1、客運專線黃土特大斷面隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究1、目的和意義鄭西客運專線隧道斷面大，開挖面積達(dá)170m2以上，隧道埋深淺，新老黃土地層常具有不同方向的構(gòu)造節(jié)理，有的原生節(jié)理呈“X”形，成對出現(xiàn)，并具有一定的延續(xù)性，穩(wěn)定性差，濕陷性顯著。在隧道開挖時，土體極容易順著節(jié)理方向張開或剪斷，出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，特別是隧道開挖斷面面積大幅度增加，必然出現(xiàn)許多理論及隧道施工安全的新課題，如黃土特大斷面隧道圍巖壓力、特大斷面的分部開挖問題、隧底地基承載力不足及施工廢水的合理處理問題等。而且國內(nèi)外黃土地層特大斷面隧道工程實踐較少，可以借鑒的工程經(jīng)驗很少，因此結(jié)合鄭西客運專線隧道工程，評價黃土大斷面隧道結(jié)構(gòu)物的安全性，在工

2、程實踐中開展快速、安全施工技術(shù)研究，具有重大的理論意義和重大工程實用價值。2、主要研究內(nèi)容2.1 黃土特大斷面隧道測試試驗與分析研究(1)現(xiàn)場測試試驗圍巖內(nèi)部位移與錨桿軸力測試；支護(hù)變形、應(yīng)力、壓力測試；襯砌變形、應(yīng)力、壓力測試。(2)黃土物理力學(xué)性能室內(nèi)試驗包括：強(qiáng)度、含水量、彈性模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、濕陷性等。2.2 黃土特大斷面隧道施工變形機(jī)制與位移管理基準(zhǔn)研究(1)濕陷性黃土工程特性及變形力學(xué)機(jī)制；(2)黃土特大斷面隧道極限位移、預(yù)留變形量、二襯施作時機(jī)等位移管理基準(zhǔn)。2.3 黃土特大斷面隧道合理支護(hù)形式研究(1)隧底濕陷性黃土處理技術(shù)；(2)合理錨桿形成與參數(shù)；(3)合理支護(hù)、結(jié)構(gòu)

3、形式與參數(shù)。2.4 黃土特大斷面隧道結(jié)構(gòu)安全性研究(1)黃土地層特大斷面隧道圍巖壓力或隧道結(jié)構(gòu)荷載的確定；(2)特大斷面多分部施工對隧道穩(wěn)定性的影響；(3)黃土特大斷面隧道結(jié)構(gòu)安全性綜合評價。3 主要研究方法3.1 黃土特大斷面隧道測試試驗與分析研究(1)選擇有代表性區(qū)段作為試驗段工程，開展隧道變形、圍巖內(nèi)部位移、錨桿軸力、圍巖壓力、支護(hù)應(yīng)力、二襯接觸壓力和二襯應(yīng)力的試驗測試，上述各項測試的測點布置如圖1所示。對非試驗段各隧道施工位移監(jiān)測進(jìn)行統(tǒng)一管理，綜合分析黃土隧道位移特征。(2)選擇有代表區(qū)段取樣，開展黃土結(jié)構(gòu)特征微觀分析，并進(jìn)行強(qiáng)度、彈性模量等物理力學(xué)性能室內(nèi)試驗。3.2 黃土特大斷面隧

4、道變形機(jī)制與位移管理基準(zhǔn)研究(1)黃土微觀結(jié)構(gòu)決定了黃土的基本性能，受隧道開挖、支護(hù)施工過程的影響，隧道周邊的黃土(圍巖)應(yīng)力重分布應(yīng)力路徑、應(yīng)力形式的改變，特別在地下水的影響，與一般巖體相比較，將形成不同的洞室變形與圍巖應(yīng)力釋放特征。這種洞室力學(xué)效應(yīng)下的黃土工程特性研究，以掌握黃土隧道的變形力學(xué)機(jī)制。(2)隧道設(shè)計、施工規(guī)范中均列有鐵路單、雙線隧道施工極限位移和隧道穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)。眾所周知，隧道位移與圍巖性質(zhì)、洞室大小、支護(hù)參數(shù)及施工方法緊密相關(guān)，對黃土、客專雙線特大斷面隧道應(yīng)建立自身的隧道極限位移。利用實際的黃土圍巖物理力學(xué)參數(shù)，隧道埋深、斷面支護(hù)參數(shù)及施工方法實際，進(jìn)行隧道極限位移的計算

5、模擬。根據(jù)計算模擬值、實測值及安全度，以及黃土隧道實際的變形、壓力特征，綜合確定黃土隧道極限位移、預(yù)留變形量、二襯施作時機(jī)位移管理基準(zhǔn)。3.3 黃土特大斷面隧道合理支護(hù)形式(1)現(xiàn)行規(guī)范中隧道結(jié)構(gòu)荷載是建立在工程實踐統(tǒng)計基礎(chǔ)之上，主要來源于傳統(tǒng)鐵路單、雙線隧道，根據(jù)開挖跨度外延后得到的特大斷面隧道圍巖壓力與實際情況將會有相當(dāng)大的出入。黃土地層，特別是新黃土地層，因其獨特的力學(xué)特性，將會使作用在特大斷面隧道結(jié)構(gòu)上的荷載量值及分布規(guī)律與常規(guī)斷面隧道有很大差別。對典型黃土地層、典型隧道斷面，采用埋設(shè)壓力傳感器對作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載進(jìn)行現(xiàn)場測試，也統(tǒng)計分析的方法得到黃土地層特大斷面隧道圍巖壓力的量值

6、大小及分布規(guī)律，提出黃土特大斷面隧道的結(jié)構(gòu)形式。(2)由于黃土地層特有的穩(wěn)定性差的力學(xué)特性，特別是在特大斷面隧道施工中為保證圍巖穩(wěn)定性，必須采用多分部施工方法，采用相應(yīng)的臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)。在多分部的施工過程中，臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)轉(zhuǎn)換過程異常復(fù)雜，必須保證臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)拆除過程中隧道的穩(wěn)定性，為此采用現(xiàn)場量測結(jié)合束之模擬的方法來研究特大斷面隧道施工的多分部開挖對隧道結(jié)構(gòu)的安全性影響。(3)高速鐵路隧道高標(biāo)準(zhǔn)的要求，支護(hù)作為結(jié)構(gòu)的一部分，傳統(tǒng)的強(qiáng)度等級、鋼筋保護(hù)層厚度不能滿足結(jié)構(gòu)耐久性要求；大斷面分部施工支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)換過程復(fù)雜。因此，利用綜合試驗和計算分析結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)耐久性要求，提出黃土特大斷面

7、隧道支護(hù)的合理設(shè)計參數(shù)。3.4 黃土特大斷面隧道結(jié)構(gòu)安全性研究(1)黃土地層，特別是濕陷性黃土地層，應(yīng)特別注意施工廢水的處理。與一般濕陷性黃土地基處理措施不同，洞內(nèi)隧底濕陷性黃土處理不僅要提高地基承載力，更重要的是保護(hù)黃土圍巖，阻止地下水及洞內(nèi)水滲入土層。因此，考慮到黃土特有的物理特性，優(yōu)化選擇合適的地基加固措施，保證隧道穩(wěn)定性。(2)黃土地層自身的錨固力低，錨管注漿存在軟化黃土問題，在黃土隧道中應(yīng)研究全長膨脹式錨桿形式及其相應(yīng)施工技術(shù)。結(jié)合鄭西客運專線黃土地層大斷面隧道施工，在現(xiàn)場進(jìn)行錨管注漿漿液配方試驗，進(jìn)行錨管拉力試驗，為設(shè)計提供可靠依據(jù)。(3)隧道是圍巖與支護(hù)、結(jié)構(gòu)的綜合體，隧道的安全

8、性對不同施工階段應(yīng)有不同的內(nèi)容和意義。高地應(yīng)力軟巖區(qū)段，圍巖軟弱，隧道支護(hù)較厚、剛度較大，個別支護(hù)截面混凝土開裂或破損，支護(hù)結(jié)構(gòu)仍然可繼續(xù)承載。確定支護(hù)后隧道的穩(wěn)定性可以支護(hù)極限狀態(tài)為準(zhǔn)，即一旦支護(hù)失穩(wěn)，圍巖失去支護(hù)抗力也將迅速失穩(wěn)，導(dǎo)致支護(hù)隧道的失穩(wěn)。受圍巖約束的支護(hù)結(jié)構(gòu)為拱形超靜定結(jié)構(gòu)，當(dāng)屈服截面?zhèn)€數(shù)多到使超靜定結(jié)構(gòu)時為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)；支護(hù)鋼筋混凝土截面屈服以“鉸”的塑性轉(zhuǎn)動來定義。根據(jù)支護(hù)施作時機(jī)、支護(hù)封閉時機(jī)、隧道開挖后彈性位移分析，實測圍巖壓力和支護(hù)位移特征分析，綜合確定圍巖應(yīng)力釋放系數(shù)，以圍巖與支護(hù)的綜合體進(jìn)行穩(wěn)定安全性評價。在復(fù)合式襯砌設(shè)計中，二次襯砌原則是不受力的，即等待初期支

9、護(hù)變形基本穩(wěn)定后再施作二次襯砌。在下列特殊情況下，應(yīng)適時施作二襯，分擔(dān)部分圍巖荷載，使隧道體系趨于穩(wěn)定，即：有較大土壓、水壓作用；或因擾動和相鄰施工等環(huán)境變化而產(chǎn)生附加荷載；或在膨脹性圍巖、擠入性圍巖變形長時間持續(xù)不穩(wěn)定；或地壓有偏壓等。為提高襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，在本工程高地應(yīng)力軟弱圍巖區(qū)段，應(yīng)盡量減少二襯分擔(dān)圍巖荷載的比例。即重點通過改善洞室形狀、提高支護(hù)強(qiáng)度與剛度、確定合理的二襯支護(hù)時機(jī)。襯砌結(jié)構(gòu)與支護(hù)之間存在防水層，其厚度也較大，襯砌后的隧道安全性以襯砌自身的安全性為準(zhǔn)。受圍巖約束，二襯結(jié)構(gòu)也為拱形超靜定結(jié)構(gòu)。為提高結(jié)構(gòu)耐久性，遵守隧道規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，以任一截面的開裂或屈服定義為整體襯砌結(jié)

10、構(gòu)的極限狀態(tài)。根據(jù)實測圍巖壓力和二襯接觸壓力的關(guān)系以及壓力、變形特征，確定二襯實際圍巖壓力分擔(dān)比例；根據(jù)規(guī)范荷載、實測圍巖壓力荷載，對襯砌結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行綜合評價。4 預(yù)期目標(biāo)、成果形式及主要技術(shù)指標(biāo)4.1 預(yù)期目標(biāo)(1)掌握黃土的工程特性和特大斷面黃土隧道變形機(jī)理；(2)使黃土特大斷面隧道斷面形式、支護(hù)形式與參數(shù)、基底加固方法等技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、方便施工和隧道穩(wěn)定。(3)形成黃土特大斷面隧道的位移控制技術(shù)與位移管理技術(shù)；(4)確保結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定和安全。4.2 成果形式(1)、提交階段性和結(jié)題研究報告；(2)、發(fā)表研究論文、申報科技進(jìn)步獎。4.3 主要技術(shù)指標(biāo)(1)提出新、老黃土和濕陷性黃土

11、合理的的物理力學(xué)設(shè)計計算參數(shù)；(2)通過試驗段位移、應(yīng)力和壓力測試試驗，給出：隧道變形最終估計值、時態(tài)曲線、變形與施工步驟的關(guān)系等變形特征；錨桿軸力、圍巖壓力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等應(yīng)力分布、時態(tài)曲線、與施工步驟的關(guān)系，豎直壓力與水平壓力、圍巖壓力與二襯接觸壓力關(guān)系等應(yīng)力特征。(3)給出黃土特大斷面隧道極限位移和隧道穩(wěn)定性位移判別準(zhǔn)則；(4)給出黃土特大斷面隧道支護(hù)、結(jié)構(gòu)安全性評價方法及安全性評價。5 前期工作基礎(chǔ)(1)獲獎項目序號成果名稱參加/主持獲獎名稱、等級、時間1城市松散含水地層中復(fù)雜洞群淺埋暗挖法施工技術(shù)研究參加國家科技進(jìn)步二等獎(2001)2聚丙烯纖維網(wǎng)濕式噴射混凝土襯砌研究主持河北省科技進(jìn)步

12、三等獎（2003）3隧道穩(wěn)定性位移判別準(zhǔn)則主持鐵道部科技進(jìn)步二等獎（1999）4水平鉆孔旋噴機(jī)研制及加固技術(shù)研究主持河北省科技進(jìn)步三等獎（2001）5隧道水平旋噴機(jī)預(yù)支護(hù)加固技術(shù)及變形量測主持中國鐵道學(xué)會科學(xué)三等獎（2001）6高寒、高海拔、凍土隧道洞內(nèi)施工環(huán)境控制技術(shù)主持河北省科技進(jìn)步二等獎（2004）7軟流塑狀淤泥質(zhì)地層建筑物下地鐵隧道綜合施工技術(shù)參加山東省科技進(jìn)步二等獎(2004)8高原嚴(yán)寒條件下橋梁高墩成套快速施工技術(shù)參加青海省科技進(jìn)步一等獎(2004)9東秦嶺特長隧道出口段平導(dǎo)快速施工綜合技術(shù)參加天津市科技進(jìn)步三等獎(2003)(2)科研項目項目、課題名稱(下達(dá)編號)項目來源項目起訖

13、時間負(fù)責(zé)人(姓名、專業(yè)技術(shù)職務(wù))科研經(jīng)費(萬元)目 前 承 擔(dān) 的 科 研 項 目 的 經(jīng) 費 合 計462青藏線風(fēng)火山隧道施工通風(fēng)技術(shù)及施工溫度場控制鐵道部攻關(guān)計劃2001-2004朱永全教授74.91北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究北京地鐵管理公司2004-2006朱永全教授45含水淤泥質(zhì)地層城市過街道淺埋暗挖施工技術(shù)方案中國鐵道建筑總公司2004-2005朱永全教授70烏鞘嶺隧道嶺脊斷復(fù)雜應(yīng)力變形控制研究鐵道部攻關(guān)計劃2004-2006朱永全教授165(3)發(fā)表論文序號論文名稱作者署名次序發(fā)表日期發(fā)表刊物、會議名稱三大檢索收錄情況Use of jet grouting techni

14、que in treating large deformation of tunnel孫星亮(1)2001Geotechnical Engineering Meeting Societys Needs, Vol. 1 and 2, Proceedings of the 14th Southeast Asia Geotechnical Conference (Hong Kong December 2001)ISTP檢索自適應(yīng)時序模型在地下工程位移預(yù)報中的應(yīng)用孫星亮(1)2004巖石力學(xué)與工程學(xué)報運營條件下鐵路橋梁的墩臺基礎(chǔ)加固孫星亮(1)2004土工基礎(chǔ)Analyses on junction

15、line construction of Beijing subway劉勇(1)2001Soft soil Engineering3rd International Conference on Soft Soil EngineeringISTP檢索Analysis of the blasting vibration effect for continuous-double-arch tunnel劉勇(1)2001Frontiers of rock mechanicsand sustainable development in the 21st centuryISTP檢索Simulation a

16、nd monitoring of middle pilot safety of linked-arch tunnel under blasting劉勇(1)2004Progress in Safety science and technologySCI檢索A new practice of NATM in construction of a railway tunnel馮衛(wèi)星(1)2001Frontiers of rock mechanicsand sustainable development in the 21st centuryISTP檢索Analysis of limit displa

17、cement for un-lined tunnel張素敏(1)2000Progress in safety science and technology, 2nd International Symposium on Safety science and TechnologyISTP檢索Application of Auto-adaptive Model to Displacemeng Forecasting in Underground Engineering張素敏(1)2001Geotechnical Engineering in soft Ground(proceedings of t

18、he regional conference on geotechnical aspects of underground construction in soft ground)隧道上臺階極限位移計算模擬張素敏(1)2003石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報一種應(yīng)用損傷力學(xué)判別巖體穩(wěn)定性的方法張素敏(1)2003全國巖土與工程學(xué)術(shù)大會論文集收斂約束原理在隧道位移穩(wěn)定性判據(jù)中的應(yīng)用張素敏(1)2004鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計隧道圍巖特性曲線數(shù)值模擬與分析張素敏(1)2004巖土力學(xué)EI檢索Comparative analysis of limit displacements for tunnels at unlined

19、and primary support stages張素敏(1)2004Rock mechanics and mining scinecesSCI檢索The split-tube multople-point borehole extensome王海亮(1)2000Progress in safety science and technology, 2nd International Symposium on Safety science and TechnologyISTP檢索Study on the yieldable support with overlapped Ishaped ste

20、el王海亮(1)2000Progress in safety science and technology, 2nd International Symposium on Safety science and TechnologyISTP檢索Ground vibration caused by tunnel construction王景春(1)2000Progress in Safety Science and Technology, 2nd International Symposium on Safety science and TechnologyISTP檢索用隧道圍巖站立時間確定復(fù)合式

21、襯砌的荷載分配莫勛濤(1)2001巖石力學(xué)與工程學(xué)報EI檢索聚丙烯纖維網(wǎng)噴射混凝土性能和襯砌試驗朱永全(1)2004巖石力學(xué)與工程學(xué)報隧道穩(wěn)定性位移判別準(zhǔn)則朱永全(1)2001中國鐵道科學(xué)Cause and Characteristic of large deformation of soft rock tunnel support朱永全(1)2001Proceedings of the regional conference on geotechnial aspects of underground construction in soft ground大伙房水庫輸水隧洞TBM安裝洞室穩(wěn)定性

22、分析朱永全(1)2003石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報一個基于穩(wěn)定流理論的干擾井群計算實例劉志春(1)2001石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報井點降水引起地面沉降的簡便計算方法研究及應(yīng)用劉志春(1)2001石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報城市地下工程施工與地下水滲流引起地面沉降的分析及預(yù)測劉志春(1)2003國防交通工程與技術(shù)松散含水地層緊鄰建筑物大斷面淺埋洞室綜合施工技術(shù)劉志春(1)2003鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計北京地鐵王府井站西南風(fēng)道排水方案設(shè)計與施工劉志春(1)2003建井技術(shù)南京地鐵珠江路站鼓樓站區(qū)間監(jiān)控量側(cè)數(shù)據(jù)分析劉志春(1)2004石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報任意排列的承壓潛水完整型干擾井群計算理論及應(yīng)用劉志春(1)2004巖石力學(xué)與工程學(xué)

23、報青藏鐵路風(fēng)火山隧道洞內(nèi)外溫度實測與分析劉志春(1)2004鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計東秦嶺特長隧道平行導(dǎo)坑快速施工組織管理與進(jìn)度統(tǒng)計分析劉志春(1)2004石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報淤泥質(zhì)地層地鐵隧道施工地表沉降預(yù)測及分析劉志春(1)2005巖土力學(xué)多年凍土樁基溫度場研究李文江(1)2004鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計大伙房輸水隧洞TBM安裝洞室穩(wěn)定性及施工動態(tài)分析李文江(1)2004建井技術(shù)淺埋、軟土隧道穿越鐵路站場施工效應(yīng)分析李文江(1)2004石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報鐵路站場下暗挖隧道地表沉降基準(zhǔn)研究李文江(1)2005巖土力學(xué)Application of Auto-adaptive Model to Displacement

24、Forecasting in Underground Engineering孫星亮(1)2001Geotechnical Engineering in soft Ground(proceedings of the regional conference on geotechnical aspects of underground construction in soft ground)國內(nèi)外水平旋噴注漿加固技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展孫星亮(1)2001探礦工程水平旋噴固結(jié)體力學(xué)性能試驗及分析孫星亮(1)2003巖石力學(xué)與工程學(xué)報水平旋噴預(yù)支護(hù)技術(shù)在鐵路隧道中的應(yīng)用孫星亮(1)2002巖石力學(xué)與工程學(xué)報自適

25、應(yīng)時序模型在地下工程位移預(yù)報中的應(yīng)用孫星亮(1)2004巖石力學(xué)與工程學(xué)報水平旋噴預(yù)支護(hù)技術(shù)在鐵路隧道中的應(yīng)用劉勇(1)2003巖石力學(xué)與工程學(xué)報鐵路隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)概率極限狀態(tài)設(shè)計研究劉勇(1)2001石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報Analyses on Grade Separation of Wang-Dong Sector of Beijing Subway劉勇(1)2001Geotechnical Engineering in soft Ground(proceedings of the regional conference on geotechnical aspects of underground construction in soft ground)The Stochastic Analysis for Lining Structure with Correlate Random Variables宋玉香(1)2001Geotechnical Engin