干旱区生态环境知识资源中心(Arid): 风积沙隧道施工力学行为及关键技术

Arid

	风积沙隧道施工力学行为及关键技术
	朱家稳; 王声扬; 丁睿; 何复生; 蔡爽; 刘卫华; 杨勇; 王国伟; 石伟; 陈艳林; 杨兴林; 杨泉勇; 吴文彪; 彭文胜; 冯显宗; 王学彬; 谢露; 王勇; 房旭; 刘玉杰
完成单位	中铁二局股份有限公司
登记(发布)日期	2011
中文摘要	沙漠和沙地95.37%集中分布在新疆、内蒙、青海和甘肃四省区,并且呈大面积连片分布,主要以流动、半流动类型为主。随着西部大开发的进一步推进,中西部地区的交通建设高潮必将持续维持在高位水平,建设沟通受沙漠和沙地分割的各地区主要城市的交通公路和铁路网势在必行,在沙漠和沙地区域建设公路和铁路隧道不可避免,且数量很大。榆神高速神木一号隧道是目前国内沙漠和沙地地质条件下交通隧道建设的典型代表,其散粒体围岩在施工过程容易坍塌失稳,严重影响工程进度和施工安全,存在大量尚未揭示和解决的关键理论和技术问题,有鉴于国内沙漠和沙地区公路和铁路隧道建设的巨大需求,本项研究特结合神木一号隧道开展风积沙隧道施工力学行为及关键技术研究,以期为包含风积沙在内的沙漠和沙地地区交通隧道的建设提供参考和技术支撑! 研究主要包括：风积沙隧道围岩力学特性研究、隧道穿越风积沙地层动态施工力学行为研究、风积沙隧道临时支护及施工控制技术研究、风积沙隧道施工风险识别及风险评估技术研究四个方面。通过研究,建立了散粒体围岩隧道以超前支护为支护体系核心的全新施工模式。散粒体围岩与一般围岩不同,其自稳能力差,容易出现大变形、塌方等事故,传统的新奥法理论需要进行理念和模式的创新。传统的新奥法理论强调初期支护在隧道施工过程中的主体地位,认为初期支护是保障施工期安全的核心力量。本项研究提出：风积沙散粒体围岩施工期安全保证的核心力量是超前支护,超前支护是超前支护、初期支护、二次支护构成支护体系中的核心力量并居主体地位,认为超前支护是风积沙隧道施工成败的关键,必须围岩超前支护构建全新的施工模式,主要包括导向水平旋喷桩及竖直旋喷桩施工技术、改进的先行施作仰拱边墙结合部预留核心土台阶法施工技术等。洞内、外采用导向水平旋喷桩及竖直旋喷桩形成超前预支护体系工艺原理：导向水平旋喷桩是采用水平定向钻机按设计直径为50cm、长度30m、环形间距35cm进行打设,打设到设计长度后旋转回撤钻杆,在回撤钻杆的同时,用35MPa～40 MPa的压力,将配制好的水泥浆液通过钻杆喷射到土体中。喷射流以巨大的冲击力切削土体,强制土体颗粒与水泥浆液搅拌混合,在胶结硬化后,形成水平圆柱状水泥土固结体,即水平旋喷桩。当旋喷桩相互咬合后,便以同心圆形式在隧道拱部外侧形成封闭的水平旋喷帷幕体形成超预支护, 起到防流沙、抗滑移、防渗透的作用。水平旋喷桩施工通过导向控制装置,使其打设精度更高(打设精度达到5‰)。通过该隧道中实施,循环长度可达30米,桩体咬合良好。洞外地表按直径为50cm的旋喷桩,纵向、横向间距60cm,沿水平旋喷桩外轮廓线进行打设,打设到设计长度后旋转回撤钻杆,在回撤钻杆的同时,用25MPa的压力,将配制好的水泥浆液通过钻杆喷射到土体中。喷射流以巨大的冲击力切削土体,强制土体颗粒与水泥浆液搅拌混合,在胶结硬化后,形成竖直圆柱状水泥土固结体,即竖直旋喷桩。竖直旋喷桩作用在于改良地质,加固隧道开挖线一定范围的地质条件,对隧道开挖后控制沉降及收敛作用明显。探明了风积沙隧道基于无粘性散粒体围岩的动态施工力学行为。基于风积沙无粘性颗粒流为散粒体这一特性,采用显式差分算法和离散元理论,从介质的基本粒子结构的角度考虑介质的基本力学他性,并假定介质在不同应力条件下的基本特性取决于粒子之间的接触状态的变化,研究风积沙在台阶法开挖隧道不同开挖歩序以及相应预支护措施条件下的围岩和支护结构的力学特征和力学响应,揭示了风积沙粒状集合体的破裂发生、发展以及颗粒发生大变形流动和坍塌的过程。采用颗粒流理论开展风积沙隧道施工动态分析具有如下优点：(1) 它有潜在的高效率。因为确定圆形颗粒间的接触特性比不规则块体容易;(2) 可以有效地模拟大变形问题;(3) 模拟的块体是通过颗粒间相互连接实现,这些块体可以因为破坏而彼此分离,而传统的块体是不可分离的,这正是颗粒流理论模拟风积沙的根本所在。采用颗粒流理论和方法,从介质结构力学行为角度模拟风积沙系统内部颗粒间接触状态的变化,从而精确地描述风积沙介质条件下隧道的施工非线性特性,在国内外皆处于领先地位。揭示了风积沙隧道散粒体围岩的离散元变形破坏机制。隧道围岩往往由众多的节理或结构面所切割,在某些情况下,围岩不能视为连续介质,本次研究的风积沙围岩,具有明显的不连续性,很难用传统处理连续介质的力学方法如有限单元法或边界单元法来处理。如何合理地描述风积沙这种非连续岩体的力学行为已成为国际岩石力学界公认的理论难题。当岩体力学仅仅局限在连续介质力学体系框架内,在解释沙粒、岩体断层、节理、破碎断裂块度控制等非连续力学行为上遇到了本质的困难。本项研究将风积沙围岩简化为既不完全离散,也不完全连续的围岩体,而是将其视为由离散的微小岩块以及岩块和岩块间的节理面所构成,岩块能移动、转动和变形,而节理面可被压缩、分离或滑动。因此,风积沙围岩被看作一种不连续的离散介质。离散介质内可存在大位移、旋转、滑动乃至块体的分离,从而可以较真实地模拟风积沙的散粒性,揭示风积沙的变形破坏机制,丰富了风积沙隧道围岩变形模拟的途径。提出了在散粒体围岩隧道全新超前预支护支护体系施工技术下,采用先行施作仰拱边墙结合部预留核心土台阶法进行开挖,确保了施工安全,形成了风积沙隧道先行施作仰拱边墙结合部预留核心土台阶法开挖施工技术。在超前预支护体系下,主要施工方法如下：上台阶再施作间距30cm、长300cm的超前小导管形成超前支护后,进行上部预留核心土开挖,施工支护随开挖进尺及时跟进。临时支护(即临时仰拱与竖向支撑)随开挖进尺跟进,其作用是增加上台阶的整体刚度,减少沉降量。上部核心土长度350cm,上台阶核心土采用锚杆与素喷混凝土随开挖进尺及时跟进形成支护加固体系,以确保上部核心土稳定。临时支护长度控制在350cm范围,即上台阶开挖长度达到700cm即转入下台阶开挖,形成平行流水作业。下台阶(含墙脚仰拱结合部)共分四级台阶左右环形开挖,中部预留核心土。下台阶环形开挖采用小导洞先行、自上而下依次逐步扩大进行,初期支护随开挖及时跟进。每次开挖长度控制在100m内(即两个循环),每级开挖施工四个循环(即200m)后转入下级台阶开挖,当第四级仰拱结合部开挖进尺满足200m时,施工墙角仰拱结合部混凝土,仰拱结合部分三次浇注混凝土,当左右墙角仰拱结合部施工长度达到600cm时,拆除临时支护及下部核心土,行走台车,同时安装钢筋、挂设防排水设施,台车就位后,调试就位加固后即转入衬砌施工。下台阶核心土采用锚杆与素喷混凝土随环形台阶开挖进尺及时跟进加固核心土,以确保下部核心土稳定。下台阶施工长度控制在700cm范围。仰拱成环：待仰拱成环条件具备及时施工,以确保风积沙地层隧道在开挖后产生的塑性变形逐渐趋于稳定及衬砌结构安全。风积沙隧道开挖方法施工步序较多,其关键在于上下台阶施工长度,上部临时支护及上下核心土的临时加固质量以及左右两侧墙角仰拱结合部快速跟进。通过课题组不断摸索与实际,总结形成了形成了风积沙隧道先行施作仰拱边墙结合部预留核心土台阶法开挖施工技术,且该技术在风积沙地层隧道施工成功应用。建立了考虑风积沙隧道散粒体围岩特性的模糊风险评估方法。针对风积沙隧道散粒体围岩特性开展了风积沙隧道的塌方风险分析,将风积沙塌方风险因素划为自然因素、工程地质因素、水文地质因素、设计施工因素等,并识别出了风积沙类别、颗粒级配、内摩擦角、孔隙率、地下水发育情况、开挖工法、开挖断面积、超前预加固等二级风险评估因素;利用专家调查法,基于模糊数学开展了风积沙隧道塌方风险的评估。构建了风积沙隧道风险辨识,风险分析、风险评价、风险控制的完整风险评估流程。对比了有无竖向和水平向旋喷桩预加固条件下隧道方法塌方的可能性,风险评估结果表明：无竖向和水平向旋喷桩预加固时,可基本判定隧道将发生塌方,在具备竖向和水平向旋喷桩预加固条件下,风积沙隧道发生塌方的可能性非常小。研究结论对风积沙地区交通隧道的建设具有重要指导价值。
中文关键词	隧道 ; 施工 ; 力学行为 ; 关键技术 ; 风积沙
成果类型	应用技术
语种	中文
国家	中国
中图法分类号	U455.4
URL	http://dbpub.cnki.net/grid2008/dbpub/detail.aspx?dbcode=SNAD&dbname=SNAD&filename=SNAD000001408616
资源类型	成果
条目标识符	http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/242833
推荐引用方式 GB/T 7714	朱家稳,王声扬,丁睿,等. 风积沙隧道施工力学行为及关键技术[Z]. 应用技术,2011.