公路隧道建設(shè)技術(shù)

公路隧道建設(shè)技術(shù)第1頁/共140頁我國公路隧道建設(shè)基本情況2

環(huán)保型隧道建設(shè)技術(shù)研究與實踐3

隧道監(jiān)控量測及圍巖分級技術(shù)創(chuàng)新第2頁/共140頁11、我國公路隧道建設(shè)基本情況第3頁/共140頁

二十多年來，中國公路建設(shè)蓬勃發(fā)展。截至2007年底，我國公路及隧道建設(shè)規(guī)模如下表所示：1我國公路隧道建設(shè)基本情況總里程同比增長公路358.37萬公里3.67%等級公路253.54萬公里11.06%高速公路5.39萬公里18.06%隧道2555.5公里38.75%4673座23.36%隧道同比?公路同比公路，向大山延伸環(huán)保，正深入人心用地，將更加節(jié)約表明:第4頁/共140頁我國大陸特長公路隧道No.隧道名長度(m)位置車道通風(fēng)方式1秦嶺終南山隧道

18020陝西2×23豎井分段縱向式

2大坪里隧道

12290甘肅2×22豎井分段縱向式

3包家山隧道11500陝西2×23斜井分段縱向式4寶塔山隧道10391山西2x2豎斜井送排式縱向通風(fēng)5泥巴山隧道9985四川2x2斜井+豎井分段縱向式6麻崖子隧道9000甘肅2x2斜豎井送排+射流風(fēng)機(jī)縱向7龍?zhí)端淼?700湖北2×2立坑送排+射流風(fēng)機(jī)縱向式8米溪梁隧道7923陜西2×2左(右)洞單井送排式通風(fēng)9括蒼山隧道7930浙江2×2縱向式+半橫流式(排煙)10方斗山隧道7581重慶2×22座斜井送排式縱向通風(fēng)1我國公路山嶺隧道建設(shè)情況第5頁/共140頁No.隧道名長度(m)位置車道通風(fēng)方式1廈門海底隧道(鉆爆)5960福建3×2豎井送排+射流風(fēng)機(jī)縱向式2上海長江隧道(盾構(gòu)）8955上海3×2橫向式3

武漢長江隧道(盾構(gòu))3630湖北2×2橫向式4

上中路隧道（盾構(gòu)）2800上海2×2橫向式（雙層雙向

）5

復(fù)興東路隧道

盾構(gòu)）2785上海3×2橫向式（雙層雙向

）6

南京玄武湖隧道(盾構(gòu))2660南京3×2

7

大連路隧道(盾構(gòu))2566上海2×2橫向式8

外環(huán)越江隧道(沉管)2882上海4×2縱向式9

珠江隧道(沉管)1238廣東3+3縱向式（道路、鐵道并用）10

寧波常洪隧道(沉管)1053浙江2×1縱向式我國主要水下公路隧道1我國公路隧道建設(shè)基本情況第6頁/共140頁No.隧道名長度(m)位置車道數(shù)x隧道洞數(shù)1白鶴嘴隧道1240重慶4x22龍頭山隧道1020廣東4×23萬石山隧道1170福建

最寬處25.89m的地下立交4大閣山隧道496貴州4×15金州隧道521遼寧4×16雅寶隧道260廣東4×27金雞山隧道200福建4×2(連拱)8羅漢山隧道300福建4×2(連拱)9魁岐隧道1596.1福建最寬處27.42m的地下立交我國大跨徑公路隧道1我國公路隧道建設(shè)基本情況第7頁/共140頁公路隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面1我國公路隧道建設(shè)基本情況2車道

A=65m2高寬比=0.673車道

A=96m2高寬比=0.54

4車道

A=136m2高寬比=0.48連拱隧道

小凈距隧道

第8頁/共140頁1我國公路隧道建設(shè)基本情況3車道隧道（深圳大梅沙）連拱隧道(南峰)小凈距隧道（福建聯(lián)南）雙洞8車道隧道（深圳雅寶）第9頁/共140頁秦嶺北口1我國公路隧道建設(shè)基本情況▇

秦嶺終南山隧道——位于國家高速公路網(wǎng)包-茂線陜西境內(nèi)，是世界建設(shè)規(guī)模最大的高速公路隧道(長2×18.02km)，最大埋深超過1700m。于2007年1月試通車第10頁/共140頁為通風(fēng)與防災(zāi)，采取豎井送排式縱向通風(fēng)方式，設(shè)置三座換風(fēng)豎井及地下機(jī)房，豎井直徑為11.5m，井深661m。通風(fēng)主要按照正常運(yùn)營和火災(zāi)工況下需風(fēng)量設(shè)計。交通量按2025年交通量N=25849輛/日，2035交通量N=45000輛/日；第11頁/共140頁

為了降低駕駛員長時間在隧道內(nèi)行駛的疲勞，每座隧道洞內(nèi)共設(shè)三處特殊照明帶，每處特殊照明區(qū)段長150m，寬20.9m(隧道標(biāo)準(zhǔn)寬:10.5m)，高11.9m(隧道標(biāo)準(zhǔn)高:7.6m)。1我國公路隧道建設(shè)基本情況第12頁/共140頁1我國公路隧道建設(shè)基本情況

秦嶺，是黃河與長江兩大水系的分水嶺；終南山隧道，打通了這一天然屏障，實現(xiàn)了南北交通，其意義重大，令國人驕傲。其工程浩大、技術(shù)復(fù)雜，令國際注目。2007年10月，出席全國公路隧道學(xué)術(shù)大會的220多位隧道工作者在考察該隧道后，稱它為“人類文明的偉大作品世界交通的重大工程”。第13頁/共140頁南側(cè)業(yè)主單位：陜西秦嶺終南山公路隧道有限公司主要設(shè)計單位：中鐵第一勘察設(shè)計院重慶交通科研設(shè)計院主要施工單位：中鐵一局、五局、十二局、十八局等主要科研單位：陜西省公路局重慶交通科研設(shè)計院長安大學(xué)西南交通大學(xué)等秦嶺終南山隧道采用了當(dāng)今山嶺隧道建設(shè)的最新技術(shù),是全世界工程技術(shù)人員智慧的結(jié)晶第14頁/共140頁廈門翔安隧道地質(zhì)縱剖面圖1我國公路隧道建設(shè)基本情況▇

廈門翔安隧道——我國第一座鉆爆法開挖的六車道海底公路隧道，工程中遇到大量軟弱地層和風(fēng)化槽(囊)，采取了超前預(yù)注漿加固、CRD、雙側(cè)壁導(dǎo)坑等多種工法，目前工程進(jìn)展較為順利。隧道長5960m。為通風(fēng)與防災(zāi)，采取豎井送排式縱向通風(fēng)方式，在淺海區(qū)域設(shè)置二座換風(fēng)豎井。第15頁/共140頁主隧道換風(fēng)豎井避難通道服務(wù)隧道排風(fēng)道排煙道1我國公路隧道建設(shè)基本情況廈門翔安隧道主要構(gòu)成示意圖第16頁/共140頁第17頁/共140頁1我國公路隧道建設(shè)基本情況進(jìn)口——隧道由地表軟弱地層逐步進(jìn)入海底主隧道服務(wù)隧道第18頁/共140頁隧道進(jìn)口——采用CRD工法控制圍巖變形1我國公路隧道建設(shè)基本情況第19頁/共140頁1我國公路隧道建設(shè)基本情況主隧道洞身——采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖和支護(hù)業(yè)主單位：廈門路橋有限公司設(shè)計單位：中交第二公路勘察設(shè)計院重慶交通科研設(shè)計院施工單位：中鐵隧道局、十八局、中鐵一局、二十二局等科研單位：北京交通大學(xué)等第20頁/共140頁▇

廈門萬石山地下立交隧道——為目前我國第一座大型暗挖地下互通式立交，既有平面分岔結(jié)構(gòu)，又有上下交叉結(jié)構(gòu)。1我國公路隧道建設(shè)基本情況大跨結(jié)構(gòu)段寬25.8m連拱段為不對稱結(jié)構(gòu)小凈距段中夾巖1.42m第21頁/共140頁

匝道匯合處的大跨隧道的斷面沒有采用常規(guī)的喇叭口式漸變結(jié)構(gòu)，而是以一側(cè)邊墻為基準(zhǔn)，采用單側(cè)分段擴(kuò)大的結(jié)構(gòu)型式，并逐漸過渡至連拱隧道和小凈距隧道，最后過渡至正常的分離式隧道。1我國公路隧道建設(shè)基本情況第22頁/共140頁隧道立交處施工方法——先開挖上行隧道至設(shè)計開挖線，施作完成初期支護(hù)，再開挖隧道下穿段，澆注下穿隧道二次襯砌，設(shè)防水板并回填后，最后澆注上行隧道邊梁及二次襯砌。1我國公路隧道建設(shè)基本情況業(yè)主單位：廈門路橋有限公司設(shè)計單位：重慶交通科研設(shè)計院施工單位：中鐵隧道局等第23頁/共140頁▇

上海崇明長江隧道——上海長江隧橋工程全長25.5km，為六車道高速公路，采用“南隧北橋”方案，是世界上最大的隧橋結(jié)合工程之一，南側(cè)長江隧道長2×8955m。長江大橋1我國公路隧道建設(shè)基本情況第24頁/共140頁第25頁/共140頁

上海長江盾構(gòu)隧道直徑為15m，內(nèi)徑13.7m，盾構(gòu)隧道段長7.47Km，是世界上最大直徑的盾構(gòu)隧道，也是世界上最長的水底隧道之一。隧道內(nèi)上部為公路，下部為軌道和避難通道。1我國公路隧道建設(shè)基本情況第26頁/共140頁1我國公路隧道建設(shè)基本情況上海長江盾構(gòu)隧道進(jìn)口第27頁/共140頁1我國公路隧道建設(shè)基本情況養(yǎng)生中的盾構(gòu)管片第28頁/共140頁施工中的上海長江隧道第29頁/共140頁22、環(huán)保型隧道建設(shè)技術(shù)研究與實踐第30頁/共140頁前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用Advancedtunnelentranceconstructionmethodandtheapplication蔣樹屏重慶交通科研設(shè)計院常務(wù)副院長兼總工程師交通部專家委員會委員、博士、博士生導(dǎo)師中國公路學(xué)會隧道工程分會理事長中國土木工程學(xué)會隧道與地下分會副理事長第31頁/共140頁1問題的提出《規(guī)范》：7.1.2隧道應(yīng)遵循“早進(jìn)洞、晚出洞”的原則，不得大挖大刷，確保邊坡及仰坡的穩(wěn)定。7.1.4洞門設(shè)計應(yīng)與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。保證隧道洞口山體穩(wěn)定保護(hù)隧道洞口自然環(huán)境2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第32頁/共140頁7.2.1洞口的邊坡及仰坡必須保證穩(wěn)定。有條件時，應(yīng)貼壁進(jìn)洞；條件限制時，邊坡及仰坡的設(shè)計開挖最大高度可按表7.2.1控制。

表7.2.1洞口邊、仰坡控制高度注：設(shè)計開挖高度系從路基邊緣算起。圍巖分級I～ⅡⅢⅣV～Ⅵ邊、仰坡率貼壁1:0.31:0.51:0.51:0.751:0.751:11:1.251:1.25L:1.5高度(m)15202520251518201518普通の施工法では、坑口付けにあたっては土被りとして最小2～3メートル程度を確保するものとします。日本道路公團(tuán)《隧道設(shè)計要領(lǐng)》：

2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第33頁/共140頁兩洞間的土埂被挖切“土埂”部壁2采用傳統(tǒng)施工方法的設(shè)計與施工2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第34頁/共140頁20m以上采用傳統(tǒng)施工方法的設(shè)計與施工實例2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第35頁/共140頁2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第36頁/共140頁2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第37頁/共140頁兩洞間的土埂被挖切2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第38頁/共140頁普通の施工法では、坑口付けにあたっては土被りとして最小2～3メートル程度を確保するものとします。傳統(tǒng)拉槽2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第39頁/共140頁噴射混凝土１２m實際工程情況2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第40頁/共140頁保留兩洞間的土埂3采用“前置式洞口工法”的設(shè)計與施工2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第41頁/共140頁前置式洞口工法原理圖2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第42頁/共140頁右洞施工槽開挖前置式洞口工法原理第43頁/共140頁右洞施工槽噴錨支護(hù)第44頁/共140頁右洞前置支護(hù)鋼拱架架立第45頁/共140頁右洞前置支護(hù)砼澆注第46頁/共140頁右洞回填第47頁/共140頁第48頁/共140頁左洞施工槽開挖第49頁/共140頁左洞施工槽噴錨支護(hù)第50頁/共140頁左洞前置支護(hù)鋼拱架架立第51頁/共140頁左洞前置支護(hù)砼澆注第52頁/共140頁左洞回填第53頁/共140頁左洞前置支護(hù)內(nèi)開挖第54頁/共140頁右洞襯砌第55頁/共140頁左洞襯砌第56頁/共140頁?力學(xué)模型建立及有限元網(wǎng)格劃分

橫向范圍（X方向）：分別以左、右隧道中心軸線向左、右延伸42m，總的水平計算范圍為122m；

隧道縱向范圍（Y方向）：以面向隧道洞內(nèi)方向為正向，自前置式支護(hù)起點向洞內(nèi)延伸70m；

豎向（Z方向）：上取至原地面線頂部，按地表標(biāo)高資料布線，向下取至隧道中心水平軸以下40m。

地表土層厚約2.3m，以下為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r厚約5.5m，再以下為弱風(fēng)化灰?guī)r。前置式洞口支護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼拱架澆注混凝土厚度30cm，施工槽側(cè)面、正面（10~15cm）及洞內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)（20cm）為噴錨支護(hù)。4洞口巖體力學(xué)狀態(tài)三維數(shù)值模擬與比較分析2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第57頁/共140頁?荷載：自重。?單元劃分：巖土采用三角錐四節(jié)點實體單元模擬、錨桿采用植入式桁架單元、工字鋼采用梁單元、噴射混凝土采用板單元分別進(jìn)行模擬，巖土體采用彈塑性分析，選用D-P模型，屈服面采用摩爾-庫侖等面積圓。?邊界條件：計算模型的左、右邊界只有橫向約束（X方向），隧道前后邊界只縱向約束（Y方向），上部為自由面，下部只有豎直方向約束（Z方向）。?傳統(tǒng)工法洞口模型共劃分154740個單元，前置式洞口工法模型共劃分160349個單元。

2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第58頁/共140頁彈性模量E泊松比μ厚度容重γ粘結(jié)力c內(nèi)摩擦角φ土層10MPa0.352.3m1700KG/m310KPa19.86°強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r0.5GPa0.35.5m2200KG/m350KPa30°弱風(fēng)化灰?guī)r5GPa0.252500KG/m31.2MPa38°錨桿彈性模量E長度半徑r210GPa3.5m11mm洞內(nèi)噴射砼彈性模量E泊松比μ厚度20GPa0.1670.3m鋼拱架噴射砼折算彈性模量E泊松比μ厚度35.6GPa0.1670.3m邊仰坡噴砼彈性模量E泊松比μ厚度20GPa0.1670.15m2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第59頁/共140頁傳統(tǒng)施工方法的模型“前置式洞口工法”的模型2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第60頁/共140頁傳統(tǒng)施工方法的位移?

Y方向位移比較

“前置式洞口工法”的位移2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第61頁/共140頁采用不同工法進(jìn)行洞口開挖施工引起的位移值施工方法Y方向位移（DYmm）Z方向位移（DZmm）DY≥6mm的單元占有率（%）DZ≥3mm的單元占有率（%）傳統(tǒng)工法-8.7~0.18-3.6~2.325.4%3.7%前置式洞口工法單洞開挖-7.7~0-3.5~1.75.6%0.8%前置式洞口工法雙洞開挖-7.8~0-3.5~1.99%0.8%2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第62頁/共140頁?應(yīng)力場的比較傳統(tǒng)工法仰坡面處出現(xiàn)的拉應(yīng)力區(qū)域，在前置式洞口工法保留的中間土埂的支撐作用下，顯然已經(jīng)消失了，因此在施工過程中為防止仰坡失穩(wěn)，前置式洞口工法所需要的支護(hù)參數(shù)也遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)工法。施工方法最大拉應(yīng)力（KPa）最大壓應(yīng)力（KPa）拉應(yīng)力≥10KPa的單元占有率（%）傳統(tǒng)工法481.63.7%前置式洞口工法371.30.2~0.3%2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第63頁/共140頁5前置式洞口工法的施工過程三維數(shù)值模擬

主要包括洞口段27個施工步驟：第1步，進(jìn)行自重應(yīng)力場計算；第2步，左隧道施工槽開挖；第3步，左隧道邊仰坡錨噴支護(hù)；第4步，左隧道前置支護(hù)施工；第5步，左隧道洞口回填；第6步，左隧道前置支護(hù)內(nèi)開挖；第7~11步，右隧道洞口施工（同左隧道第2~6步）；第12~19步，左隧道暗洞內(nèi)開挖、支護(hù)，共施工暗洞8m

；第20~27步，右隧道施工（同左隧道第12~19步施工）。2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第64頁/共140頁

前置式洞口工法施工過程有限元，共分202391個單元。2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第65頁/共140頁?位移場①拱頂沉降（豎向位移DZ）從計算結(jié)果中可以看出，拱頂沉降值不大，暗洞拱頂最大值不超過6mm，前置支護(hù)最外端拱頂最大值1.94cm。拱頂位置沉降量最大，而拱頂兩側(cè)沉降量相對較小。前置支護(hù)最外端拱頂沉降約2cm，自前置支護(hù)施作完成時就已發(fā)生，說明該沉降主要由結(jié)構(gòu)自重引起，受暗洞施工影響很?。磺爸弥ёo(hù)與暗洞交界處拱頂沉降值不超過6mm，遠(yuǎn)小于外端拱頂沉降，說明洞口暗洞段豎向荷載很小，水平荷載對前置支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束作用明顯，因此前置支護(hù)結(jié)構(gòu)施作后應(yīng)盡快進(jìn)行回填。2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第66頁/共140頁拱頂沉降位移分布及其隨施工過程變化2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第67頁/共140頁②縱向（Y方向）位移前置支護(hù)施工槽開挖仰坡頂面處縱向位移最大約9mm，洞口前置支護(hù)施工槽兩側(cè)處及兩洞之間縱向位移均不超過5mm，說明前置支護(hù)結(jié)構(gòu)及兩洞間土體對洞口山體起到了非常明顯的支撐作用。前置支護(hù)最外端拱頂縱向位移隨施工過程逐步減小，但位移量變化不大，說明仰坡面山體的縱向下推力很小，處于穩(wěn)定狀態(tài)。2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第68頁/共140頁?

巖體應(yīng)力場

隧道明、暗洞交界處（Y=-8m）斷面應(yīng)力隨施工過程變化情況模擬結(jié)果表明，洞口前置式支護(hù)回填后未進(jìn)行支護(hù)內(nèi)開挖時，在支護(hù)拱腰部位回填土體較大范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，且最大拉應(yīng)力值超過10KPa；自前置支護(hù)內(nèi)土體開挖后，最大拉應(yīng)力值降至10KPa以內(nèi)，直至暗洞施工支護(hù)4m，拱腰部回填土拉應(yīng)力值及拉應(yīng)力區(qū)域均逐步減小為0；進(jìn)入暗洞4m后，后續(xù)施工對該斷面的應(yīng)力及位移幾乎沒有影響。同時，在前置支護(hù)拱部回填土邊緣始終處于0~10KPa的拉應(yīng)力狀態(tài)，其余部位均處于壓應(yīng)力狀態(tài)（圖a~i）。2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第69頁/共140頁第4步，左隧道前置支護(hù)施工第5步，左隧道前置支護(hù)回填第6步，左隧道前置支護(hù)內(nèi)開挖第12步，左隧道暗洞開挖2m第13步，左隧道暗洞支護(hù)2m第14步，左隧道暗洞開挖4m第15步，左隧道暗洞支護(hù)4m第16步，左隧道暗洞開挖6m第18步，左隧道暗洞開挖8m第70頁/共140頁?

前置支護(hù)與暗洞支護(hù)應(yīng)力前置支護(hù)最外端拱頂內(nèi)側(cè)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力約3.0MPa，其余大部分拱部位置拉應(yīng)力值在1.4~2.2MPa之間；壓應(yīng)力最大值為4.8MPa，出現(xiàn)在起拱線部位內(nèi)側(cè)；待前置支護(hù)回填后，最大支護(hù)拉、壓應(yīng)力均有所降低，分別為2.7MPa和4.3MPa；此后的暗洞施工對支護(hù)應(yīng)力影響很小，其最大拉、壓應(yīng)力分別穩(wěn)定在2.7MPa和4.4MPa。2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第71頁/共140頁前置式支護(hù)施工后前支護(hù)應(yīng)力分布圖回填后支護(hù)應(yīng)力分布圖暗洞開挖支護(hù)2m時支護(hù)應(yīng)力分布圖暗洞開挖支護(hù)8m時支護(hù)應(yīng)力分布圖第72頁/共140頁6隧道洞口穩(wěn)定監(jiān)控量測

在老山1號隧道出口前置洞口施工中，在洞口邊仰坡開挖時及前置支護(hù)施工時埋設(shè)測樁、應(yīng)力計、鋼筋計、錨桿軸力計、多點位移計等傳感器，通過監(jiān)測兩側(cè)邊坡及仰坡相對變形，錨桿軸力，混凝土內(nèi)應(yīng)力和型鋼拱軸力，了解邊坡的穩(wěn)定性和前置支護(hù)的安全性。測點布置形式如下圖。第73頁/共140頁量測點布置情況現(xiàn)場計測によって前置き坑口の安定性を調(diào)べます（1號トンネルの出口）。その計測の結(jié)果は次の通りです。地中変位0.8mm以下ロックボルト軸力10KNコン基礎(chǔ)の內(nèi)力1MPa以下アーチ工沈下量10mm以下內(nèi)空変位2mm以下鋼アーチの內(nèi)力60KN第74頁/共140頁?

現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比監(jiān)測項目監(jiān)測值數(shù)值模擬值拱頂沉降（mm）106周邊收斂（mm）41混凝土內(nèi)部應(yīng)力（MPa）-0.8-1.3鋼支撐內(nèi)力（KN）60—支護(hù)基底應(yīng)力（MPa）0.10.55錨桿軸力（KN）8.58邊坡圍巖內(nèi)部位移（mm）0.80.82現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比列表第75頁/共140頁7.設(shè)計2前置式洞口工法的開發(fā)與應(yīng)用第76頁/共140頁8前置式洞口工法的實施效果第77頁/共140頁第78頁/共140頁20~60cm第79頁/共140頁完成第80頁/共140頁完成第81頁/共140頁第82頁/共140頁噴射混凝土１２m實際工程情況第83頁/共140頁完成第84頁/共140頁

減少邊仰坡開挖面積2362m2，減少洞口土石方工程數(shù)量6480m3，少砍伐老山樹木1575棵

，原生灌木7086株。第85頁/共140頁?

首次開發(fā)了公路隧道前置式洞口工法，并對傳統(tǒng)施工方法與前置式洞口工法進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過對兩種施工方法所產(chǎn)生的位移場、應(yīng)力場與穩(wěn)定性等的綜合比較，為前置式洞口工法在環(huán)保及洞口仰坡穩(wěn)定方面的優(yōu)越性提供了理論依據(jù)。?

通過前置式洞口工法施工過程三維數(shù)值模擬與現(xiàn)場量測，提出了前置式洞口工法的合理施工步序、施工關(guān)鍵點及工程措施，并在依托工程中實施，獲得成功。9歸納與創(chuàng)新第86頁/共140頁33、隧道監(jiān)控量測及圍巖分級技術(shù)創(chuàng)新第87頁/共140頁隧道圍巖坍塌具有隨機(jī)性模糊性不可預(yù)見性隧道開挖圍巖松動圍巖坍塌加固處治怎樣預(yù)測，合理開挖，防止坍塌？現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第88頁/共140頁經(jīng)驗判斷隧道圍巖穩(wěn)定分析及處治的技術(shù)路線隧道支護(hù)、襯砌設(shè)計隧道開挖施工圍巖支護(hù)變形監(jiān)測內(nèi)空收斂量拱頂下沉量錨桿軸力錨桿拉拔力襯砌應(yīng)力地表下沉量鋼支撐應(yīng)力

非確定性反分析基于擴(kuò)張卡爾曼濾波器與有限元法耦合算法（Ｆ-FEM）的反分析最終初始應(yīng)力參數(shù)的預(yù)測方法隧道圍巖塑性區(qū)估計歷時變化預(yù)測圍巖體坍塌修正開挖方案修正支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第89頁/共140頁2.量測方法與工具問題2345671現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第90頁/共140頁監(jiān)測的項目、頻率選擇項目、采集數(shù)據(jù)頻率現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第91頁/共140頁A型量測斷面測點位置（選測項目）現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第92頁/共140頁第93頁/共140頁第94頁/共140頁隧道邊墻部收斂量測圍巖內(nèi)部位移的量測現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第95頁/共140頁圍巖與噴射混凝土間接觸壓力壓力盒、應(yīng)力計、鋼支撐應(yīng)力計、埋設(shè)錨桿軸力計埋設(shè)現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第96頁/共140頁現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集課題組科研人員在施工現(xiàn)場現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第97頁/共140頁３.量測數(shù)據(jù)管理

監(jiān)控量測過程中，采集到大量數(shù)據(jù)，需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析。平臺基于VB和VC語言進(jìn)行開發(fā)。特點能夠方便地輸入現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)以及時掌子面距離等工程情況數(shù)據(jù)。能查詢、添加、修改、刪除數(shù)據(jù)，能生成應(yīng)力、變形的時間、空間效應(yīng)曲線，幫助圍巖分析?，F(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第98頁/共140頁數(shù)據(jù)管理界面現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第99頁/共140頁現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)４.量測結(jié)果的分析問題第100頁/共140頁現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第101頁/共140頁現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第102頁/共140頁現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第103頁/共140頁現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第104頁/共140頁現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第105頁/共140頁現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第106頁/共140頁現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第107頁/共140頁現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第108頁/共140頁現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第109頁/共140頁現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第110頁/共140頁現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第111頁/共140頁LK77+866斷面圍巖變形圖現(xiàn)場量測與量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)第112頁/共140頁隧道開挖５.反分析數(shù)值計算問題

隧道地層中存在大量的不確定性地質(zhì)信息：

材料性質(zhì)的不確定性

本構(gòu)模型的不確定性第113頁/共140頁總體思路思想基礎(chǔ)

圍巖變形是必然的，但變形多少則是隨機(jī)的；

圍巖變形過程是一種隨機(jī)過程；

圍巖初始應(yīng)力和材料彈模等參數(shù)（發(fā)射信號）與圍巖變形觀測量（接受信號）之間關(guān)系是一個隨機(jī)系統(tǒng)。捕獲圍巖非確定性動態(tài)過程，就能揭示地下工程開挖中圍巖體動態(tài)的真實。基本手法現(xiàn)代最優(yōu)控制估計理論之一的卡爾曼濾波器，具有修正-預(yù)測，吐故納新，不斷產(chǎn)生待估參數(shù)濾波新息之功能；有限元分析具有迭代計算功能，并能反映整個圍巖場域問題。采用卡爾曼濾波器與有限元分析相結(jié)合，建立擴(kuò)張卡爾曼濾波器有限元法設(shè)計模型可以解決非確定性動態(tài)問題。非確定性反分析第114頁/共140頁卡爾曼濾波器卡爾曼濾波器是現(xiàn)代控制理論的重要內(nèi)容。

濾波的類型

Wiener—恒定時序列、無限時間觀測

Kalman，Bucy—采用狀態(tài)空間法、正交投影理論，提出新的濾波算法、有限時間觀測

卡爾曼濾波器的理論基礎(chǔ)

馬爾科夫型隨機(jī)過程

馬爾科夫-高斯聯(lián)合概率分布

貝葉斯最優(yōu)估計非確定性反分析第115頁/共140頁

卡爾曼濾波器的類型

連續(xù)時間濾波器

離散時間濾波器

卡爾曼濾波器的特點

修正—推優(yōu)—預(yù)測

卡爾曼濾波器的應(yīng)用

宇宙工程、控制工程、通訊工程、土木工程、

...理論曲線實際飛行曲線非確定性反分析第116頁/共140頁圍巖初期位移量測結(jié)果非確定性反演計算臨時初始應(yīng)力及材料彈性模量預(yù)測計算分析圍巖最終初始應(yīng)力及材料彈性模量正演計算最終位移狀態(tài)最大剪應(yīng)變分布圍巖穩(wěn)定分析、坍塌預(yù)測工程預(yù)防措施(支護(hù)形式與開挖步驟等)非確定性反分析第117頁/共140頁初始條件：1.輸入T0時刻的觀測位移量Zj

2.確定性反分析計算(考慮初始應(yīng)變ε0作用)3.設(shè)定初始估計誤差協(xié)方差P0(t0)、觀測次數(shù)KAI濾波次ITT=1序貫數(shù)J=1FEM計算狀態(tài)量的向量函數(shù)

影響系數(shù)法計算觀測矩陣計算卡爾曼濾波增益矩陣計算增益預(yù)測殘差、圍巖狀態(tài)新息量計算估計誤差協(xié)方差矩陣J≥IRTFEM順解析隧道圍巖全域(u、ε、γmax)ITT及塑性區(qū)估計輸入序貫數(shù)J=J+1的觀測分量ITT≥KAI結(jié)束輸入濾波次ITT+1的觀測量z(ITT+1)設(shè)計觀測噪音協(xié)方差矩陣RITT(j×j)U-D協(xié)方差分解算法非確定性反分析第118頁/共140頁開挖后第2天第119頁/共140頁第4天第120頁/共140頁第5天第121頁/共140頁第10天第122頁/共140頁第15天第123頁/共140頁第20天第124頁/共140頁第25天第125頁/共140頁第30天第126頁/共140頁第35天第127頁/共140頁第40天第128頁/共140頁第50天第129頁/共140頁第60天第130頁/共140頁監(jiān)控量測與反分析和施工現(xiàn)場動態(tài)圍巖分級第131頁/共140頁隧道支護(hù)、襯砌設(shè)計隧道開挖施工圍巖支護(hù)變形監(jiān)測內(nèi)空收斂量拱頂下沉量錨桿軸力錨桿拉拔力襯砌應(yīng)力地表下沉量鋼支撐應(yīng)力

非確定性反分析預(yù)測圍巖體坍塌修正開挖方案修正支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)圍巖動態(tài)分級動態(tài)隧道圍巖穩(wěn)定分析及處治的技術(shù)路線第132頁/共140頁基于監(jiān)控量測與反分析的隧道動態(tài)圍巖分級流程圖隧道圍巖的初步分級:BQ=90+3RC+250KVRC:巖石飽和抗壓強(qiáng)度,應(yīng)采用實測值,也可實測的巖石點荷載指數(shù)的換算值

KV

:巖體完整性系數(shù),可用巖體體積節(jié)理（Jv）,按規(guī)范表1確定