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公路隧道软弱围岩支护系统可靠性分析的应用和研究

项目名称：	公路隧道软弱围岩支护系统可靠性分析的应用和研究
摘要：	任务来源福建省龙岩漳龙高速公路乌石山隧道全长2.6km，地质条件非常复杂，洞身穿越22条规模不同的断层，洞口处于I、II类软弱围岩段，稳定性极差，如何评价公路隧道软弱围岩支护系统稳定的可靠性并确保施工安全和工程质量，成为建设方最为关心的问题。经龙岩漳龙高速公路有限公司的科研立项申请，福建省交通厅于2000年8月7日以“闽交科[2000]18号”文批准对《公路隧道软弱围岩支护系统可靠性分析的应用与研究》课题立项研究。应用领域和技术原理本项科研成果可应用于公路、铁路隧道工程及其它地下工程等广阔领域。本项目将可靠度理论的方法运用于隧道工程，并突破荷载一结构模式上的可靠度研究思路，引入连续体模式，将现场量测和可靠度评价结合起来。采用现场试验和理论分析数值模拟的方法，对公路隧道软弱围岩支护系统的可靠性根据其受力特点，确定不同的可靠性分析体系。对初期支护结构，采用位移评判体系，即将小断点，即将小断面采集的位移通过反分析和正分析的方法得到全断面的位移统计特征，并根据不同的施工方法和隧道的具体地质特征确定隧道的极限位移，通过可靠度理论的分析方法对初期支护结构进行动态评判，并将评判的结果反馈设计和施工单位，以满足优化设计和安全施工的需要。对二次衬砌结构通过形变压力现场量测而得到二次衬砌结构受力的统计特征，采用随机有限元等分析方法对二次衬砌结构可靠度进行评价。达到的目标成果和技术经济指标根据技术任务书要求本课题应达到的技术指标和经济指标为： 1、技术指标 (1) 提出大断面公路隧道软弱围岩不同开挖方式下围岩的应力场和位移场分布规律，提出适合乌石山隧道软弱围岩下的开挖方式； (2) 提出大断面公路隧道软弱围岩稳定性和支护效果的现场测试结果； (3) 提出施工阶段隧道初期支护结构可靠性评价方法，建立初期支护结构位移可靠度评价体系； (4) 提出隧道二次衬砌结构可靠度评价体系； (5) 为按可靠度理论编制公路隧道设计、施工、运营使用各个不同阶段规范提供资料。 2、经济指标 (1) 通过现场监测指导施工决策，保证施工的进度、施工安全与工程质量； (2) 进行信息化施工，通过科研工作成果来优化设计，使设计参数更加合理； (3) 本课题的研究成果将为公路隧道按可靠度理论设计、施工、管理提供资料。通过大量现场实测数据以及室内的理论分析工作，取得以下科研成果：提出了公路隧道软弱围岩的合理开挖方式： (1) 现场测试成果直接指导施工，为确保施工安全和支护参数的调整起到了积极作用； (2) 提出了施工阶段初期支护结构可靠度评价方法； (3) 提出了利用二次衬砌形变压力的现场量测值对二次衬砌可靠度进行判别的方法； (4) 提出了隧道支护结构稳定可靠性动态设计体系；综上所述，本研究具有以下特色： (1) 提出了适合公路隧道特点的开挖方法； (2) 突破了建立在荷载——结构模式上的可靠度研究思路，即把现有的规范中的可靠度由荷载结构模式引入到连续体模式中。在新奥法施工的软岩隧道以变形为施工阶段可靠度严峻的突破口，对二次衬砌结构可靠度以形变压力为突破口，将现场量测资料直接与可靠度评定结合起来，真正体现施工中信息反馈、指导施工的信息化施工设计的特点。 (3) 对变形量测值在空间上外延的研究。与国内外同类技术比较在设计阶段，日本的松尾埝于1984年出版的《地盘工学》对边坡、板桩、地下埋管以及新奥法支护等阐述了以概率理论为基础的设计和计算方法。Baton提出了围岩分类和相应的支护结构的建议。我国有关部门开始对地下结构按可靠度设计进行了探索。竣工阶段隧道可靠度方面，前苏联学者曾提出过毛洞可靠度评定方法。Shigeyuki Kohno对对到支护结构的可靠度进行了分析。运营阶段隧道可靠性评定，日本欧美等隧道技术发达国家也在此方面作了大量研究工作并以运用于实际工作中。我国一些学者也在此研究中取得了一定的效果。国内外技术比较表明，将可靠度理论应用在隧道及地下工程结构中主要进行的主要工作具有以下四方面特点：一是运营阶段隧道可靠度评定已得到重视,并提出一些初步方法；二是设计阶段引入了可靠度概念，从理论上和数据收集上做了一定工作，但实际运用起来还受到一些限制，该限制主要源于设计阶段的可靠度研究更多注重于学分析前期所需各种物理力学行参数的统计分析，而这些物理力学参数的选取是建立在荷载——结构模型的基础上，这对用新奥法施工的软岩隧道的生命式衬砌结构的可靠度设计显然是不合适的。三是对隧道建成后国内外目前无一套可行的可靠度评定方法和完整的应用实例。四是在施工阶段对支护结构稳定的可靠性进行动态评价，尚未见有关报道。因此在地下工程中的可靠度研究还存在许多薄弱环节，特别是对施工过程的可靠度以及在隧道修建完成后对二次衬砌结构的可靠性评价方面还是一项需要填补的空白。成果的创造性、先进性本课题研究与福建省龙岩漳龙高速公路三期工程乌石山隧道的施工同步进行，主要从理论分析和现场试验两个方面进行。 1、针对软弱围岩隧道工程的特点，突破地下结构可靠度研究中的荷载——结构模式，引入连续体模式。首次提出以现场实测位移和实测压力为立足点，分别建立了两套不同可靠度评判体系，研究了适合现场施工中对初期支护进行动态可靠的评价的方法，建立了一套对施工完成后二次衬砌的可靠度评价方法。 2、建立了一套软弱围岩隧道支护结构可靠度评价体系。 3、在实测数据的统计分析中，对隧道全位移以及实际极限位移的获取进行了系统的研究，即对位移量测质在时间、空间商外延的研究。并对二次衬砌实际承受的压力统计特征进行了研究，提出形变压力荷载系数的概念。 4、对公路隧道软弱围岩开挖方法进行了系统研究，提出适合公路隧道特点的开挖方法。 5、在可靠度理论计算方法中，提出一个简单，实用且精度高的改进劳动特卡罗法，并将该方法与确定性的结构分析有限元相结合分析衬砌结构可靠度的方法。作用意义本课题针对公路隧道软弱围岩支护系统的可靠性进行分析和研究，在建设单位的精心组织下，经过科研小组的刻苦攻关，为我国公路隧道软弱围岩采用可靠度理论进行评估和稳定性判别探索了一条新路，其科研成果有效地保证了隧道的修建。 1、该隧道采用《公路隧道软弱围岩支护系统可靠性分析的应用与研究》成果在施工阶段和隧道支护软弱围岩地区建立一套与施工和设计紧密结合的判定方法对设计和施工具有指导作用，在我国公路隧道建设中具有广阔的、良好的推广应用前景； 2、科研成果提出大断面公路隧道软弱围岩下不同开挖方式下围岩的应力场和唯一分布规律，提出适合公路隧道大断面软弱围岩下的开挖方法，对公路隧道的施工具有积极的知道作用； 3、科研成果提出大断面公路隧道软弱围岩稳定性和支护效果的现场测试结果，通过对最直观反映软弱围岩的变心个净空收敛和拱顶下沉的量测分析，及时反馈施工单位。对施工单位按信息化施工，及时发现问题、防止坍方，保证施工安全和施工进度和施工质量起到了保证作用；另外通过对二次衬砌形变压力的量测及分析，对施工和设计单位下一步的工作具有重要的指导意义； 4、科研成果提出隧道初期支护稳定可靠性判别理论及方法，提出隧道二次衬砌结构可靠度判别的理论方法，为按可靠度理论编制公路隧道设计规范提供模式和依据； 5、通过科研工作成果来优化设计，修正设计参数，使设计参数更加合理。该项科研工作成果对乌石山大断面隧道顺利通过极软弱围岩段起到重要的现场指导作用，特别是隧道进出口地段，施工单位采用科研中间成果，有效地防止大坍方4次，顺利通过特别复杂地质区域，取得了显著社会效益的同时取得了良好的经济效益。
关键词：	隧道软弱围岩；系统可靠性分析；应用和研究；支护系统；围岩支护；分析的；大断面公路隧道；初期支护；衬砌结构；支护结构
项目负责人：	赖世桂
参与人员：	吴江敏,陈礼伟,陈善棠,李定越,李代华,胡元芳,陈金水,陈志武,钟元庆,谭忠盛,袁顺德,张宇,王连群,余良,郭永波,陈文林,林跃进,苏兴矩,王汉高,曾美珍,黄波,焦齐柱,王腾飞
组织单位：	龙岩漳龙高速公路有限公司
主持或承担单位：	铁道第四勘探设计院,中铁西南科学研究院
项目类别：	地方交通科技项目
起止年限：	1999-8-1～2001-7-1
立项年份：	1999