中国公路隧道技术的现状与发展.ppt

1、中国公路隧道技术的现状与发展 更加安全、快捷、环保、节约,重庆交通科研设计院 院长 国家山区公路工程技术研究中心 主任 中国公路学会隧道工程分会 理事长 中国土木学会隧道与地下分会副理事长,蒋树屏（研究员、工学博士）,第四届全国公路科技创新高层论坛(2008.5.17 北京),劈山开道，破坏环境，边坡失稳渐成历史,逢山穿隧，保护环境，减少征地已成共识,遇水架桥未必定义,水下隧道多种选择,咱们共同讨论,我国公路隧道建设基本情况 2 环保型隧道建设技术研究与实践 3 隧道监控量测及围岩分级技术创新,1,1、我国公路隧道建设基本情况,二十多年来，中国公路建设蓬勃发展。截至2007年底，我国公路及隧道

2、建设规模如下表所示：,1 我国公路隧道建设基本情况,隧道同比公路同比,我国大陆特长公路隧道,1 我国公路山岭隧道建设情况,我国主要水下公路隧道,1 我国公路隧道建设基本情况,我国大跨径公路隧道,1 我国公路隧道建设基本情况,公路隧道标准断面,1 我国公路隧道建设基本情况,2车道 A=65m2 高宽比=0.67,3车道 A=96m2 高宽比=0.54,4车道 A=136m2 高宽比=0.48,连拱隧道,小净距隧道,1 我国公路隧道建设基本情况,3车道隧道（深圳大梅沙）,连拱隧道(南峰),小净距隧道（福建联南）,双洞8车道隧道（深圳雅宝）,秦岭北口,1 我国公路隧道建设基本情况, 秦岭终南山隧道位

3、于国家高速公路网包-茂线陕西境内，是世界建设规模最大的高速公路隧道(长218.02km)，最大埋深超过1700m。 于2007年1月试通车,为通风与防灾，采取竖井送排式纵向通风方式，设置三座换风竖井及地下机房，竖井直径为11.5m，井深661m。通风主要按照正常运营和火灾工况下需风量设计。交通量按2025年交通量N=25849辆/日，2035交通量N=45000辆/日；,为了降低驾驶员长时间在隧道内行驶的疲劳，每座隧道洞内共设三处特殊照明带，每处特殊照明区段长150m，宽20.9m(隧道标准宽:10.5 m)，高11.9m (隧道标准高:7.6m)。,1 我国公路隧道建设基本情况,1 我国公路

4、隧道建设基本情况,秦岭，是黄河与长江两大水系的分水岭；终南山隧道，打通了这一天然屏障，实现了南北交通，其意义重大，令国人骄傲。其工程浩大、技术复杂，令国际注目。2007年10月，出席全国公路隧道学术大会的220多位隧道工作者在考察该隧道后，称它为“人类文明的伟大作品 世界交通的重大工程”。,南侧,业 主 单 位：陕西秦岭终南山公路隧道有限公司 主要设计单位：中铁第一勘察设计院重庆交通科研设计院 主要施工单位：中铁一局、五局、十二局、十八局 等 主要科研单位：陕西省公路局重庆交通科研设计院长安大学西南交通大学 等,秦岭终南山隧道采用了当今山岭隧道建设的最新技术,是全世界工程技术人员智慧的结晶,厦

5、门翔安隧道地质纵剖面图,1 我国公路隧道建设基本情况, 厦门翔安隧道我国第一座钻爆法开挖的六车道海底公路隧道，工程中遇到大量软弱地层和风化槽(囊)，采取了超前预注浆加固、CRD、双侧壁导坑等多种工法，目前工程进展较为顺利。隧道长 5960 m。为通风与防灾，采取竖井送排式纵向通风方式，在浅海区域设置二座换风竖井。,1 我国公路隧道建设基本情况,厦门翔安隧道主要构成示意图,1 我国公路隧道建设基本情况,进口隧道由地表软弱地层逐步进入海底,隧道进口采用CRD工法控制围岩变形,1 我国公路隧道建设基本情况,1 我国公路隧道建设基本情况,主隧道洞身采用双侧壁导坑法开挖和支护,业主单位：厦门路桥有限公司

6、 设计单位：中交第二公路勘察设计院重庆交通科研设计院 施工单位：中铁隧道局、十八局、中铁一局、二十二局 等 科研单位：北京交通大学 等, 厦门万石山地下立交隧道为目前我国第一座大型暗挖地下互通式立交，既有平面分岔结构，又有上下交叉结构。,1 我国公路隧道建设基本情况,大跨结构段宽25.8m,连拱段为不对称结构,小净距段中夹岩1.42m,匝道汇合处的大跨隧道的断面 没有采用常规的喇叭口式渐变结构，而是以一侧边墙为基准，采用单侧分段扩大的结构型式，并逐渐过渡至连拱隧道和小净距隧道，最后过渡至正常的分离式隧道。,1 我国公路隧道建设基本情况,隧道立交处施工方法先开挖上行隧道至设计开挖线，施作完成初期

7、支护，再开挖隧道下穿段，浇注下穿隧道二次衬砌，设防水板并回填后，最后浇注上行隧道边梁及二次衬砌。,1 我国公路隧道建设基本情况,业主单位：厦门路桥有限公司 设计单位：重庆交通科研设计院 施工单位：中铁隧道局 等, 上海崇明长江隧道上海长江隧桥工程全长25.5km，为六车道高速公路，采用“南隧北桥”方案，是世界上最大的隧桥结合工程之一，南侧长江隧道长28955m。,1 我国公路隧道建设基本情况,上海长江盾构隧道直径为15m，内径13.7m，盾构隧道段长7.47Km，是世界上最大直径的盾构隧道，也是世界上最长的水底隧道之一 。隧道内上部为公路，下部为轨道和避难通道。,1 我国公路隧道建设基本情况,

8、1 我国公路隧道建设基本情况,上海长江盾构隧道进口,1 我国公路隧道建设基本情况,养生中的盾构管片,施工中的上海长江隧道,2,2、环保型隧道建设技术研究与实践,前置式洞口工法的开发与应用 Advanced tunnel entrance construction method and the application,蒋 树 屏,重庆交通科研设计院 常务副院长兼总工程师 交通部专家委员会委员、博士、博士生导师 中国公路学会隧道工程分会理事长 中国土木工程学会隧道与地下分会副理事长,1 问题的提出,规范： 7.1.2 隧道应遵循“早进洞、晚出洞”的原则，不得大挖大刷，确保边坡及仰坡的稳定。 7.1

9、.4 洞门设计应与自然环境相协调。,2 前置式洞口工法的开发与应用,7.2.1 洞口的边坡及仰坡必须保证稳定。有条件时，应贴壁进洞；条件限制时，边坡及仰坡的设计开挖最大高度可按表7.2.1控制。,表7.2.1 洞口边、仰坡控制高度,注：设计开挖高度系从路基边缘算起。,普通施工法、坑口付土被最小23程度確保。,日本道路公团隧道设计要领：,2 前置式洞口工法的开发与应用,2 采用传统施工方法的设计与施工,2 前置式洞口工法的开发与应用,采用传统施工方法的设计与施工 实 例,2 前置式洞口工法的开发与应用,2 前置式洞口工法的开发与应用,2 前置式洞口工法的开发与应用,2 前置式洞口工法的开发与应用

10、,普通施工法、坑口付土被最小23程度確保。,传统拉槽,2 前置式洞口工法的开发与应用,喷射混凝土,实际工程情况,2 前置式洞口工法的开发与应用,3 采用 “前置式洞口工法”的设计与施工,2 前置式洞口工法的开发与应用,前置式洞口工法原理图,2 前置式洞口工法的开发与应用,右洞施工槽开挖,前置式洞口工法原理,右洞施工槽喷锚支护,右洞前置支护钢拱架架立,右洞前置支护砼浇注,右洞回填,左洞施工槽开挖,左洞施工槽喷锚支护,左洞前置支护钢拱架架立,左洞前置支护砼浇注,左洞回填,左洞前置支护内开挖,右洞衬砌,左洞衬砌,力学模型建立及有限元网格划分横向范围（X方向）：分别以左、右隧道中心轴线向左、右延伸42

11、m，总的水平计算范围为122m；隧道纵向范围（Y方向）：以面向隧道洞内方向为正向，自前置式支护起点向洞内延伸70m；竖向（Z方向）：上取至原地面线顶部，按地表标高资料布线，向下取至隧道中心水平轴以下40m。地表土层厚约2.3m，以下为强风化灰岩厚约5.5m，再以下为弱风化灰岩。前置式洞口支护结构为钢拱架浇注混凝土厚度30cm，施工槽侧面、正面（1015cm）及洞内支护结构（20cm）为喷锚支护。,4 洞口岩体力学状态三维数值模拟与比较分析,2 前置式洞口工法的开发与应用,荷载：自重。 单元划分：岩土采用三角锥四节点实体单元模拟、锚杆采用植入式桁架单元、工字钢采用梁单元、喷射混凝土采用板单元分别

12、进行模拟，岩土体采用弹塑性分析，选用D-P模型，屈服面采用摩尔-库仑等面积圆。 边界条件：计算模型的左、右边界只有横向约束（X方向），隧道前后边界只纵向约束（Y方向），上部为自由面，下部只有竖直方向约束（Z方向）。 传统工法洞口模型共划分154740个单元，前置式洞口工法模型共划分160349个单元。,2 前置式洞口工法的开发与应用,2 前置式洞口工法的开发与应用,传统施工方法的模型,“前置式洞口工法”的模型,2 前置式洞口工法的开发与应用,传统施工方法的位移, Y方向位移比较,“前置式洞口工法”的位移,2 前置式洞口工法的开发与应用,采用不同工法进行洞口开挖施工引起的位移值,2 前置式洞口工

13、法的开发与应用, 应力场的比较,传统工法仰坡面处出现的拉应力区域，在前置式洞口工法保留的中间土埂的支撑作用下，显然已经消失了，因此在施工过程中为防止仰坡失稳，前置式洞口工法所需要的支护参数也远小于传统工法。,2 前置式洞口工法的开发与应用,5 前置式洞口工法的施工过程三维数值模拟,主要包括洞口段27个施工步骤：第1步，进行自重应力场计算；第2步，左隧道施工槽开挖；第3步，左隧道边仰坡锚喷支护；第4步，左隧道前置支护施工；第5步，左隧道洞口回填；第6步，左隧道前置支护内开挖；第711步，右隧道洞口施工（同左隧道第26步）；第1219步，左隧道暗洞内开挖、支护，共施工暗洞8m ；第2027步，右隧

14、道施工（同左隧道第1219步施工） 。,2 前置式洞口工法的开发与应用,前置式洞口工法施工过程有限元，共分202391个单元。,2 前置式洞口工法的开发与应用, 位移场 拱顶沉降（竖向位移DZ）从计算结果中可以看出，拱顶沉降值不大，暗洞拱顶最大值不超过6mm，前置支护最外端拱顶最大值1.94cm。拱顶位置沉降量最大，而拱顶两侧沉降量相对较小。前置支护最外端拱顶沉降约2cm，自前置支护施作完成时就已发生，说明该沉降主要由结构自重引起，受暗洞施工影响很小；前置支护与暗洞交界处拱顶沉降值不超过6mm，远小于外端拱顶沉降，说明洞口暗洞段竖向荷载很小，水平荷载对前置支护结构的约束作用明显，因此前置支护结

15、构施作后应尽快进行回填。,2 前置式洞口工法的开发与应用,拱顶沉降位移分布及其随施工过程变化,2 前置式洞口工法的开发与应用, 纵向（Y方向）位移前置支护施工槽开挖仰坡顶面处纵向位移最大约9mm，洞口前置支护施工槽两侧处及两洞之间纵向位移均不超过5mm，说明前置支护结构及两洞间土体对洞口山体起到了非常明显的支撑作用。前置支护最外端拱顶纵向位移随施工过程逐步减小，但位移量变化不大，说明仰坡面山体的纵向下推力很小，处于稳定状态。,2 前置式洞口工法的开发与应用, 岩体应力场隧道明、暗洞交界处（Y=-8m）断面应力随施工过程变化情况模拟结果表明，洞口前置式支护回填后未进行支护内开挖时，在支护拱腰部位

16、回填土体较大范围内出现拉应力区，且最大拉应力值超过10KPa；自前置支护内土体开挖后，最大拉应力值降至10KPa以内，直至暗洞施工支护4m，拱腰部回填土拉应力值及拉应力区域均逐步减小为0；进入暗洞4m后，后续施工对该断面的应力及位移几乎没有影响。同时，在前置支护拱部回填土边缘始终处于010KPa的拉应力状态，其余部位均处于压应力状态（图ai ）。,2 前置式洞口工法的开发与应用,第4步，左隧道前置支护施工,第5步，左隧道前置支护回填,第6步，左隧道前置支护内开挖,第12步，左隧道暗洞开挖2m,第13步，左隧道暗洞支护2m,第14步，左隧道暗洞开挖4m,第15步，左隧道暗洞支护4m,第16步，左

17、隧道暗洞开挖6m,第18步，左隧道暗洞开挖8m, 前置支护与暗洞支护应力前置支护最外端拱顶内侧出现最大拉应力约3.0MPa，其余大部分拱部位置拉应力值在1.42.2MPa之间；压应力最大值为4.8MPa，出现在起拱线部位内侧；待前置支护回填后，最大支护拉、压应力均有所降低，分别为2.7MPa和4.3MPa；此后的暗洞施工对支护应力影响很小，其最大拉、压应力分别稳定在2.7MPa和4.4MPa。,2 前置式洞口工法的开发与应用,前置式支护施工后前支护应力分布图,回填后支护应力分布图,暗洞开挖支护2m时支护应力分布图,暗洞开挖支护8m时支护应力分布图,6 隧道洞口稳定监控量测,量测点布置情况,現場

18、計測前置坑口安定性調（1号出口） 。計測結果次通。, 现场监测结果与数值模拟结果对比,现场监测结果与数值模拟结果对比列表,7. 設計,2 前置式洞口工法的开发与应用,8 前置式洞口工法的实施效果,完成,完成,喷射混凝土,实际工程情况,完成,减少边仰坡开挖面积2362m2，减少洞口土石方工程数量6480m3，少砍伐老山树木1575棵 ，原生灌木7086株。, 首次开发了公路隧道前置式洞口工法，并对传统施工方法与前置式洞口工法进行了数值模拟分析，通过对两种施工方法所产生的位移场、应力场与稳定性等的综合比较，为前置式洞口工法在环保及洞口仰坡稳定方面的优越性提供了理论依据。 通过前置式洞口工法施工过程

19、三维数值模拟与现场量测，提出了前置式洞口工法的合理施工步序、施工关键点及工程措施，并在依托工程中实施，获得成功。,9 归纳与创新,3,3、隧道监控量测及围岩分级技术创新,隧道围岩坍塌具有 随机性 模糊性 不可预见性,隧道开挖 围岩松动 围岩坍塌 加固处治,怎样预测，合理开挖，防止坍塌？,现场量测与量测数据管理系统,经验判断,隧道围岩稳定分析及处治的技术路线,隧道支护、衬砌设计,隧 道 开 挖 施 工,围岩支护变形监测 内空收敛量 拱顶下沉量 锚 杆 轴 力 锚杆拉拔力 衬 砌 应 力 地表下沉量 钢支撑应力,非确定性反分析 基于扩张卡尔曼滤波器与有限元法耦合算法（-FEM）的反分析 最终初始应

20、力参数的预测方法 隧道围岩塑性区估计历时变化, 预测围岩体坍塌 修正开挖方案,修正支护结构参数,现场量测与量测数据管理系统,2.量测方法与工具问题,现场量测与量测数据管理系统,监测的项目、频率,选择项目、采集数据频率,现场量测与量测数据管理系统,A型量测断面测点位置 （选测项目）,现场量测与量测数据管理系统,隧道边墙部收敛量测,围岩内部位移的量测,现场量测与量测数据管理系统,围岩与喷射混凝土间 接触压力压力盒、应力计、钢支撑应力计、埋设,锚杆轴力计埋设,现场量测与量测数据管理系统,现场数据采集,课题组科研人员在施工现场,现场量测与量测数据管理系统,.量测数据管理监控量测过程中，采集到大量数据，

21、需要对这些数据进行管理和分析。 平台基于VB和VC语言进行开发。 特点能够方便地输入现场监控量测数据以及时掌子面距离等工程情况数据。能查询、添加、修改、删除数据，能生成应力、变形的时间、空间效应曲线，帮助围岩分析。,现场量测与量测数据管理系统,数据管理界面,现场量测与量测数据管理系统,现场量测与量测数据管理系统,.量测结果的分析问题,现场量测与量测数据管理系统,现场量测与量测数据管理系统,现场量测与量测数据管理系统,现场量测与量测数据管理系统,现场量测与量测数据管理系统,现场量测与量测数据管理系统,现场量测与量测数据管理系统,现场量测与量测数据管理系统,现场量测与量测数据管理系统,现场量测与量

22、测数据管理系统,现场量测与量测数据管理系统,LK77+866断面围岩变形图,现场量测与量测数据管理系统,.反分析数值计算问题,隧道地层中存在大量的不确定性地质信息： 材料性质的不确定性 本构模型的不确定性,总体思路 思想基础 围岩变形是必然的，但变形多少则是随机的； 围岩变形过程是一种随机过程； 围岩初始应力和材料弹模等参数（发射信号）与围岩变形观测量（接受信号）之间关系是一个随机系统。捕获围岩非确定性动态过程，就能揭示地下工程开挖中围岩体动态的真实。 基本手法 现代最优控制估计理论之一的卡尔曼滤波器，具有修正-预测，吐故纳新，不断产生待估参数滤波新息之功能；有限元分析具有迭代计算功能，并能反

23、映整个围岩场域问题。采用卡尔曼滤波器与有限元分析相结合，建立扩张卡尔曼滤波器有限元法设计模型可以解决非确定性动态问题。,非确定性反分析,卡尔曼滤波器卡尔曼滤波器是现代控制理论的重要内容。 滤波的类型Wiener恒定时序列、无限时间观测Kalman，Bucy采用状态空间法、正交投影理论，提出新的滤波算法、有限时间观测 卡尔曼滤波器的理论基础 马尔科夫型随机过程 马尔科夫-高斯联合概率分布 贝叶斯最优估计,非确定性反分析, 卡尔曼滤波器的类型 连续时间滤波器 离散时间滤波器 卡尔曼滤波器的特点 修正推优预测 卡尔曼滤波器的应用 宇宙工程、控制工程、通讯工程、 土木工程、.,非确定性反分析,非确定性

24、反分析,初始条件：1.输入T0 时刻的观测位移量 Z j 2.确定性反分析计算(考虑初始应变0作用)3.设定初始估计误差协方差 P0 (t0)、观测次数KAI,滤波次ITT=1,序贯数J=1,F E M 计算状态量的向量函数,影响系数法计算观测矩阵,计算卡尔曼滤波增益矩阵,计算增益预测残差、 围岩状态新息量,计算估计误差协方差矩阵,J IRT,F E M 顺 解 析 隧道围岩全域 (u、max)ITT 及 塑性区估计,输入序贯数J=J+1的 观测分量,ITT KAI,结 束,输入滤波次ITT+1的 观测量 z(ITT+1),设计观测噪音 协方差矩阵 RITT(jj),U-D协方差分解算法,非确

25、定性反分析,开挖后 第 2 天,第 4 天,第 5 天,第 10 天,第 15 天,第 20 天,第 25 天,第 30 天,第 35 天,第 40 天,第 50 天,第 60 天,监控量测与反分析 和施工现场动态围岩分级,隧道支护、衬砌设计,隧 道 开 挖 施 工,围岩支护变形监测 内空收敛量 拱顶下沉量 锚 杆 轴 力 锚杆拉拔力 衬 砌 应 力 地表下沉量 钢支撑应力,非确定性反分析, 预测围岩体坍塌 修正开挖方案,修正支护结构参数,围岩 动态 分级,动态隧道围岩稳定分析及处治的技术路线,基于监控量测与反分析的隧道动态围岩分级流程图,完成:在现场监控量测和非确定性反分析基础上,求得围岩分级的定量指标,表1 JV与KV对照表,注：可通过现场测出岩体节理,表2 地下水影响修正系数K1,注：可通过现场测出单位出水量确定,表3 主要软弱结构面产状影响修正系数K2,注：相关参数可在施工现场由罗盘测出,表4 初始地应力状态评估,注：初始地应力可通过非确定性反分析求出,表5 初始应力状态影响修正系数K3,谢谢大家！ 向战斗在抗震救灾第一线的工程专家和全体人民表示衷心敬意！,