双曲隧道
注册消防工程师《消防安全技术实务》城市交通隧道防火31道(带答案解析)
消防技术实务(一级)第 1题：单选题(本题1分)一、二类隧道应设置火灾自动报警系统，通行机动车的三类隧道宜设置火灾自动报警系统。
隧道出入口和隧道内每隔（）m处，应设置报警按钮。
A.50～100B.100～150C.200～300D.250～300【正确答案】：B【答案解析】：《建筑设计防火规范》12．4．2一、二类隧道应设置火灾自动报警系统，通行机动车的三类隧道宜设置火灾自动报警系统。
火灾自动报警系统的设置应符合下列规定： (1)应设置火灾自动探测装置：(2)隧道出入口和隧道内每隔100～150m处，应设置报警电话和报警按钮：(3)应设置火灾应急广播或应每隔100～150m处设置发光警报装置。
考点：《建筑设计防火规范》12．4．2(本题目解析以规范为准)第 2题：单选题(本题1分)某长度为1400m的城市交通隧道，顶棚悬挂有若干射流风机，该隧道的排烟方式属于（）方式。
A.纵向排烟B.重点排烟C.横向排烟D.半横向排烟【正确答案】：A【答案解析】：本题考查隧道的机械排烟。
发生火灾时，隧道内烟气沿隧道纵向流动的排烟模式为纵向排烟模式，这是一种常用的烟气控制方式，可通过悬挂在隧道内的射流风机或其他射流装置、风井送排风设施等及其组合方式实现。
第 3题：单选题(本题1分)某地区有一条城市交通隧道，长度为1500m，按照防火规范要求，隧道内设置了各种消防设施，下列关于隧道设置机械排烟系统的说法中，正确的是（）。
A.采用纵向排烟方式时，排烟纵向气流速度不应小于2m／sB.排烟风机应能在280℃下连续正常运行不小于2hC.排烟管道的耐火极限不应低于2hD.机械排烟系统与隧道的通风系统应共用【正确答案】：A【答案解析】：本题考查隧道的机械排烟。
隧道内设置的机械排烟系统应符合下列规定： (1)采用全横向和半横向通风方式时，可通过排风管道排烟。
(2)采用纵向排烟方式时，应能迅速组织气流、有效排烟，其排烟风速应根据隧道内的最不利火灾规模确定，且纵向气流的速度不应小于2m／s，并应大于临界风速。
组合双曲线法在高铁路基沉降预测中的应用
组合双曲线法在高铁路基沉降预测中的应用李华东【摘要】高速铁路路堤普遍采用堆载土预压的施工方法加速路基的固结沉降.由于预压土荷载的快速施加,路基沉降曲线在填筑期与预压期之间常出现较为明显的变化.本文在总结和分析三点法、双曲线、指数曲线、泊松曲线、经验系数矫正法等路基沉降预测模型特点和适用性的基础上,基于传统双曲线沉降预测模型,提出一种适用于堆载预压工况下的高铁路基沉降预测方法——组合双曲线法.组合双曲线沉降预测模型考虑了堆载预压后沉降速率突然变大,将模型方程按照路基本体填筑期和堆载预压期分为两个阶段,分别进行参数确定.将组合双曲线沉降预测模型应用于京沈高铁某路基段,并与其他传统沉降预测模型计算结果进行对比,验证了组合双曲线法的适用性.【期刊名称】《铁道建筑技术》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】5页(P138-141,146)【关键词】组合双曲线法;高速铁路;路基;沉降预测【作者】李华东【作者单位】中铁十六局集团第二工程有限公司天津 300162【正文语种】中文【中图分类】U213.1571 引言近年来中国在高铁建设上取得了举世瞩目的成就，从2008年我国第一条时速350 km京津城际开通运营，截至2018年我国高铁运营里程已达2.5万km。
中国国家发展改革委指出“十三五”期间全国铁路营业里程达到15万km，其中高速铁路3万km，可以看出高速铁路建设仍是重中之重。
高铁的高速性和舒适性依赖于线路的平顺性，而线下构筑物的变形量和稳定性是决定线路平顺的关键。
大量工程实践［1-5］表明铁路路基沉降变形问题是造成铁路运行事故的主要原因，而通过沉降预测判断路基沉降是否趋于稳定从而确定最佳铺轨时间是在施工阶段保证高铁服役期安全运行的重要手段。
高速铁路桥涵、隧道、路基的沉降预测方法有指数曲线、双曲线、泊松模型、灰色理论、三点法［6-7］等。
高铁路基施工过程主要包括填筑施工［8］和预压土堆载施工［9］，在填筑完成进行堆载预压时，由于荷载施加较快易出现沉降速率突变，沉降曲线呈现较为明显的断层现象。
双城隧道施工中监控量测的应用
第凡 天 的总下沉量为
ｈｎ＝ ・
其 中， ｈ 为第 ｉ 次 量测 的拱 顶下 沉量 （ ｍ ｍ）． 拱 顶下 沉 量 测 每 断 面布 置 １ ～ ３个 测 点 ， 各 测 点 位置 如 图 ２所示 ．
易受其顶部第 四系潜水影 响 ， 易发 生泥岩软化 现
象， 影 响 围岩稳 定性 ． 双城 隧道 远景 图如 图 １所示 ．
２ 监 控 量 测 组 织 实 施 方 案
结合双城 隧道 的实际情况 ， 根据 Ｊ Ｔ Ｊ ０ ４ ２ —９ ４
《 公路隧道施工技术规范》 ， 设计 了双城 隧道施 工
监 测 方 案． 监 测 的 主要 内容 有 ２个 必 测 项 目 ， 分别 是净 空 收敛 量 测 及 拱 顶 下 沉 量 测 ， 和 ３个 选 测 项 目， 分别 是地 质 与支 护状 况观察 地 表沉 降量 测和 锚 杆拉 拔试 验 ． 文 中 主要 研 究 了其 中的 ２个项 目， 即 净 空 收敛量 测及 拱顶 下沉 量 测． 周边 收 敛及 拱 顶 下 沉是 隧道 围岩应 力状 态变 化 的最直 观反 映 ， 量测 周
ｂ＝（ １ ｘ 、 Ｙ 、 ） ／ （ １ ｘ 、 、 ） ＝０ ． ２ １ ６ ／ ０ ． ９ ２＝０ ． ２ ３ ５ ，
６ ｌ ，＝Ｙ、一 ｂ ｘ、＝０． ０ ８ ５— ０ ． ２ ３ ５ ×０ ． ２１ ６＝０ ． ０ ３ ４．
即 １ ／ ｙ＝０ ． ０ ３ ４ ＋０ ． ２ ３ ５× １ ／ ｘ．
面在这段时间内的收敛值 ， 其累计值就是这个断面 的周边收敛值． 各测线相邻 ２次测量的收敛值为
△Ｕｉ＝ Ｒ 一 １一 Ｒ ．
第 凡次 的总 收敛 值为
＝
∑△ ．
盾构施工技术在地下空间开发中的应用
盾构施工技术在地下空间开发中的应用地下空间的开发和利用已经成为了现代城市发展的一个重要方向。
无论是地铁、公路、隧道、地下商场，还是地下车库等，都离不开盾构施工技术。
盾构施工技术作为地下空间开发的主要手段之一，不仅提高了开发效率，而且也保证了工程的施工精度和质量。
下面我将介绍盾构施工技术在地下空间开发中的应用及其优缺点。
一、盾构施工技术的概述盾构是一种先进的隧道施工方法，是指借助于现代化机械设备，以一台具有推进和支撑集双重功能的巨大掘进机完成隧道的掘进和支撑。
盾构机主要由库仑轮、推进液压缸、推进伺服阀、切削盘、螺旋输送器、混凝土泵等组成。
盾构具有工程量大、工期短、环境友好、过程自动化、施工精度高等优点，成为隧道工程中重要的掘进方式。
二、盾构施工技术的应用盾构施工技术广泛应用于地铁、道路、水利、建筑等诸多领域。
1.地铁随着城市交通的发展趋势，地铁作为城市主要交通工具，其建设也越来越成功。
盾构技术在地铁工程中的应用也越来越广泛。
以北京地铁1号线为例，全线28.1公里的地下工程中，只有2.6公里采用了传统的明挖法。
其他部分均采用盾构机进行掘进，盾构机细分为机械式盾构机和液压式盾构机。
机械式盾构机主要包括双曲线盾、抛物线盾、圆道式盾、全断面盾等。
液压式盾构机主要包括间歇推进式盾、单面支撑式盾、全断面液压式盾构机等。
此外，盾构机还可以组成一个大型的盾构机群，共同完成大型地铁建设目标。
2.道路在市政建设中，盾构机也被广泛应用于隧道、水利、地下商场等工程的建设。
以厦门市市政建设为例，厦门大桥、厦门海沧隧道、厦门双福隧道等著名隧道均采用了盾构施工技术，提高了城市交通的效率和便捷性。
3.水利在水利工程中，盾构机主要应用于水库大坝建设、排水渠建设、修复和维护河道等方面。
例如，多年来一直存在河堤决口和移民居住区泛滥的福建全福堤段，采用了盾构施工技术后，可以有效地修复道路和减缓泛滥寻访以及边坡塌滑等问题，提高了周边居民的生活质量。
双曲线和抛物线复习
双曲线和抛物线复习【典型例题】【双曲线A】例1. 已知圆C方程为，定点A（－3，0），求过定点A且和圆C外切的动圆圆心P的轨迹方程。
解析：∵圆P与圆C外切，∴|PC|＝|PA|＋2，即|PC|－|PA|＝2，∴由双曲线定义，点P的轨迹是以A，C为焦点，2为实轴长的双曲线的左支，其中，故所求轨迹方程为点评：在利用双曲线第一定义解题时，要特别注意对定义中“绝对值”的理解，以避免解题时出现片面性。
当P满足时，点P的轨迹是双曲线的一支；当时，点P的轨迹是双曲线的另一支，当时，点P的轨迹是两条射线。
不可能大于。
例 2. 如图，以和为焦点的椭圆的离心率，它与抛物线交于两点，以为两渐近线的双曲线上的动点P（x，y）到一定点Q（2，0）的距离的最小值为1，求此双曲线方程。
解析：由条件知，椭圆中则∴椭圆方程为。
解方程组得两点的坐标分别为（3，2），（3，－2）。
∴所求双曲线的渐近线方程为又Q（2，0）到的距离为所以双曲线的实轴只能在x轴上。
设所求双曲线方程为，则，方程化为，得∵P（x，y）在双曲线上，∴①当，即时，当时，解得∴所求双曲线方程为②当，即时，当时，解得或（舍去），∴所求双曲线方程为综上，所求双曲线方程为或点评：待定系数法是求曲线方程最常用的方法之一。
（1）与双曲线有共同渐近线的双曲线方程可表示为；（2）若双曲线的渐近线方程是，则双曲线的方程可表示为；（3）与双曲线共焦点的双曲线方程可表示为；（4）过两个已知点的双曲线的标准方程表示为；（5）与椭圆有共同焦点的双曲线方程表示为＝1利用上述结论求关于曲线的标准方程，可简化解题过程，提高解题速度。
例3. 已知双曲线的中心在原点，焦点在坐标轴上，离心率为，且过点。
（1）求双曲线方程；（2）若点M（3，m）在双曲线上，求证：；（3）求的面积。
解析：（1），∴可设双曲线方程为∵过点，∴，即，∴双曲线方程为（2）由（1）可知，双曲线中，∵点（3，m）在双曲线上，∴故（3）的底，的高点评：双曲线的标准方程和几何性质中涉及到很多基本量，如“a，b，c，e”等，树立基本量思想对于确定曲线方程和认识其几何性质有很大帮助．另外，渐近线是双曲线特有的，双曲线的渐近线方程可记为.同时以为渐近线的双曲线方程可设为（）。
双曲拱桥横向分布实用算法探讨
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第 ４期
２１ ０ １年 ７月
肋 那边 无法分 配 的数值都 加在最 外边 的肋 上 。根据
反力 分 配 关 系 ， 可得 反 力 影 响 线 。 该 法 由文 献 Ｅ－ ＩＩ
Ｍ ｌ ２ ｌ ＦＭ Ｍ Ｍ Ｍ Ｈ ｉ
式 中 ： 、 分 别 为基本 结 构 中 由单 位 未 知力 ｘ ＭｉＮ ＝ １引起 的弯 矩 、 力 ； 、 轴 Ｍｙ Ｎ，分 别 为基 本 结构 中 由
对于 跨 连续梁 ， 单 位力 Ｐ一１作用 在原 结 假设 构 的支座 处 ， 表示 此 时支 座 ｉ 的多余未 知 力 ，
公 Ｈ ｉ ｈ ｙ Ａｕ 与 ｏｉ ｅ ｇ ｗａ ｓ 路 ｔ ｍ ｔ汽 ｐｌｃ ｔｏ ｓ ｏ ｖ 运 ｉｎ Ａｐ ｉａ
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第 ４期 ２１ ０ １年 ７月
双 曲拱桥 横 向分布 实用 算 法探 讨
童林
（ 南省 高速 百 通 建 设 投 资 有 限公 司 ，湖 南 长 沙 湖 ４００） １０ １
弹 性 系 数 Ｃ 表征 裸 拱 拱 顶 弹性 支 承 的 变 形 特
（） ３
征， 即单 位支 承力 所 引起 的支 承竖 向位 移 。假 设 各 支 承 的弹性 系数 Ｃ为 常 数 ， 各跨 即各裸 拱 的抗 弯 刚 度 ＥＩ 抗压 刚度 Ｅ 中距 Ｚ 、 Ａ、 也为 常数 ， ａ ＥＩ ／ 令 ＝６ Ｃ
表示 Ｐ一１作 用 在基 本 结 构 的支 座 时支 座 ｉ 的反
图 ３ 解 析解 计 算 示 意 图
力， 则对于 一１ 个多余 约束 ， 可列 出 一１ 方程 ： 个
（ ４
＋ （ １
隧道控制测量和监控量测
一、洞内外控制测量
2、隧道洞外控制测量
按《工程测量规范》要求，隧道施工独立控制网旳边长投影变形值 要不大于2.5cm/km。从上表能够看出该隧道控制网达不到精度要求，为 了减小投影需建立独立网。
该隧道独立网采用既变化投影面又变化投影带旳措施。该独立网是 在北京54椭球下，以勘测网中隧道进口GPS9201点作为约束点起算，以 GPS9201-GPS9209方向作为约束方向，中央子午线 ，投影面高程H=332.10m。
一、洞内外控制测量
一、洞内外控制测量
2、隧道洞外控制测量
以某一长大隧道为例，该隧道东西走向，长约8km，中间设一斜井。该 区布设了勘测网（北京54参照椭球，0米投影面，中央子午线经度为 1 1 8 ° 1 5 ′ ） ， 在测区共加密12个点GPS9201-GPS9212.
一、洞内外控制测量
2、隧道洞外控制测量
二、隧道监控量测
5、监测资料整顿及数据分析
回归分析是量测数据数学处理旳主要措施，经过对量测数据回归分 析预测最终位移值和各阶段旳位移速率。详细措施如下： 1 将量测统计及时输入计算机系统，根据统计绘制纵横断面地表下 沉曲线和洞内各测点旳位移u-时间t 旳关系曲线。 2 若位移-时间关系曲线出现反常，表白围岩和支护已呈不稳定状态， 加强监控量测频率，必要时将暂停开挖并进行加强支护处理。 3 当位移-时间关系曲线趋于平缓时，进行数据处理或回归分析，从 而推算最终位移值和掌握位移变化规律。 4 各测试项目旳位移速率明显收敛，围岩基本稳定后，进行二次衬 砌旳施作。
从上表能够看出，地面全站仪旳测量数据与独立网 GPS 坐标反算旳 数据吻合程度很好，能够验证独立网测量成果旳精度和可靠性，用该独 立网能够到达该隧道贯穿误差精度旳要求，所以该平面独立网能够作为 该隧道施工测量控制旳基准。
高速铁路隧道沉降变形分析方法的研究
高速铁路隧道沉降变形分析方法的研究彭仪普;张盼;薛一奇【摘要】以长株潭城际铁路线下工程沉降变形观测评估项目为依托，研究长株潭城际铁路隧道沉降的发生发展规律，通过现场实测数据，发现隧道沉降量普遍偏小，分别用双曲线拟合法和灰色预测模型对同一组长株潭综合II标树木岭隧道的沉降数据进行拟合，并分析实测和预测沉降的差异，并比较2种模型的适用性。
研究结果表明：双曲线沉降的模拟需要大量的样本，可以作为隧道沉降评估的一种方法，但是仅对少数累积沉降递增的情况模拟精度高；灰色预测所需样本小，运算简便，而且模拟精度高，因此，灰色预测相比双曲线拟合法具有更高的精度和普适性。
%Based on assessment projects of deformation monitoring of Chang-Zhu-Tan intercity railway project, the law of development for tunnel settlement about Chang-Zhu-Tan intercity railway is investigated. According to measured data, we found that the settlement amount of the tunnel is generally small, Using the hyperbolic fitting and the gray prediction mod-el for the same set of settlement data of the comprehensive II standard team of Chang-Zhu-Tan, the differences between measured and predicted settlement are analysed, and the applicability of two models are compared. The results show that:The simulation of hyperbolic settlement requires a lot of samples, it can be used as a method to assess the tunnel settle-ment. However, the high simulation accuracy is only valid in the case of a small number of incremental cumulative settle-ment. Grey prediction desired sample is small, and has simple operation and high simulation accuracy. Comparingwith the hyperbolic fitting, gray prediction has higher precision and universality.【期刊名称】《铁道科学与工程学报》【年(卷),期】2016(013)010【总页数】7页(P1879-1885)【关键词】双曲线;灰色预测;隧道;沉降分析【作者】彭仪普;张盼;薛一奇【作者单位】中南大学土木工程学院，湖南长沙410075;中南大学土木工程学院，湖南长沙410075;中南大学土木工程学院，湖南长沙410075【正文语种】中文【中图分类】U238由于无砟轨道对高度的可调节性很小，要求无砟轨道铺设前基础沉降必须在一个很小的范围内，本文根据长株潭城际铁路综合Ⅱ标线下工程沉降变形评估自评报告及沉降变形过程数据电子文件，选取路段为由中铁十四局承建的长株潭城际铁路树木岭隧道进树区间～树木岭车站北段YDK1+439.736～YDK4+372.356区段，总长度为2 932.62 m，其中YDK1+795.417～YDK4+025.000为盾构段，针对该盾构段的沉降数据特点进行双曲线法和灰色预测法的模拟分析，着重研究分析双曲线法和灰色预测对于隧道沉降评估的适用性及精度。
浅谈电磁波反射法在检测隧道衬砌质量中的应用
浅谈电磁波反射法在检测隧道衬砌质量中的应用摘要：近年来，我国公路隧道建设得到快速发展，混凝土或钢筋混凝土作为隧道衬砌主要承重结构，在隧道安全运营中起到非常重要的作用。
同时隧道衬砌结构在施工和运营过程中，逐渐暴露出来的病害也不断增加，对隧道衬砌质量进行全面把控十分必要。
因此，本文采用电磁波反射法对隧道衬砌质量检测进行阐述，它能够准确、全面地判定隧道衬砌的质量缺陷问题，为施工现场质量管理及后期的检测养护提供基础性监督数据。
关键词：电磁波反射法；衬砌质量；应用1.引言混凝土或钢筋混凝土衬砌作为隧道结构的重要组成部分，隧道衬砌混凝土质量的好坏对施工和后期的安全运营起到重要的影响。
然而，隧道衬砌混凝土在施工过程中受到各种因素的影响，都会存在不同程度的质量问题，诸如衬砌混凝土不密实、厚度不够和钢拱架、钢筋分布偏差及与初期支护间存在明显分层、脱空等缺陷，这些缺陷的存在对隧道衬砌结构耐久性和安全运营都会产生重大影响。
故本次采用电磁波反射法（地质雷达法）对隧道衬砌质量缺陷进行检测，该方法能够快速、准确地对衬砌混凝土质量进行识别，改变了以往通过目测、钻孔等效率低的传统手段，具有操作简便、分辨率高、应用广泛，具有更高层次的发展前景优势。
1.地质雷达检测技术2 .1检测原理衬砌结构层及背后空洞等质量缺陷是采用电磁波反射法（地质雷达法）进行检测。
探地雷达检测技术的原理是利用高频电磁波（主频为数百兆赫兹）以宽频带短脉冲的形式，在隧道衬砌面通过发射天线传播到隧道衬砌内，经过不同的层面（或目的体）反射后返回至衬砌面，被接收天线所接收，并将接收到的信号经过数字处理，形成直观的图像显示出来，这些数字信号和图像同时储存在雷达主机中，再将雷达主机中的数据传输到计算机中，利用计算机对接收到的信号进行分析、处理，从而判定隧道衬砌的质量缺陷。
其检测原理如上图所示。
2.2地质雷达探测系统组成及主机技术指标（1）地质雷达探测系统组成地质雷达探测系统以美国生产的SIR-20型为例。
隧道开挖过程中掌子面空间变形特征试验模拟与分析
23李清川等:隧道开挖过程中掌子面空间变形特征试验模拟与分析第24卷第4期隧道开挖过程中掌子面空间变形特征试验模拟与分析李清川1,路兆武2(1.济南金科骏耀房地产开发有限公司,济南250100;2.济南鑫都置业有限公司,济南250100)摘要:隧道施工过程中的监控测量是指导施工顺序㊁确保施工安全的重要手段㊂目前,隧道施工现场多采用以拱顶沉降和水平收敛为主的二维监测指标,难以获取开挖掘进过程中掌子面核心土的动态变形量㊂为了探究隧道施工过程中开挖面的空间变形特征,以两水隧道为试验原型,基于相似准则,开展了大比尺地质力学模型试验,获取了掌子面及前方围岩位移和应力随施工进程的变化规律,建立了掌子面与围岩变形释放率预测模型㊂结果表明,采用50m m进尺的全断面法开挖,拱顶沉降变形和应力释放量均大于拱腰处径向变形,但最终都收敛,由F L A C3D数值模拟对比分析,验证了全断面开挖在千枚岩地质环境中的可行性;掌子面变形释放率拐点先于同一断面围岩径向变形且发生在开挖到目标断面之前,应将掌子面变形作为隧道施工的关键监测指标,综合考虑掌子面随开挖时空变化的变形特征㊂试验真实呈现出了施工过程中隧道变形特征,揭示了掌子面及其前方围岩随开挖进尺的变形机制,试验结论对支护手段和支护时机选择提供了科学参考㊂关键词:地质力学模型试验;隧道工程;掌子面;变形释放率中图分类号:T U43文献标识码:A文章编号:1009282X(2023)04003208T e s t s i m u l a t i o n a n d a n a l y s i s o f e x c a v a t i o n f a c e s p a t i a l d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sd u r i n g t u n ne l c o n s t r u c t i o nL I Q i n g c h u a n1L U Z h a o w u21J i n a n J i n k e J u n y a o R e a l E s t a t e D e v e l o p m e n t C o L t d J i n a n S h a n d o n g250100C h i n a2J i n a n X i n d u R e a l E s t a t e C o L t d J i n a n S h a n d o n g250100C h i n aA b s t r a c t M o n i t o r i n g a n d m e a s u r e m e n t d u r i n g t u n n e l c o n s t r u c t i o n i s a n i m p o r t a n t m e a n s t o g u i d e t h e c o n s t r u c t i o n s e q u e n c e a n d e n s u r e c o n s t r u c t i o n s a f e t y A t p r e s e n t t w o-d i m e n s i o n a l m o n i t o r i n g i n d i c a t o r s m a i n l y f o c u s e d o n a r c h s e t t l e m e n t a n d h o r i z o n t a l c o n v e r g e n c e a r e c o m m o n l y u s e d i n t u n n e l c o n s t r u c t i o n s i t e s m a k i n g i t d i f f i c u l t t o o b t a i n t h e d y n a m i c d e f o r m a t i o n o f t h e c o r e s o i l o f t h e t u n n e l f a c e d u r i n g e x c a v a t i o n I n o r d e r t o e x p l o r e t h e s p a t i a l d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f e x c a v a t i o n f a c e d u r i n g t u n n e l c o n s t r u c t i o n a l a r g e-s c a l e g e o-m e c h a n i c a l m o d e l e x p e r i m e n t w a s c o n d u c t e d u s i n g t h e L i a n g s h u i t u n n e l a s t h e e x p e r i m e n t a l p r o t o t y p e b a s e d o n s i m i l a r i t y c r i t e r i a t h e v a r i a t i o n p a t t e r n s o f d i s p l a c e m e n t a n d s t r e s s o f t h e t u n n e l f a c e a n d s u r r o u n d i n g r o c k a h e a d w i t h t h e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s w a s o b t a i n e d a n d a p r e d i c t i o n m o d e l f o r t h e d e f o r m a t i o n r e l e a s e r a t e o f t h e e x c a v a t i o n f a c e a n d s u r r o u n d i n g r o c k w a s e s t a b l i s h e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s e t t l e m e n t d e f o r m a t i o n a n d s t r e s s r e l e a s e o f t h e a r c h c r o w n a r e g r e a t e r t h a n t h e r a d i a l d e f o r m a t i o n o f t h e a r c h w a i s t w h e n t h e f u l l-f a c e m e t h o d o f50m m f o o t a g e i s u s e d i n e x c a v a t i o n b u t t h e y c o n v e r g e a t l a s t T h e c o m p a r a t i v e a n a l y s i s o f F L A C3D n u m e r i c a l s i m u l a t i o n v e r i f i e s t h e f e a s i b i l i t y o f f u l l-f a c e e x c a v a t i o n i n t h e g e o l o g i c a l e n v i r o n m e n t o f P h y l l i t e T h e i n f l e c t i o n p o i n t o f t h e d e f o r m a t i o n r e l e a s e r a t e a t t u n n e l f a c e i s p r i o r t o t h e r a d i a l d e f o r m a t i o n o f t h e s u r r o u n d i n g r o c k i n t h e s a m e s e c t i o n a n d o c c u r s b e f o r e e x c a v a t i o n t o t h e t a r g e t s e c t i o n T h e r e f o r e t h e d e f o r m a t i o n o f t u n n e l f a c e s h o u l d b e c o n s i d e r e d a s a k e y m o n i t o r i n g i n d i c a t o r f o r t u n n e l c o n s t r u c t i o n t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t u n n e l f a c e a s i t c h a n g e s w i t h e x c a v a t i o n t i m e a n d s p a c e T h e e x p e r i m e n t t r u l y p r e s e n t e d t h e t u n n e ld e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s d u r i n g c o n s t r u c t i o n p r o c e s s r e v e a l i n g t h e d e f o r m a t i o n m e c h a n i s m o f t u n n e l f a c e a n d s u r r o u n d i n g r o c k a h e a d a s t h ee x c a v a t i o n p r o g r e s s e s T h e e x p e r i m e n t a l c o n c l u s i o n s p r o v i d e a s c i e n t if i c r e f e r e n c e f o r t h e s e l e c t i o n o f s u p p o r t m e a s u r e s a n d s u p p o r t i ng t i m e K e y w o r d s g e o-m e ch a ni c a l m o d e l t e s t t u n n e l e n g i n e e r i n g t u n n e l e x c a v a t i o n f a c e d e f o r m a t i o n r e l e a s e r a t e收稿日期:20230115作者简介:李清川(1989-),男,博士,主要从事岩土工程物理模拟和深部岩体力学稳定性分析与控制方法方面的研究工作,E-m a i l:t w138********@163.c o m㊂通信作者:路兆武(1979-),男,工程师,本科,主要从事工业与民用建筑工程方面相关工作,E-m a i l:l q c z1989@126.c o m㊂2023年8月地质装备0引言中国是世界上隧道最多㊁发展最快㊁地质条件和结构形式最复杂的国家[1]㊂隧道建设里程年均增长数千公里,但快速发展也出现了一些工程质量问题,其中隧道开挖后掌子面及其前方围岩失稳己经成为地下工程灾害的热点问题之一[2]㊂施工过程隧道掌子面前后围岩荷载位移释放特性是预测隧道稳定性与指导围岩支护的重要参数,但通过现场量测很难精确获取掌子面前后围岩应力和变形发展规律,特别是掌子面正前方的参数㊂针对隧道开挖过程中掌子面变形破坏问题,国内外学者通过模型试验㊁数值计算开展了相关研究[3-7]㊂法国C h a m b o n P等[8]通过模型试验,得出掌子面前方 待挖土体 的失稳方式以及埋深对隧道整体失稳坍塌的影响;童建军[9]通过模型试验,研究砂土围岩隧道开挖中掌子面的变形破坏形态,对未支护段破坏㊁掌子面破坏㊁掌子面和未支护段均破坏等三种破坏模式进行了总结,得到埋深比㊁进尺与掌子面稳定性相关关系;乔丽苹等[10]通过开展地下工程开挖面空间效应现场试验,获得了开挖面空间效应特征,并提出了描述开挖面空间效应的双曲正切函数经验公式,获得了不同预警等级条件下拱顶沉降值控制标准,为地下工程空间效应和开展地下工程稳定性控制提供了借鉴和参考;丁春林等[11]采用弹塑性有限元法分析了地应力释放对盾构隧道围岩强度和变形以及地表沉降变形的影响,指出影响隧道开挖面洞周围岩稳定性和地表沉降的因素;周勇等[12]以广梧高速公路牛车项隧道为例,通过理论方法㊁现场实测预测拱顶下沉时程曲线,并结合数值计算,分析围岩应力释放系数对围岩稳定性的影响,确定合理支护时机,为工程实践提供参考;阳军生等[13]针对浅埋隧道掌子面稳定性问题,展开多参数条件下自适应上限有限元计算,得到不同埋深和内摩擦角对应隧道掌子面稳定性临界值的上限解,揭示出和掌子面稳定性变化规律及精细化破坏模式㊂由于现场监测无法获取未开挖段的变形数据,施工过程中隧道掌子面前后围岩的荷载位移释放特性仍缺乏深入研究,并且在软弱围岩掌子面稳定理论研究方面,仍然没有建立起一个明确的定义,导致勘察㊁设计㊁施工各方对隧道掌子面的稳定认识不一致,阻碍了隧道建设工作的深入研究[14]㊂地质力学模型试验作为研究地下工程的重要方式,可以严格控制试验对象的主要参数,有利于在复杂的试验过程中突出主要矛盾,具有试验条件可控㊁试验过程可重复㊁试验数据易采集等优点㊂本文通过自主研制的大比尺 真三维隧道模型试验系统,以甘肃省兰渝线两水隧道为试验原型,基于相似准则,模拟和再现了真三维加载条件下隧道施工过程中掌子面及其前方围岩变形规律,并结合数值计算和经验公式得到了掌子面挤出变形与隧道围岩变形之间变形速率曲线和影响关系,为掌子面的安全施工提供了理论指导和科学手段㊂1试验系统大比尺 真三维隧道模型试验系统主要由地应力加载与控制单元㊁模型反力单元和数据采集分析单元3部分构成,见图1和图2㊂其中,地应力加载与控制单元实现对模型材料的真三维高地应力柔性梯度加载及精确控制;模型反力单元,最大外形尺寸:5.89mˑ5.33mˑ3.79m,为模型材料的三维应力加载提供反作用力;数据采集分析单元包括自主研发的微型光栅位移采集系统[15]和应变仪,完成对隧道开挖过程中关键位置的压力与变形监测㊂图1模型试验系统构成F i g.1S t r u c t u r e o f m o d e l t e s t s y s t e m33李清川等:隧道开挖过程中掌子面空间变形特征试验模拟与分析第24卷第4期图2试验系统关键部分实物图F i g.2P h y s i c a l d r a w i n g s o f k e y p a r t s o f t h e t e s t s y s t e m试验模型最大尺寸:3.6mˑ3.6mˑ2.5m,三心拱隧道尺寸:355m mˑ300m m(拱宽ˑ拱高),满足5倍洞径边界条件㊂2试验设计2.1工程背景兰渝线两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区,沿线地形较为陡峻,相对高差400m,隧道最大埋深346m,隧道进口里程D1K357+082,出口里程D K362+084,全长4922.35m㊂两水隧道洞身涉及的地层主要为志留系中㊁上统千枚岩夹板岩㊁炭质千枚岩夹板岩㊁灰岩等,其中炭质千枚岩夹板岩为隧道通过主要地层,以炭质千枚岩为主,局部夹有板岩,深灰㊁灰黑色为主㊂千枚岩为软弱岩,岩体极破碎,完整性差,实际施工中出现了大变形问题㊂2.2试验方案根据试验模型空间尺寸和实际条件选取几何相似比尺为1/50,根据相似比尺和模型尺寸,原型隧道边界对应尺寸:180mˑ180mˑ125m(垂直隧道开挖方向ˑ延高程方向ˑ平行隧道开挖方向),由于隧道实际埋深为200m,隧道上部荷载附加荷载由地应力加载与控制单元等效施加㊂确定相似比如下:几何相似比Cɩ=50,容重相似比Cγ=1,泊松比相似比Cμ=1,应变相似比Cε=1,摩擦角相似比Cφ=1,应力和弹性模量相似比Cσ=C E=50㊂在满足相似原理的基础上,选用黄沙㊁重晶石粉㊁石英砂作为骨料,石膏粉水溶液作为胶结剂,通过相似材料的力学试验,获得基本满足相似条件的材料配比为HʒBʒQ=1ʒ0.32ʒ0.65(H为黄沙含量,B为重晶石粉含量,Q为石英砂含量),胶结剂的摩尔浓度为10.0%,胶结剂占材料总质量的6.0%㊂具体物理参数如表1㊂表1试验材料物理力学参数T a b l e1M a i n p h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f t e s t m a t e r i a l s材料密度/(k g㊃m-3)弹性模量/M P a泊松比单轴抗压强度/M P a黏聚力/M P a内摩擦角/(ʎ)工程岩石250020000.350.351.5037黄土和沙2500400.350.350.0337试验模拟开挖断面为三心拱隧道,断面最大宽度为17.7m,最大高度为15.05m㊂为研究施工过程掌子面前后围岩的力学特性,将模型隧道沿轴线方向上分为两段,分别为0~1600m m范围的全断面开挖段和1600~2500m m的保留段㊂试验开挖进尺为50m m,结合试验方案共32步,每步时间间隔30m i n,共16h㊂试验量测的主要内容包括隧道开挖过程中,隧道关键断面掌子面前后围岩的应力和绝对位移场变化特征㊂具体采用光栅位移采集系统测量隧道围岩和掌子面的位移变化情况,采用应变采集系统结合微型土压力盒监测隧道围岩应力变化㊂监测元件主要以预埋方式置入模型体内部,共设三个监测断面,试验具体位置见图3㊂各断面在拱腰和拱顶埋置微型多点位移计和电阻式压力盒;并且在B断面拱心位置,延开挖方向埋置水平微型多点位移计和压力盒,监测掌子面开挖方向的位移和应力变化㊂3试验过程与结果分析3.1试验过程按配比将相似材料搅拌混合,选择分层摊铺方式进行模型填料,摊铺过程中选择压实机和人工压实,并进行干燥,然后再做上一层,在目标断面预埋测试元件,导线连接测试系统,直到完成整个模型㊂静止干燥后启动液压系统给模型表面加压,根据试验原型,换算得到垂直应力施加0.40M P a,左右和432023年8月地质装备图3 隧道开挖与监测断面传感器布设图F i g .3 S e n s o r l a y o u t a t t u n n e l e x c a v a t i o n a n d m o n i t o r i n gs e c t i o n s 后部水平应力施加0.25~0.30M P a 的梯度荷载,加压稳定后按照试验方案开挖,试验模型制作和隧道开挖照片如图4所示㊂图4 模型制作与隧道开挖F i g .4 M o d e l m a k i n g an d t u n n e l e x c a v a t i o n 3.2 试验结果隧道开挖过程中各监测断面测点的位移和应力累计变形随试验进程变化曲线见图5㊂从图5开挖过程中各监测断面拱腰-拱顶位移与应力变化规律可知,位移和应力随开挖步呈阶梯状变化㊂位移释放方向均朝向洞内,且量值逐渐增大,最后趋于平稳;应力随开挖进尺的增大逐渐释放减小并最终趋于稳定㊂根据掌子面经过断面A ㊁B ㊁C 前后时围岩变形规律,可将大致分为4个阶段,以断面B 为例说明如下:(1)变形孕育阶段,即开挖到目标断面10步之前(0~500m m ,0~5h )拱顶下沉和拱腰鼓起变化趋势较小或基本不变;(2)变形发展阶段,即开挖到目标断面前6步之内(第10步至第16步,500~800m m ,5~8h),曲线斜率开始变化,数值变化趋势增大;图5 各断面拱腰-拱顶位移与应力变化曲线F i g .5 D i s pl a c e m e n t a n d s t r e s s v a r i a t i o n c u r v e s o f c r o w n -h a u n c h f o r e a c h s e c t i o n 53李清川等:隧道开挖过程中掌子面空间变形特征试验模拟与分析第24卷 第4期(3)变形显著阶段,即开挖到目标断面至开挖后6步(第16步至第22步,800~1100m m ,8~11h)内,拱顶下沉和拱腰内鼓数值增加显著;(4)变形收敛阶段,即开挖到目标断面6步之后(第22步之后,1100m m 后,11h 后),位移变化逐渐减小并稳定收敛,曲线斜率趋向于零㊂图6给出了试验过程中断面B 掌子面前方纵向(z 方向)位移和应力变化曲线,从图中可以看出,随着掌子面向前推进,即掌子面距测点距离逐渐减小,掌子面位移和应力向隧道临空方向变形释放,并呈幂函数形式变化,直到目标断面,测点挖出失效㊂图6 断面B 隧道掌子面位移与应力历时曲线F i g .6 F a c e d i s pl a c e m e n t a n d s t r e s s c u r v e f o r s e c t i o n B 3.3 数值计算对比验证为验证试验数据的可靠性,采用F L A C 3D 软件选取摩尔库仑本构模型进行数值模拟,模型共划分134900个单元采用与试验相同的边界条件㊁材料参数㊁开挖工法均与试验条件一致,断面B 数值计算云图和数值计算与试验数据对比曲线分别见图7和图8㊂图7 开挖到断面B 数值计算云图F i g .7 N u m e r i c a l c a l c u l a t i o n c l o u d m a pf o r s e c t i o nB 图8 数值计算与试验数据对比曲线F i g .8 C o m pa r i s o n c u r v eb e t w e e n n u m e r ic a l c a l c u l a t i o n a nde x pe r i m e n t a l d a t a 由F L A C 3D 数值计算与试验数据在模型相同位置处的位移应力对比可知,数值结果与试验结果的变化趋势吻合良好,变化量基本一致,侧面验证了试验的科学有效性㊂4 掌子面开挖空间特征分析为深入研究掌子面挤出变形与围岩变形的内在关系,以开挖距离为单位,提取隧道开挖过程中位移和应力数据,选取断面B 为分析对象,引入变形释放系数概念,得到同一断面拱腰㊁拱顶和掌子面分别沿开挖空间方向的应力和位移变形速率,构建掌子面荷载 位移释放率预测模型㊂4.1 变形释放系数分析变形释放系数用来表征开挖过程中隧道监测断面位移与应力变化速率特性㊂其中,位移释放系数指围岩内测点在开挖过程中某阶段的位移数值与该点在开挖达到稳定状态后位移的比值,主要研究某一个测点的围岩位移演变过程㊂测点的位移释放系数δ表达式为δ=μx /μθ(1)632023年8月地质装备式中:μx为测点开挖中某阶段位移增量,μθ为测点收敛位移值㊂应力释放系数指围岩和掌子面在开挖过程中某测点应力值在某阶段的变化量与开挖前初始值比值㊂用以研究不同断面和位置应力演变过程,应力释放系数γ表达式为γ=Δσx/σ0(2)式中:Δσx为测点开挖中某阶段应力增量,σ0为测点初始应力值㊂将所得试验数据代入公式(1)与公式(2),得到拱顶拱腰和掌子面位移与应力释放系数曲线㊂通过对图9断面B不同位置变形释放系分析比较可见,隧道围岩和掌子面变形规律主要受到隧道开挖扰动影响,拱顶 拱腰位置变形虽在数值上有所差异但变化率差别不大,掌子面变形速率均提前且大于同断面拱顶 拱腰变形速率;掌子面在到达目标断面时应力释放率和位移释放系数均未出现减小趋势,拱腰 拱顶位置变形速率在开挖后约200时趋向稳定㊂图9开挖过程中拱顶-拱腰-掌子面变形释放系数F i g.9D e f o r m a t i o n r e l e a s e c o e f f i c i e n t s c r ow n,h a u n c h a n d f a c e d u r i n g e x c a v a t i o n 4.2掌子面荷载—位移释放率预测模型为进一步探究掌子面与围岩变形关系,采用双曲正切函数对试验数据进行拟合,具体计算公式如下: C(n)=C0/2[t a n h(a n-b)+1](3)式中:C为释放率或释放系数;n=L/D,L为到目标断面的开挖距离,D为隧道洞径;C0㊁a㊁b为参数㊂公式满足以下3个条件:(1)nң-ɕ时,C=0;(2)nң+ɕ时,C=C0;(3)n=b/a时,C=C0/2㊂其中C0为最终变形释放系数㊂对公式(3)进行一次和二次求导得:C(n)'=a C0/2s e c(h2(a n-b))(4) C(n)ᵡ=-a2C0s e c(h2(a n-b))t a n h(a n-b)(5)因式中s e c(h(x))为双曲正割函数,一次导数恒大于0,故函数C(n)'在定义域内单调递增,且当n=b/a时,C(n)ᵡ=0,即此时的n为函数C(n)的拐点,表明该点处的应力位移变化量显著㊂综上,将所求得变形释放系数与相关参数代入公式(3),得到拱顶 拱腰 掌子面拟合曲线并确定拐点㊂因无法获得掌子面开挖到目标断面后数据,将经验公式中的C0设为未知数,得到为掌子面变形释放系数拟合曲线,如图10~13所示㊂由图可知围岩变形释放系数拟合曲线的拐点均发生在目标断面开挖后,表明在开挖到目标断面时围岩的最显著变化还未发生;掌子面的应力释放率和位移释放系数的拐点均在目标断面之前,表明在开挖到目标断面前,掌子面的最显著变化已经发生,且反推出的掌子面的应力释放率和位移释放系数约是围岩的1.4倍,因此,掌子面纵向变形应作为监测的首选敏感指标㊂图10拱顶-拱腰位移释放系数曲线拟合F i g.10C u r v e f i t t i n g o f c r o w n-h a u n c h d i s p l a c e m e n tr e l e a s e c o e f f i c i e n t73李清川等:隧道开挖过程中掌子面空间变形特征试验模拟与分析第24卷 第4期图11 拱顶-拱腰应力释放系数曲线拟合F i g .11 C u r v e f i t t i n go f c r o w n -h a u n c h s t r e s s r e l e a s e c o e f f i c i e nt 图12 掌子面位移释放系数曲线拟合F i g .12 C u r v e f i t t i n g o f t u n n e l e x c a v a t i o n f a c e d i s pl a c e m e n t r e l e a s e c o e f f i c i e nt图13 掌子面应力释放系数曲线拟合F i g .13 C u r v e f i t t i n g of t u n n e l e x c a v a t i o n f a c e s t r e s s r e l e a s e c o e f f i c i e n t经验公式全部为无量纲化参数,拟合相关系数均在0.95以上(表2),拟合曲线能够较合理地反映试验数据㊂表2 各曲线拟合参数与相关系数T a b l e 2 E a c h c u r v e -f i t t i n g pa r a m e t e r a n d c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t 曲线C 0ab相关系数围岩 位移1.0002.60.340.96围岩 应力1.0004.90.690.97掌子面 位移1.4122.2-0.380.99掌子面 应力1.4251.8-0.410.99隧道开挖施工过程中,支护措施的时间设置在很大程度上决定了支护效果㊂综上分析,支护时间的选择不仅要考虑隧道围岩的径向变形,还要综合考虑掌子面随开挖时空效应的变形特征,充分发挥围岩的承载作用,既保证施工安全,又能使支护成本降到最低㊂5 结论本文利用大比尺 真三维隧道模型试验系统,以兰渝线两水隧道为试验原型,成功模拟了真三轴加载环境下的三心拱隧道开挖,得到了隧道开挖空间的变形特征和规律,主要结论如下:(1)试验结果表明,采用全断面法开挖,拱顶沉降变形大于拱腰径向变形,但最终都收敛,数值模拟对比分析也验证了全断面开挖在千枚岩地质环境中的可行性㊂(2)通过变形释放系数曲线对比可知,拱顶㊁拱腰变形虽在数值上有所差异,但变化速率基本一致,并在开挖约200m m 后趋向稳定,掌子面变形速率均大于同断面拱顶㊁拱腰变形;且掌子面在到达目标断面时位移和应力变形量未出现减小趋势㊂(3)隧道开挖过程中掌子面挤出变形的变化速率均大于同一断面拱腰㊁拱顶的变形速率,且由经验公式可知围岩最大变形发生在开挖到目标断面之后,而掌子面则发生在开挖到目标断面之前㊂在隧道施工监测中,不仅要考虑隧道断面径向变形,还要综合考虑掌子面随开挖时空效应的变形特征㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1] 王梦恕.中国是世界上隧道和地下工程最多㊁最复杂㊁今后发展最快的国家[J ].铁道标准设计,2003(1):14.W A N G M e n g s h u .C h i n a h a s t h e l a r ge s t a m o u n t of t u n n e l s a n d u n d e r gr o u n d w o r k s i n t h e w o r l d w i t h m o s t c o m p l i c a t e d g e o l o gi c a l c o n d i t i o n s ,a n d h a s a f o r e s e e a b l e q u i c k e s t d e v e l o pm e n t i n 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1295
【3]李术才朱维申弹塑性大位移有限元方法在软岩隧道变形预估系统研究中的应用〔J〕岩石力学与工
程学报200221(4)466470
仁4]杨钊潘晓明余俊盾构输水隧洞复合衬砌计算模型研究【J〕中南大
学学报201041(5)1945
1952「5〕刘强张蓓钟艳辉基于系统识别方法的隧道围岩参数反演分
析[J]公路
2011(4)197201
645隧道技术研究造了条件;泵送现浇防水混凝土拱是承载主体除与围岩承载拱多铰预制拱共同承载外由
于混凝土拱各截面均处于小偏心受压状态具有防止渗漏避免裂缝发展的功能加之无通
透钢筋和通透缝隙能可靠地防水和利用拱片内部空间排水
预制构件组装的装配式隧道被许多国家作为技术发展的重要标志具有降低成本缩短工期的效果但双曲隧道不同于一般装配式衬砌隧道传统装配式衬砌只能适用于一定尺寸一定拱形的单曲隧道建筑构件缺乏通用性而双曲隧道的拱片却能适用于任意尺
寸
任意拱形的隧道也能用于档土墙靠山覆土建筑等这为实现构件标准化生产规模化和
效
益转化创造了条件双曲隧道除具有传统装配式无需设置和拆除模板有利于降低成本和
缩短工期外其重要区别是从设计施工上充分考虑了三个承载三个受力的具体实现新技
术推动隧道建设从经验类比向理论与实践经验结合的进步双曲隧道的双曲优化组合衬砌虽然具有现代复合式衬砌的初期支护和二次衬砌的相似功能但与复合式衬砌在理论上和实践上有很大不同比如:实现围岩衬砌共同承载是通过避免围岩与支护之间的松弛夹层和取消衬砌之间的防水夹层来实现而不是单纯靠大
面积牢固接触来实现;提高围岩的自承能力不是用加固围岩方法而是靠优化拱形发挥围岩自身抗压优势的方法提高自承能力;提高围岩稳定性是利用多铰预制拱快速置换的立即
受力功能而不是利用喷射混凝土的快速受力功能;允许有限变形防止失稳是用组合拱的先柔后刚性能来自动控制有限变形而不是靠调节支护刚度和支护时间人为控制有限变形;
隧道防排水依靠结构自带防排水系统而不设夹层土工布防水板施工缝变形缝沉降缝
以及隐蔽的排水系统;对付围岩变化产生超载问题是根据有备无患未雨绸缪的指导思想
大部分通过早已准备好的自动调整应力人工调整应力方法动态解决而不是单纯依赖经验加厚减薄缺少一套切实可行的方法……因此双曲隧道省去了支模拆模工序也省去了
系统锚杆喷射混凝土钢筋网刚架防水板及夹层中的防排水系统和大部分超前支护等工序使得安全优质环保快速经济效益更加突出
2设计
21设计方法
双曲隧道按荷载结构法设计采用《隧道及地下洞室智能优化系统》能方便地进行双曲隧道设计其方法是输入洞室最大埋深毛洞跨度与洞形有关的毛洞计算高度毛洞长度地层内摩擦角毅聚力重度侧压力系数。值折减系数即可自动算出垂直荷载侧向荷载洞室深浅埋分界线深度再选择混凝土标号和断面厚度变化规律进行内力计算即可自动确定优化拱形计算出既符合安全系数要求又经济可靠的衬砌设计厚度参数取值按照实际设计尺寸和围岩物理力学室内试验参数输人但勃聚力。值随施工方法围岩暴露时间施工爆破情况地面地下水影响毛洞风化程度施工环境等影响因素而有所降低其折减系数值一般在03一07之间变化其值为风化震动影响后的实测
值
与风化震动影响前的实测值之比据大量实测资料分析如果在没有地下水施工震动很小而且能及时封闭防止风化的情况下。值折减系数K可以大于07直至不折减即
K-
1如果流沙淤泥有可能小于03但肯定大于。在没有测试条件时也可根据施工震动
情况地下水情况以及围岩暴露情况按系统提示的经验值选择适当的‘值折减系数并通过数据积累使其接近实际
一647
一隧道技术研究造了条件;泵送现浇防水混凝土拱是承载主体除与围岩承载拱多铰预制拱共同承载外由
于混凝土拱各截面均处于小偏心受压状态具有防止渗漏避免裂缝发展的功能加之无通
透钢筋和通透缝隙能可靠地防水和利用拱片内部空间排水
预制构件组装的装配式隧道被许多国家作为技术发展的重要标志具有降低成本缩短工期的效果但双曲隧道不同于一般装配式衬砌隧道传统装配式衬砌只能适用于一定尺寸一定拱形的单曲隧道建筑构件缺乏通用性而双曲隧道的拱片却能适用于任意尺
寸
任意拱形的隧道也能用于档土墙靠山覆土建筑等这为实现构件标准化生产规模化和
效
益转化创造了条件双曲隧道除具有传统装配式无需设置和拆除模板有利于降低成本和
缩短工期外其重要区别是从设计施工上充分考虑了三个承载三个受力的具体实现新技
术推动隧道建设从经验类比向理论与实践经验结合的进步双曲隧道的双曲优化组合衬砌虽然具有现代复合式衬砌的初期支护和二次衬砌的相似功能但与复合式衬砌在理论上和实践上有很大不同比如:实现围岩衬砌共同承载是通过避免围岩与支护之间的松弛夹层和取消衬砌之间的防水夹层来实现而不是单纯靠大
面积牢固接触来实现;提高围岩的自承能力不是用加固围岩方法而是靠优化拱形发挥围岩自身抗压优势的方法提高自承能力;提高围岩稳定性是利用多铰预制拱快速置换的立即
受力功能而不是利用喷射混凝土的快速受力功能;允许有限变形防止失稳是用组合拱的先柔后刚性能来自动控制有限变形而不是靠调节支护刚度和支护时间人为控制有限变形;
隧道防排水依靠结构自带防排水系统而不设夹层土工布防水板施工缝变形缝沉降缝
以及隐蔽的排水系统;对付围岩变化产生超载问题是根据有备无患未雨绸缪的指导思想
大部分通过早已准备好的自动调整应力人工调整应力方法动态解决而不是单纯依赖经验加厚减薄缺少一套切实可行的方法……因此双曲隧道省去了支模拆模工序也省去了
系统锚杆喷射混凝土钢筋网刚架防水板及夹层中的防排水系统和大部分超前支护等工序使得安全优质环保快速经济效益更加突出
2设计
21设计方法
双曲隧道按荷载结构法设计采用《隧道及地下洞室智能优化系统》能方便地进行双曲隧道设计其方法是输入洞室最大埋深毛洞跨度与洞形有关的毛洞计算高度毛洞长度地层内摩擦角毅聚力重度侧压力系数。值折减系数即可自动算出垂直荷载侧向荷载洞室深浅埋分界线深度再选择混凝土标号和断面厚度变化规律进行内力计算即可自动确定优化拱形计算出既符合安全系数要求又经济可靠的衬砌设计厚度参数取值按照实际设计尺寸和围岩物理力学室内试验参数输人但勃聚力。值随施工方法围岩暴露时间施工爆破情况地面地下水影响毛洞风化程度施工环境等影响因素而有所降低其折减系数值一般在03一07之间变化其值为风化震动影响后的实测
值
与风化震动影响前的实测值之比据大量实测资料分析如果在没有地下水施工震动很小而且能及时封闭防止风化的情况下。值折减系数K可以大于07直至不折减即
K-
1如果流沙淤泥有可能小于03但肯定大于。在没有测试条件时也可根据施工震动
情况地下水情况以及围岩暴露情况按系统提示的经验值选择适当的‘值折减系数并通过数据积累使其接近实际
一647
一隧道技术研究力系数07与实测数据基本符合
3施工
31施工概述
双曲隧道的拱墙由多功能预制拱片(图1)铰接而成的预制拱片层6和现浇防水混凝
土层7(图2)组成;现浇防水混凝土层位于围岩和预制拱片层之间并与两者紧密结合拱片
层的施工缝8与现浇防水混凝土层的施工缝9全部相互错开;拱片层由连接螺栓10和拱片主筋预留弯钩n拉接
1一螺栓连接孔每片4孔;2一横向拉筋槽;3一封顶片用浇灌孔;4一加强片
用25mm厚加强薄肋板卢一薄肋板的泄水孔
图l多功能预制拱片图
6一预制拱片层刃一现浇防水混凝土层8一拱片施工缝9一现浇混凝土施工缝;10一连接螺栓.n一拱片主
筋外伸弯钩;12一环形受力筋13一暗肋14一纵向后张预应力钢筋15一横向后张预应力钢筋;16一拱形钢架;17一锚固搬运弯钩18一菱形钢筋网;19一预制拱片内空间;20一活动排水槽;21一拱脚泄水槽;2一纵向排水沟;23一路面水排出孔;24一排水沟溢水孔;25一排水盲沟;26一盲沟排水层;27一中心排水沟
图2双曲隧道组成图一649地下交通工程与工程安全对软弱围岩有可能超载部位在预制拱片接缝处设置3根环形钢筋12环形钢筋通过
各预制拱片的主筋预留弯钩n固定并密实浇注在混凝土中预制拱片的连接肋环形钢筋与围岩之间的防水混凝土层构成暗肋13在荷载作用
下两相邻预制拱片产生的平衡水平推力夹持于暗肋使暗肋处于三向立体受力的有利情况下提高了双曲隧道的整体承载能力
在围岩变化不大设计荷载与实测荷载基本接近时不设3根环形钢筋就能有效承载当工程完成后发现微小裂缝或不均匀下沉完全可用双曲隧道预制拱片已有的螺栓连接孔和横向拉筋槽对隧道加固其方法是通过螺栓连接孔1设置纵向后张预应力钢筋
14;
通过
横向拉筋槽2设置横(环)向后张预应力钢筋15必要时还可以在预制拱片设置拱形钢架
16既不影响隧道使用净空又能有效防止不均匀变形避免裂缝的发生和发展这些措施
是针对复杂地质情况下未雨绸缪的人工应力调整措施如果设计荷载接近实际且按合理拱形进行设计一般无需采用这种人工应力调整措施从198。年第一个双曲隧道试验至今没
有采取这种调整措施仍然安全就是有力的例证这种有备无患的预防措施使双曲隧道应用范围更广
人工应力调整只是在已建隧道发生裂缝下沉时的补救措施应尽可能减少这种情况发生对于尚未施工的地段在弄清荷载大小及分布的情况下最经济可靠的措施是调整设计
拱形和设计厚度在荷载大小及分布的情况不明确的情况下可进一步在预制拱片背面设置菱形加强拉筋将相邻的预制拱片通过锚固搬运弯钩17斜向固定连接在拱片层外侧面
构成菱形钢筋网18
双曲隧道横截面按小偏心受压的优化拱形设计沿隧道深度方向的隧道纵断面由预制拱片构成无数个纵向小连拱无贯通钢筋无贯通施工缝的防水混凝土是隧道主要防水层预制拱片的内空间19和悬挂式活动排水槽20组成灵活可变的拱部和边墙排水系统拱墙部渗漏水沿活动排水槽20经薄肋板的泄水孔5拱脚泄水槽21进人纵向排水沟2;路面
清洁用水或积水同样通过路面水排出孔23进人纵向排水沟2当纵向排水沟2水满时多余水流经纵向排水沟溢水孔24流至纵向排水盲沟25排出对有反拱和中心排水沟的隧
道多余水流则溢流到盲沟排水层26再流人中心排水沟27排除32施工要点
〔1)开挖形状尽量接近优化拱形以延长毛洞自稳时间并真正实现围岩衬砌共同承
载(2)拱片安装前必须严格质量检查
不合格的拱片决不安装
(3)拱片安装对称进行并错缝对称灌注防水混凝土每次灌注混凝土厚度以30一
gocm为宜不宜超过15ocm
以防止水化热裂缝
(4)遇小水先堵遇大水先引流然后封堵或利用
(5)防水混凝土断面轮廓严格按小偏心受压设计施工从有利于百年大计出发原则不
设钢筋也不允许设置穿透的预埋钢筋预制拱片外伸钢筋及加强菱形钢筋网均需紧贴预
制拱片外表面设置防止地下水沿钢筋渗漏造成钢筋锈蚀孔洞扩大承载力降低等弊病(6)遇围岩变差