城市矿山法隧道施工安全与风险控制

LOGO城市矿山法隧道施工安全与风险控制仇文革教授西南交通大学2011年9月青岛引言1围岩变形特征与破坏机理2施工安全与风险控制3内容提要近接建（构）筑物施工4引言1一、城市隧道的基本环境特征1.地质类型（1）土质（长三角地区等）一、城市隧道的基本环境特征1.地质类型（2）土岩混合土石上软下硬青岛、大连等石石土广州、深圳等忽软忽硬一、城市隧道的基本环境特征1.地质类型（2）硬岩（北欧）一、城市隧道的基本环境特征2.埋深特点普遍较浅（中国）一、城市隧道的基本环境特征3.周边环境邻近既有建（构）筑物施工相互影响大，风险高二、城市矿山法概述1.全断面开挖法l-全断面开挖；Ⅱ-衬砌全断面一次开挖法二、城市矿山法概述1.全断面开挖法适用条件1）整体性好的围岩；2）有大型施工机械；3）适于采用大型机械化配合施工。优点缺点二、城市矿山法概述2.台阶法台阶法根据台阶长度不同,可划分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种。二、城市矿山法概述（1）长台阶法。上台阶一般50m以上或大于5倍洞径，上下步可采用同类机械平行作业。优缺点：干扰少、机械配套、通风和测量工作简单、可进行单工序作业，但要求围岩稳定性较好。（2）短台阶法。上台阶长度小于5倍大于1～1.5洞径。优缺点：可缩短仰拱封闭时间，利于开挖面稳定，但上下台阶作业干扰较大。（3）超短台阶法。上台阶长度仅3～5m，适用于机械化程度不高的地段。优缺点：断面闭合较快，利于开挖面稳定，但上下台阶作业干扰很大。二、城市矿山法概述2.台阶法至于施工中究竟采用何种台阶法（长、短、超短），要根据以下两个条件来决定：初次支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短；上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备施工场地大小的要求。二、城市矿山法概述3.分部开挖法分部开挖法可分为：环形开挖留核心土法、侧壁导坑法、中隔壁法（CD法和CRD法）、中洞法等。二、城市矿山法概述3.分部开挖法环形开挖留核心土法二、城市矿山法概述3.分部开挖法侧壁导坑法单侧壁导坑法双侧壁导坑法返回二、城市矿山法概述3.分部开挖法中隔壁法CD法CRD法二、城市矿山法概述3.分部开挖法中洞法在连拱隧道或分叉隧道的喇叭口地段,先开挖两洞之间的立柱(或中墙)部分,完成立柱(或中墙)混凝土浇筑后,再进行左右两洞开挖的施工。二、城市矿山法概述4.其他一些适合于特大断面隧道开挖方法二、城市矿山法概述4.其他一些适合于特大断面隧道开挖方法预衬砌法盾构辅助法围岩变形特征与破坏机理2一、隧道开挖后的围岩变形特征沉降影响范围一、隧道开挖后的围岩变形特征土体移动的空间效应横向断面地层沉降形状°=15.6一、隧道开挖后的围岩变形特征土体分层沉降示意图一、隧道开挖后的围岩变形特征地层移动的时间效应一、隧道开挖后的围岩变形特征地表下沉曲线掌子面隧道施工沉降固结沉降施工沉降前期沉降地层损失理论地层移动由地层损失引起，并认为地表沉陷槽的体积应等于地层损失的体积。该法的理论基础是:在隧道施工过程中产生了一定的地层损失，相当于从地层中挖去一块岩土体，形成一个空洞，从而导致上部的岩土体产生移动和变形，最终该空洞被填充，而在地表则形成体积等于空洞体积的沉降槽。一、隧道开挖后的围岩变形特征应该说，隧道开挖后，围岩的变形是不可避免的，但是如果在开挖后及时采取有效措施，则围岩变形处于可控范围，反之，在围岩变形超过某一极限值后发生塌方。二、隧道塌方机理二、隧道塌方机理二、隧道塌方机理施工安全与风险控制31）有效支护2）隧道埋深选择3）曲线变轨4）各分部开挖的贡献率5）掌子面的预加固6）信息化施工有效支护隧道埋深选择将隧道建在合适的深度，减小施工风险曲线变轨利用曲线变轨原理，根据先前监测数据预测有可能塌方时，提前改变施工方法或支护参数，使其沉降曲线改变原有轨迹，朝安全、稳定方向发展。各分部的贡献率A通过分析各分部对拱顶沉降的贡献率，做到“好钢用在刀刃上”，重点控制主要块，快速施工次要块。掌子面和侧墙对某点沉降的贡献率-50-45-40-35-40-2002040推进工作面位置(m)拱顶弯距(KN.m)径向锚杆固然重要，掌子面变形引起的土体变位也不容忽视。有时掌子面前方的超前锚杆显得更为重要。如“新意法”理念就是重视掌子面前方锚杆作用。未有超前加固措施的超前加固后用玻璃纤维筋加固前方土体信息化施工作为新奥法三大要素之一的信息化施工，对于施工安全控制至关重要。信息化施工近接建（构）筑物施工4一、基本概念三大基本类型：（1）新建工程接近既有隧道施工(2)新建隧道接近既有工程（3）两条及以上隧道近距离同期施工一、基本概念近接施工最主要的问题是新建工程将会对既有工程原来的稳定性产生影响。这种影响最本质的原因是由于新建工程的施工引起围岩应力状态再次重分布，从而导致一系列的力学行为变化。这种受力特征会因工程修建的时间先后关系、空间位置关系及其施工方法的不同而不同。二、近接影响分区建筑荷载下的地基附加应力场二、近接影响分区单一隧道的二次应力场影响范围λ=01.1σy2.67r3σy1.01σy7.27rλ=11.01σy10r1.1σy3.16r2σy二、近接影响分区由于建筑物地基的附加应力影响和隧道开挖引起的应力重分布都是局部的。从相距的远到近，有一个应力场逐渐叠加的过程。二、近接影响分区近接施工的影响不仅存在着局域性，而且在局部的范围内应力重分布是有梯度变化的，这也表明影响程度是不同的，因此提出近接施工影响分区及标准。二、近接影响分区既有规范，我们认为仅适用于软土硬岩地层评判指标：安全系数实现方法：强度折减法多工况数值模拟安全系数计算结果考虑相对尺度的影响，分别计算了“隧道-建筑物”相对尺寸（D/B）为2、1、1/2的三种情况对三种计算工况进行规律分析，建立影响分区如下：青岛胶州湾海底隧道接线工程应用5.47.67.65.42.716.22.77.65.4无影响区7.65.455.0弱影响区强影响区16.235.013.71号楼房5.47.616.210.87.65.416.210.87.65.47.65.4无影响区弱影响区强影响区16.234.94号楼房10.811.3对于上软下硬地层：（1）上面软层借鉴日本既有规范；（2）下面硬层与上述计算方法同。青岛胶州湾海底隧道接线工程应用混7弱影响区无影响区强影响区智荣中学砖3强影响区弱影响区无影响区二、对策研究（1）对既有隧道或工程采取措施(2）对新建隧道或工程采取措施（3）对既有工程和新建工程之间的围岩采取措施（硬岩、软岩有别）对于强影响区的对策研究再来一个我们以往的案例：深圳重叠隧道深圳地铁一期工程1号线:◇深圳建市以来政府投资最大的国家重点工程项目◇线路全长17.39Km，设车站15座◇由深圳市地铁有限公司承担建设管理◇全线于2000年开工，03年完成土建施工，04年12月建成通车2）依托工程概况1、概述-近接施工基本概念及工程背景2）依托工程概况1概述本课题《地铁重叠隧道设计与施工关键技术研究》是结合地铁1号线罗大段工程的修建进行的。罗大段工程：位于深圳罗湖区，起于深圳火车站，出火车站后往北沿人民南路，邻罗雨干渠,在嘉宾路口设国贸站，出国贸站往北穿越深南东路后进入东门商业区，在此设置老街站（与地铁3号线换乘），出站后往西沿解放路在红岭中路与深南中路交叉口西侧设大剧院站。香港特区2）依托工程概况1概述罗大段线路:◇全长约2.8Km◇含4站3区间（含桩基托换工程）◇土建投资约7.48亿元◇由铁二院设计◇由中铁隧道局等单位施工3）工程特点和难点1概述（1）工程穿越城市繁华商贸中心区，环境异常复杂国贸站利联广场布吉河电影大厦A7（外扩A2地下室）和平广场（A40）国贸大厦天安国际（A40）金辉大厦（A32）南塘商业广场（A18）下穿华中酒店3层群楼下穿百货广场大楼9层裙楼3层地下室永新商业城（A9）中海商城华胜商厦（A12）深房广场（A52）中旅大厦（A17）天虹商场（A6）深圳邮电局（A15）深建司（A7）东门商业区下穿广深高速铁路3线高架桥下穿人民桥桥台下穿深南东路人行天桥并行下穿路中罗雨干渠下穿布吉河横穿路中笔架山渠国贸站人民南路罗湖区（人口密度：9821人/平方公里）国大段线路三站两区间长1778.6km，土建投资近5.8亿元3）工程特点和难点1概述（2）区段地层上软下硬，地下水位高，地质条件差罗雨干渠地下水位线地下水位线国老区间地质纵断面图总体看：★地层“上软下硬”：上部主要为软弱的砾质粘性土和砂层，下部（局部）为强度较高的微风化层；★高地下水位：地下水位埋深约3.7m，隧道位于地下水之中；★土质围岩工程特性很差：花岗岩全风化层及残积土，遇水及扰动后极易软化崩解，强度迅速降低；★F4断层及次生断层：破碎，围岩自稳性很差；★国大区间围岩条件统计：“上软下硬”段长度占总长50.0%；软岩段占38.5%；硬岩段占11.5%。3）工程特点和难点1概述（3）重叠隧道规模大，空间转换复杂，技术难度和风险大◇双洞重叠隧道净距小（1.6m～10.8m）。全段隧道空间转换复杂。1.6m13.0～15.6m2号竖井技术难点：①重叠线型设计与结构形式选择②双洞重叠近接影响分析与评价③设计分段与支护参数确定工程经验缺乏3）工程特点和难点1概述（4）隧道浅埋，采用浅埋暗挖法施工，沉降控制要求高★拱顶埋深9～16m，最小在布吉河河底；★罗国区间围岩总体软弱，采用盾构法施工；★国大区间多处正穿既有建筑基础，处理难度大，且局部遇硬岩，施工困难，因此采用浅埋暗挖法施工；★地面建筑密集，道路及地下管线纵横交错，沉降控制十分严格；★在饱和含水地层中采用浅埋暗挖法施工，地层易失水，沉降控制有较大难度。④双洞施工顺序与施工间距的确定⑤单洞双层隧道浅埋暗挖法施工方法⑥不同洞型空间转换方法⑦沉降控制及困难地段辅助施工方法工程经验较缺乏或较少技术难点：3）工程特点和难点1概述（5）近接建（构）筑物多，相互影响十分严重（6）桩基托换类型、数量多，单体规模大，难度大风险高2浅埋暗挖法两隧道的近接度标准分析图：一洞室埋深10m，另一洞室沿其四周分布于不同位置2浅埋暗挖法两隧道的近接度标准1）数值分析判定标准：塑性区和最大主应力重分布的双重标准。计算系列：总共38组，见下表。上/下洞埋深两洞连线的水平角度两洞净距施工顺序上洞埋深10m/下洞埋深变化-90°0.5D、1.0D、1.5D、2.0D、3.0D“先上后下”“先下后上”-60°1.0D、2.5D-45°0.5D、1.0D、1.5D、2.0D-30°1.0D00.5D、1.0D、1.5D15°1.75D30°2.0D45°1.1D90°0.5D2浅埋暗挖法两隧道的近接度标准1）数值分析限于篇幅，以两洞水平进行分区判定说明。单洞开挖净距0.5D净距1.0D净距1.5D0.5D时，塑性区贯通；1.0D时，强影响区和弱影响区的分界点；1.5D时，近接影响忽略不计。2浅埋暗挖法两隧道的近接度标准1）数值分析近接影响分区图2浅埋暗挖法两隧道的近接度标准1）数值分析近接影响分区图2浅埋暗挖法两隧道的近接度标准1）数值分析3重叠隧道设计与施工技术1）重叠隧道设计分段2）重叠隧道施工顺序3）重叠隧道工作面合理间距4）不同洞型空间转换方法主要内容：3重叠隧道的设计与施工技术（1）数值模拟——计算模型模型概述：重点分析重叠及交错隧道段，纵向范围为CK2+360～CK2+390单洞双层段30m，CK2+390～CK2+560双洞段170m，共长200m，隧道断面范围为80m（宽）×75m（高）。整体模型图典型断面图隧道结构图研究方法3重叠隧道的设计与施工技术（2）模型试验——试验模型概述：围岩为V级；施工顺序为“先上后下”；考察开挖下洞对上洞衬砌的影响。整体模型图衬砌试件研究方法3重叠隧道的设计与施工技术1）重叠隧道设计分段研究（1）深圳重叠隧道近接度分区按照深圳地铁重叠线路隧道实际洞型分布形态，得出该工程两隧道近接影响程度判定结果3重叠隧道的设计与施工技术（1）深圳重叠隧道近接度分区与日本铁路隧道近接度分区标准相比：在下