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吉林省鹤大高速公路技术培训吉林省鹤大高速公路技术培训吉林省鹤大高速公路技术培训吉林省鹤大高速公路技术培训2014.3.10 2014.3.10 长春长春长春长春隧道冻害问题及技术对策隧道地质灾害及技术对策隧道支护工程的质量问题环保型隧道洞口建设技术防止边坡失稳的棚洞结构地下立交隧道的结构型式中国中国公路学会隧道工程分会公路学会隧道工程分会 理事长理事长招商局招商局重庆交通科研设计院重庆交通科研设计院 首席首席专家专家蒋树屏蒋树屏(18008377018)1吉林省鹤大高速公路技术培训吉林省鹤大高速公路技术培训吉林省鹤大高速公路技术培训吉林省鹤大高速公路技术培训2014.3.10 2014.3.10 长春长春长春长春隧道冻害问题及技术对策隧道地质灾害及技术对策隧道支护工程的质量问题环保型隧道洞口建设技术防止边坡失稳的棚洞结构地下立交隧道的结构型式中国中国公路学会隧道工程分会公路学会隧道工程分会 理事长理事长招商局招商局重庆交通科研设计院重庆交通科研设计院 首席首席专家专家蒋树屏蒋树屏(18008377018)2我国冻土分布范围广阔，我国冻土分布范围广阔，冻土区占国土面积冻土区占国土面积2/3。冻土区占冻土区占国土面积国土面积2/3非冻土区非冻土区多年冻土多年冻土占国土面积占国土面积22%季节冻土季节冻土占国土面积占国土面积48%3 交通基础设施正向自然条件恶劣、高纬度、高海拔的寒冷地区延伸。在高寒地区修建公路，必然遇到隧道，同时也必然遭遇多年冻土。洞口边仰坡多年冻土洞口边仰坡多年冻土洞内多年冻土洞内多年冻土4隧道冬季隧道冬季结结冰情况冰情况调查调查：A线线 有有 4 座隧道部分座隧道部分侧墙检查侧墙检查井渗水井渗水结结冰。冰。B线线 有有 11 座隧道渗水座隧道渗水结结冰冰 C线线 有有 2 座隧道渗水座隧道渗水结结冰冰渗水渗水结结冰隧道占冰隧道占总总隧道数隧道数 1/351.1.衬砌衬砌衬砌衬砌混凝土冻胀剥落混凝土冻胀剥落混凝土冻胀剥落混凝土冻胀剥落河北某隧道河北某隧道河北某隧道河北某隧道隧道冻害表现形式隧道冻害表现形式隧道冻害表现形式隧道冻害表现形式61.1.衬砌衬砌衬砌衬砌混凝土冻胀剥落混凝土冻胀剥落混凝土冻胀剥落混凝土冻胀剥落71.1.衬砌衬砌衬砌衬砌混凝土冻胀剥落混凝土冻胀剥落混凝土冻胀剥落混凝土冻胀剥落81.1.衬砌衬砌衬砌衬砌混凝土混凝土混凝土混凝土冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌91.1.衬砌衬砌衬砌衬砌混凝土混凝土混凝土混凝土冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌101.1.衬砌衬砌衬砌衬砌混凝土混凝土混凝土混凝土冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌11121.1.衬砌衬砌衬砌衬砌混凝土混凝土混凝土混凝土冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌1.1.衬砌衬砌衬砌衬砌混凝土混凝土混凝土混凝土冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌131.1.衬砌衬砌衬砌衬砌混凝土混凝土混凝土混凝土冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌冻胀剥落、坍塌142.2.路面冻胀开裂路面冻胀开裂路面冻胀开裂路面冻胀开裂152.2.路面冻胀开裂路面冻胀开裂路面冻胀开裂路面冻胀开裂16辽宁某隧道辽宁某隧道辽宁某隧道辽宁某隧道3.3.拱部挂冰拱部挂冰拱部挂冰拱部挂冰173.3.拱部挂冰拱部挂冰拱部挂冰拱部挂冰183.3.拱部挂冰拱部挂冰拱部挂冰拱部挂冰193.3.拱部挂冰拱部挂冰拱部挂冰拱部挂冰203.3.拱部挂冰拱部挂冰拱部挂冰拱部挂冰213.3.拱部挂冰拱部挂冰拱部挂冰拱部挂冰2223/2河北某隧道河北某隧道河北某隧道河北某隧道4.4.边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰24/24.4.边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰4.4.边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰25辽宁某隧道辽宁某隧道辽宁某隧道辽宁某隧道4.4.边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰264.4.边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰274.4.边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰284.4.边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰294.4.边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰304.4.边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰边沟渗水涌冰315.5.检查室积冰检查室积冰检查室积冰检查室积冰325.5.检查室积冰检查室积冰检查室积冰检查室积冰331.施工施工缝缝止水措施未按止水措施未按设计设计施工施工隧道冻害原因分析隧道冻害原因分析341.施工施工缝缝止水措施未按止水措施未按设计设计施工施工351.施工施工缝缝止水措施未按止水措施未按设计设计施工施工36隧道二次衬砌隧道二次衬砌隧道防水层隧道防水层背贴式止水带背贴式止水带371.施工施工缝缝止水措施未按止水措施未按设计设计施工施工382.出水口出水口结结冰堵塞冰堵塞392.出水口出水口结结冰堵塞冰堵塞403.防寒排水口未按防寒排水口未按设计设计施工、施工、结结冰堵塞冰堵塞41424.衬砌拱部存在空洞衬砌拱部存在空洞434.衬砌拱部存在空洞衬砌拱部存在空洞施工、施工、结结冰堵塞冰堵塞445.水沟内水沟内杂杂物堵塞、水沟物堵塞、水沟错错断断455.水沟内水沟内杂杂物堵塞、水沟物堵塞、水沟错错断断46横向排水管被电缆槽截断横向排水管被电缆槽截断6.局部局部电缆电缆槽槽结结冰原因冰原因 调查发现衬砌侧墙检查井至中心水沟的横向排水管高程与设计不一致，横向排水管被电缆槽截断，使检查井里的水排到电缆槽，而不排到中心水沟。47横向排水管施工与设计出入情况横向排水管施工与设计出入情况 虚线为设计的横向排水管；实线为现场横向排水管，被电缆槽截断。即使采用三通连接，这样的横向排水管仍会把水排至电缆槽。6.局部局部电缆电缆槽槽结结冰原因冰原因48仰拱段检查井部分侧壁、底板缺失仰拱段检查井部分侧壁、底板缺失7.仰拱段仰拱段检查检查井部分井部分侧侧壁、底板缺失，容易渗漏水壁、底板缺失，容易渗漏水49508.横向横向导导水管口堵塞水管口堵塞519.检查检查井防水措施不足，井防水措施不足，检查检查井内壁有明井内壁有明显显潮湿痕迹，潮湿痕迹，存在渗漏水存在渗漏水52归纳：归纳：渗水结冰原因分析；渗水结冰原因分析；防水层防水层破损，施工缝止水带未按要求破损，施工缝止水带未按要求施作；施作；衬砌衬砌厚度不足、厚度不足、空洞；空洞；纵纵、横向排水管未按设计位置施工、横向排水管未按设计位置施工、堵塞；堵塞；检查检查洞室防冻措施洞室防冻措施不足；不足；排水排水口未按设计口未按设计施工。施工。53正文正文10.5 寒冷地区防排水寒冷地区防排水10.5.1 寒冷地区隧道防排水除符合上述寒冷地区隧道防排水除符合上述规规定外，并符合下列定外，并符合下列规规定：定：1 地下水水量地下水水量较较大并可能大并可能产产生生冻结冻结的地段，一般的地段，一般应设应设深埋水沟，深埋水沟，也可也可设设防寒泄水洞，防寒泄水洞防寒泄水洞，防寒泄水洞应应置于隧道路面以下置于隧道路面以下4m6m，断面尺，断面尺寸不宜小于寸不宜小于2m2m；2 连连接洞内深埋水沟、防寒泄水道的洞口路基引出段接洞内深埋水沟、防寒泄水道的洞口路基引出段应应采用暗沟，采用暗沟，暗沟除暗沟除满满足排水深度以外，足排水深度以外，应应埋置于埋置于冻结冻结深度以下，并在暗沟深度以下，并在暗沟转转角角处设处设检查检查井。井。3 隧道隧道衬衬砌混凝土抗渗等砌混凝土抗渗等级级可适当提高。可适当提高。10.5.2 寒冷地区隧道保温措施符合下列寒冷地区隧道保温措施符合下列规规定：定：1 排水暗沟和防寒泄水洞出口排水暗沟和防寒泄水洞出口应设应设碎石防寒出水口；碎石防寒出水口；2 隧道洞口隧道洞口应应根据地形条件适当延根据地形条件适当延长长明洞或在洞口明洞或在洞口设设置防雪透光置防雪透光棚；棚；3 隧道隧道衬衬砌易出砌易出现冻胀现冻胀危害的地段宜危害的地段宜设设保温保温层层；4 当隧道交通量很小当隧道交通量很小时时，可在洞口，可在洞口设设帘幕。帘幕。自公路隧道设计规范54条文说明10.5 寒冷地区防排水寒冷地区防排水10.5.1 2 最冷月平均气温-10-15，粘性土最大冻结深度1.01.5m，由于路侧边沟加深有限，隧道内应设深埋水沟。最冷月平均气温-15-25（粘性土最大冻结深度1.5m2.5m），地下水量较大的地段，宜设置防寒泄水洞。当地最冷月平均气温低于-25的地区，需设防寒泄水洞。3 防寒泄水洞的拱部和边墙应留有足够的泄水孔。防寒泄水洞每隔一定距离应设检查井10.5.2 1 出于隧道防寒保温的需要，隧道内排水出口宜采用掩埋保温方式。并防止出水口淤积堵塞。当出水口排水坡度较陡、不冻结时，可设挡风墙、挡风盖。2 洞口设透光棚可避免洞门行车道积雪，白天增加洞口处温度，提高隧道防冻能力。青海大坂山隧道在隧道洞口增设拱形透光棚（南口60米，北口40米），起到了很好的保温、防雪的作用。因此，在寒冷地区、特别是高海拔寒区隧道洞口设透光棚，或适当延长明洞，有利于减少洞口冰冻、雪害。3 隧道衬砌设保温层，可减少衬砌冻害。保温层可设在衬砌为表面，也可设在衬砌与防水层之间。至于保温层采用什么方式、保温长度如何确定、采用什么材料目前还处于探索阶段，设计者还应根据具体情况调研分析、因地制宜进行设计。55青海大坂山隧道工程回顾青海大坂山隧道工程回顾565758596061626364隧道防冻害处治措施隧道防冻害处治措施65处处治原治原则则:暗排：采取措施防止水明渗到暗排：采取措施防止水明渗到衬衬砌表面。砌表面。防防冻冻：所有措施必：所有措施必须须考考虑虑冬季防冬季防冻问题冻问题。66施工施工缝缝漏水的漏水的处处治治措施：措施：沿施工沿施工缝缝两两侧侧采用机械或人工深切、采用机械或人工深切、凿宽凿宽10cm槽槽至初期支至初期支护护表面，埋入直径表面，埋入直径100mm半剖聚半剖聚氯氯乙乙烯烯管，管管，管外采用外采用C35渗透渗透结结晶型防水混凝土填充晶型防水混凝土填充密密实实，并，并在填充在填充混凝土表面中部切割一条混凝土表面中部切割一条宽宽1cm深深3cm的槽，作的槽，作为为施工施工缝缝的的变变形假形假缝缝。67682 埋管埋管1）人工）人工凿凿槽槽3 杜拉杜拉纤维纤维防水防水砂砂浆浆抹面抹面69通常处理方案通常处理方案寒区隧道处理方案寒区隧道处理方案防水层防水层衬衬砌砌表面裂表面裂缝缝渗水的渗水的处处治治措施措施原因分析：原因分析：防水防水层层在在该处该处或附近失效，二次或附近失效，二次衬衬砌砌开裂。开裂。处处治措施：治措施：对对衬衬砌裂砌裂缝缝注入注入亲亲水型水型环环氧氧树树脂或聚脂或聚胺脂胺脂PU发发泡泡剂剂封堵。封堵。707172衬衬砌砌背后空洞背后空洞积积水的水的处处治措施治措施原因分析原因分析：衬衬砌砌背后存在空洞。背后存在空洞。处处治措施治措施：对对空洞注入空洞注入35号水泥号水泥(砂砂)浆浆充填。充填。7374衬衬砌砌表面大面表面大面积积渗水的渗水的处处治措施治措施原因分析：原因分析：防水防水层层在在该处该处或或该处该处附近失效，附近失效，该处该处二次二次衬衬砌混砌混凝土凝土质质量达不到抗渗要求。量达不到抗渗要求。处处治措施：治措施：对对大面大面积积渗漏段，采取拆除渗水点段附近全部二次渗漏段，采取拆除渗水点段附近全部二次衬衬砌混凝砌混凝土，增土，增补补、修复排水系、修复排水系统统、恢复被破坏防水、恢复被破坏防水层层，重新，重新浇浇筑拆除段筑拆除段二次二次衬衬砌方式砌方式进进行行处处治。治。对对于局部渗漏段，采取拆除渗水附近局部二次于局部渗漏段，采取拆除渗水附近局部二次衬衬砌混凝土，砌混凝土，增增补补、修复排水系、修复排水系统统、恢复被破坏防水、恢复被破坏防水层层，并在，并在该处环该处环向向凿凿槽，槽，埋埋设环设环向排水管至向排水管至墙墙脚（同施工脚（同施工缝处缝处治），然后重新治），然后重新浇浇筑拆除段筑拆除段二次二次衬衬砌方式砌方式进进行行处处治。治。7576消防箱消防箱（设备设备洞室）渗水洞室）渗水结结冰的冰的处处治措施治措施原因分析原因分析：消防箱消防箱（设备设备洞室）洞室）处处防水防水层层破坏、消防破坏、消防箱箱处处施工未考施工未考虑该处衬虑该处衬砌厚度（开挖砌厚度（开挖应应凹入凹入围围岩，以便岩，以便保保证衬证衬砌砌结结构厚度）。构厚度）。处处治措施治措施：拆除拆除消防箱及附近消防箱及附近结结构厚度不构厚度不满满足足设计设计的的衬衬砌，拆除防水砌，拆除防水层层，从重开挖消防洞室，恢复被破坏防，从重开挖消防洞室，恢复被破坏防排水系排水系统统，然后重新，然后重新浇浇筑消防洞室筑消防洞室衬衬砌砌结结构。构。77787980一、一、纵纵、横向排水管施工位置偏差、横向排水管施工位置偏差二、中心排水沟埋二、中心排水沟埋设设深度未达到深度未达到设计设计三、三、纵纵向排水管向排水管检查检查井防井防冻冻难题难题隧道冻害预防优秀实例隧道冻害预防优秀实例8182 8384吉林省鹤大高速公路技术培训吉林省鹤大高速公路技术培训吉林省鹤大高速公路技术培训吉林省鹤大高速公路技术培训2014.3.10 2014.3.10 长春长春长春长春隧道冻害问题及技术对策隧道地质灾害及技术对策隧道支护工程的质量问题环保型隧道洞口建设技术防止边坡失稳的棚洞结构地下立交隧道的结构型式中国中国公路学会隧道工程分会公路学会隧道工程分会 理事长理事长招商局招商局重庆交通科研设计院重庆交通科研设计院 首席首席专家专家蒋树屏蒋树屏(18008377018)85A 隧道 2005年10月26日凌晨5点35分左右，该隧道右线出口K7+580米的地方在没有任何预兆的情况下突然出现塌方，正在作业的12名施工人员被困在里面。坍塌右右右右线线距洞口距洞口距洞口距洞口500m500m处处8687坍体与坍腔坍体与坍腔坍体与坍腔坍体与坍腔抢抢救被困人救被困人救被困人救被困人员员8889欢庆抢险胜欢庆抢险胜利利利利蒋蒋树屏担任屏担任现场抢险技技术总负责人人90原因分析节理发育，脆性破坏，塑区深厚初支不强，挖面过大，二衬滞后技术对策加密监测，重视增量，及时反馈增长锚杆，灌浆饱满，托钣锁口做好支撑，刚度适宜，喷层贴壁优化开挖，增大矢跨，二衬跟上91地质状况是隧道建设的基础条件，地质状况是隧道建设的基础条件，围岩稳定是隧道开挖的核心技术！围岩稳定是隧道开挖的核心技术！9293公路隧道设计规范公路隧道设计规范第三章第三章“隧道调查及围岩分级隧道调查及围岩分级”94隧道围岩坍塌具有隧道围岩坍塌具有 随机性、模糊性、不可预见性随机性、模糊性、不可预见性隧道开挖隧道开挖 围岩松动围岩松动 围岩坍塌围岩坍塌 加固处治加固处治怎样预测，合理开挖，防止坍塌？基于隧道开挖过程监控量测与反分析的基于隧道开挖过程监控量测与反分析的围岩分级方法围岩分级方法95隧道隧道围岩稳定分析及处治的技术路线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 内空变形量 拱顶下沉量 地中变形量 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962 2 23 3 34 4 45 5 56 6 67 7 71 1 1选择合理的测点与量测手段选择合理的测点与量测手段 围岩内部位移量测隧道周边收敛量测七测线方案围岩变形97围岩与喷射混凝土间接触压力压力盒埋设传感器导线引出数据采集施工现场98监测项目与频率监测项目与频率 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99量测数据管理分析系统量测数据管理分析系统 100101102103104围岩变形预警与现场分级方法围岩变形预警与现场分级方法 为解决监控量测与围岩分级为解决监控量测与围岩分级“脱节”，开发了开发了“隧道监控与变形预警隧道监控与变形预警”软件；软件；提出基于地质信息的现场提出基于地质信息的现场围岩分级方法，给动态设计提供了依据。围岩分级方法，给动态设计提供了依据。拱腰拱腰拱腰突泥突泥突泥洞口偏洞口偏洞口偏压压压拱拱拱顶顶顶坍塌坍塌坍塌支护结构动态设计支护结构动态设计(再循环再循环)隧道现场围岩分级方法隧道现场围岩分级方法监控量测与反分析确定分级影响系数施工现场围岩分级支护结构动态设计非确定性反分析岩石抗压强度测试节理构造面量测地下水特征量测围岩位移量测隧道地质参数监控量测设计阶段围岩分级基本质量指标修正值围岩的详细定级：BQ=BQ-100（K1+K2+K3）隧道施工现场围岩分级围岩的初步分级：BQ=90+3RC+250KV岩体完整性系数KV初始应力状态影响系数K3地下水影响系数K1软弱结构产状影响系数K2岩石饱和抗强度压RC使围岩分级更符合山体实际，实现了可操作的动态设计使围岩分级更符合山体实际，实现了可操作的动态设计105106大跨扁坦隧道施工力学与方法大跨扁坦隧道施工力学与方法 提出并采用提出并采用局部松弛理论局部松弛理论，建立了大跨扁坦隧建立了大跨扁坦隧道施工过程三维力学分析模型；道施工过程三维力学分析模型；分析了中壁法、双侧分析了中壁法、双侧壁法等的工程特性。解决了大跨扁坦隧道稳定性问题。壁法等的工程特性。解决了大跨扁坦隧道稳定性问题。三车道真武山隧道真武山隧道(双洞双洞.六车道六车道)大梅沙隧道大梅沙隧道(双洞双洞.六车道六车道)雅宝隧道雅宝隧道(双洞双洞.八车道八车道)四车道模型例107隧道开挖与衬砌结构试验技术隧道开挖与衬砌结构试验技术 为模拟隧道开挖实际行为，为模拟隧道开挖实际行为，提出提出“先加载先加载,后挖洞后挖洞”的的试验试验模式，研制了大型立式三维试验台；模式，研制了大型立式三维试验台；内加载内加载(开挖卸荷作用)外加载外加载(围岩压力)试件试件(1.61.62.4m)(1.61.62.4m)主要功能：主要功能：围岩变形过程分析围岩变形过程分析衬砌结构优化试验衬砌结构优化试验隧道开挖步序模拟隧道开挖步序模拟 108依托内加载装置，提出了先期位移、瞬时位移、后期位依托内加载装置，提出了先期位移、瞬时位移、后期位移的移的隧道位移全过程隧道位移全过程分析方法；分析方法；续上页续上页可提前知晓可提前知晓开挖面前方开挖面前方地层的动态地层的动态二车道隧道模型二车道隧道模型三车道隧道模型三车道隧道模型四车道隧道模型四车道隧道模型连拱隧道模型连拱隧道模型隧道径向内加载装置 具有原创性小净距隧道小净距隧道109建立了建立了基于围压基于围压-位移的衬砌厚度试验位移的衬砌厚度试验方法。例方法。例:设定位移设定位移/总位移总位移10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%级围岩级围岩33.533.633.733.835.035.938.141.447.348.9级围岩级围岩39.039.139.239.440.841.844.548.355.157.0级围岩级围岩41.842.743.544.350.255.361.970.973.977.0级围岩级围岩66.967.167.367.569.971.776.282.894.597.7二二车车道隧道道隧道衬衬砌厚度砌厚度 试验试验值值 (单单位位:cmcm)弥补了单纯靠弥补了单纯靠规范规范或计算取值的不足；或计算取值的不足；适用于浅埋隧道衬砌设计。适用于浅埋隧道衬砌设计。110隧道围岩稳定非确定性反分析隧道围岩稳定非确定性反分析 针对围岩变形的随机性，针对围岩变形的随机性，建立了滤波有限元耦合新建立了滤波有限元耦合新理论与方法、用初期变形预测最终地应力的计算模型；理论与方法、用初期变形预测最终地应力的计算模型；滤波后滤波后状态量状态量滤波前滤波前状态量状态量卡尔曼卡尔曼增益矩阵增益矩阵观测向观测向量样本量样本滤波前状态量的向量时滤波前状态量的向量时间函数，由间函数，由 FEMFEM 分析分析滤波有限元耦合反分析式(部分)变形预测计算式(部分)111围岩体物理力学参数随机时序滤波估计112提出围岩塑性松动变化的预测方法，揭示了围岩非确定提出围岩塑性松动变化的预测方法，揭示了围岩非确定性的本质，提高了预测准确度。性的本质，提高了预测准确度。预预测测掌掌控控围围岩岩安安全全度度由初期变形预测未来松动状态 该理论对拓展隧道围岩反分析方法作出了贡献。该理论对拓展隧道围岩反分析方法作出了贡献。初期初期变变形形未来状未来状态态113公路隧道标准断面的变化公路隧道标准断面的变化2车道 A=65m2高宽比=0.673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1143车道隧道4车道隧道连拱隧道小净距隧道115岩石力学的尺寸效应原理岩石力学的尺寸效应原理岩石力学的尺寸效应原理 弹性力学的椭圆破坏原理弹性力学的椭圆破坏原理弹性力学的椭圆破坏原理:隧洞围岩自稳能力较弱：隧洞围岩自稳能力较强围岩条件一定116 特殊构造特殊构造桥隧一体隧道结构型式桥隧一体隧道结构型式悬崖陡壁悬崖陡壁桥隧一体桥隧一体山西拍盘隧道位于晋济高速公路，长3479m2，洞口与独塔斜拉桥结构的相联处于悬崖陡壁，采用了上层为单跨隧道、下层为箱梁(桥台)的上下双层桥隧混合结构，开挖最大跨径25.8m，断面346.6m2 117湖北八字岭隧道位于沪蓉西主干线湖北宜昌-恩施段，长3550m2，分岔式隧道，与八字岭特大桥西桥台相连，出口为四车道大拱，距四渡河特大桥东桥台20m出口1181 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 不良地不良地质质大跨扁坦公路隧道大跨扁坦公路隧道开挖与支开挖与支护衬护衬砌的施工步序砌的施工步序 12三车道四车道 合理开挖步序与支护是施工安全的基本保证合理开挖步序与支护是施工安全的基本保证双侧壁导坑开挖方法双侧壁导坑开挖方法119120 在我国的二郎山隧道、终南山隧道、锦屏电站交通隧道等以及日本的关越公路隧道、雁坂公路隧道等数座发生过岩爆（rock burst）。岩爆岩爆工程实例二郎山公路隧道 二郎山公路隧道整个工程线路全长为41612m，隧道最大埋深达760余米。岩爆区围岩岩性主要为硬脆性的石英砂岩、砂岩、粉砂岩。共发生200多次不同烈度的岩爆现象，发生连续岩爆的洞段共有15段。按岩爆烈度分级方案，其中轻微岩爆（级）段占岩爆总长度的92.64%，中等岩爆（级）约占6.79%，强烈岩爆（级）占0.57%。岩爆区掘进过程中，一般掌子面至3倍洞径的范围内岩爆活动最为频繁，随后逐渐减少。121122 隧道岩爆周边虽然均有岩爆活动，但拱顶和两侧边墙部位相对较为强烈，其次为拱肩部位。爆破后4h内掌子面附近洞段岩爆十分频繁，为岩爆活动最危险时期（续上页）123岩爆烈度岩爆烈度级别级别改善围岩物力性能和应力条件改善围岩物力性能和应力条件初期支护（加固围岩）初期支护（加固围岩）衬砌厚度衬砌厚度（cm）轻微轻微（级）级）一般进尺控制在一般进尺控制在22.5m；尽可能全；尽可能全断面开挖，一次成形，以减少围岩断面开挖，一次成形，以减少围岩应力平衡状态的破坏；控制光爆效应力平衡状态的破坏；控制光爆效果，以减少围岩应力集中；在掌子果，以减少围岩应力集中；在掌子面和洞壁经常喷撒水。必要时可采面和洞壁经常喷撒水。必要时可采用超前钻孔应力解除方法，形成局用超前钻孔应力解除方法，形成局部应力释放区，以减少（弱）岩爆部应力释放区，以减少（弱）岩爆酌情分步循环作业，共喷酌情分步循环作业，共喷10cm厚厚C20砼；砼；22mm系统砂浆锚杆，长系统砂浆锚杆，长2m左右，间距左右，间距120cm，梅花型布，梅花型布置，加垫板；置，加垫板；6mm钢筋网，间距钢筋网，间距2020cm 35中等中等（级）级）酌情分步循环作业，喷酌情分步循环作业，喷1012cm厚厚C20砼；砼；22mm系统砂浆锚杆，长系统砂浆锚杆，长22.5m，间距，间距100cm左右，梅花左右，梅花型布置，加垫板；型布置，加垫板；8mm钢筋网，间距钢筋网，间距2020cm；必要时岩爆破坏较严重部位可酌情增设格栅钢架支必要时岩爆破坏较严重部位可酌情增设格栅钢架支撑撑35强烈强烈（级）级）一般进尺控制在一般进尺控制在2m以内；必要时下以内；必要时下部预留部预留1/3分两部开挖，以降低岩爆分两部开挖，以降低岩爆破坏程度；提高光爆控制效果，以破坏程度；提高光爆控制效果，以减少应力相对集中现象；采取超前减少应力相对集中现象；采取超前钻孔应力解除法、松动爆破或震动钻孔应力解除法、松动爆破或震动爆破等方法，使岩体应力降低，能爆破等方法，使岩体应力降低，能量在开挖前释放。掌子面和洞壁经量在开挖前释放。掌子面和洞壁经常喷撒水，必要时可均匀、反复地常喷撒水，必要时可均匀、反复地向掌子面高压注水，以降低岩体的向掌子面高压注水，以降低岩体的强度强度必要时掌子面可以采用必要时掌子面可以采用40mm超前缝管式锚杆加超前缝管式锚杆加固，长固，长3.5m，间距，间距1.52m；分三个循环作业，喷；分三个循环作业，喷12cm厚厚C20砼；砼；22mm系统砂浆锚杆，长系统砂浆锚杆，长2.53m，间距，间距50100cm，梅花型布置，加垫板；，梅花型布置，加垫板；8 mm钢筋网，间距钢筋网，间距2020cm；可以设置格栅钢架支撑；可以设置格栅钢架支撑35剧烈剧烈（级）级）掌子面可采用掌子面可采用40mm超前缝管式锚杆加固，长超前缝管式锚杆加固，长3.5m，间距，间距12m；必要时喷；必要时喷4cm厚厚C20砼封闭掌子砼封闭掌子面；洞壁分三个循环作业喷面；洞壁分三个循环作业喷1215cm厚厚C20砼；砼；22mm系统砂浆锚杆，长系统砂浆锚杆，长3.5m，间距，间距50cm，梅花，梅花型布置，加垫板；型布置，加垫板；8mm钢筋网，间距钢筋网，间距2020；必；必要时可酌情增设仰拱，格栅钢架支撑要时可酌情增设仰拱，格栅钢架支撑35表4 二郎山公路隧道各级岩爆防治措施（续上页）1）调整钻爆设计，提高光面爆破效果，改善洞壁应力条件，降低爆破动应力场的叠加，降低岩爆频率与强度。2）掌子面和洞壁经常喷撒水，必要时可向掌子面高压注水，以降低岩体的强度。3）在施工过程中，爆破开挖采用短进尺、多循环，以改善围岩的应力状态，减少岩爆的发生。4）当岩爆轻微或中等时，可全断面开挖，当岩爆强烈或剧烈时，可分两部开挖，以降低岩爆破坏程度。对岩爆的技术对策124 5）岩爆区段系统锚杆不宜过长，一般控制在23m，但其安设密度要求较大，即“短锚密布”，并呈梅花型布置。6）轻微或中等岩爆区段，采用素喷射混凝土即可；强烈或剧烈岩爆区段，宜采用纤维喷层。7）钢筋网在施作锚杆后立即安置，钢筋网宜采取挂“整体网”的方法。钢架架设间距不宜过密。（续上页）125 8）在估计有岩爆的地段，不得在爆破后立即进入开挖面附近，应设立观察时间。9）通过观察(一听响声，二看位置，三看方向)找出岩爆发生的前兆，逐步积累经验，开展岩爆预报。10）必要时，应采用AE法等方法预报岩爆的位置与规模。（续上页）126 秦岭终南山公路隧道东线最大埋深1640m，属高地应力水平，岩性以混合片麻岩为主，混合片麻岩属极硬岩，岩体完整。在开挖进程中发生岩爆，大部分地段为轻微-中等岩爆段，局部地段发生强烈岩爆。岩爆工程实例秦岭终南山公路隧道127128表 试验续建段岩爆发生段落序序号号里程桩号里程桩号岩性条件岩性条件岩爆情况岩爆情况埋深埋深1K75+180-K74+795混合片麻岩混合片麻岩岩石发生清脆的爆裂声响，似枪声，岩石岩石发生清脆的爆裂声响，似枪声，岩石被劈裂成棱块状、板状、透镜状岩片，厚被劈裂成棱块状、板状、透镜状岩片，厚度度520cm,个别达个别达3040cm；形成横断面；形成横断面呈三角形及梯形的岩爆坑，爆坑一般十几呈三角形及梯形的岩爆坑，爆坑一般十几厘米深，最深达厘米深，最深达150cm1640m2K74+610-K74+710混合片麻岩夹混合片麻岩夹大量云母片岩大量云母片岩残留体残留体岩壁有劈啪声响，岩石劈裂成板片状，厚岩壁有劈啪声响，岩石劈裂成板片状，厚度一般小于度一般小于10cm,个别大于个别大于10cm;岩爆坑深岩爆坑深数厘米至十几厘米，有时只有岩石爆落的数厘米至十几厘米，有时只有岩石爆落的新鲜爆裂面新鲜爆裂面1600m3K74+280-K74+510混合片麻岩夹混合片麻岩夹大量云母片岩大量云母片岩残留体残留体岩壁有劈啪声响，岩石劈裂成板快片状，岩壁有劈啪声响，岩石劈裂成板快片状，厚度一般小于厚度一般小于10cm,个别大于个别大于10cm;岩爆坑岩爆坑深数厘米至十几厘米，有时只有岩石爆落深数厘米至十几厘米，有时只有岩石爆落的新鲜爆裂面的新鲜爆裂面1600m（续上页）表6 西线标段岩爆发生段落表 序序号号里程桩号里程桩号岩性条件岩性条件岩爆情况岩爆情况埋深埋深1YK73+900-YK74+080YK75+400-YK76+200YK76+5620-YK77+375混合片麻岩混合片麻岩岩石发出清脆的爆裂声响，似枪声，岩石发出清脆的爆裂声响，似枪声，岩石被批裂成棱块状、板状、透镜岩石被批裂成棱块状、板状、透镜状岩片，厚度状岩片，厚度520cm，个别达，个别达30-40cm；形成横段面呈三角形及梯形；形成横段面呈三角形及梯形的岩爆坑，爆坑一般十几厘米深，的岩爆坑，爆坑一般十几厘米深，最深达最深达150cm.1430m2K74+080-YK74+200YK74+240-YK74+370YK76+280-YK76+390YK77+770-YK77+805混合性麻岩混合性麻岩夹大量云母夹大量云母片岩残留体片岩残留体岩壁有劈啪声响，岩石劈裂成板片岩壁有劈啪声响，岩石劈裂成板片状，厚度一般小于状，厚度一般小于10cm，个别大于，个别大于10cm；岩爆坑深数厘米至十几厘米，；岩爆坑深数厘米至十几厘米，有时只有岩石爆落的新鲜爆裂面有时只有岩石爆落的新鲜爆裂面1500m（续上页）129（1）岩爆发生的条件和特点 高地应力是导致岩爆发生的外部必要条件，但不是充分条件。软质岩与硬岩相临时，则岩爆往往发生在硬岩侧。岩爆的破坏形式主要为劈裂破坏与剪切破坏。岩爆区段一段较为干燥，有地下水出露的地方和断层带一般不会发生。（续上页）130（2）岩爆的分级及划分标准 轻微岩爆岩石破裂开始，主要表现为表面的压致拉裂。中等岩爆岩石进入稳定破坏阶段，表现为浅表部楔形的压致剪切破坏，一般情况下随发展破裂逐渐稳定。强烈岩爆岩石进入不稳定破裂阶段，表现为一定深度的楔形、弧形压致剪切拉裂或弯曲鼓折。承受的压应力超过岩石的抗压强度，岩爆有向深处发展的趋势。（续上页）131132秦岭终南山特长公路隧道岩爆裂度划分标准岩爆烈度岩爆烈度岩爆特征描述岩爆特征描述无岩爆无岩爆没有发自岩石的响声，无岩石应力引起的岩爆问题没有发自岩石的响声，无岩石应力引起的岩爆问题轻微岩爆轻微岩爆轻微的岩爆活动，新开挖岩爆有劈啪声响，岩石劈裂成板片状，轻微的岩爆活动，新开挖岩爆有劈啪声响，岩石劈裂成板片状，厚度一般小于厚度一般小于10cm；洞壁表面岩石被劈裂成为板状或透镜状岩石；洞壁表面岩石被劈裂成为板状或透镜状岩石松脱坠落，岩爆坑深数厘米至十几厘米，有时只有岩石爆落的新松脱坠落，岩爆坑深数厘米至十几厘米，有时只有岩石爆落的新鲜爆裂面；爆坑沿隧道轴向长度小于鲜爆裂面；爆坑沿隧道轴向长度小于10m，零星分布，零星分布中等岩爆中等岩爆中等程度的岩爆活动，岩石发出清脆的爆裂声响，似枪声，岩石中等程度的岩爆活动，岩石发出清脆的爆裂声响，似枪声，岩石被劈裂成棱块状、板状、透镜状岩片，厚度被劈裂成棱块状、板状、透镜状岩片，厚度520cm，个别达，个别达3040cm；洞内重复发生劈裂、剪断、弹射或松脱坠落，形成横断；洞内重复发生劈裂、剪断、弹射或松脱坠落，形成横断面成三角形、弧形及梯形的岩爆坑，有相当数量的岩石松脱坠落，面成三角形、弧形及梯形的岩爆坑，有相当数量的岩石松脱坠落，偶有小岩片弹射，爆坑一般十几厘米深，最深达偶有小岩片弹射，爆坑一般十几厘米深，最深达150cm；爆坑沿隧；爆坑沿隧道抽向长道抽向长1020cm，呈长状分布，呈长状分布强烈岩爆强烈岩爆剧烈的岩爆活动，洞壁、拱部立即发生剧烈的爆裂崩落、弹射，剧烈的岩爆活动，洞壁、拱部立即发生剧烈的爆裂崩落、弹射，发出巨大的声响，似炮声或雷声，岩石被劈裂成棱块状、板状、发出巨大的声响，似炮声或雷声，岩石被劈裂成棱块状、板状、片状，厚度一般大于片状，厚度一般大于10cm，最厚可达，最厚可达100cm；爆落岩石数量大，；爆落岩石数量大，洞壁形成大量超挖局面，洞形不规则；岩爆坑深几十厘米，最深洞壁形成大量超挖局面，洞形不规则；岩爆坑深几十厘米，最深可达可达200cm，沿隧道轴向长多大于，沿隧道轴向长多大于20m，多连续或成片分布，多连续或成片分布（续上页）（3）岩爆发生时间规律岩爆严重期岩爆严重期岩爆延缓期岩爆延缓期岩爆稳定期岩爆稳定期开挖开挖2h时内时内开挖开挖1星期内星期内开挖开挖1星期星期8个月个月开挖开挖8个月后个月后掌子面内岩爆掌子面内岩爆频繁，多为薄频繁，多为薄片，有脆裂响片，有脆裂响声，致密岩层声，致密岩层中，有闷雷响中，有闷雷响声声岩爆频繁，先岩爆频繁，先是响声，并伴是响声，并伴随有薄片状，随有薄片状，在硬岩中随着在硬岩中随着时间的延续，时间的延续，将产生大块层将产生大块层剥离剥离不定期发生岩爆，有不定期发生岩爆，有大量掉块发生或坍塌，大量掉块发生或坍塌，在主应力方向形成大在主应力方向形成大三角坑，此段时间对三角坑，此段时间对洞室影响较大洞室影响较大不定期有岩不定期有岩爆，一旦扰爆，一旦扰动将仍有岩动将仍有岩爆发生爆发生危险期，应力破坏期危险期，应力破坏期损坏期，应力重新分损坏期，应力重新分布期布期应力重新平应力重新平衡衡（续上页）133（4）岩爆段施工方法及治理措施 中等-强烈岩爆段采用大半断面开挖（底平面基本与隧道圆心齐平），及时进行喷、锚、网施工。采取短进尺，中等岩爆段循环进尺2m，日掘进2个循环，日掘进4m；轻微岩爆段循环进尺3m，日掘进2个循环，日掘进6m。（续上页）134 对于轻微岩爆段其工序为爆破后送风、喷水、找顶后即组织出渣、喷锚作业；对于中等岩爆段，爆破后不马上出渣先利用通风时间躲避，待岩爆减弱后喷水、找顶，从安全地带喷射混凝土至齐头，打设系统锚杆，再复喷，最后出渣，必要时采取先打设超前锚杆并向岩体中注高压水。采用自制简易钻孔台架，人工多钻、多层次作业，机动灵活，“岩变我变”，有利于紧急情况人员撤离，减少损失。（续上页）135 锚杆布置采用“短锚密布”，长2m左右，间距0.51.0m，这样容易挂网，可防止大块岩石坠落。在施工中为加快开挖进度采用了在径向锚杆端头间紧贴岩面加焊粗钢筋（22），并辅以细钢筋（8）相互纵横交错成网状，形成“整体网”来抵制岩石的爆落。通过观察（一听响声，二看位置，三看方向）找出岩爆发生的前兆，逐步积累经验，开展岩爆预报，减少岩爆产生的危害。（续上页）136 一般情况下，具备以下基本条件时可能发生岩爆：(1)岩体的强度50 MPa；(2)隧道埋深H100 m；(3)围岩类别、级；(4)地质构造较好，节理不发育，同时无较大的断层水、裂隙水等。岩爆的基本条件137归纳：改善围岩 加固围岩 安全防护138（1）强度理论（2）能量理论（3）刚度理论（4）岩爆倾向理论（5）失稳理论（6）断裂损伤理论（7）突变理论岩爆机理理论139（dER/dt）+（dEE/dt）dED/dt式中:围岩能量释放有效系数；矿体能量释放有效系数；ER 围岩所储存的能量；EE 矿体储存的能量；ED消耗于矿体和围岩交界处矿体破坏阻力的能量.南非 库克 等 我认为用弹性变形能理论来解释岩爆机理较为客观，即：“系统释放的能量大于岩体本身破坏所消耗的能量而引起的”。这种理论较好地解释了地震和岩石抛出等动力现象。140可以这样来描述岩爆：“在隧道开挖中，开挖周边（主要为掌子面、顶部、侧壁）的岩块突然飞溅而下，并伴随着巨大的叭叭声响，把这称为岩爆现象。该现象是由蕴藏在地层中的弹性变形能伴随着开挖而