拱襯砌；隧洞圍圍巖產生生的位移移也不大大，頂拱拱處位移移最大時時不到33mm；施作的的中隔墻墻和二次次襯砌應應力水平平并不高高，中隔隔墻本身身未出現現塑性區(qū)區(qū)，建議議設計采采用無中中隔墻方方案；該該方案在在八字嶺嶺工程隧隧道大拱拱中應用用。根據據小間距距段巖柱柱間塑性性區(qū)貫通通的情況況錨桿可可采用對對穿預應應力錨桿桿，以增增強此圍圍巖區(qū)域域的應力力水平，抵抗圍圍巖過大大變形，級圍巖建建議最小小巖柱厚厚度為22.5mm，級圍巖的的最小巖巖柱寬度度可以考考慮為44.0mm。根據八字字嶺分岔岔隧道的的現場頂頂拱下沉沉、收斂斂、錨桿桿軸力和和多點位位移計以以及襯砌砌和圍巖巖的監(jiān)

10、測測結果，采用基基于損傷傷力學的的裂隙巖巖體本構構模型，能能更真實實地反映映工程中中的裂隙隙巖體的的力學行行為。該該模型可可以較好好地反應應節(jié)理裂裂隙巖體體的材料料性能劣劣化、剛剛度退化化及損傷傷累積過過程等。并采用用等效損損傷力學學效應的的方法，對相應應的裂隙隙巖體的的受力變變形過程程進行了了數值模模擬，還還將混合合型模擬擬退火算算法嵌入入BP神神經網絡絡中，使使得這種種改進BBP網絡絡，不僅僅具有強強大的非非線性逼逼近能力力，同時時具有可可觀的全全局尋優(yōu)優(yōu)的能力力，并利利用它對對分岔隧隧道圍巖巖參數進進行反演演分析。計算結結果表明明：八字嶺嶺分岔隧隧道圍巖巖小間距距段的圍圍巖力學學特性要要

11、弱于大大拱段，反演分分析的計計算結果果和工程程現場的的監(jiān)測結結果比較較吻合。圖6 現現場監(jiān)控控量測圖7 八字嶺嶺分岔隧隧道ZKK1000+1990斷面面拱頂沉沉降時程程曲線在爆破作作用下，連拱段段中隔墻墻及上部部巖體和和隧道兩兩側拱角角及邊墻墻是主要要危險區(qū)區(qū)。連拱拱段在臺臺階法開開挖過程程中，下下臺階的的底板眼眼爆破時時，爆破破震動最最大，這這與計算算結果相相吻合。臺階法法施工新新建隧道道時，下下臺階開開挖爆破破震動對對既有隧隧道穩(wěn)定定性的影影響比上上臺階大大。連拱拱段爆破破時，建建議級圍巖上上臺階開開挖爆破破最大單單段裝藥藥量為44.0kkg，下臺臺階為66.0kkg；建議議級圍巖上上臺階

12、開開挖爆破破最大單單段裝藥藥量為44.8kkg，下臺臺階為77.0kkg。小間距段段爆破開開挖時，既有隧隧道襯砌砌在爆破破產生的的地震波波作用下下，應力力值將會會產生很很大改變變。迎爆爆側應力力狀態(tài)比比背爆側側高。對對于迎爆爆側來說說，襯砌砌內側與與外側的的應力值值也會有有差別，由計算算結果可可知，迎迎爆側襯襯砌內側側的主應應力比襯襯砌外側側大。隨隨著小間間距的增增大，兩兩隧道遠遠側邊墻墻底部的的壓應力力集中逐逐漸減小小，而中中央巖柱柱底部的的壓應力力集中值值不斷增增大。建建議小間間距段級圍巖不不采用全全斷面開開挖施工工方法，級圍巖在在全斷面面開挖的的情況下下，最小小間距為為2.55m。對爆破

13、震震動監(jiān)測測數據進進行了回回歸分析析，監(jiān)測測結果與與級圍巖數數值計算算結果相相吻合，因此這這兩個公公式今后后可用于于指導級圍巖的的施工。垂直向 水平向 設計分岔岔隧道三三維模型型試驗架架，研究究分岔隧隧道大拱拱與連拱拱過渡段段、連拱拱與小間間距隧道道過渡段段的圍巖巖力學特特性，模模型試驗驗結果表表明：分分岔段隧隧道開挖挖對掌子子面前方方的擾動動影響大大約為335倍倍的洞徑徑范圍，影響程程度沿開開挖方向向向前逐逐漸減弱弱。同時時由于開開挖掌子子面的空空間約束束效應, 掌子子面對其其后方已已開挖隧隧洞的洞洞周變形形具有約約束作用用，約束束效應沿沿遠離掌掌子面的的后方方方向逐漸漸減弱，因此施施工中，

14、應充分分利用這這一特點點，為增增加圍巖巖穩(wěn)定，在隧道道開挖后后，及時時對圍巖巖進行初初期噴錨錨網支護護。圖8三三維模型型試驗架架圖9大拱拱-連拱拱過渡段段模型圖圖圖10 洞周光光纖光柵柵應變傳傳感器埋埋設圖11 高速靜靜態(tài)電阻阻應變儀儀測量系系統(tǒng)通過室內內三維模模型試驗驗和數值值計算，研究不不同隧道道間距、不同進進排風速速度隧道道的混風風過程的的三維數數值模擬擬，得到到循環(huán)風風的強弱弱取決于于排風隧隧道風速速、進風風隧道風風速和相相鄰隧道道的間距距。其定定量關系系可以用用下式表表示：式中：QQ近距距離隧道道通風相相互影響響程度，D隧隧道間距距； 、 進進、排風風風速。在進風風風速一一定時加加大

15、排風風風速，混入進進風隧道道的污風風將迅速速減少，反之在在排風風風速一定定時加大大進風風風速則會會使混入入進風隧隧道的污污風迅速速增加，而進、排風速速同時改改變時只只要進排排風速比比不發(fā)生生變化，混風的的比例就就不會改改變?；旎烊脒M風風隧道的的風量占占排風隧隧道排出出污風的的比例是是隨著隧隧道間距距的加大大而減少少的，在在隧道間間距大于于10mm時這一一比例已已經不足足5%。對八字字嶺分岔岔隧道若若不修筑橫橫洞，其其污風吸吸入量將將達166%。圖12污風混混入比例例與進排排風速比比曲線圖圖（間距距0.66m）圖13 進、排風速速度同為為5m/ss，隧道道間距00.6mm，洞口口流場速速度云圖圖

16、圖14 三維維隧道通通風模型型試驗圖15隧道間間距2.5m時時混風量量與（VV進/VV排）關關系圖圖16 漆樹槽槽隧道循循環(huán)風試試驗圖 177無擋墻墻時通風風相互影影響理論論值、模模型試驗驗值與現現場實測測值對比比圖提出減少少循環(huán)風風相互影影響的三三大技術術措施：一為錯錯開隧道道口，而而為在隧隧道口外外修筑中中隔墻，三維提提前修筑筑通風橫橫洞排放放污風流流。三維維數值計計算和模模型試驗驗的成果果均表明明：隧道道錯開出出洞口的的方式效效果最好好。錯開開隧道出出口段對對于減少少近距離離隧道通通風相互互影響是是十分有有效的，隧道間間距0.6m的的情況下下錯開段段大于110m時時循環(huán)風風的現象象已經基

17、基本消失失，但是是對于修修建在崇崇山峻嶺嶺中的近近距離隧隧道來說說，某些些情況下下可能缺缺少足夠夠空間修修筑隔墻墻。圖18 錯開開隧道口口三維數數值計算算模型圖19 加筑中中隔墻后后的三維維數值計計算模型型編制了分分岔隧道道設計施施工指南南。部分分成果已已經被納納入即將將出版的的隧道設設計細則則，研究究成果為為修編公路隧隧道設計計規(guī)范提供技技術依據據。5.經濟濟效益分分析（1）本本項研究究成果成成功地解解決了西西部特殊殊地形和和地質條條件下橋橋隧相連連地區(qū)隧隧道工程程設計與與施工中中的關鍵鍵技術難難題，豐豐富了高高速公路路線形布布置形式式，豐富富了隧道道結構型型式。（2）根根據近距距離隧道道通

18、風相相互影響響的研究究成果，提出的優(yōu)化隧隧道的通通風方案案和減小小循環(huán)風風相互影影響的工工程措施施，可以有有效地降降低隧道道循環(huán)風風的影響響，并對對隧道通通風方案案進行變變更，確確保了隧隧道施工工技術方方案的安安全性、經濟性性和合理理性。（3）通通過現場場監(jiān)測、室內試試驗、理理論分析析，優(yōu)化化并取消消了八字字嶺隧道道原有的的三次襯襯砌，減減小了施工周周期和工工程的投投資；優(yōu)優(yōu)化小間間距段巖巖柱厚度度，及時時修改相相關設計計參數，為分岔岔隧道設設計和施施工中的的關鍵技技術難點點，提供供了進度度和質量量雙重保保證。（4）形形成的淺淺埋大跨跨公路隧隧道和小小間距隧隧道穩(wěn)定定性評價價方法，既豐富富和完善善巖土力力學的計計算理論論和方法法，又可可直接為為國內外外同類工工程借鑒鑒，具備備了良好好的應用用前景，為我國國西部交交通事業(yè)業(yè)可持續(xù)續(xù)發(fā)展、交通學學科發(fā)展展和人才才培養(yǎng)方方面產生生顯著的的經濟效效益。三三次襯砌砌的曲線線，一方方面可以以節(jié)約工工程成本本，還節(jié)節(jié)約施工工周期。（5）研研究成果果在依托托工程的的建設中中取得了了顯著的的經濟效效益和社社會效益益。不僅僅節(jié)省了了總體工工程投資資，還保保護了周周邊生態(tài)態(tài)環(huán)境，提高了了銜接橋橋梁結構構的穩(wěn)定定性。（6）累累計產生生經濟效效益1億億6千萬萬元。5.已發(fā)發(fā)表的論論文和依依托