摘要
随着土木工程在我国的蓬勃发展,预计21世纪初至中叶将是我国大规模建设地下工程的年代,与此相关,也会涌现出大量的岩土工程技术问题需要解决。在市区修建大断面隧道工程,其地层软弱富水的复杂工程地质条件、暗挖隧道结构呈洞群系统的复杂工程施工条件、近邻建筑物和管线密布的复杂工程边界条件而言,进行隧道工程的施工,其施工难度和风险极大,地表沉降机理及施工所引起的地表沉降分布形态也极为复杂,施工所引起的地面沉陷将有可能危及周围建筑设施和地下管线等的安全,造成严重的经济损失和社会影响。因此,如何在隧道施工过程中有效可靠地预计和动态地控制施工所引起的地面沉陷和变形,实现信息化动态施工,以保护工程沿线建筑物和地下管线的安全,已成为城市地下工程建设中必须解决的一项重要课题。
本文基于大量的文献和广泛的实践,籍助厦门海底隧道浅滩段实测资料,利用现场试验、理论分析和数值模拟等多种研究手段,对大断面隧道浅埋暗挖法施工技术和变形分配控制理论进行了全面而系统的深入研究,并结合实际工程对本文的研究思想进行了应用研究,取得了一系列有益于理论和实践的研究结果。
1)在隧道施工所引起的地表沉降的预计中,合理地模拟隧道的开挖支护施工过程以及各种支护措施的力学效果是至关重要的。
2)通过对现场试验研究内容的精心设计,系统研究了浅埋暗挖法隧道工作面在开挖通过观测主断面前、通过中、通过后地层的响应规律。全面分析了围岩的应力与变形的分布特征及其变化规律。
3)为了研究复杂群洞隧道工程施工所引起的地表沉降问题,针对地下工程施工过程的非线性特点,以地表沉降作为施工控制目标,结合动态规划原理,建立了群洞隧道开挖顺序优化的数学模型,对大断面隧道多导洞的开挖顺序进行动态优化。
4)为了确保施工所引起的地表沉降在控制标准内,提出了变形分配控制理论,实现了动态信息化施工。
It is predicted that a great deal of urban underground engineering will be constructed at early-middle period in the 21st century based on flourish civil engineering foreground nowadays, and at one time many geotechnical problems will also come forth. As far as complicated geologic condition with weak watery strata, complex construction condition with multi-tunnel system and complex environmental condition with adjacent to building and pipeline are concerned, difficulty and risk of construction are very great and the mechanism of ground settlement and its distribution are also very complex. Large land subsidence value induced by construction of large cross—section tunnel can lead to that road surface, buried pipe lines and buildings and so on are damaged. Furthermore, bad economic loss and social effect can be brought about. As a result, it is an urgent realistic problem that land subsidence induced by tunneling is forecasted and controlled so as to realize information and dynamic construction and ensure the safety of close-by building and buried pipeline.
Based on vast literatures and extensive practices, the construction technology and the stratum deformation prediction and controlling theory in large cross—section tunnel construction with multi-hole was investigated , by local experimentation, theory analysis and numerical simulation. Its application was carried thoroughly, and a series of results were obtained.
Firstly, it is very important that construction process of excavation and support and mechanical effect of supporting structure are simulated reasonably as far as land subsidence induced by tunneling is forecasted.
Secondly, by a series of sites test, the earth responded rules which tunneling face of SCTM passed through observation main-transect during its frontage, backside and same position were studied systematically. The distributing characters of the earth stress and its distortion were analyzed in an all-round way.
Thirdly, to study of land subsidence on complex multi-tunnel system engineering, in virtue of nonlinear characteristic of construction route in underground engineering, mathematical model of optimal excavation sequence aiming to land subsidence is built on basis of dynamic programming theory. Furthermore, the optimize theory is applied in large cross—section tunnel construction with multi-hole.
Fourthly, in order to ensure land subsidence by excavation is less than settlement control standard, this paper presents the stratum deformation prediction and controlling theory, realizing information and dynamic construction
引文
铩颷1]孙钧.地下结构工程理论与实践[M].上海:上海科学技术出版社,1995
[2]孙钧.侯学渊.地下结构[M].北京:科学出版社,1987
[3]关宝树.公路大断面隧道施工设计的研究[M].成都:西南交通大学出版社,1994
[4]关宝树.隧道力学概论[M].成都:西南交大学出版社,1993.121-129
[5]孔恒.城市地铁隧道浅埋暗挖法地层预加固机理及其应用研究[D].北京交通大学,2003
[6]高波.复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究[D].西南交通大学,2003
[7]夏才初,等.地下工程测试理论与监测技术[M].上海:同济大学出版社,1999
[8]STRANG G.Linear Algebra and its Applications[M].San Diego:Harcourt BraceJovanovich,1988:282-285
[9]刘洪伟、李建华.不同围岩条件下大跨隧道的施工方案探讨[J].地质与勘探(GEOLOGYPROSTECTING),2000,36(5):84-86
[10]浙江省交通设计院.公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,1990
[11]蒋树屏,黄伦海,胡学兵超大断面公路隧道的设计与研究[J].地下空间与工程学报,2005,25(2):54-61
[12]万姜林,唐果良.复杂周边环境下浅埋超大断面隧道施工技术[J].地下空间,2004,24(6):185-189
[13]胡文清,郑颖人,钟昌云.木寨岭隧道软弱围岩段施工方法及数值分析[J].地下空间,2004,24(2):194-197
[14]董建驹,王新线,李海峰.广州地铁公纪区间21.6m大跨度段施工技术[J].铁道建筑技术,2002(3):29-32
[15]霍卫华.软岩大跨隧道施工力学研究[J].河北理工学院学,2004,26(4):96-99
[16]施仲衡,张弥等.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科学技术出版社,1997
[17]曹继伟.大跨度山岭隧道围岩与支护结构稳定性的数值模拟分析[D].大连理工大学2003,
[18]朱亮来.软弱围岩浅埋大跨隧道施工技术[J].焦作工学院学报,2002,21(3):235-237
[19]宫成兵等.大断面单洞四车道公路隧道结构设计与施工方案探讨[J].公路,2004(6):177-182
[20]杨龙才,周顺华,姚燕明.变跨度隧道施工引起的地表沉降[J].同济大学学报,2003,31(4):408-412
[21]黄波.公路隧道软弱围岩开挖方法研究[J].土工基础,2004,18(5):59-61
[22]张顶立,王梦恕,高军等,复杂围岩条件下大跨隧道的修建技术研究[J].岩石力学与工程学报,2003,(2):290-296
[23]张延.软弱围岩中修建大跨隧道的设计和施工[J].地下空间(UNDERGROUNDSPACE),2003,22(2)
[24]王述红,许研等.岩体结构面对大跨隧道工程稳定性影响初步研究[J].IM&P化工矿物与加工.
[25]谭文杰.软弱围岩大跨隧道施工技术的体会[J].路基工程,2005,121(4)
[26]张庆彬,吴从师等.大跨度隧道的钻爆设计和震动测试[J].采矿技术,2004,3(5)
铩颷27]郝哲,李伟等.韩家岭大跨度隧道开挖过程数值模拟研究[J].西部探况工程(WEST-CHINAEXPLORATION ENGINEERING),2005,105(2)
[28]刘清松.软弱围岩大跨隧道工程技术的思考[J].工程科技,2004,(1)
[29]刘义立.软岩大跨隧道台阶法施工实践[J].山西建筑,2005,31(4)
[30]任国雷,蒋中贵等.大跨度隧道侧壁导坑法施工过程数值模拟[J].西部探矿工程(WEST-CHINA EXPLORATION ENGINEERING),2005,(106)
[31]姚云晓.大跨隧道水平岩层软弱围岩段掘进技术[J].西部探况工程(WEST-CHINAEXPLORATION ENGINEERING),2005,(106)
[32]朱永利.浅埋大跨软岩隧道的施工与监测[J].岩土工程界,2004,8(8)
[33]丁常国.特大跨超浅埋隧道施工技术[J].地下空间(UNDERGROUND SPACE),2005,22(3)
[34]陆志东,尹若庆.大断面高速公路隧道创优施工经验[J].建井技术(MINE CONSTRUCTIONTECHNOLOGY),2002,23(3)
[35]高桂凤等.大跨公路隧道仰拱优化设计研究[J].国防交通工程于技术,2003(4)
[36]杨建民.郑西客专超大断面黄土隧道支护参数研究[J].科学技术通讯,2005,(127)
[37]师金锋,张应龙.超大断面隧道围岩的稳定性分析[J].地下空间与工程学报(ChineseJournal of Underground Space and Engineering),2005,1(2)
[38]高军.大跨隧道初期支护稳定性分析[J].矿山压力与顶板管理,2002,NO.1
[39]蒋树屏,刘洪洲.大跨度扁坦隧道动态施工的相似模拟与数值分析研究[J].岩石力学与工程学报,2000,13(5)
[40]郑毅人,沈珠江,龚晓南.岩石塑性力学原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2002:41-57
[41]王建宇.锚喷支护原理和设计[M].中国铁道出版社,1980
[42]荣耀,赵明阶,黄红元.公路隧道爆破荷载的计算分析[J].公路交通技术,2005(1):91-94
[43]陈占军,朱传云,周小恒.爆破荷载作用下岩石边坡动态响应的FLAC3D模拟研究[J].爆破(BLASTING),2005,22(4):8-13
[44]刘国华,王振宇.爆破荷载作用下隧道的动态响应与抗爆分析[J].浙江大学学报,2004,38(2):204-208
[45]万元林,王树仁.关于空气不偶合装药初始冲击压力计算的分析[J].爆破(BLASTING),2001,18(3):13-15
[46]赵同彬,顾士坦,马志涛.岩石爆破理论与工程综述及其展望[J].山东科技大学学报(Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science)),2003,22(3):108-112
[47]荣耀,许锡宾,黄红元,杨福基.Technology of Highway and Transport[J].公路技术,2005,(4):142-146
[48]郑际汪,陈理真.爆破荷载作用下隧道围岩稳定性分析[J].矿山压力与顶板管理,2004,(4):53-55
[49]高军.不稳定岩堆体大跨隧道稳定性控制[J].矿山压力与顶板管理,2000,(2)
[50]马天文.城市地铁过轨区大跨隧道微震动控制爆破技术[J].西部探矿工程(WEST-CHINAEXPLORATION ENGINEERING),2002,(78)
[51]陈建勋,马建秦.隧道工程试验检测技术[M].北京:人民交通出版社,2002
[52]李国锋,丁文其等.特殊地质公路隧道动态设计施工技术[M].北京:人民交通出版社, 2001
铩颷53]黄成光.公路隧道施工[M].北京:人民交通出版社,1999
[54]李晓红.隧道新奥法及其量测技术[M].北京:科学出版社
[55]关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京:人民交通出版社
[56]赵慧丽,等.边坡稳定性分析理论与方法[J].路基工程,2006,(124)
[57]全学让,吴波等.深圳地铁大-科区间水平旋喷预加固力学效果研究[J],铁道工程学报(增),2002
[58]吴波,高波,关宝树.锚喷支护设计理论及其工程应用[J].铁道工程学报,2002,(4)
[59]蒋正华.城市地铁区间隧道开挖的地表沉降控制研究[D].西南交通大学,2003
[60]吴波,高波,蒋正华,全学让,周振强地铁隧道施工对地表沉降影响的优化控制分析[J].现代隧道技术,2003,(3)
[61]吴波,高波,漆泰岳,蒋正华城市地铁区间隧道洞群开挖顺序优化分析[J].中国铁道科学,2003,(5)
[62]全学让,吴波等城市地铁复杂洞群施工性态的数值模拟与分析[A].中国交通土建学术会论文集[C],2003
[63]王暖堂,陈瑞阳,谢臀.城市地铁复杂洞群浅埋暗挖法施1技术[J]岩土力学,2002,23(2):208-212.
[64]张之驯,李建德.动态规划及其应用[M].北京:国防工业出版社,1994
[65]王日爽,徐兵等.应用动态规划[M].北京:国防工业出版社,1987
[66]张有为.动态规划[M].湖南:湖南科学技术出版社,1991
[67]白李妍,张弥隧道工程环境影响的动态优化控制[J].岩石力学与工程学报,2002,21(3):393～396
[68]中铁四局.软弱富水地层中修建地铁车站和浅埋大跨度群洞隧道技术研究报告[J].2003
[69]朱维中,王平.动态规划原理在洞室群施工力学中的应用[J].岩石力学与工程学报.1992,11(4):323-331
[70]于学馥,郑颖人地下工程围岩稳定分析[M].北京:煤炭工业出版社,1983
[71]朱维申,张玉军,任伟中.系统锚杆对三峡船闸高边坡岩体加固作用的块体相似模型试验研究[J].岩土力学,1996,17(2):1-6
[72]Zhu Weishen,ZhangYujun.Effect of supporting surrounding rocks by bolts andits application to high slope of three gorges flight lock.In:Proceedings of theinternational symposium on anchoring and grouting techniques.HongKong:EconarcCommunication(Group)Ltd,1994.188-197
[73]王明年,张建华.工程措施对控制隧道围岩变形的力学效果研究[J].岩土工程学报,1998,20(5):27-30
[74]俞裕泰,黄赛超.坚硬而不完整岩体中地下洞室的分期开挖[J].地下工程,1984,(11):31-35
[75]杨奇,李青其.东风水电工程地下厂房开挖顺序对围岩稳定的影响[A].复杂岩石中建筑物学术会议,北京,1985
[76]杨淑清.地下洞室围岩开挖稳定分析[J].武汉水利电力学院学报,1986,73-82
[77]Zhu Weishen,Wu Bailing,Lin Shisheng.Optimum non-linear analysis on reasonable excavating order and anchoring treatment of large sized rock chambers[A].Int.Symp.On
Large Rock Carvems,Helsinki,1986
铩颷78]朱维中,王平.动态规划原理在洞室群施工力学中的应用[J].岩石力学与工程学报.1992,11(4):323-331
[79]朱维申,何满潮.复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学[M].北京:科学出版社,1995
[80]朱维申,李沐才,程峰.能量耗散模型在大型地下洞群施工顺序优化分析中的应用[J].岩土工程学报.1998,23(3):333-336
[81]Yoichi H,Yamashita R.Study on the stability of a group of caverns[A].FifthInt.Conf.On Numerical Methods in Geomechanics[C],Nagoya,1985,1201-1206
[82]C.S.Desai Seepage analysis of earth banks under drawdown[J].J.Soil Mech.&Found.Div.,98SM(11):1972,1143-1163
[83]Dolezelova M.The influence of construction work sequence on the stability ofunder ground openings[A].Proc.3rd Int.Conf.On Numerical Methods inGeomechanics[C],Aachen,1979,561-569[
84]刘维宁,张弥,邝名明.城市地下工程环境影响的控制理论及其应用[J].土木工程学报,1997,30(5):66-75.
[85]白李妍,张弥.隧道工程环境影响的动态优化控制[J].岩石力学与工程学报,2002,21(3):393-39.
[86]#12
[87]#12
[88]钱七虎,戚承志译.俄罗斯地下铁道建设精要[M].北京:中国铁道出版社,2002
[89]浅埋未固结围岩隧道开挖中的围岩动态[J].隧道译丛,1988,(6):11～24