乌鞘岭隧道方案设计及科研简况Word格式.docx
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2.3两座单线隧道和一座双线隧道的比选
双线隧道方案:
隧道设计为一座双线隧道,考虑特长隧道,右侧设置贯通的平行导坑,为主隧道探明地质并通过横通道辅助施工,该方案优点是两线同时建成,运营养护工作量较少,平行导坑可作为专门的养护维修通道;
缺点主要为本隧道通过断层带长,双线断面跨度大,易出现塌方,施工风险大,运营安全上,当出现火灾或列车颠覆时,两线运营同时中断;
且投资较贵。
两座单线隧道方案:
隧道分左、右两洞,右线隧道先期开通。
左线隧道施工前期为平行导坑,为右线隧道探明地质并通过横通道辅助右线隧道施工,然后再扩挖成左线隧道。
该方案优点是一管隧道(右线)可提前10个月通车,早日形成运能,单线隧道施工风险低,运营安全效果好,投资较低。
综上所述,采用两座单线隧道方案。
乌鞘岭特长隧道设计为两座单线隧道,隧道长20050m,基本为直线隧道,线间距为40m;
纵坡主要为11‰的下坡,隧道进口高程2663m;
出口高程2447m,,隧道洞身最大埋深1100m左右。
右线隧道总工期2.5年,左线隧道总工期3.5年。
三.地质概况
乌鞘岭隧道所经过地层岩性复杂,分布主要受区域断裂构造控制。
主要有第四系、第三系、白垩系、三叠系、志留系、奥陶系等,并伴有加里东晚期的侵入,见图3。
图3乌鞘岭隧道地质纵断面
隧道经过地区褶皱构造和断裂构造发育,断裂构造主要为区域性大断裂,由南向北依次分布:
F4、F5、F6、F7断层,其中F7断层为本隧道遇到的最复杂断层,断层走向北西西向,倾向南,倾角70°
,前期为逆断层,后期表现为左旋逆走滑断层。
断带物质主要由断层泥砾及碎裂岩组成,松散破碎,风化严重。
该断层为工程活动性断层,全新世的平均水平滑动速率为2.08~2.5mm/a,平均垂直滑动速率为0.06~0.027mm/a。
乌鞘岭隧道洞身通过断层破碎带的长度在1400m左右,围岩软硬不均,存在小褶皱、节理密集带等,因此隧道施工中可能会出现围岩失稳、突然涌水、岩爆、高地温等困难。
四、隧道设计
4.1隧道方案
乌鞘岭隧道分左、右两洞,采用钻爆法施工。
右线隧道先期开通。
左线隧道施工前期为平行导坑尽早贯通,为右线隧道探明地质并通过横通道辅助右线隧道施工,然后再扩挖成左线隧道。
4.2隧道内轮廓设计为马蹄形,道床采用套靴式弹性支承块整体道床结构。
根据部提速和通行双层集装箱的要求,考虑接触网结构高度及接触网导线距箱顶高度(高原修正)确定隧道净空高度为7225mm,其轨上净空面积为35.4㎡,满足流线型列车运行速度160km/h的要求。
4.3衬砌
4.3.1一般衬砌
隧道衬砌结构采用复合式衬砌,考虑隧道以软弱围岩为主的地质特点,隧道仰拱部位采用圆角连接,使结构受力合理;
4.3.2F7活动性断层地段:
由于本地区属地震多发带,具有准周期性,最大震级为7.5级左右,隧道通过工程活动性断层,受构造挤压影响,残余应力较大,结合工程、水文地质,本段按圆形结构断面进行设计,以适应地层条件,每隔25m设一道变形缝,内轮廓直径为8.76m(预留活动性断层预计的百年位移量),为钢筋混凝土衬砌结构,见图4。
图4F7活动性断层带衬砌断面示意图(单位mm)
图2-2椭圆形断面
4.4辅助坑道
根据兰武二线2.5年贯通右线隧道的工期要求,对于20km的特长隧道采用长隧短打的方法,结合乌鞘岭特长隧道的洞身地形条件,分别在下雨岭沟、上雨岭沟、芨芨沟、石板沟、大直沟、石头沟、偏岔沟等有条件的沟谷设置辅助坑道,一般无轨运输斜井长度控制在2000m左右,纵坡12%以下;
有轨运输斜井长度控制在800m以内,纵坡40%左右;
竖井深度控制在600m左右,按此原则在前期方案研究阶段做了多种辅助坑道比选,辅助坑道座数从8-14座,按工期分析,当辅助坑道座数少于14座时,很难达到工期目标。
根据对煤矿、冶金部门的建井、生产调查,深竖井被广泛应用,其建井速度40-130m/月不等。
经研究认为深竖井在目前的技术条件下,能达到建井迅速,快速生产的要求,故进行了14座辅助坑道,其中竖井座数2-8座的各方案组合研究,最后采用设置13座斜井和1座竖井的施工方案(施工中增加1竖1横,共16个施工辅导),其中9座斜井采用无轨运输,4座斜井采用有轨运输。
由于岭脊地段是控制隧道工期的关键,辅助坑道的布置极困难,故各种辅助坑道应先主攻左线平导,使其超前并提前贯通,使该地段通过增加横通道的方法同时开辟多个工作面进行右线隧道的施工,以达到工期目标要求,见图5。
辅助坑道断面设计,要考虑运输方式、设备大小、风水电管路布置以及施工安全要求综合确定。
对于平行导坑净空按四轨双道,以及台车的进洞等拟定,净空为尺寸4.8×
5.75m(宽×
高);
对于无轨运输净空按单车道考虑,净空尺寸4.3×
5.0m(宽×
有轨运输断面净空按四轨双道,采用6m3侧卸式矿车的外形尺寸,以及台车的进洞等拟定,净空为尺寸4.5×
4.5m(宽×
对于竖井,根据竖井承担施工长度及需要的出碴能力,结合本竖井使用功能,采用混合井模式设计。
考虑施工出碴、进料、生产人员上下等因素,采用井筒直径为5.5m,配1.7m3矿车单层单车双罐笼提升井。
图5辅助坑道平面布置示意图
4.5防、排水
本地区最冷月平均气温-11.9℃,隧道地下水以基岩裂隙水为主,在施工方案上隧道两侧设计有多个辅助坑道等特点,除采用双侧高式水沟、衬砌结构普通防水混凝土(P8)、喷混凝土与模筑混凝土之间设EVA防水板等常规措施外,在两端洞口1000m范围衬砌按防冻抗裂设计;
两端洞口侧沟设保温水沟和保温出水口;
为调剂隧道内因设辅助坑道造成外侧水沟水量较大的特点,在道床底部设计有内外侧水沟之间分流通道,使两条水沟水量大致相等,以达到优化隧道轨下断面尺寸、减少工程量的目的。
对富水的各断层破碎带地段,结合施工方案采用地质超前预报探测前方富水情况,当地下水较大或有涌水涌泥预兆时,采用帷幕注浆或超前注浆的办法堵水并加固地层,达到止水防渗的目的。
4.6运营通风
根据秦岭隧道科研成果,电气化特长隧道运营通风是必要的,有害气体以粉尘、臭氧、氮氧化物等为主。
按纵向挤压理论计算,充分利用列车活塞效应,并考虑自然风和高原效应的的影响,在顺风和无风的条件下,左右线隧道利用活塞风换气,可不考虑机械通风;
在逆风条件下,须进行机械通风,根据现场自然条件及行车情况确定每天的通风次数及通风时间,每天隧道应换气1~2次。
在火灾状态下,隧道内机械风速应大于或等于临界风速(按美国矿业局公式计算V=2.22m/s),以防止热烟气流回流。
根据乌鞘岭隧道的施工特点,先后进行了以下运营通风方案的比较:
方案一:
纵向诱导式通风方式,采用SLFJ-112型射流风机,右线隧道布置在武威南端洞口段,左线隧道布置在兰州端洞口段,采用壁龛式悬挂方案,左右线风机台数均为30台,总功率分别为900kw,本方案维修管理方便,设备费用低,土建费用低(590万),通风机所耗总功率大(1800Kw),运营费用高,图6。
图6隧道运营通风方案示意图(方案一)
Fig.6Schemeofventilationinserviceperiod(Option1)
方案二:
左线隧道采用全纵向射流诱导式通风,与方案一左线隧道通风方案完全相同。
右线隧道利用三号竖井采用轴流风机及射流风机压出式通风:
如图7所示,在三号竖井内设轴流风机向外压风,由于三号竖井距兰州端洞口5.28Km,距武威端洞口14.77Km,兰州端至竖井完成一次换气时间长,武威端至竖井完成一次换气需要时间短,换气时间相差较大,造成风机功率浪费。
为此,在隧道武威端设6台SLFJ-112型射流风机,以提高武威端段的风速,加快该端空气向竖井方向流动;
在兰州端设6台SLFJ-112射流风机,以降低兰州端段的风速,使竖井两侧隧道排烟换气时间相等,风道口两端风压平衡,最终使所设风机的总功率最小。
本方案左线采用纵向全射流通风方案,右线采用轴流加射流利用三号竖井压出式通风方案,其优点主要为:
通风机所耗总功率小(1413Kw),运营费用低;
其缺点主要为:
土建工程造价高(2056万元),另外根据防灾要求,轴流风机反转提供反向风较射流风机较为复杂和困难。
图7隧道运营通风方案示意图(方案二)
结合防灾、经济、技术比较,建议推荐方案一。
4.7施工通风
本工程有14座辅助坑道、一座平导(Ⅱ线),特长隧道被分割为多段施工,每一区段长度不超过3.1km,工作面在短期内容易贯通,通风系统的布置须不断变换。
采用巷道式通风,通风系统维持时间较短,各工区需相互协调,而且还有可能发生通风系统相互制约的情况,通风系统独立性、稳定性受到破坏。
而利用风管对单独一掘进工作面供风,具有通风系统简单、稳定,适合于多单位、多掘进面同时施工。
根据隧道施工特点和施工进度安排,将兰州端及武威南端各划分了6个通风阶段,通风阶段在一定时期相对稳定,风机固定、风管对单独的一个工作面送风,进风和回风路线不变。
通风阶段的划分以工作面贯通为分界
乌鞘岭特长隧道的施工通风主要按长管路独头压入式通风方案设计。
兰州端各阶段施工通风见图8。
图8施工通风方案示意图
五、防灾监控系统
乌鞘岭隧道为我国最长的隧道,在确保运营安全的条件下,本着“实用、可靠、经济”的原则进行监控防灾方案的设计。
结合铁路隧道的特点,设置以下报警防灾系统:
5.1报警系统:
由无线列调系统、报警电话组成。
5.2消防系统:
重点以客车为消防对象,水灭火系统以隧道进出口消火栓消防、两端车站消火栓消防为主。
另外,隧道内配备手推式灭火器。
隧道左右线间每隔420m设一条横通道,作为救援、乘客逃逸通道。
在横通道口、辅助坑道口设有诱导疏散、应急和指示照明设置。
通风系统根据监控中心指令进行火灾排烟。
当油罐车发生火灾,不能及时扑灭时,首先控制火势,然后封堵断氧使火灾熄灭。
六、地质超前预报和动态设计
本隧道采用动态设计,首先利用辅助坑道或平行导坑,采用TSP203和V5大地音频电磁测深等多种手段进行超前地质预测预报及环境判释,掌握隧道前方地质条件,查清工程地质及水文地质条件;
再根据超前地质预测预报资料,监控量测资料及科研阶段成果,对预设计文件进行确认、评价;
当地质条件与设计不符或异常时,对结构支护体系、施工工艺、施工方法等进行调整和优化,最后完成修正预设计文件。
第二章乌鞘岭隧道岭脊地段变形及科研情况
乌鞘岭隧道岭脊约7km范围分布由四条区域性大断层组成的宽大“挤压构造带”,地应力情况十分复杂。
在岭脊地段埋深较大,岩性复杂,岩质相对较软。
隧道施工中,在四条区域大断裂范围内的辅助坑道和正洞,特别在F4和F7断层及影响带、志留系板岩夹千枚岩地层,围岩破碎,洞室自稳能力极差,均发生过较为严重的变形。
2004年是乌鞘岭隧道建设极为关键性的一年,在本年发生了F7断层大变形、7号斜井涌水、岭脊段地质条件比原来预计大大恶化且在复杂应力作用下发生了软弱围岩大变形等诸多技术难题,工程形势一度极其艰难,引起了部有关领导的高度重视,多次到现场办公,帮助解决重大方案问题。
我院高度重视,对现场动态设计力量进行了加强,全面调动院隧道、地质、工经等相关专业的技术力量,加大设备、技术投入,提高设计文件质量、加快设计文件速度,在建指的领导和部署下,解决了诸多技术难题,保证了施工需要。
一、科研内容及目的
(一)区域地应力(形态)特点及洞室开挖变形规律研究
1、地应力场的形态及特点研究
以地应力量测结果为依据,分析复杂地质情况下的岭脊段宏观地应力形态和特点、研究水平主应力方向的统计特征和地应力场的总体特征。
对比地应力场的形态规律和隧道的变形规律以及破坏特征,分析研究隧道区地质构造特点与实测应力场的关系。
2、洞室开挖后变形规律研究
(1)现场的测试及分析
分别在F4~F7断层段、越岭深埋段布设15个试验、测试断面,各断面分别测试试验锚杆轴力、围岩压力、支护混凝土应力、钢架应力、二衬接触压力和二衬应力等。
(2)现场的变形(位移)监测
①洞室空间位移监测
岭脊F4~F7断层之间沿隧道横向水平方向、垂直方向的位移变化及其发展规律;
岭脊F4~F7断层之间沿隧道纵向水平方向的位移变化及其发展规律。
②收敛变形监测
结合隧道施工要求,每20m左右设置收敛变形监测断面,每断面分别在拱顶、墙腰及隧道设置变形测点或测线,采用断面仪进行监测。
施工前期由施工单位量测,通车后由石家庄铁院进行量测。
(3)围岩物理力学指标的现场取样试验及原位测试
主要包括岩体抗剪断试验、岩体变形试验;
室内试验(岩石):
重度、单轴抗压强度、变形模量、泊松比。
确定岩体(石)的重度、弹性抗力系数、变形模量、泊比、内摩擦角、粘聚力、侧压力系数、抗压强度。
(二)大变形地段变形控制技术研究
1、支护结构体系研究
(1)衬砌结构合理断面形式研究
结合各试验段的设置,以设计断面为基础,分别拟定不同的优化断面形式,通过理论分析、结构检算并结合试验段的实际监测,优化设计断面,研究适合复杂地应力条件下的结构合理断面形式。
(2)不同阶段、不同地段支护参数研究
结合各试验段,对上述不同断面形式选择不同的预留变形量、不同的结构尺寸,不同的衬砌厚度、不同的支护参数,通过实际监测和结构的正反分析,确定在复杂地应力条件下的合理支护参数。
(3)支护结构及参数优化研究
根据设计断面进行结构受力分析及参数优化;
隧道结构的稳定性分析。
(4)群洞稳定性分析研究
含F7(四管)、8号斜井工区(三管)及部分辅助坑道交叉口处。
2、不同地段、不同岩性变形控制基准的研究
(1)动态管理信息系统开发研究
(2)支护结构位移反分析
(3)隧道极限位移的计算模拟及确定
根据隧道埋深、原始地应力、围岩基本物理力学指标、断面形式、支护参数、施工方法等原始资料,采用收敛—约束弹塑性模型、计算仿真围岩应力释放过程,依据支护极限状态,确定洞室的极限位移模拟值,并根据实测位移综合确定复杂应力状态下大变形隧道位移极限值。
(4)变形控制基准研究
根据复杂应力状态下大变形隧道的位移极限值、变形规律、隧道支护与衬砌结构形式,施工安全和结构安全度需求,分别确定支护结构位移管理标准和二衬结构施作时机。
3、支护结构系统安全性综合评定
综合确定在较高地应力条件下衬砌结构形式及设计支护参数、确定合理的施工步序和方法,验证高地应力条件下软质围岩衬砌结构设计断面,并对结构运营安全、可靠度提出评价。
(三)控制变形的快速施工方法及工艺研究
1、支护系统施工及工艺
2、长锚杆的快速施工及工艺(配套机具)
3、开挖方法、步序及快速封闭仰拱工艺
4、大变形的控制及快速施工工艺研究
二、主要研究结论
(一)F4断层破碎带
F4断层破碎带位于乌鞘岭岭南地段,长450m,其中断层主带长200m,本段埋深约440m。
在F4断层主带和影响带进行现场测试,分别测试锚杆轴力、初支围岩压力、初支混凝土应力、初支钢架应力、二衬接触压力及二衬混凝土应力。
经测试分析,主要得出以下结论:
1、进行了系统的洞室位移,锚杆、支护压力与应力、衬砌压力与应力的长期测试:
(1)区段洞室变形(收敛)为小于300mm占80%,收敛速率小于2mm/d占78%,支护、衬砌未观察到开裂或破损。
(2)松弛区范围1.5~3.0m左右,锚杆长度合理。
(3)在F4断层带初期支护围岩压力为0.13~0.37MPa,介于规范Ⅴ~Ⅵ级围岩荷载(0.2~0.4MPa)之间,实测围岩压力和二衬接触压力已基本趋于稳定。
平均侧压力系数为0.704,二次衬砌接触压力占围岩压力的比例为30.4%,各应力基本趋于稳定。
2、分别按规范荷载(考虑地应力影响)、位移反分析成果和实测围岩荷载的结构安全性检算,结构安全度满足规范要求。
综合分析:
在F4断层带中设计的衬砌结构是安全的,结构的安全度满足规范要求。
(二)岭脊志留系千枚岩地层区段试验研究
1、设计、施工简况
本段埋深450~1050m,由于志留系千枚岩地层受F7断层影响大,处于岭脊几条大挤压构造带中间,地应力状态十分复杂,加之千枚岩岩质软弱,进入正洞施工后,隧道开挖后变形大,在以千枚岩为主的地层中收敛变形达500~700mm,日变形速率高(40~80mm/d),为有效控制变形,确保结构、运营安全,并为下一步设计和施工提供依据,曾进行了100m的试验段,拟定三种支护参数进行研究比较,本试验段由于塌方等原因,未能形成有效试验段。
2004年8月2日,建设司召开专题会议,重新选择了试验段,对初期支护、衬砌进行试验,试验支护参数表3-1。
9号斜井工区结构试验段支护参数表表3-1
断面
初期支护
钢架
预留变形量cm
二次衬砌(钢砼)
cm
里程范围
湿喷
混凝土
锚管φ32mm花管
钢筋网
长度m
间距m
位置
第一段
25钢钎维
锚管拱4m墙6m柔性锚杆长6m,4根/榀
0.8
拱墙双层钢筋网
H1753榀/2m
35~55
50
YDK175+220~+232
YDK175+440~+458
第二段
拱部单层钢筋网
H1751榀/0.8m
35
YDK175+220~+208
YDK175+458~+467
第三段
锚管拱4m
墙6m
I201榀/0.8m
25
YDK175+208~+196
第四段
25补强10
拱墙单层
YDK175+467~+476
注:
H175钢架:
40.3kg/m,Ix=2900,Iy=984;
I20a钢架:
27.9kg/m,Ix=2370,Iy=158。
衬砌断面如图3-2所示。
图3-2岭脊地段典型断面
2、现场测试
根据试验方案,按千枚岩含量的多少选择试验段。
在板岩为主和以千枚岩为主地段各选择三个试验段进行研究,采用的主要方法有:
二次衬砌混凝土应力量测、围岩与初期支护间的压力、初期支护应力、初期支护钢架应力、初期支护与二次衬砌之间的压力、锚杆轴力、收敛量测、裂纹监测等内容。
(1)收敛量测
收敛测试典型曲线如图所示,图3-3为以板岩为主和以千枚岩为主的典型收敛量测曲线比较图。
图3-3 断面拱脚水平收敛时间曲线
从图可以看出,当围岩以板岩为主时,收敛变形小于200mm,但当围岩以千枚岩为主时,收敛变形达500mm左右。
3、结构分析
断面为椭圆形,初期支护厚25cm,二次衬砌为50cm钢筋混凝土结构。
(1)按规范荷载(考虑高地应力影响)检算结果
1)对以板岩为主的地层,围岩的单轴抗压强度高,结合现场测试成果和围岩情况,经工程类比和按Ⅴ级围岩进行结构检算,初期支护和二次衬砌(40cm厚素混凝土)安全系数均满足规范要求。
2)对以千枚岩为主的地层,考虑高地应力因素,按Ⅵ级围岩进行结构检算(二次衬砌50cm厚钢筋混凝土)。
考虑高地应力因素,采用了实测的围岩力学参数,按Ⅵ级围岩检算结果,计算的各断面最不利截面配筋仅需按构造配筋1000mm2,实际设计配筋量为1900mm2;
最不利截面的安全系数为4.16,满足规范要求(规范安全系数为2.0)。
(2)按位移反分析成果检算结果
分别按照“典型类比分析法-围岩稳定性分析软件包BMP2000”、“有限元位移正反分析法”和“位移联图反分析法”三种方法,进行了位移反分析。
并根据各自反分析的围岩弹性模量和地应力成果进行了结构分析,表明初期支护与二次衬砌提供的支护抗力大于保持围岩稳定所需要提供的支护抗力,二次衬砌最不利截面安全系数大于规范规定要求,结构安全。
(3)按实测围岩压力、接触压力荷载检算结果
检算结果如下:
初期支护各断面最不利截面安全系数大于1.71,满足施工安全度要求。
二次衬砌各断面最不利截面在计算配筋仅需按构造配筋1000mm2,小于设计配筋1900mm2;
各断面最不利截面安全系数为6.46,满足规范要求(规范安全系数为2.0)。
(4)安全性评价
通过规范荷载(考虑高地应力影响)、位移反分析成果和实测荷载的结构安全性分析,初期支护和二次衬砌结构安全系数满足规范要求。
4、结论
(1)在板岩为主的区段中,支护收敛变形可在200mm以内,支护与二次衬砌结构完整,未观察到裂缝及破损;
在千枚岩为主的区段,支护收敛变形在500~700mm,采用试验段参数后
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