项目名称：小间距大跨径隧道设计及施工关键技术研究　

成果所属专题编号：（鉴定证书号或项目计划号）鄂路计2011247号

成果主要完成单位：十堰市城区东环一级公路项目经理部、中国地质大学（武汉）　　

联系人：徐慧   联系电话：18671909500 E-MAIL：173592232@qq.com

通信地址：湖北省十堰市公路管理局

　　　　内容简介

　　一、主要技术内容（技术原理和创新性成果）

　　本项目以十堰市东环公路龙潭湾隧道为依托，以小间距大跨径隧道设计及施工关键技术研究为主线，运用现场勘查测试、室内物理力学实验、理论研究、现场监测相结合的研究方法，展开了系统研究，取得一系列成果与创新：

　　（1）考虑受力及经济综合效应的大跨径隧道围岩断面形状优化

　　目前，针对三车道的大跨径断面尺寸设计没有统一的标准，设计仍主要参考两车道断面进行，有必要对三车道隧道断面形式进行研究。而隧道断面的选择是一项综合考虑经济性、安全性等多因素的过程，建立兼顾安全经济综合效益的最优断面研究对龙潭湾隧道意义重大。本创新点以数值计算为手段，以隧道扁平率为分析对象，采用层次优化比选法，提出了综合经济、安全的优化断面形式；

　　①选择龙潭湾隧道典型断面，将其简化为适合进行优化分析的数学模型，将形成隧道几何形状特点的一系列控制点定为设计变量，控制点的建立一方面要满足建筑限界的要求，同时应满足隧道相邻圆弧连接处的平顺性两大原则；最终建立了不同扁平率条件下5种比选方案；

　　②对不同的方案单元，采用有限元法进行隧道开挖受力特性的分析计算，获得了不同方案条件下围岩应力状态、支护结构受力特征、开挖土石方大小、衬砌周长等目标特征值，如表1所示；

　　表1 不同扁平率隧道开挖优化目标函数值

　　扁平率     开挖面积/m2             初衬周长/m                     拱顶下沉/mm            围岩最大压应力/MPa    锚杆轴力/kN 初衬弯矩/N·m              初衬轴力/kN

　　0.73         132.63     43.23         11.91       3.33                 69.042      65.489      1910

　　0.69         120.58     41.74         11.64       3.40                 69.901      78.141      2010

　　0.67         116.51     40.74         11.65       3.40                 70.437      73.198      2030

　　0.65         112.64     40.49         11.64       3.43                 69.792      72.689      2030

　　0.

　　3              113.99     40.73         11.97       3.54                 74.718      68.755      2030

　　③采用层次分析法对龙潭湾隧道断面形式进行多目标优化，以断面开挖面积、初衬周长、拱顶下沉、围岩最大压应力为指标，对龙潭湾隧道设计扁平率对应断面进行优选，隧道断面优化层次模型见图1。

　　

　　

　　图1 隧道断面优化层次模型

　　   ④综合考虑安全、经济因素，扁平率为0.65的断面形式为最优方案。优化断面相对于原断面开挖面积减少了15.1%，衬砌周长减少了6.3%，且受力合理，断面设计在安全范围内。

　　   本项目提出的大断面隧道形状优化思路与方法，改变了传统比选中只考虑一个因素的不足，结论及成果已较好的应用于十堰市其它大断面隧道中，取得了良好的社会及经济效益。

　　（2）小间距大跨径隧道围岩荷载模式及支护受力分析

　　对大跨度隧道，相关规范设计中仍然采用与普通分离式双车道隧道基本相同的设计方法，其围岩荷载按普通断面隧道设计规范公式进行计算，在实际的应用中会产生较大的误差，造成支护结构与围岩荷载的不匹配；而一味的增加支护结构参数也会造成施工成本的不经济。本创新从分析大跨径隧道围岩压力分布入手，阐明了跨度对支护结构受力的影响，构建了隧道特征与支护形式的供需关系。

　　①大断面公路隧道围岩压力与荷载模式研究：选择隧道典型断面，计算不同的围岩压力计算方法（纵向对比）、不同影响因素（横向对比）条件下围岩压力各影响因素（埋深、跨度、围岩级别、力学参数）的敏感性和相关性；结合现场围岩压力实测数据，建立并绘制了龙隧湾隧道左线及右线隧道纵向围岩压力分布曲线，为结构设计及施工提供参考，成果如下图2，3所示；

　　

　　图2 龙潭湾隧道左线工程各断面围岩压力分布图

　　

　　

　　

　　图3 龙潭湾隧道右线工程各断面围岩压力分布图

　　②考虑隧道跨度的锚杆长度经验设计公式建立：考虑片岩地层结构特征，参考其它工程经验，提出更为细致的锚杆长度经验公式作为技术规范的补充（适用于跨度小于25m的隧洞），分析认为当隧洞跨度B满足12m≤B≤15m时，锚杆长度L的范围为；

　　③初期支护受力变形与隧道跨度的关系：采用有限元计算比较了相同条件下，两车道及三车道隧道的围岩-支护体受力变形效应，结果表明三车道隧道围岩变形和应力基本都能增加10~20%左右，支护条件下，围岩应力的增量有适当的减小；大跨度对围岩应力变形有放大作用，提高初期支护的刚度对控制围岩变形有良好效果；

　　   ④隧道进口段二衬受力及结构优化：龙潭湾隧道进口浅埋破碎，针对二次衬砌受力稳定的问题，就原设计的混凝土结构与钢筋混凝土结构进行对比分析。计算表明：轴力、剪力和弯矩分布规律类似，两者受力增幅不一；钢混衬砌中配置了钢筋，结构的延性有所增大，增大了结构的抗拉和抗剪性能，结构的受力更为优化。

　　本项目经过对初期支护（喷射砼及锚杆）、二次衬砌结构进行优化设计，有效地指导了隧道现场的施工，确保了结构受力及施工安全。

　　（3）小间距大跨径隧道施工方案优化及相互影响研究

　　小间距大跨径隧道施工涉及的关键环节多，不仅要兼顾大断面开挖稳定还要考虑小间距隧道两洞爆破相互影响的问题，针对龙潭湾隧道展开了如下探讨：

　　①小间距大跨径隧道施工方案优化研究：通过有限元计算，比较正向侧导洞法、同向侧导洞法与三台阶法三种施工方法的适宜性；通过对工期、位移量、应力大小进行综合比较，计算表明在V、VI级围岩条件极差隧道中采用三台阶法施工，在IV、V级围岩中可采用正向侧导洞法，同向侧导洞法则可在III、IV级围岩中使用；

　　②采用数值分析手段，对小间距隧道中岩墙的受力-变形特征及稳定性进行了分析，探讨了不同间距条件下隧道的变形受力规律，分析表明在龙潭湾隧道三车道大断面条件下，左右洞最小安全间距不宜小于12m（0.75B），在该隧道实际间距为24m（1.5B）条件下，左右洞间影响较小，变化曲线如下图4所示。

　　 

　　（a）最大竖向应力                             （b）拱顶沉降

　　 

　　（c）最大拉张应力                             （d）最大应力

　　

　　（e）塑性应变

　　图4 围岩应力应变随间距值变化曲线

　　③在对隧道进行初步爆破设计的基础上，完成了基于模糊综合评价的掏槽爆破参数优化，确定了楔形掏槽和中空菱形直孔掏槽为较优化结果；基于现场爆破震动实测方法，对小间距双洞隧道施工影响及震动效应进行了实测，结果如下表2所示：

　　

　　

　　

　　

　　表2 龙潭湾隧道振动监测结果

　　传感器号      传感器类型   爆破点   最大段

　　药量（kg）   量程

　　(v)        最大振幅(V)              振动速度(cm/s)  测点布设位置

　　25         垂直       龙潭湾隧道右洞           34     4                2.3749          8.48     同侧底部10米

　　74         水平                                          4      1.8761        6.51             

　　14         垂

　　                                            2               1.4063                 4.92             同侧底部17米

　　94         水平                                          2      1.2188        4.32             

　　6          垂直                                          1      0.9922        3.51             同侧底部25米

　　72         水平                                          1      0.9922        3.53             

　　19         垂直                                          4      2.1796        7.49             同里程边墙右侧底部岩石

　　60         水平                                          4      3.3274        11.84            

　　1          垂直                                          1      0.4844        1.71             同里程底部混凝土台阶

　　63         水平                                          1      0.5391        1.93             

　　据工程类比法，选用20cm/s作为围岩破坏的速度标准。测得振动速度没有超过安全判断标准，爆破参数是合理的；左右两洞影响在可控范围内。

　　本项目对隧道施工中的相关难点问题进行探讨研究，成果有效的指导现场施工，也可为类似隧道提供借鉴和参考。

　　（4）软弱围岩复杂型式隧道施工期安全保障措施

　　在隧道施工期间开展地质编录工作，及时根据地质条件的变化，提出施工建议措施。开展现场围岩变形的监控量测工作，及时反映围岩应力-应变关系特征，为隧道施工提供服务参考。针对隧道进洞方案、穿越破碎带施工措施、片岩地层爆破参数优化、塌方原因分析及处理方案等难点问题，及时联系业主、施工方、监理方，展开相关方案讨论会，形成文字性纪要，有利保障了隧道顺利施工。

　　二、适用范围（成果可应用领域和已应用领域）

　　（1）用工程地质分析、数值模拟、理论计算和现场测试及试验技术等综合手段，对项目展开系统研究，从理论和应用上为小间距大跨径隧道安全施工提供保障；其研究技术路线和综合研究成果具有创新性；

　　（2）通过对比普通双车道隧道和三车道大跨隧道在同等地质条件下隧道开挖围岩压力的分布特征；综合分析两种不同断面隧道的围岩压力影响因素及其影响特征异同；绘制了隧道左线及隧道右线纵向围岩压力分布图；并结合现场压力监测验证了理论分析的准确性，研究成果具有创新性；

　　（3）利用有限元软件对不同扁平率的断面隧道开挖后的应力分布、位移分布、衬砌受力等进行数值模拟分析。运用层次分析法对影响隧道安全性与经济性的最大正应力、拱顶下沉、开挖面积、衬砌周长等目标值进行多目标优化，提出依托工程条件下的最优化断面形状，研究方法成果具有先进性及创新性。

　　（4）结合我国公路隧道设计、施工现状，课题组提出了软弱地层小间距大跨径隧道设计与施工关键技术（围岩压力计算方法、现场测试技术、施工过程模拟等），实现了隧道动态设计，扩展和完善了现有公路隧道设计规范。

　　本项目提出的安全控制措施作为一种全新的理念，尤其是采用现场量测手段及时掌握围岩受力变形特征，注重防患于未然，达到减少隐患、保障安全、使隧道施工综合成本最低的目的，通过现场应用，减小了隧道次生灾害发生，缩减了投资，取得了良好的社会及经济效益。

　　三、已应用情况（应用本成果解决的关键问题）

　　2010年至今，成果已在十堰市东环一级公路龙潭湾隧道得到稳定应用：

　　（1）课题组对依托工程，采用现场量测手段，利用收敛剂、埋设压力盒、水准仪等仪器对施工围岩变形性态、力学行为进行了跟踪量测，揭示了施工开挖爆破对围岩的扰动影响，将结果及时反馈到相关部门，指导后续施工，真正实现了动态化信息化的设计施工理念；同时，对施工的难点及关键技术问题及时展开讨论论证，提出了相应的施工对策措施，节省了工期，确保施工的顺利进行，经济效益明显。

　　（2）课题组提出的隧道支护结构、施工方案优化、爆破参数控制等成果在本隧道工程中的实施，不仅确保了隧道的施工安全顺利，而且隧道的施工工期平均提前了2个月，同时避免了隧道大变形、塌方等隧道地质灾害事故的发生，避免了大量次生成本投入。总体上直接和间接降低隧道建设成本10%~15%，以平均每米隧道3万元计算，580米双线隧道直接和间接降低成本116万元~174万元。

　　（3）课题组在大量总结项目勘察、设计、施工资料的基础上，针对设计中断面形状优化、支护结构设计、施工方法方案优化等内容作了深入分析整理，这些成果可为类似地层类似工程提供宝贵的借鉴和参考作用，预计将会取得进一步良好的效益。

　　随着我国山区公路建设的大力发展，复杂公路隧道形式将越来越多地出现，本项目成果为此提供宝贵的经验和资料，预计将每年产生极大的经济效益，并有力地推动湖北省及我国公路隧道设计及施工水平的进一步发展，推广及应用前景广阔。

　　　　四、应用效益（取得的经济、社会、环境效益）

　　（1）研究成果具有示范性：随着我国基础建设的大规模投入，山区高等级公路的建设会越来越多，交通流量也会逐步增大，同时由于受地质条件及地形展布的限制，小间距大跨径隧道将成为未来隧道发展的主要方向，优化合理的设计施工方案是工程得以顺利实施的关键；本项目以此为突破口展开研究，在同类技术中具有前沿性和代表性。研究成果不仅可以解决山区软岩复杂隧道安全施工问题，同时具有广泛的示范性，对湖北省乃至全国交通系统也将有很好的借鉴意义和参考价值。

　　（2）研究成果具有重要的学术研究价值：本课题提出的软弱围岩大跨径隧道围岩压力分布及荷载模式确定、基于有限元分析及优化理论的隧道断面形式优选、隧道施工方案优化等成果，均为目前山区公路隧道工程中的热点和难点问题，其成果具有重要的理论和学术研究价值。

　　（3）为隧道安全施工和运营提供技术保证：本项目研究成果及研究方法可为公路隧道动态设计和施工提供工程地质条件依据，课题的研究成果确保了复杂地质条件下复杂隧道形式施工的经济性、准确性和高效性，为隧道安全施工和运营提供了强有力的技术保证，并有力地推动我国公路隧道设计及施工水平的进步与发展。