高速公路岩溶发育区小净距隧道爆破震害控制关键技术研究

高速公路岩溶发育区小净距隧道爆破震害控制关键技术研究1、项目立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需要结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）1.1课题背景及研究意义我国是多山国家，75％左右国土都是山地，且江河纵横，海域宽阔。隧道工程在交通基础设施的建设中，起到越来越重要的作用。60至70年代，我国在干线公路开始修建一些百米以上的隧道。90年代建成的成渝高速公路的中梁山隧道、缙云山隧道，把我国公路隧道单洞长度提高到3000m以上。川藏公路上二郎山隧道（长4160m）、四川广安地区华蓥山公路隧道（长4634km）、云南楚大高速公路的九顶山隧道（长3204m）开创了我国山岭长大隧道的建设史。广州珠江沙面水下公路隧道建成通车和上海穿越黄浦江江底隧道(长度超过3000m)标志着我国水下沉埋隧道修建技术达到了新的水平。重庆铁山坪路隧道双线（全长5424m）、北京至八达岭高速公路的谭峪沟隧道、重庆市川黔公路的真武山隧道，辽宁沈大高速公路韩家岭隧道（亚洲最宽的四车道公路隧道）等，都是我国交通基础设施建设中成功的范例，在施工技术，以及在处理通风、塌方、瓦斯、地下水和营运管理与交通监控技术等积累了宝贵经验。进入21世纪10年来，我国公路网交通逐渐向崇山峻岭穿越，向离岸深水延伸。近年先后建成秦岭终南山隧道、上海崇明隧桥、厦门翔安海底隧道等重大工程。隧道工程建设面对地震、火灾和暴雨等灾害日益频发，面对高地应力、活动断裂、高寒、高海拔和富水等复杂地质条件，施工条件越来越恶劣，伴随着的是各种各样的安全事故。在我国境内，可溶岩的分布面积约占到国土面积的1/3左右[1]，几乎遍及各省市。可溶岩在构造作用和气候条件的综合影响下便形成了极其丰富的地表和地下岩溶现象，而这些岩溶现象对工程建设尤其是隧道施工带来的影响是比较严重的，表1为近年来几个较严重的隧道岩溶灾害实例。按照我国《国家高速公路网规划》和《中长期铁路网调整规划方案》，以及随着我国西部大开发战略的进一步推进和中部崛起战略的实施，势必导致岩溶隧道的建设规模超过历史上任何时期，给岩溶隧道建设的施工技术和相关规范的发展带来巨大的机遇与挑战。研究岩溶发育区隧道工程建设关键技术成为山区高速公路和铁路建设成败的关键技术之一。表1近年典型岩溶隧道灾害统计表岩溶不良地质现象社会经济损失黎湛线地基塌陷经济损失达到100多万元宜万铁路野三关隧道特大突水突泥10人死亡，经济损失1300余万元何家寨隧道岩溶涌水涌砂及地表塌陷工期延迟半年多，经济损失数千万元马鹿箐隧道2006年1月21日突水11人死亡京广复线大瑶山隧道突泥经济损失超过1000万元小净距隧道作为隧道结构的一种重要形式，由于在选线、土地征用、环境保护等多方面具有分离式隧道所不具有的优点，从而在公路和铁路建设中越来越多的采用。我国内昆线青山隧道，湘黔铁路复线新坪渠隧道、新坪口隧道、新柳潭隧道，宝成铁路复线须家河隧道，内昆铁路杨柳湾隧道等。在公路隧道方面，近年来这种结构形式逐渐被采用。在建的小净距隧道如下：宁波招宝山隧道，都汶紫坪埔隧道、福高速金旗山隧道、京福国道里洋隧道、泉州市丰泽街隧道、井冈山市石狮隧道等。正是由于小净距隧道这种结构形式的特殊性和实用性，使其逐渐成为解决特殊地质地形条件下公路线桥隧衔接、总体线型优化以及土地资源合理利用等问题的有效型式之一[2]。在未来的山岭高速公路的建设中，小净距隧道还将发挥更加重要的作用。然而，由于小净距隧道间距比较小，尤其在钻爆法施工时，左右洞爆破会相互干扰，就会出现应力相互叠加，甚至是应力集中，在此情况下洞周围岩的塑性区和变形进一步扩大，一旦超过围岩的强度，就会发生破坏，对工程安全产生重要的影响。围岩条件越差、中夹岩柱厚度越小，施工的难度就越大，工期就越长，对整条线路的影响也就越大。因此，针对岩溶发育区小净距隧道爆破产生的灾害控制技术研究，从爆破对岩溶地质的作用效果、爆破对先导洞支护结构的作用进行理论研究和应用技术研究，即是防止岩溶发育区隧道施工突水突泥地质灾害所必须解决的关键问题，也是保证小净距隧道施工中的安全与质量的重要措施，并为相关理论研究、技术规范修订提供科学依据和基础支持，具有重要的理论意义和工程实用价值。1.2国内外研究现状1.2.1岩溶隧道突水突泥控制技术研究DavidJ.Weary和RandallC.Omdorff等[3]利用岩层信息构件概念模型，以此了解岩溶地区铅梓矿对大溶泉的影响，认为沿着岩层面的溶管、溶洞提供了地下水补给、运动、排泄的通道。并通过对节理的走向进行研究，从而发现其是否控制溶洞或溶管的方向。国内外很多学者通过模型试验和数值模拟对岩溶规模及其空间位置对隧道工程影响分析进行了大量研究,得出了诸如溶洞在隧道的不同直径、不同位置对隧道有不同的影响，并确定安全施工范围[4,5]。李术才等沪蓉西高速公路隧道施工地质预报研究[6]提出了以工程地质综合分析为核心、直接探测与间接探测相结合、现场量测与室内分析计算相结合的施工地质超前预报学术思路,并初步建立了隧道施工地质超前预报系统。在岩溶隧道处治方面，国外多集中于工程技术手段研究来保证岩溶隧道结构性能和施工过程中的安全[7-9]。针对云雾山隧道、马鹿箐隧道、野三关隧道、大支坪隧道四座一级风险隧道中大型高水压充填溶腔在常规处理方法存在安全性难以保证、不够经济或工期较长等诸多不足的形势下，宜万铁路指挥部创造性地提出了“释能降压法”新工法，并得到成功应用[10，11]。涌泥，主要采用隧道外侧设堵截墙栏截、高压注浆对溶洞充填物进行改良、加固、长管棚截堵涌泥通道等措施。涌砂的治理，在洞内治水的同时进行堵排，并辅以地表治理措施，避免或减少因降雨和地表水携带大量泥砂物质通过落水洞等流人地下岩溶系统。研究认为[12~16]应根据岩溶洞穴的规模、洞穴围岩稳定情况和洞穴大小与工程建筑的关系，釆用跨越、堵塞、加固、绕避等处理措施。巨大的洞穴若使整个隧道悬空，处理复杂，则宜绕避。洞穴规模较大，但洞底标高与隧底标高基本一致，则对洞顶和边墙加固后可利用之。岩溶洞穴规模小于隧道洞径，采取上支下跨。对拱部用回填片石或加强衬棚。对洞壁、洞顶用锚杆、拱架等加固。对边墙部位用片石回填或片石混凝土加固后跨越。洞穴若在險底以下，应对洞穴顶板进行稳定性分析，若洞穴顶板安全厚度满足设计要求，可不作处理通过。若稳定性差，应采用回填片石等后在隧底设加筋混凝土盖板，或以梁拱桥式结构跨越。有关岩溶区溶洞对隧道工程影响的研究，除涌水和突泥之外，当前主要集中在以下几个方面[17,18]：—是有关岩溶区隧道影响范围内溶洞的发育规律及其探测问题;二是岩溶隧道灾害的超前预报、灾害的防治措施和岩溶隧道的施工技术等;三是不同形态和尺度溶洞引起的隧道稳定性问题研究,主要研究不同规模、位置的溶洞对隧道位移场、应力场和隧道支护结构内力变化的影响及对隧道施工动态的影响。这几个方面的研究是相互联系,互相促进的。其中,岩溶发育规律研究是基础研究,在详细勘察基础上查明隧道影响范围内溶洞的位置、大小、充填情况及稳定性;在此基础上分析不同形态溶洞对隧道围岩应力场、位移场、塑性区和支护结构内力等的影响，评价隧道体系的稳定性,为岩溶区隨道的施工提供必要的技术支持，减少施工的盲目性，预防隧道岩溶灾害发生。1.2.2小净距隧道施工技术研究在我国，小净距隧道尚为新型隧道结构型式。在日本及欧美等隧道修建技术比较发达的国家，从上世纪70年代就开始了小净距隧道的相关研究。但因小净距隧道结构的特殊性和设计施工技术的复杂性，现在仍然是各国隧道工程领域的重点研究对象。T.川田等[19]结合田真新镇干线公路上的尾山大理隧道对小净距隧道设计、开挖方式进行了系统研究。Hirishi.Kuriyama等人[20.]结合福岗市地铁3号线对岩柱加固方法!监控量测进行了研究，并进行了三维数值模拟分析。K.W.LO等[21]对四孔平行隧道作了多隧道相互影响的现场量测试验，研究了多孔隧道施工的相互影响，得出了当另外三条开挖完成后，第四条隧道开挖时的内力及弯距图。E.siman、H.Duddeck和H.Ahrees[22]采用有限元数值分析，得出了与单孔隧道的分析相对应的、在应力及位移上相对变化的双孔隧道解。B.R.wu等[23]分析了两条软土盾构隧道的衬砌变形和地层移动量测结果，揭示出施工过程和施工工艺对它们的影响。2000年，钟世航等[24-26]以宁波招宝山隧道为依托，进行了并行隧道超小净距施工技术研究，并在Ⅲ、Ⅳ级围岩净距3.5~4.2m下取得了成功。2001年田尚志等[27]以矿山法施工的深圳地铁一期工程老街一大剧院区间双孔重叠、交错隧道为背景，以平面计算分析得到的结论为指导，利用三维有限元施工动态模拟及模型实验，得到了先行洞室的应力、结构内力、位移和围岩应力，地表位移的影响范围，还对各指标与围岩类别、两洞净距及相互位置的关系进行了考察。同年刘伟等[28]提出在研究山区高速公路结构选型时，研究了小净距隧道的设计施工技术，并在京福路上进行了实践。在我国,有很多已建成的小净距隧道工程,目前国内小净距隧道的轴线间距一般为13~32m，净距为2-8m，最小的中夹岩厚度仅为1.27m，远远小于现行规范的规定。通过这些项目，科研、设计与施工技术工作者也展开了一些研究工作,研究内容主要集中在爆破振动控制、量测[29-33]，对开挖的数值模拟[34-39]施工技术探讨等方面，取得了一些初步的成果。1.2.3爆破对隧道结构影响控制林从谋、逄焕东、王其升等[39]运用实际爆破地面振动监测结果,建立BP神经网络模型,用以预报隧道爆破振动速度峰值,效果比传统经验法好。肖清华,张继春,夏真荣[40]建立BP神经网络模型,网格输入参数定为炸药单耗、隧道断面面积、进尺、掘进孔孔距和周边孔孔距,提出了新的网络学习约束条件,加快模型求解收敛速度。林丽群,林从谋,蔡丽光等[41]建立BP神经网络模型预测小净距隧道爆破振动,成功应用于实践,结果表明BP神经网络法预测的结果误差较小。刘国华,王振宇[42]指出结构不同部位的动态响应受隧道形状、岩性及其初始应力状态的影响，并依据加权双剪强度准则，提出了邻近爆破安全评估方法以及合理制定爆破方案的方法。张继春，曹孝君，郑爽英[43]在人和场隧道工程的大量地表爆破震动效应试验数据基础上，研究地表震动特性及其变化规律，发现掘进后方的爆破地震波不符合萨道夫斯基规律，较早地在隧道工程中引入“空洞效应”概念。曹孝君[44]在人和场隧道现场爆破试验基础上，研究地表的震动机理及规律，发现：捣槽孔产生的爆破震动最强烈，振幅最大；浅埋隧道开挖区地表存在空洞效应，并结合有限元法进行研究，提出了振动速度差值和振动速度放大系数两个描述指标，探讨了空洞效应影响因素及其对建筑结构的影响。喻军，刘松玉，童立元等[45]用爆破振动仪器对后云台山隧道沿纵向进行了大量爆破震动监测，分析监测结果数据，发现了空洞效应的存在,找寻其影响因素，并研究了空洞效应对安全控制标准、安全距离的影响,最后釆用数值模拟方法对结论进行了验证。杨云凌[46]依托长沙地铁二号线地铁隧道工程，运用AYSYS-AUTO-DYN程序对隧道掘进爆破震动进行了二维数值模拟，介绍了隧道掘进爆破空洞效应，并探讨了爆心距、隧道埋深、隧道断面尺寸在该工程中对空洞效应的具体影响。肖文芳、肖文涛、房泽法[47]把隧道现场振动监测数据和数值模拟结果进行对比，发现结果较吻合。证明了数值模拟方法在研究隧道爆破震动效应中的可行性。刘玉山[48]等人通过对十漫高速公路的大轩岭隧道进行爆破振动监测,研究了小净距隧道施工中的爆破振动控制要点以及隧道开挖时的爆破地震波衰减规律，从而更好地对隧道开挖爆破施工进行稳定性控制，保证隧道工程建设的顺利进行。申玉生[49]等通过现场测试，分析研究了近距离爆破对既有隧道周边振动场分布和振动速度衰减规律。杨光[50]通过ANSYS数值模拟方法,研究了既有險道衬砲具有不同深度裂缝和脱空程度不同时，衬砌重要部位质点的振速