1、1一、研究背景一、研究背景二、隧道改擴建形式二、隧道改擴建形式(xngsh)(xngsh)三、隧道改擴建的主要技術難點三、隧道改擴建的主要技術難點四、隧道原位擴建形式四、隧道原位擴建形式(xngsh)(xngsh)研究研究 五、臨近隧道爆破震動合理控制震速的研究五、臨近隧道爆破震動合理控制震速的研究報告報告(bogo)內容內容第1頁/共52頁第一頁，共52頁。2一、研究一、研究(ynji)背景背景第2頁/共52頁第二頁，共52頁。3p現有雙向四車道現有雙向四車道(chdo)(chdo)乃至雙向六車道乃至雙向六車道(chdo)(chdo)公路隧道已不能適應交通量日益增公路隧道已不能適應交通量日益

2、增長的需求，在原有公路隧道基礎上改建或新長的需求，在原有公路隧道基礎上改建或新建成雙向八車道建成雙向八車道(chdo)(chdo)公路隧道的建設顯公路隧道的建設顯得尤為迫切得尤為迫切 p經濟經濟(jngj)(jngj)發展，交通量日益增加發展，交通量日益增加 研究研究(ynji)背背景景第3頁/共52頁第三頁，共52頁。4 目前目前(mqin)(mqin)正在緊張施工的福建泉州至廈門段高速公路改擴正在緊張施工的福建泉州至廈門段高速公路改擴建工程，路線全長建工程，路線全長81.9Km81.9Km。原為雙向四車道高速公路，擴建為雙向。原為雙向四車道高速公路，擴建為雙向八車道高速公路。全路段共設大坪

3、山隧道、蘇厝隧道、山頭隧道、八車道高速公路。全路段共設大坪山隧道、蘇厝隧道、山頭隧道、大帽山隧道大帽山隧道4 4座座 ，需要改擴建成雙向八車道隧道。，需要改擴建成雙向八車道隧道。研究研究(ynji)背背景景原大帽山隧道(sudo)第4頁/共52頁第四頁，共52頁。5大帽山隧道(sudo)擴建方案先進行新建四車道(chdo)隧道的開挖，同時原隧道保持通車第5頁/共52頁第五頁，共52頁。6蘇厝、山頭(shntu)隧道擴建方案原隧道原隧道(sudo)原隧道原隧道(sudo)新隧道新隧道新隧道新隧道研究背景研究背景第6頁/共52頁第六頁，共52頁。7第7頁/共52頁第七頁，共52頁。8 日本天王山隧

4、道擴挖老舊隧道擴挖 日本大藏(d cn)隧道擴挖 關村壩隧道擴建鐵路隧道喇叭口擴挖研究研究(ynji)背背景景第8頁/共52頁第八頁，共52頁。9研究研究(ynji)背背景景1、側壁錨桿補強 2、鋼制防護(fngh)板設置 第9頁/共52頁第九頁，共52頁。103、拱頂(n dn)管棚施工 4、上半斷面(dun min)擴挖 5、下半斷面(dun min)擴挖 6、側壁錨桿及混凝土襯砌 第10頁/共52頁第十頁，共52頁。117、鋼制防護(fngh)板撤離 8、仰拱襯砌施工(sh gng) 9、仰拱襯砌中央(zhngyng)段施工 第11頁/共52頁第十一頁，共52頁。12 如此規模的隧道擴建

5、工程在國內屬如此規模的隧道擴建工程在國內屬首次，設計施工難度大，受福建省高速公首次，設計施工難度大，受福建省高速公路建設總指揮部委托，我院承擔路建設總指揮部委托，我院承擔 “ “福廈福廈漳高速公路擴建工程漳高速公路擴建工程隧道擴建關鍵技隧道擴建關鍵技術研究術研究”項目項目(xingm)(xingm)的研究工作。的研究工作。研究研究(ynji)背背景景第12頁/共52頁第十二頁，共52頁。13二、隧道改擴建的主要二、隧道改擴建的主要(zhyo)形式形式第13頁/共52頁第十三頁，共52頁。14雙洞四車道隧道擴建雙洞四車道隧道擴建(kujin)(kujin)成八車道隧道的三種成八車道隧道的三種形式

6、：形式：雙洞原位擴建雙洞原位擴建另增加另增加(zngji)(zngji)兩個兩車道隧道，形成四洞小凈距兩個兩車道隧道，形成四洞小凈距隧道群隧道群一個洞原位擴建，另再增一個四車道或兩車道隧道，一個洞原位擴建，另再增一個四車道或兩車道隧道，形成三洞小凈距隧道群形成三洞小凈距隧道群第14頁/共52頁第十四頁，共52頁。15擴建擴建(kujin)(kujin)形式一形式一: :雙洞原雙洞原位擴建位擴建(kujin)(kujin)第15頁/共52頁第十五頁，共52頁。16擴建形式二擴建形式二: :新增兩個新增兩個(lin )(lin )兩車道隧道兩車道隧道第16頁/共52頁第十六頁，共52頁。17擴建形

7、式三擴建形式三:一個一個(y )原位擴建原位擴建,另再增一個另再增一個(y )四車道或兩車四車道或兩車道隧道道隧道第17頁/共52頁第十七頁，共52頁。18三、隧道三、隧道(sudo)改擴建的主改擴建的主要要 技術難點技術難點第18頁/共52頁第十八頁，共52頁。19隧道隧道(sudo)(sudo)擴建形式的選擇擴建形式的選擇隧道隧道(sudo)(sudo)原位擴建施工工藝及施工方法原位擴建施工工藝及施工方法小隧道小隧道(sudo)(sudo)原位擴建成大斷面隧道原位擴建成大斷面隧道(sudo)(sudo)的圍巖力學的圍巖力學特性特性原位擴建對圍巖的擾動及對原有隧道原位擴建對圍巖的擾動及對原有

8、隧道(sudo)(sudo)的影響的影響擴建成小凈距隧道擴建成小凈距隧道(sudo)(sudo)群的相互影響群的相互影響爆破震動對已有隧道爆破震動對已有隧道(sudo)(sudo)結構的影響結構的影響臨近隧道臨近隧道(sudo)(sudo)爆破震動合理控制震速的研究爆破震動合理控制震速的研究第19頁/共52頁第十九頁，共52頁。20四、隧道原位擴建(kujin) 形式研究第20頁/共52頁第二十頁，共52頁。21單洞原位擴建三種(sn zhn)形式： 單側擴建(kujin) 兩側(lin c)擴建 周圍擴建 第21頁/共52頁第二十一頁，共52頁。22 以泉廈高速公路大帽山隧道為例，以泉廈高速

9、公路大帽山隧道為例，對對IVIV、V V級圍巖條件下三種不同的原位級圍巖條件下三種不同的原位擴建擴建(kujin)(kujin)形式下圍巖的力學特性形式下圍巖的力學特性進行分析。進行分析。第22頁/共52頁第二十二頁，共52頁。23原大帽山隧道(sudo)內輪廓圖 擴建(kujin)后隧道內輪廓圖 第23頁/共52頁第二十三頁，共52頁。24擴建隧道圍巖(wi yn)、支護結構物理力學參數 第24頁/共52頁第二十四頁，共52頁。25計算計算(j sun)模型模型第25頁/共52頁第二十五頁，共52頁。26單側擴建(kujin) 兩側(lin c)擴建 周圍擴建 第26頁/共52頁第二十六頁，

10、共52頁。27第27頁/共52頁第二十七頁，共52頁。28單側擴建(kujin) 兩側(lin c)擴建 周圍擴建 V級圍巖下三個方案圍巖的最大主應力（級圍巖下三個方案圍巖的最大主應力（1）分別為：）分別為：-0.954 0.098MPa、-1.016 0.087MPa和和-0.575 0.118MPa；最小主應力（；最小主應力（3）分）分別為：別為：-2.639-0.075MPa、-2.251-0.175MPa和和-1.970-0.147MPa；圍；圍巖最大壓剪應力（巖最大壓剪應力（Sxy）分別為：）分別為：-0.481 0.475MPa、-0.776 0.516MPa和和-0.779 0.

11、331MPa。可見，考慮圍巖受拉破壞時，方案一好于。可見，考慮圍巖受拉破壞時，方案一好于方案二，方案三好于方案一，但方案三的受拉影響范圍較大。因此，方案方案二，方案三好于方案一，但方案三的受拉影響范圍較大。因此，方案一優于其它兩個方案。一優于其它兩個方案。 第28頁/共52頁第二十八頁，共52頁。29單側擴建(kujin) 兩側(lin c)擴建 周圍擴建 V V級圍巖下三個方案的屈服接級圍巖下三個方案的屈服接近度最大值分別為近度最大值分別為1.3531.353、1.5021.502和和1.3461.346，其中方案一，其中方案一和三較方案二小，但方案一屈和三較方案二小，但方案一屈服接近度大于

12、服接近度大于1.01.0的范圍較小。的范圍較小。第29頁/共52頁第二十九頁，共52頁。30小結(xioji)：（1 1）隧道原位擴建有單側擴建、兩側擴建和周圍擴建三種形式，）隧道原位擴建有單側擴建、兩側擴建和周圍擴建三種形式，三種形式擴建對圍巖的影響是不同的，其施工方案也不同。三種形式擴建對圍巖的影響是不同的，其施工方案也不同。（2 2）從數值計算比較分析結果來看，單側擴建方案要優于其它兩）從數值計算比較分析結果來看，單側擴建方案要優于其它兩個方案。個方案。（3 3）從施工對原隧道圍巖的擾動）從施工對原隧道圍巖的擾動(rodng)(rodng)情況看，單側擴建對隧情況看，單側擴建對隧道頂及一

13、側圍巖擾動道頂及一側圍巖擾動(rodng)(rodng)較大，兩側擴建對隧道頂及兩側圍較大，兩側擴建對隧道頂及兩側圍巖擾動巖擾動(rodng)(rodng)較大，而周圍擴建對原隧道周圍的巖體均產生較較大，而周圍擴建對原隧道周圍的巖體均產生較大的擾動大的擾動(rodng)(rodng)。（4 4）在選擇原位擴建形式時，應盡量選擇單側擴建的方案。）在選擇原位擴建形式時，應盡量選擇單側擴建的方案。第30頁/共52頁第三十頁，共52頁。31五、臨近隧道爆破(bop)震動合理控制震速的研究第31頁/共52頁第三十一頁，共52頁。32先新建后原位擴建(kujin)大帽山隧道施工(sh gng)工序第32頁

14、/共52頁第三十二頁，共52頁。33先新建一個四車道(chdo)隧道再原位擴建(kujin)原兩車道隧道成為四車道隧道原隧道保持原隧道保持(boch)正常通正常通車車如何保證新隧道爆破開挖期間如何保證新隧道爆破開挖期間原隧道結構安全？原隧道結構安全？第33頁/共52頁第三十三頁，共52頁。34現行規范規定(gudng)交通隧道爆破震動速度限值15cm/s。 存在的問題：1、規范沒有考慮圍巖條件。2、沒有考慮支護結構自身(zshn)的特點。3、沒有考慮圍巖與支護結構的協同作用。實際施工爆破(bop)震動測試表明，原隧道震動速度達到20cm/s25cm/s時二襯卻安然無恙。矛盾？第34頁/共52頁

15、第三十四頁，共52頁。35 本次研究中，根據不同的開挖方案和爆破震動藥量，本次研究中，根據不同的開挖方案和爆破震動藥量，計算其在達到一定爆破震動速度時原二襯的應力分布情計算其在達到一定爆破震動速度時原二襯的應力分布情況。評價原隧道二次襯砌是否破損的依據，以混凝土的況。評價原隧道二次襯砌是否破損的依據，以混凝土的動極限抗拉強度（動極限抗拉動極限抗拉強度（動極限抗拉Rld =2.2Rld =2.21.5=3.30MPa1.5=3.30MPa）和動設計強度（軸心抗拉和動設計強度（軸心抗拉fctd=1.47fctd=1.471.5=2.20MPa1.5=2.20MPa）為）為參考值，圈定其分布范圍，同

16、時把單位面積的荷載換算參考值，圈定其分布范圍，同時把單位面積的荷載換算(hun sun)(hun sun)成藥量，并與薩道夫斯基公式計算藥量進行成藥量，并與薩道夫斯基公式計算藥量進行比較。比較。第35頁/共52頁第三十五頁，共52頁。36IV級圍巖(wi yn)段：采用CRD工法。 施工(sh gng)方法計算(j sun)取樣點第36頁/共52頁第三十六頁，共52頁。37開挖(ki w)左側上臺階A 當使得當使得(sh de)(sh de)原二襯最大爆破震動速度為原二襯最大爆破震動速度為15.57cm/s15.57cm/s時，時，按薩道夫斯基公式計算的單段爆破藥量為按薩道夫斯基公式計算的單段

17、爆破藥量為8.0kg8.0kg。爆破荷載(hzi)曲線 速度-時間 第37頁/共52頁第三十七頁，共52頁。38MES=2.20MPaMES=3.30MPa最大震動速度最大震動速度Vmax=15.57cm/sVmax=15.57cm/s時，二襯達到動極限強度的范圍很小，位于時，二襯達到動極限強度的范圍很小，位于隧道右側邊墻（靠近爆破震動側），約占二次襯砌的隧道右側邊墻（靠近爆破震動側），約占二次襯砌的1%1%；達到動設計強度；達到動設計強度的有較小的范圍，分布在原左隧道右邊墻，約占二次襯砌的的有較小的范圍，分布在原左隧道右邊墻，約占二次襯砌的3%3%。計算結果。計算結果驗證了規范關于驗證了規范

18、關于(guny)(guny)交通隧道震動速度上限為交通隧道震動速度上限為15cm/s15cm/s的合理性。的合理性。 第38頁/共52頁第三十八頁，共52頁。39 當使得原二襯最大爆破當使得原二襯最大爆破(bop)(bop)震動速度為震動速度為20.76cm/s 20.76cm/s 時，按時，按薩道夫斯基公式計算的單段爆破薩道夫斯基公式計算的單段爆破(bop)(bop)藥量為藥量為9.82kg9.82kg。和實際。和實際施加藥量接近。施加藥量接近。爆破(bop)荷載曲線 速度(sd)-時間 第39頁/共52頁第三十九頁，共52頁。40當原左隧道二襯最大震動速度當原左隧道二襯最大震動速度Vmax

19、=20.76cm/sVmax=20.76cm/s時，二襯達到時，二襯達到極限強度和設計強度的范圍都有所增大，分布在隧道右邊墻，極限強度和設計強度的范圍都有所增大，分布在隧道右邊墻，分別分別(fnbi)(fnbi)占隧道二次襯砌的占隧道二次襯砌的3%3%和和6%6%，已從二襯開始向外，已從二襯開始向外擴大到圍巖。擴大到圍巖。 MES=2.20MPaMES=3.30MPa第40頁/共52頁第四十頁，共52頁。41 當使得原二襯最大爆破震動速度為當使得原二襯最大爆破震動速度為25.95cm/s25.95cm/s時，按薩道夫斯基時，按薩道夫斯基公式公式(gngsh)(gngsh)計算的單段爆破藥量為計

20、算的單段爆破藥量為12.35kg12.35kg。爆破荷載(hzi)曲線 速度(sd)-時間 第41頁/共52頁第四十一頁，共52頁。42最大震動速度Vmax=25.95cm/s時，原左隧道二襯達到極限(jxin)強度和設計強度的范圍進一步增大。分布在隧道右邊墻，分別約占隧道二次襯砌的8%和15%，已從二襯向外擴大到圍巖。 MES=2.20MPaMES=3.30MPa第42頁/共52頁第四十二頁，共52頁。43 當使得原二襯最大爆破震動速度為當使得原二襯最大爆破震動速度為31.14cm/s31.14cm/s時，按薩道夫斯基公時，按薩道夫斯基公式式(gngsh)(gngsh)計算的單段爆破藥量為計

21、算的單段爆破藥量為15.0kg15.0kg。最大震動速度Vmax=31.14cm/s時，原左隧道二襯達到動極限強度和動設計強度的范圍(fnwi)進一步有所增大，分布在隧道右邊墻，影響到二次襯砌的范圍(fnwi)分別約占隧道整個二次襯砌的12%和20%，已從二襯向外擴大到圍巖 MES=2.20MPaMES=3.30MPa第43頁/共52頁第四十三頁，共52頁。44同樣，開挖左側下臺階時，當原隧道二襯震動速度達到同樣，開挖左側下臺階時，當原隧道二襯震動速度達到20cm/s20cm/s以上時，原左隧道二襯達到動極限強度以上時，原左隧道二襯達到動極限強度(qingd)(qingd)和動設計強度和動設計

22、強度(qingd)(qingd)的范圍開始由二襯擴展到圍巖。的范圍開始由二襯擴展到圍巖。且隨著震速的增加，范圍迅速增大。且隨著震速的增加，范圍迅速增大。第44頁/共52頁第四十四頁，共52頁。45小結：小結：1 1、新建隧道、新建隧道(sudo)(sudo)開挖左側上臺階時，原左隧道開挖左側上臺階時，原左隧道(sudo)(sudo)右邊右邊墻的爆破震動速度最大，最大爆破震動速度分別為墻的爆破震動速度最大，最大爆破震動速度分別為15.57cm/s15.57cm/s、20.76cm/s20.76cm/s、25.95cm/s25.95cm/s和和31.14cm/s31.14cm/s時，二次襯砌迎爆面

23、達到動極時，二次襯砌迎爆面達到動極限強度（限強度（3.30MPa3.30MPa）和動設計強度（）和動設計強度（2.20MPa2.20MPa）的分布范圍分別約）的分布范圍分別約占隧道占隧道(sudo)(sudo)整個二次襯砌的整個二次襯砌的1%1%和和3%3%，3%3%和和6%6%，8%8%和和15%15%，12%12%和和20%20%。2 2、隧道、隧道(sudo)(sudo)二襯爆破震動速度為二襯爆破震動速度為15cm/s15cm/s時，原左隧道時，原左隧道(sudo)(sudo)支護結構的最大平均有效應力達到襯砌混凝土動極限強支護結構的最大平均有效應力達到襯砌混凝土動極限強度和動設計強度的

24、范圍很小，約度和動設計強度的范圍很小，約3%3%左右，驗證了規范控制值的正左右，驗證了規范控制值的正確性，同時可以看出，是否達到動極限強度和動設計強度除與震確性，同時可以看出，是否達到動極限強度和動設計強度除與震速有關外還與距離速有關外還與距離R R有關。隨著二襯處爆破震動速度的增加，支護有關。隨著二襯處爆破震動速度的增加，支護結構達到動極限強度和動設計強度的范圍由無到有，并逐漸增大。結構達到動極限強度和動設計強度的范圍由無到有，并逐漸增大。當隧道當隧道(sudo)(sudo)二襯最大震動隧道二襯最大震動隧道(sudo)Vmax=20cm/s(sudo)Vmax=20cm/s時，隧道時，隧道(

25、sudo)(sudo)二襯達到動極限強度和動設計強度的最大范圍分別占隧二襯達到動極限強度和動設計強度的最大范圍分別占隧道道(sudo)(sudo)二次襯砌的二次襯砌的3%3%和和6%6%，并開始向圍巖擴展。因此，大帽，并開始向圍巖擴展。因此，大帽山新建隧道山新建隧道(sudo)IV(sudo)IV級圍巖段采用級圍巖段采用CRDCRD工法施工時原隧道工法施工時原隧道(sudo)(sudo)二襯的爆破震動最大速度控制在二襯的爆破震動最大速度控制在20cm/s20cm/s左右比較合適，左右比較合適，単段最大藥量控制在単段最大藥量控制在10kg10kg左右。左右。 第45頁/共52頁第四十五頁，共52頁。46III級圍巖(wi yn)段： CRD工法 先行導洞A面積(min j)為30m2左右 先行導洞A面積(min j)為14m2左右第46頁/共52頁第四十六頁，共52頁。47 經過計算，采用方案一和二時，當數值計算所施加經過計算，采用方案一和二時，當數值計算所施加(shji)(shji)的爆破藥量達到實際藥量時，原左隧道二襯最大震的爆破藥量達到實際藥量時，原左隧道二襯最大震動速度已達動速度已達31.00cm/s3