1、PAGE PAGE 11項目申報報書項目名稱稱：淺埋偏壓壓隧道爆破破開挖與監控技術術研究單位：北京市公公路橋梁梁建設集集團有限限公司北京工業業大學起止時間間：20099年12月至至20111年08月淺埋偏壓壓隧道爆爆破開挖挖與監控控技術研研究一、立項項依據 研究意意義：近幾年年來，隨隨著國家家加強對對基礎設設施建設設的投入入，我國國公路交交通建設設得到了了迅猛發發展，公公路隧道道特別是是長大隧隧道建設設與研究究取得了了長足的的進步。目前，我國已已經成為為世界上上隧道工工程數量量最多、最復雜雜、發展展最快的的國家。另一方方面，隨隨著公路路建設規規模的不不斷擴大大，公路路等級的的不斷提提高，以以及

2、我國國公路建建設的重重點逐步步向多山山、多丘丘嶺的地地區轉移移，所帶帶來的環環境地質質災害問問題日益益突出。為了控控制山區區公路建建設所造造成的地地質災害害問題，保護公公路沿線線的生態態環境，大量的的深挖路路塹改為為隧道施施工，如如密興路路火郎峪峪隧道工工程、1108國國道南村村隧道和和岢蘿坨坨隧道、八達嶺嶺過境線線青龍橋橋隧道，延慶西西鐵路瓦瓦廟隧道道，以及及剛剛建建成通車車的京承承三期高高速公路路隧道工工程等。作為“帶狀”工程的的山區公公路隧道道建設，必將跨跨越各種種不同的的地形、地質區區域，如如果勘察察不祥、設計不不合理、施工與與監控技技術落后后，無疑疑會帶來來諸多的的地質災災害。目前，

3、國國內外山山嶺隧道道開挖大大多采用用鉆爆法法進行施施工。同同人工開開挖相比比，鉆爆爆法有著著施工速速度快、施工安安全和人人力資源源消耗少少的優點點；同隧隧道掘進進機相比比，鉆爆爆法又有有著適應應能力強強，施工工成本低低廉的顯顯著優點點。工程程實踐表表明，鉆鉆爆法作作為一種種安全、經濟、快速有有效的施施工方法法，已被被廣泛應應用于國國內外山山嶺重丘丘區公路路隧道的的開挖施施工中；另一方方面，由由于爆炸炸荷載的的沖擊作作用，隧隧道的爆爆破開挖挖必將對對圍巖、襯砌以以及周邊邊建(構構)筑物物等造成成不同程程度的影影響(特別是是淺埋偏偏壓隧道道)，如如因爆破破振動引引起隧道道塌方、地表的的不均勻勻沉降

4、、臨近建建(構)筑物的的破壞等等。因此此，開展展山嶺重重丘區公公路隧道道特特別是淺淺埋偏壓壓隧道爆爆破開挖挖技術的的研究，探索隧隧道建設設與地質質環境、周邊環環境之間間的相互互關系、相互作作用，以以及由此此產生或或誘發的的隧道各各類病害害，從而而提出合合理的控控制技術術措施，具有重重要的現現實意義義。 研究概概況：山山嶺隧道道掘進爆爆破開挖挖以及相相關問題題的研究究，目前前主要集集中在如如下幾個個方面：1、隧道道洞口仰仰坡及邊邊坡穩定定性研究究洞口是隧隧道進出出口的咽咽喉，同同時也是是整個隧隧道施工工的薄弱弱環節。洞口的的安全，關系到到隧道能能否順利利進洞并并進行安安全施工工。大量量的工程程經

5、驗表表明，洞洞口段地地質條件件復雜，多為風風化嚴重重的堆積積物或破破碎巖體體，且覆覆蓋巖層層較薄，施工時時容易造造成洞口口段仰坡坡及邊坡坡的失穩穩，嚴重重時產生生滑動和和坍塌。另外，對于巖巖質隧道道，目前前90%以上采采用鉆爆爆法施工工，爆炸炸荷載作作用產生生的振動動對淺埋埋、偏壓壓隧道洞洞口段的的穩定影影響極大大。隨著公路路隧道工工程的大大量建設設，隧道道洞口仰仰坡及邊邊坡暴露露的問題題越來越越多，已已引起隧隧道設計計、施工工以及科科研部門門的重視視。綜合合隧道洞洞口仰坡坡及邊坡坡穩定性性研究成成果，目目前大多多從傳統統的邊坡坡穩定性性分析出出發，探探討隧道道開挖對對邊坡滑滑動面的的影響，同

6、時考考慮地表表、洞口口預加固固措施，并通過過位移或或變形觀觀測來分分析和判判斷邊坡坡的穩定定性、地地表的沉沉降等。這些研研究大多多局限于于隧道洞洞口段仰仰坡及邊邊坡的靜靜力穩定定分析，而對鉆鉆爆法施施工時，爆破振振動對隧隧道洞口口邊坡的的動力穩穩定、襯襯砌以及及周邊建建（構）筑物的的影響和和破壞規規律研究究較少，或未能能進行較較為系統統的研究究。2、隧道道開挖爆爆破設計計專家系系統與爆爆破振動動效應研研究隨著公路路工程的的建設，隧道已已成為山山區公路路建設中中必不可可缺少的的重要組組成部分分，受山山區地形形的約束束以及公公路線形形的要求求，小間間距隧道道越來越越多。伴伴隨小間間距隧道道的出現現

7、，隧道道爆破施施工對臨臨洞穩定定及襯砌砌安全的的影響變變得不容容忽視；隨著大大跨度隧道道的不斷斷出現，在圍巖巖情況較較好的條條件下，隧道采采用全斷斷面或臺臺階法施施工時，往往一一次爆破破藥量較較大，這這時的爆破振振動對周周邊環境境的影響響將急劇劇增大。隧道開挖挖爆破技技術經過過多年的的發展，基本上上能夠滿滿足隧道道施工和和安全的的需要，也是當當前隧道道施工中中應用最最多的一一種方法法。但是是，隨著著隧道開開挖技術術的發展展，傳統統的人工工隧道爆爆破設計計方法已已不能滿滿足施工工需要，開發可可靠的隧隧道爆破破設計智智能系統統，用計計算機進進行爆破破設計是是隧道爆爆破施工工技術的的重要發發展方向向

8、之一。然而，現有的的隧道爆爆破設計計系統都都是通過過CADD軟件實實現炮孔孔布置圖圖、起爆爆網絡圖圖、裝藥藥結構圖圖、設計計說明書書繪制與與打印，爆破設設計尚不能根根據圍巖巖特性的的不同進進行自適適應布置置，設計中中的人為為因素較較多。對于淺埋埋山嶺隧隧道的爆爆破開挖挖，爆破參參數的選選擇與控控制將直直接影響響到地表表、圍巖巖以及支護護結構的的穩定性性。如何何最大限限度提高高掘進速速度，同時有有效地保保證圍巖巖的安全全穩定，是目前隧道道施工過過程中亟亟待解決決的關鍵鍵技術問問題。另另一方面面，隧道道開挖爆破破震動效效應(危危害)研研究，目目前主要要集中在在隧道爆爆破開挖挖的地表表震動效效應、爆

9、爆破震動動對圍巖巖和襯砌砌結構的的影響、連拱隧隧道中墻墻穩定、新建隧隧道爆破破對既有有隧道以以及臨近近建(構構)筑的影響響等方面面。雖然然許多研研究工作作者針對對不同的的研究重重點，從從多方面面對隧道道爆破震震動效應應問題展展開了大大量的研研究工作作，但目目前隧道道爆破震震動效應應的研究究工作遠遠遠落后于于工程實實踐，特特別是淺淺埋偏壓壓隧道爆爆破開挖挖以及振動動危害的控制研究究。3、隧道道開挖地地質超前前預報技技術作為隱蔽蔽工程的的公路隧隧道在施施工過程程中，由由于前方方地質情情況不明明，經常常會因遇遇到斷層層、破碎碎帶、溶溶洞等不不良地質質體而導導致塌方方、泥石石流、突突水等地地質災害害發

10、生。這些災災害的出出現，往往往會影影響施工工進度，帶來嚴嚴重的經經濟損失失。隧道道地質超超前預報報在隧道道施工開開挖中起起著關鍵鍵性作用用。目前前，我國用用于隧道道地質超超前預報報的方法法很多，主要有有隧道地地震超前前預報系系統(TTSP)、探地地雷達(GPRR)法、水平聲聲波剖面面(HSSP)法法、陸地地聲納法法、超前前鉆孔法法和超前前平導法法幾種。經過多多年的發發展，在在隧道施施工地質質預報的的方法技技術上和和實踐上上有很好好的進展展。但是是，由于地質質情況復復雜多變變，目前的的技術還還不能完完全適應應隧道施施工建設設的需要要。如何利用用新的數數學模型型和實驗驗平臺，對接收收到的來來自隧道

11、道掌子面面前方復復雜圍巖巖介質的的反射回回波信號號進行正正反演數數值模擬擬分析，同時運運用現代代信號分分析與處處理技術術（如小波波分析、神經網網絡等）對接收收信號進進行全參參數非線線性反演演處理，提取所所需的多多參數信信息，推斷隧隧道掌子子面前方方復雜圍圍巖介質質的幾何何特性參數數和力學學參數。同時開開發三維維可視化化的隧道道安全立立體預測測預警系系統，在現有有條件下下以TSPP法進行行中長距距離預測測，以地質質雷達法法進行短短距離的的精細預預測；地表探探測結果果與隧道道掌子面面探測結結果形成成隧道的的三維立立體預測測體系，并建立立隧道安安全管理理智能數數據庫，以便對對隧道掘掘進過程程中出現現

12、的安全全險情隨隨時進行行動態監監控，同時又又為設計計和安全全施工提提供更好好的保證證體系。4、隧道道施工監監控與反反分析新奧法施施工的基基本原則則可以歸歸納為“少擾動動、早支支護、勤勤量測、緊封閉閉”其中中勤量測測更成為為新奧法法施工中中的重點點，施工工監控不不斷的收收集地質質條件及及施工中中的信息息，并反反饋到設設計進行行指導施施工，達達到工程程建設優優化的目目的。隧隧道施工工監控的的內容涵涵蓋了隧隧道圍巖巖支護護結構體體系的各各個方面面，包括括位移、應力、應變、壓力等等，具體體的測量量項目有有：工作作面地質質觀察、隧道拱拱頂下沉沉、洞周周收斂、地表下下降、圍圍巖內部部位移、圍巖應應力、支支

13、護結構構壓力、錨桿軸軸力和抗抗拔力等等。而觀觀測的主主要目的的是及時時獲得圍圍巖和支支護結構構受力與與變形的的動態信信息，分分析其變變化趨勢勢來評價價圍巖穩穩定性和和支護系系統可靠靠性，同時將將量測數數據與反反分析技技術結合合起來，以期更更全面、真實地地反映圍圍巖性態態，并對對隧道穩穩定性進進行預測測。我國隧道道施工監監控及圍圍巖參數數反分析析，大都都致力于于對圍巖巖各項彈彈塑性參參數及初初始應力力進行反反算。由由于洞內內及地表表位移量量測方便便，目前前對反分分析的研研究主要要集中在在位移的的反分析析上，并并對圍巖巖參數及及初始應應力進行行推算，然后分分析預測測隧道穩穩定性及及變形。另外，在地

14、質質條件較較為復雜雜、圍巖巖類別多多變的隧隧道施工工中，由于回回歸分析析無法考考慮更多多的圍巖巖信息將將受到相相當的限限制。如如何將信信息化反反演理論論引入到到隧道爆爆破開挖挖控制參參數反演演問題中中，以建立立隧道圍圍巖控制制爆破參參數的反反演模型型，并將其其用于隧隧道開挖挖中，爆破控控制參數數的適時時在線反反演，不斷優優化爆破破設計參參數，實現隧隧道掘進進的動態態信息化化實施，這方面面的研究究對隧道道施工有有著切實實的意義義。綜上所述述，目前前關于山山嶺隧道道施工，主要集集中在隧隧道洞口口段穩定定性研究究、隧道道掘進爆爆破及其其振動效效應、隧隧道開挖挖地質超超前預報報技術、隧道施施工監控控與

15、反分分析等方方面。在在山嶺隧隧道的爆爆破開挖挖過程中中，爆破破參數的的設計與與施工方方法的選選擇將直直接影響響到隧道道圍巖以以及支護護結構的的穩定性性，同時時也影響響到隧道道爆破掘掘進的速速度；對對于淺埋埋、偏壓壓隧道，爆破參參數的控控制將直直接影響響到地表表的沉降降、隧道道施工的的安全。如何在在隧道開開挖過程程中有效效地破碎碎巖石、最大限限度地提提高掘進進速度，同時控控制爆破破振動的的有害效效應，確確保圍巖巖的穩定性，則是是目前淺淺埋、偏偏壓隧道道鉆爆法法施工過過程中亟亟待解決決的關鍵鍵技術問問題。二、研究究內容依托工程程概況密興路改改建工程程火郎峪峪隧道，設計公公路等級級為二級級公路，隧道

16、建建筑凈寬寬10.5m，限高55.0mm, 隧隧道全長長6188m。隧道場地地地形起起伏大，進口處處最低標標高為2238.52mm，山脊脊最高處處標高為為2977.211m，相相對高差差達58.7m，為構造造低山剝剝蝕地貌貌(如圖1、圖2)。場區巖體體多為強強風化、中風化化斜長淺淺粒巖、片麻巖巖，完整性性差、節節理裂隙隙發育，其中隧隧道進口口段(KK10+2155K223+3332)、出口口(K110+7727K100+8333)為為V級圍圍巖，占占全隧總總長的336.11；洞洞身(KK10+3322K110+7727)為級級圍巖，占全隧隧總長的的63.9；隧道埋深深，進出口口段最小小埋深僅僅

17、為4 m，且且為偏壓壓隧道(如圖1)，山脊最最高處埋埋深約50mm，其余埋埋深在115255 m。研究背景景工程火郎郎峪隧道道，地質質條件復復雜，多多為強風風化、中中風化變變質巖，且為淺淺埋、偏偏壓隧道道。圖1 火火郎峪隧隧道淺淺埋、偏壓圖2火郎郎峪隧道道地質剖剖面圖 主要研研究內容容基于依托托工程密興興路火郎郎峪隧道道淺埋、偏壓且且圍巖地地質條件件差的特點點，項目目研究主主要開展展如下幾幾個方面面的工作作：1、淺埋埋偏壓隧隧道洞口口段開挖挖動力穩穩定性分分析基于火郎郎峪隧道道進出口明挖挖段和淺淺埋段存存在高邊邊坡偏壓壓結構、圍巖壓壓力分布布不均、地質條條件差、施工難難度大的的特點，在現場監監

18、測（包包括地表表沉降、坡頂位移、拱頂下下沉、洞洞周收斂斂、地質質超前預預報、爆爆破振動動以及結結構動力力響應等等）、三維數數值模擬擬的基礎礎上，系統研研究隧道道爆破開開挖過程程中洞口口邊坡、洞口段和襯砌砌結構的的動力穩穩定性和和安全性性，提出出淺埋、偏壓隧隧道合理理的施工工工藝、鉆爆參參數和支護結結構形式式。2、淺埋埋偏壓隧隧道施工工多元信信息自動動監控系系統研究究結合現代代遙測(無線)技術，把選測測斷面傳傳感器(頻率類類、電壓壓電流類類、開關關量類、數字類類等)數據采采集、三三維激光光掃描、地質超超前預報報、爆破破振動監監測以及及可視化化(視頻)監控融融合在一一起，實實現隧道道施工掌掌子面可

19、可視化實實時顯示示與分析析、隧道道施工監監測(控)自動化化數據采采集與分分析，形形成隧道道施工多多元信息息監測(控)系統，確保復復雜圍巖巖地質條條件下隧隧道施工工安全。3、淺埋埋偏壓隧道道開挖爆破破及其振振動規律律研究根據圍巖巖物理力力學性質質和淺埋埋偏壓隧隧道地形形地質條條件，結結合隧道道施工多多元信息息監控系系統研究究，系統統研究不不同圍巖巖條件、不同施施工工藝藝下，淺淺埋（偏偏壓）隧隧道爆破破開挖及及其振動動特征（頻率、振幅、作用時時間和振振動速度度等）、傳播規規律、振動效應應（危害）與爆破破條件的的相互關關系和規規律性。4、隧道道開挖爆破破設計智能能系統開開發結合現代代監測技技術與隧隧

20、道爆破破理論分分析，開開發一套套適宜淺埋埋偏壓隧隧道開挖挖爆破設計智能系系統，實實現不同同圍巖級級別、不不同施工工方法隧隧道爆破破開挖數數字化、精確化化設計。5、淺埋埋偏壓隧道道爆破開開挖關鍵鍵技術研研究基于隧道道施工系系統監測測、現場場試驗研研究、爆破設計計智能系系統開發發以及動動力有限限元分析析，優化化爆破參參數；系統提出出控制淺淺埋偏壓壓隧道爆爆破破巖巖效果，同時降降低爆破破振動對地表、圍巖、襯砌結結構以及及周邊環環境影響響的有效效途徑和和方法；集成淺淺埋、偏偏壓隧道道爆破開開挖關鍵鍵技術及及工法，并在火火郎峪隧隧道工程程中應用用。 預期突突破和創創新1、淺埋埋偏壓隧隧道施工工多元信信息

21、自動動監控系系統的開開發研究究；2、淺埋埋偏壓隧隧道開挖挖爆破設計智能系系統研發，實現不不同圍巖巖級別、不同施施工方法法隧道爆爆破數字字化、精精確化設設計；3、復雜雜地質條條件下淺淺埋偏壓壓隧道爆爆破開挖挖關鍵技技術；4、淺埋埋偏壓隧隧道爆破破開挖施施工工法法。三、研究究方案 研究方方法采用室內內外實驗驗、系統統監測、理論分分析、數數值模擬擬與依托托工程密興興路改建建工程火火郎峪隧隧道開挖挖相結合合的方法法。 研究思思路1、針對對北京及及周邊地地區山嶺嶺隧道（已建、擬建）的區域域地質特特征的調調查，深深入了解解、認識識區域地地質以及及局部地地質構造造特征；重點研研究隧道道開挖過過程中直直接產生

22、生或可能能誘發的的地質災災害，特特別是爆爆破開挖挖對淺埋埋、偏壓壓隧道及及洞口邊邊坡穩定定性的影影響。2、依托托項目研研究背景景工程密興興路改建建工程火火郎峪隧隧道淺埋埋、偏壓壓洞口段段爆破開開挖施工工，在現現場施工工監測、三維數數值模擬擬分析的的基礎上上，對隧隧道洞口口段爆破破開挖動動力反應應與穩定定性進行行分析，提出淺淺埋、偏偏壓隧道道洞口段段施工合合理的鉆鉆爆施工工參數與與支護結結構形式式。3、基于于現代無無線技術術與檢測測技術，把三維維激光掃掃描、各各種數據據采集（包括隧隧道拱頂頂下沉、洞周收收斂、地地表沉降降、圍巖巖應力、支護結結構壓力力、錨桿桿軸力和和抗拔力力、爆破破振動、地質超超

23、前預報報等）、施工管管理以及及視頻監監控有效效結合在在一起，實現隧隧道施工工掌子面面可視化化（圖像像）實時時顯示與與分析、隧道施施工監測測（控）自動化化數據采采集與分分析，完完成隧道道施工多多元信息息自動控控制系統統的研發發，為復復雜圍巖巖地質條條件下隧隧道安全全施工提提供技術術支撐。4、結合合隧道施施工多元元信息監監測，系系統研究究不同級級別圍巖巖、不同同施工工工藝條件件下淺埋埋隧道爆爆破開挖挖及其振振動效應應；開發發一套隧隧道爆破破開挖智智能專家家系統，實現不不同地質質條件、不同施施工方法法隧道爆爆破開挖挖數字化化、精確確化設計計。5、在上上述研究究的基礎礎上，系系統提出出控制隧隧道爆破破

24、破巖效效果，同同時降低低爆破振振動對圍圍巖、支支護結構構以及周周邊環境境影響的的有效途途徑和方方法，同同時集成成淺埋隧隧道穿越越強風化化變質巖巖爆破開挖挖關鍵技技術及工工法，確確保復雜雜圍巖地地質條件件下隧道道施工安安全，并并在典型型工程中中應用。四、研究究計劃與與階段成成果 研究工工作進度度計劃20100.04420110.0071、依托托背景工工程密興路路改建工工程火郎郎峪隧道道爆破開開挖施工工，開展展淺埋偏偏壓隧道道洞口段段開挖動動力穩定定性、隧隧道洞口口段爆破破開挖與與振動監監測；初初步得出出提出淺淺埋、偏偏壓隧道道施工合合理的鉆鉆爆施工工參數；2、初步步完成隧隧道施工工監控系系統的研研發并開開始在現現場試驗驗；3、隧道道爆破開開挖設計計智能專專家系統統開發研研究調研研、啟動動；2010