專利名稱：基于圍巖完全變形控制的中國(guó)隧道修建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于圍巖完全變形控制的中國(guó)隧道修建方法，屬于地下建筑工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隧道工程作為一種地下工程，與地面工程項(xiàng)目相比，由于其周圍地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，施工中存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外隧道工程施工中多次發(fā)生大的事故，造成重大的人員傷亡和慘重的經(jīng)濟(jì)損失，并對(duì)社會(huì)的安定帶來(lái)一定負(fù)面的影響。我國(guó)已經(jīng)成功修建了大量的隧道工程，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道總數(shù)量超過(guò)了 10000座，總長(zhǎng)度超過(guò)了 7000公里，在建鐵路隧道總長(zhǎng)度約7500公里，正在設(shè)計(jì)和規(guī)劃的鐵路隧道的總長(zhǎng)度超過(guò)10000公里，我國(guó)鐵路隧道建設(shè)的總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先世界 其他國(guó)家。另外，我國(guó)公路、水電、城市地鐵隧道等的發(fā)展速度也非常迅速，我國(guó)已經(jīng)成為名副其實(shí)的隧道大國(guó)。但是我國(guó)隧道修建的技術(shù)水平、施工裝備、安全質(zhì)量控制與管理等與隧道發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大的差距，我們目前還稱不上是隧道強(qiáng)國(guó)，主要表現(xiàn)在沒(méi)有形成適合我國(guó)國(guó)情的隧道技術(shù)理論體系，例如歐洲各國(guó)形成了以挪威法、新奧法和意大利巖土變形控制為基礎(chǔ)的隧道技術(shù)理論體系，日本形成了以復(fù)合式襯砌為基礎(chǔ)的隧道技術(shù)理論體系，而我國(guó)的隧道工程設(shè)計(jì)還處于半經(jīng)驗(yàn)、半理論和工程類比的階段。其原因主要是對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道圍巖穩(wěn)定性缺乏系統(tǒng)的理論研究，設(shè)計(jì)時(shí)往往偏于安全考慮致使工程措施越來(lái)越保守，工程投資難以有效控制，有時(shí)也因圍巖穩(wěn)定性控制的設(shè)計(jì)參數(shù)不足造成嚴(yán)重的安全事故；因此，在大規(guī)模隧道工程建設(shè)的新階段，加強(qiáng)系統(tǒng)的理論研究，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，是適應(yīng)現(xiàn)代隧道建設(shè)的迫切要求。目前我國(guó)隧道工程的建設(shè)規(guī)模是空前的，面對(duì)如此大規(guī)模的隧道建設(shè)，而且面臨復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，客運(yùn)專線及高速鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高，迫切需要強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和工程成本的優(yōu)化，形成適合我國(guó)國(guó)情的中國(guó)隧道修建方法，包括可靠的設(shè)計(jì)理論和先進(jìn)和安全可靠的施工技術(shù)。本發(fā)明針對(duì)我國(guó)隧道工程施工中的圍巖穩(wěn)定性控制問(wèn)題，提出了以圍巖完全變形控制為核心的隧道施工全過(guò)程圍巖穩(wěn)定性控制方法，通過(guò)地質(zhì)判定、標(biāo)準(zhǔn)制定、對(duì)策擬定、過(guò)程測(cè)定和狀態(tài)評(píng)估等手段保證隧道工程施工中的安全，建立適合我國(guó)國(guó)情的隧道修建方法。為了克服現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的不足，本發(fā)明提供一種基于圍巖完全變形控制的中國(guó)隧道修建方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。I.以“圍巖為本”。圍巖是隧道結(jié)構(gòu)的主體，是構(gòu)成結(jié)構(gòu)體的主體材料，是施加結(jié)構(gòu)的荷載來(lái)源。“結(jié)構(gòu)體-作用荷載-構(gòu)成材料”三位一體是隧道工程的重要的、獨(dú)一無(wú)二的特征。隧道工程從規(guī)劃、調(diào)查、設(shè)計(jì)、施工到維修管理都是由這個(gè)特性決定的。
2.維護(hù)和提高圍巖的自支護(hù)能力是隧道設(shè)計(jì)、施工、維修管理的基本原則。設(shè)計(jì)施工要做到不使圍巖“松弛”或者“少松弛”；圍巖、初期支護(hù)及二次襯砌是成為一體的結(jié)構(gòu)物，隧道結(jié)構(gòu)物只有與圍巖成為一體才能發(fā)揮其功能。3.基于圍巖完全變形控制的中國(guó)隧道修建方法包括以下五個(gè)步驟(I)地質(zhì)判定隧道工程地質(zhì)勘察與圍巖物理力學(xué)特性綜合評(píng)價(jià)，確定隧道圍巖分級(jí)及其物理力學(xué)參數(shù)；(2)標(biāo)準(zhǔn)制定對(duì)隧道圍巖變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)行可研設(shè)計(jì)，制定掌子面前方變形、掌子面擠出變形和掌子面后方變形的控制標(biāo)準(zhǔn)；并制定滿足安全性和經(jīng)濟(jì)性的初步設(shè)計(jì)方案；(3)對(duì)策擬定針對(duì)變形全過(guò)程制定詳細(xì)的變形控制對(duì)策，即制定超前支護(hù)、掌子面支護(hù)、初期支護(hù)和其它輔助工法等措施，并在施工圖設(shè)計(jì)中將圍巖變形控制目標(biāo)分解到每個(gè)施工工序； (4)過(guò)程測(cè)定在施工全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)及信息反饋，對(duì)關(guān)鍵施工部位和關(guān)鍵施工工序進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)信息，判斷工程的安全性并在施工措施上及時(shí)作出反應(yīng)；(5)狀態(tài)評(píng)估及時(shí)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，即在各施工工序完成后對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)施做質(zhì)量和圍巖變形控制效果進(jìn)行分析，對(duì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，必要時(shí)給出合理的補(bǔ)強(qiáng)方案。適用范圍本方法適用于采用礦山法進(jìn)行修建的隧道及地下工程，使隧道施工中的圍巖穩(wěn)定性控制更具有科學(xué)化和規(guī)范化。本發(fā)明的有益效果是(I)適用于隧道工程建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)控制，比如長(zhǎng)大深埋軟弱圍巖隧道穿越不良地質(zhì)體等的施工控制；(2)使隧道工程施工安全管理更具科學(xué)化，并且使得控制措施的可操作性和針對(duì)性，最終實(shí)現(xiàn)隧道工程建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)管理的規(guī)范化；(3)在擬定的施工方法和工程條件下，結(jié)合工程實(shí)際、既往的監(jiān)測(cè)成果和理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)每個(gè)施工階段的變形量進(jìn)行分解，即將總體目標(biāo)分解為階段目標(biāo)進(jìn)行控制，通過(guò)階段控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)達(dá)到對(duì)總體目標(biāo)的控制，從而確保了隧道工程施工過(guò)程安全。


圖I為本發(fā)明基于圍巖完全變形控制的中國(guó)隧道修建方法的工作程序圖；圖2為本發(fā)明具體實(shí)例中圍巖變形監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線；圖3為本發(fā)明具體實(shí)例中圍巖變形控制對(duì)策。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明專利修建方法在貴廣鐵路天平山隧道、三都隧道，蘭渝鐵路桃樹(shù)坪隧道等項(xiàng)目中獲得了成功應(yīng)用。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
某雙線單洞鐵路隧道，全長(zhǎng)3220m，隧道開(kāi)挖斷面140多m2，屬特大斷面隧道。隧道穿行于黃河高階地下部，地勢(shì)上隧道進(jìn)口低、出口高，地形起伏大，相對(duì)高差達(dá)200m以上，最小埋深處僅6m，地表上溝谷發(fā)育，下切較深，隧道下穿多個(gè)垃圾回填的淺埋溝谷、青蘭高速、312國(guó)道、廠礦企業(yè)、密集的居民區(qū)。隧道洞身通過(guò)主要地層為沖積卵石土，粗細(xì)圓礫土、卵石土及遇水未成巖粉細(xì)砂。該隧道出口段圍巖為富水粉細(xì)砂層，呈砂狀結(jié)構(gòu)，成巖作用差，自穩(wěn)能力差，無(wú)膠結(jié)，稍有擾動(dòng)即成松散粉狀結(jié)構(gòu)，在富水時(shí)基本無(wú)自穩(wěn)能力，呈流塑狀，軟化現(xiàn)象明顯，隧道開(kāi)挖后圍巖沒(méi)有自穩(wěn)時(shí)間，其變形速度快、變形量大，初期支護(hù)還來(lái)不及施做，圍巖便已發(fā)生溜塌。為了保證特大斷面富水粉細(xì)砂層隧道的施工安全，采用了本發(fā)明基于圍巖完全變形控制的中國(guó)隧道修建方法。(I)地質(zhì)判定如圖I所示，根據(jù)隧道工程與水文地質(zhì)勘察試驗(yàn)結(jié)果確定了該段圍巖為第三系含水未成巖砂層，含水率為3. 2 24. 2%，比重2. 63，孔隙比O. 38 O. 42，黏粒含量4 10%，滲透系數(shù)I. OX Kr3 3. 5X l(T4cm/s，圍巖容重2250kg/m3,彈性模量 0.2GPa，泊松比O. 42，黏聚力20KPa,內(nèi)摩擦角20。，圍巖級(jí)別確定為VI級(jí)。(2)標(biāo)準(zhǔn)制定基于連續(xù)介質(zhì)模型計(jì)算得到了無(wú)支護(hù)、僅有初期支護(hù)(初期支護(hù)采用I25a工字鋼架，間距50cm ;鋼筋網(wǎng)Φ8鋼筋，間距20cmX20cm網(wǎng)格；C30噴混凝土厚33cm。)，以及超前支護(hù)(超前支護(hù)采用樁徑為60cm，樁間距為40cm，樁長(zhǎng)18m的水平旋噴樁；Φ42超前小導(dǎo)管δ = 4mm, L = 4m,環(huán)向間距40cm,拱部120°布置；長(zhǎng)18m,孔間距
1.5m梅花形布置的掌子面玻纖錨桿旋噴樁。)和初期支護(hù)聯(lián)合支護(hù)3種工況下的圍巖變形。計(jì)算結(jié)果表明在無(wú)支護(hù)條件下，圍巖變形不收斂，變形值持續(xù)增大，直至整個(gè)隧道坍塌；僅設(shè)初期支護(hù)時(shí)，隧道圍巖拱頂超前變形為179mm，全變形量為418mm，可見(jiàn)掌子面超前變形約占總變形量的42. 9% ;超前支護(hù)和初期支護(hù)聯(lián)合支護(hù)條件下，隧道圍巖拱頂超前變形為16mm，全變形量為89mm，掌子面超前變形約占總變形量的20%?；谒淼朗┕ぐ踩院烷L(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)可靠性的要求，并考慮地表既有結(jié)構(gòu)物安全性控制等的要求，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)類比和數(shù)值分析等方法制定該隧道拱頂沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)為100mm,考慮到一定的安全儲(chǔ)備,最后采用90_作為拱頂沉降控制總體目標(biāo)，其中超前變形不超過(guò)27mm，掌子面擠出變形不超過(guò)45mm，掌子面后方變形不超過(guò)63mm，最終拱頂沉降預(yù)警值為54_，報(bào)警值為72mm。(3)對(duì)策擬定根據(jù)VI級(jí)圍巖特大跨條件下隧道圍巖變形控制標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)值模擬分析結(jié)果，本隧道采用初期支護(hù)和超前支護(hù)聯(lián)合支護(hù)控制圍巖變形。采用注漿超前小導(dǎo)管和超前長(zhǎng)鋼管控制掌子面前方的圍巖變形；采用掌子面的水平旋噴樁、玻纖錨桿旋噴樁控制掌子面的擠出變形，同時(shí)控制掌子面前方的圍巖變形；采用由鋼拱架、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和縱向連接筋組成初期支護(hù)控制掌子面后方的圍巖變形。(4)過(guò)程測(cè)定隧道施工過(guò)程中拱頂沉降監(jiān)測(cè)曲線如圖2所示，其中掌子面超前變形按總變形量的20 %計(jì)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在該隧道的開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中，圍巖變形均在控制目標(biāo)范圍內(nèi)。當(dāng)下臺(tái)階及仰拱開(kāi)挖時(shí)，隧道拱底出現(xiàn)了較大的回彈變形，且隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定的整體沉降，仍在控制范圍內(nèi)，但這時(shí)為了保證高速鐵路的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全，增設(shè)了鎖腳錨管，并進(jìn)行了基底處理，如附圖3所示。(5)狀態(tài)評(píng)估為實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)與圍巖的密貼，以增強(qiáng)初期支護(hù)的耐久性并控制隧道施工完成后掌子面后方的圍巖殘余變形，對(duì)初期支護(hù)背后 進(jìn)行回填注漿，如附圖3所
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權(quán)利要求
1.基于圍巖完全變形控制的隧道修建方法，其特征在于 (1)以“圍巖為本”。圍巖是隧道結(jié)構(gòu)的主體，是構(gòu)成結(jié)構(gòu)體的主體材料，是施加結(jié)構(gòu)的荷載來(lái)源。“結(jié)構(gòu)體-作用荷載-構(gòu)成材料”三位一體是隧道工程的重要的、獨(dú)一無(wú)二的特征。隧道工程從規(guī)劃、調(diào)查、設(shè)計(jì)、施工到維修管理都是由這個(gè)特性決定的。
(2)維護(hù)和提高圍巖的自支護(hù)能力是隧道設(shè)計(jì)、施工、維修管理的基本原則。設(shè)計(jì)施工要做到不使圍巖“松弛”或者“少松弛”；圍巖、初期支護(hù)及二次襯砌是成為一體的結(jié)構(gòu)物，隧道結(jié)構(gòu)物只有與圍巖成為一體才能發(fā)揮其功能。
2.該方法包括以下步驟 步驟1，地質(zhì)判定通過(guò)隧道工程地質(zhì)勘察與圍巖物理力學(xué)特性分析得出圍巖物理力學(xué)參數(shù)，包括抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角、剪脹角、滲透系數(shù)，總結(jié)隧道圍巖工程與水文地質(zhì)特征，并結(jié)合隧道橫縱斷面布置確定圍巖分級(jí)， 步驟2，標(biāo)準(zhǔn)制定基于隧道施工安全性和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)可靠性的要求，根據(jù)工程類比和數(shù)值分析方法預(yù)測(cè)不同方案下掌子面前方變形、掌子面擠出變形、掌子面后方變形，并以此為基礎(chǔ)制定3類變形的控制標(biāo)準(zhǔn)，制定滿足安全性和經(jīng)濟(jì)性要求的初步設(shè)計(jì)方案， 步驟3，對(duì)策擬定進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)，針對(duì)選定的三種變形類型制定相應(yīng)的變形控制對(duì)策，包括制定超前支護(hù)、掌子面支護(hù)、初期支護(hù)和其它輔助工法措施的設(shè)計(jì)參數(shù)與施工方案，在初步選定的設(shè)計(jì)參數(shù)下將三種類型變形控制最終目標(biāo)分解到各主要施工階段， 步驟4，過(guò)程測(cè)定在施工全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)及信息反饋，對(duì)關(guān)鍵施工部位和關(guān)鍵施工工序進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)信息，判斷工程的安全性并在施工措施上及時(shí)作出反應(yīng)。需要時(shí)采用改進(jìn)施工工法，加強(qiáng)支護(hù)手段提高圍巖預(yù)加固效果，保證隧道施工過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性， 步驟5，狀態(tài)評(píng)估及時(shí)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，即在各施工工序完成后對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)施做質(zhì)量和圍巖變形控制效果進(jìn)行分析，對(duì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，必要時(shí)給出合理的補(bǔ)強(qiáng)方案。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了基于圍巖完全變形控制的中國(guó)隧道修建方法，其實(shí)施步驟為(1)地質(zhì)判定隧道工程地質(zhì)勘察與圍巖物理力學(xué)特性綜合評(píng)價(jià)，確定隧道圍巖分級(jí)與物理力學(xué)參數(shù)；(2)標(biāo)準(zhǔn)制定對(duì)隧道圍巖變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，制定圍巖變形控制標(biāo)準(zhǔn)和滿足安全性、經(jīng)濟(jì)性的初步設(shè)計(jì)方案；(3)對(duì)策擬定針對(duì)變形全過(guò)程制定詳細(xì)的變形控制對(duì)策，并在施工圖設(shè)計(jì)中將圍巖變形控制目標(biāo)分解到每個(gè)施工工序；(4)過(guò)程測(cè)定在施工全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)及信息反饋，對(duì)關(guān)鍵施工部位和關(guān)鍵施工工序進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，判斷工程的安全性并及時(shí)作出反應(yīng)；(5)狀態(tài)評(píng)估及時(shí)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，必要時(shí)給出合理的補(bǔ)強(qiáng)方案。
文檔編號(hào)E21D9/00GK102900441SQ201210380838
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者趙勇, 張頂立, 李鵬飛, 王夢(mèng)恕, 關(guān)寶樹(shù) 申請(qǐng)人:鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院, 北京交通大學(xué)