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        讓超大斷面隧道施工更安全

        2021-08-06 08:24:10山東高速集團(tuán)有限公司
        中國公路 2021年11期
        關(guān)鍵詞:富水高強(qiáng)巖體

        文/圖 山東高速集團(tuán)有限公司

        隨著我國交通運(yùn)輸需求和交通量的迅速增長,前期建設(shè)的高速公路因通行能力趨于飽和而改建、擴(kuò)建,以雙向八車道為代表的超大跨度隧道應(yīng)運(yùn)而生,開啟了國內(nèi)超大斷面、超大跨度公路隧道建設(shè)的序幕,并將成為未來公路隧道建設(shè)的必然趨勢。

        因施工工序復(fù)雜,各工序之間的干擾性強(qiáng),超大斷面隧道具有松弛荷載大、應(yīng)力集中顯著、成拱效應(yīng)條件高等特征。與常規(guī)隧道相比,超大斷面隧道對圍巖的擾動破壞程度更為劇烈,在同等結(jié)構(gòu)面密集程度、切割程度下,圍巖的穩(wěn)定性更差,施工難度急劇增加。尤其是遭遇軟弱圍巖、破裂帶、富水地層等復(fù)雜條件時,隧道圍巖穩(wěn)定性控制異常困難,傳統(tǒng)支護(hù)方式與襯砌防排水結(jié)構(gòu)無法滿足超大斷面隧道的施工需求,錨網(wǎng)噴、型鋼拱架等傳統(tǒng)支護(hù)形式強(qiáng)度和剛度不足,破壞現(xiàn)象嚴(yán)重,襯砌結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)受力不均、變形失調(diào),導(dǎo)致巖體垮塌、圍巖大變形與大體積塌方等災(zāi)害事故和襯砌破裂滲漏水等病害,嚴(yán)重威脅隧道施工與運(yùn)營安全。

        現(xiàn)行公路隧道設(shè)計、施工規(guī)范中無相關(guān)雙向八車道隧道的技術(shù)規(guī)范,復(fù)雜條件下超大斷面隧道施工缺乏成熟有效的設(shè)計方法、災(zāi)害防控技術(shù)與類似可借鑒經(jīng)驗,嚴(yán)重制約了我國超大斷面隧道工程的安全高效建設(shè)。

        超大斷面四車道隧道通行能力約為兩車道隧道的3倍

        為此,山東高速集團(tuán)有限公司、山東大學(xué)等多家科研單位,采用“產(chǎn)-學(xué)-研-用”模式聯(lián)合攻關(guān),依托京滬高速公路改擴(kuò)建項目、新臺高速公路項目中的隧道工程,聚焦超大斷面隧道安全施工這一主題,系統(tǒng)開展復(fù)雜條件超大斷面隧道施工安全控制關(guān)鍵技術(shù)研究,突破軟弱破碎圍巖高強(qiáng)支護(hù)與穩(wěn)定性控制、富水地層襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水病害防治與安全評價兩項核心技術(shù),在技術(shù)創(chuàng)新和工程應(yīng)用上均具有重要意義。

        思路:聚焦關(guān)鍵技術(shù)難題與挑戰(zhàn)開展三方面研究工作

        項目研究團(tuán)隊聚焦復(fù)雜條件超大斷面隧道施工安全控制面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題與挑戰(zhàn),以裂隙巖體與破碎巖體(軟弱、富水)為對象,系統(tǒng)地開展圍巖變形破壞及其與結(jié)構(gòu)耦合作用、圍巖高強(qiáng)支護(hù)與穩(wěn)定控制、結(jié)構(gòu)協(xié)同承載與安全評價三方面研究工作,通過兩項核心技術(shù)創(chuàng)新,解決了復(fù)雜條件超大斷面隧道圍巖穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)安全控制理論、方法、技術(shù)、裝備、工藝等一系列難題,形成了復(fù)雜條件超大斷面隧道施工安全控制關(guān)鍵技術(shù)。項目總體研究思路如下:

        項目總體研究思路

        首先,針對裂隙巖體與圍巖穩(wěn)定性控制難題,通過巖體結(jié)構(gòu)面三維智能識別、巖體擾動破壞微震定位與力學(xué)行為時空演化分析相結(jié)合的方法,實現(xiàn)了巖體失穩(wěn)模式的快速判識與圍巖擾動破壞區(qū)域的識別定位,揭示了圍巖荷載釋放規(guī)律與分布特征,為巖體垮塌災(zāi)害防控提供理論基礎(chǔ)。

        其次,通過開展圍巖變形破壞與支護(hù)結(jié)構(gòu)時效機(jī)制研究,揭示軟弱破碎地層圍巖支護(hù)耦合作用機(jī)理,為復(fù)雜條件超大斷面隧道高強(qiáng)支護(hù)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)。首創(chuàng)了高強(qiáng)約束混凝土支護(hù)體系與設(shè)計方法,實現(xiàn)了復(fù)雜條件超大斷面隧道圍巖的穩(wěn)定控制。

        再次,通過開展富水地層襯砌結(jié)構(gòu)破裂滲漏水失效機(jī)制研究,揭示襯砌結(jié)構(gòu)的變形特征與破壞模式,據(jù)此提出新型一體化協(xié)同承載結(jié)構(gòu)體系,從而避免富水地層襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水病害的發(fā)生。

        最后,提出了超大斷面隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)外聯(lián)動監(jiān)測指標(biāo)體系,建立了圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價模型與方法,開發(fā)了超大斷面隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)實時監(jiān)測與科學(xué)評價平臺,實現(xiàn)了超大斷面隧道圍巖與結(jié)構(gòu)狀態(tài)的科學(xué)評價與安全控制。

        項目主要科研單位——山東高速集團(tuán)有限公司

        山東高速集團(tuán)有限公司(簡稱“山東高速集團(tuán)”)是山東省基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的國有資本投資公司,注冊資本459億元,資產(chǎn)總額1萬億元。山東高速集團(tuán)大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施核心業(yè)務(wù),致力于打造主業(yè)突出、核心競爭力強(qiáng)的基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)運(yùn)營服務(wù)商和行業(yè)龍頭企業(yè)。

        山東高速集團(tuán)全面貫徹中央和省委、省政府決策部署,堅守國有企業(yè)經(jīng)濟(jì)責(zé)任、政治責(zé)任和社會責(zé)任,以推動高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展為主題,以產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化和結(jié)構(gòu)調(diào)整為主線,以深化改革創(chuàng)新為動力,加快構(gòu)建優(yōu)勢突出、特色鮮明的山東高速產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈、價值鏈和創(chuàng)新鏈,致力打造“紅色”“創(chuàng)新”“質(zhì)量”“卓越”“活力”“文化”企業(yè),為建設(shè)新時代現(xiàn)代化強(qiáng)省作出新的更大貢獻(xiàn)。

        “十四五”期間,山東高速集團(tuán)將新建、續(xù)建高速公路重點項目40個左右,總長約3200公里、總投資5200億元,完成815公里的高速公路改擴(kuò)建,屆時山東高速集團(tuán)運(yùn)營的高速公路里程將達(dá)9517公里,六車道以上占比提升至40%以上,京滬高速公路、京臺高速公路兩條南北大通道實現(xiàn)省內(nèi)全路段六車道以上通行,助力全省高速公路通車?yán)锍掏黄?萬公里。同時山東高速集團(tuán)堅持“存量改造”和“增量突圍”同向發(fā)力,不斷加大智慧高速建設(shè)力度,推動高速公路數(shù)字化和智慧化升級。

        成果:一套理論 兩項關(guān)鍵技術(shù)三種分析方法

        通過一系列研究,該項目系統(tǒng)創(chuàng)新了一套理論、兩項關(guān)鍵技術(shù)、三種分析方法,集成搭建了隧道圍巖-支護(hù)-結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)實時監(jiān)測與科學(xué)評價平臺,最終形成了復(fù)雜條件超大斷面隧道施工安全控制關(guān)鍵技術(shù),提升了我國超大斷面隧道工程建設(shè)水平。

        復(fù)雜條件超大斷面隧道圍巖破壞及其與結(jié)構(gòu)耦合作用理論

        針對現(xiàn)行設(shè)計、施工規(guī)范不適用于超大斷面隧道,導(dǎo)致支護(hù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏依據(jù)的現(xiàn)狀,研究團(tuán)隊創(chuàng)新性提出了以“三維結(jié)構(gòu)面特征智能識別、巖體擾動破壞微震定位、力學(xué)行為時空演化分析”為核心,且多模式結(jié)合的隧道圍巖穩(wěn)定性綜合判別方法。

        隧道圍巖穩(wěn)定性綜合判別方法

        此外,研究團(tuán)隊還自主研發(fā)了圍巖高強(qiáng)支護(hù)大型模擬試驗系統(tǒng),分析了隧道圍巖應(yīng)力、變形發(fā)展規(guī)律,明確了圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)失效機(jī)制,揭示了軟弱圍巖-高強(qiáng)支護(hù)耦合作用機(jī)理,為軟弱破碎圍巖高強(qiáng)支護(hù)方式比選與參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。

        圍巖高強(qiáng)支護(hù)大型模擬試驗研究

        襯砌漏水模型試驗研究

        約束混凝土力學(xué)試驗研究

        同時,通過模型試驗與數(shù)值模擬,研究團(tuán)隊揭示了壁后荷載分布及孔隙水壓力演化規(guī)律和襯砌破裂失效機(jī)制,明確了襯砌結(jié)構(gòu)的變形特征與破壞模式,為隧道穿越富水破碎帶襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計與滲漏水病害防治提供了依據(jù)。

        超大斷面隧道軟弱破碎地層圍巖高強(qiáng)支護(hù)與穩(wěn)定控制技術(shù)

        針對軟弱破碎圍巖傳統(tǒng)支護(hù)體系強(qiáng)度、剛度不足的難題,研究團(tuán)隊研發(fā)了隧道約束混凝土高強(qiáng)支護(hù)體系,通過約束混凝土力學(xué)試驗,明確了基本構(gòu)件的變形破壞模式,揭示了拱架局部弱化失效機(jī)制,建立了關(guān)鍵部位強(qiáng)化設(shè)計準(zhǔn)則。

        新型一體化襯砌結(jié)構(gòu)模型試驗研究

        此外,研究團(tuán)隊還研發(fā)了約束混凝土全比尺拱架力學(xué)試驗系統(tǒng),揭示了約束混凝土拱架強(qiáng)度-穩(wěn)定承載機(jī)制,為超大斷面隧道高強(qiáng)約束混凝土拱架設(shè)計提供了理論依據(jù)。

        研究團(tuán)隊建立了任意節(jié)數(shù)、非等剛度拱架內(nèi)力分析模型與承載力計算方法,提出了約束混凝土支護(hù)體系設(shè)計方法,形成了支護(hù)施工工法,并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用,實現(xiàn)了超大斷面隧道軟弱破碎圍巖的穩(wěn)定控制。

        約束混凝土支護(hù)體系設(shè)計方法

        超大斷面隧道富水破碎地層襯砌結(jié)構(gòu)狀態(tài)評價與安全控制

        針對隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形失調(diào)、易破裂的難題,研究團(tuán)隊研發(fā)了新型一體化協(xié)同承載結(jié)構(gòu),其中強(qiáng)黏合性防水材料斷裂伸長率可達(dá)210%,黏結(jié)強(qiáng)度1.2MPa。開展了新型一體化襯砌結(jié)構(gòu)模型試驗,證明新型結(jié)構(gòu)具有良好的抗?jié)B與承載能力,為解決富水地層襯砌滲漏水病害防治難題提供了有效途徑。

        基于上述模型試驗所揭示的承壓特征,研究團(tuán)隊結(jié)合現(xiàn)場近800個參量監(jiān)測試驗,提出了超大斷面隧道圍巖-結(jié)構(gòu)內(nèi)外聯(lián)動監(jiān)測指標(biāo)體系與安全狀態(tài)評價方法。

        超大斷面隧道圍巖-結(jié)構(gòu)內(nèi)外聯(lián)動監(jiān)測指標(biāo)體系

        此外,研究團(tuán)隊還搭建了基于近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng),開發(fā)了基于“一個系統(tǒng),兩個平臺,九個模塊”的超大斷面隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)實時監(jiān)測與科學(xué)評價平臺,實現(xiàn)了隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)有效評價與安全控制。

        隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)

        應(yīng)用:已在60余座公路隧道工程中成功應(yīng)用

        該項目形成省部級工法2項,授權(quán)國家發(fā)明專利25項、實用新型專利5項、軟件著作權(quán)3項,發(fā)表SCI和Ei論文50余篇。其成果在京滬高速公路改擴(kuò)建工程、濱萊高速公路改擴(kuò)建工程、重慶市S1快速路、新臺高速公路等60余座隧道工程中成功應(yīng)用,不僅提高了隧道施工安全與災(zāi)害防控科學(xué)水平,極大程度上規(guī)避了巖體垮塌與圍巖大變形等災(zāi)害,還解決了軟弱破碎、富水地層等復(fù)雜條件超大斷面隧道圍巖控制難題,保證了工程建設(shè)安全。

        京滬高速公路與日蘭高速公路在臨沂境內(nèi)形成了“黃金十字大鏈接”

        代表性工程應(yīng)用案例

        京滬高速公路改擴(kuò)建項目控制性節(jié)點工程青龍崮隧道,在施工中面臨灰?guī)r頁巖互層段易坍塌、失穩(wěn)等災(zāi)害控制難題。在應(yīng)用該項目研究成果后,解決了不良地質(zhì)段圍巖穩(wěn)定性控制難題,保障了隧道安全高效施工。

        截至完工時,我國最大斷面公路隧道——濱萊高速公路樂疃隧道地質(zhì)條件復(fù)雜、巖性多變,存在破碎帶、斷層等不良地質(zhì),圍巖控制難度大,采用該研究成果后不僅降低了大變形、巖體垮塌等工程災(zāi)害風(fēng)險,還保障了隧道安全高效施工。

        重慶市主城區(qū)特大型穿山隧道——歇馬隧道穿越多層軟弱圍巖、串珠型溶腔和管道等不良地質(zhì),存在軟弱破碎圍巖大變形、巖溶突涌水等災(zāi)害控制難題。采用該研究成果后實現(xiàn)了災(zāi)害的有效防控,保障了隧道施工安全。

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