讓超大斷面隧道施工更安全

文/圖 山東高速集團(tuán)有限公司

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸需求和交通量的迅速增長(zhǎng)，前期建設(shè)的高速公路因通行能力趨于飽和而改建、擴(kuò)建，以雙向八車道為代表的超大跨度隧道應(yīng)運(yùn)而生，開啟了國(guó)內(nèi)超大斷面、超大跨度公路隧道建設(shè)的序幕，并將成為未來(lái)公路隧道建設(shè)的必然趨勢(shì)。

因施工工序復(fù)雜，各工序之間的干擾性強(qiáng)，超大斷面隧道具有松弛荷載大、應(yīng)力集中顯著、成拱效應(yīng)條件高等特征。與常規(guī)隧道相比，超大斷面隧道對(duì)圍巖的擾動(dòng)破壞程度更為劇烈，在同等結(jié)構(gòu)面密集程度、切割程度下，圍巖的穩(wěn)定性更差，施工難度急劇增加。尤其是遭遇軟弱圍巖、破裂帶、富水地層等復(fù)雜條件時(shí)，隧道圍巖穩(wěn)定性控制異常困難，傳統(tǒng)支護(hù)方式與襯砌防排水結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足超大斷面隧道的施工需求，錨網(wǎng)噴、型鋼拱架等傳統(tǒng)支護(hù)形式強(qiáng)度和剛度不足，破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，襯砌結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)受力不均、變形失調(diào)，導(dǎo)致巖體垮塌、圍巖大變形與大體積塌方等災(zāi)害事故和襯砌破裂滲漏水等病害，嚴(yán)重威脅隧道施工與運(yùn)營(yíng)安全。

現(xiàn)行公路隧道設(shè)計(jì)、施工規(guī)范中無(wú)相關(guān)雙向八車道隧道的技術(shù)規(guī)范，復(fù)雜條件下超大斷面隧道施工缺乏成熟有效的設(shè)計(jì)方法、災(zāi)害防控技術(shù)與類似可借鑒經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)重制約了我國(guó)超大斷面隧道工程的安全高效建設(shè)。

超大斷面四車道隧道通行能力約為兩車道隧道的3倍

為此，山東高速集團(tuán)有限公司、山東大學(xué)等多家科研單位，采用“產(chǎn)-學(xué)-研-用”模式聯(lián)合攻關(guān)，依托京滬高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目、新臺(tái)高速公路項(xiàng)目中的隧道工程，聚焦超大斷面隧道安全施工這一主題，系統(tǒng)開展復(fù)雜條件超大斷面隧道施工安全控制關(guān)鍵技術(shù)研究，突破軟弱破碎圍巖高強(qiáng)支護(hù)與穩(wěn)定性控制、富水地層襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水病害防治與安全評(píng)價(jià)兩項(xiàng)核心技術(shù)，在技術(shù)創(chuàng)新和工程應(yīng)用上均具有重要意義。

思路：聚焦關(guān)鍵技術(shù)難題與挑戰(zhàn)開展三方面研究工作

項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)聚焦復(fù)雜條件超大斷面隧道施工安全控制面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題與挑戰(zhàn)，以裂隙巖體與破碎巖體（軟弱、富水）為對(duì)象，系統(tǒng)地開展圍巖變形破壞及其與結(jié)構(gòu)耦合作用、圍巖高強(qiáng)支護(hù)與穩(wěn)定控制、結(jié)構(gòu)協(xié)同承載與安全評(píng)價(jià)三方面研究工作，通過(guò)兩項(xiàng)核心技術(shù)創(chuàng)新，解決了復(fù)雜條件超大斷面隧道圍巖穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)安全控制理論、方法、技術(shù)、裝備、工藝等一系列難題，形成了復(fù)雜條件超大斷面隧道施工安全控制關(guān)鍵技術(shù)。項(xiàng)目總體研究思路如下：

項(xiàng)目總體研究思路

首先，針對(duì)裂隙巖體與圍巖穩(wěn)定性控制難題，通過(guò)巖體結(jié)構(gòu)面三維智能識(shí)別、巖體擾動(dòng)破壞微震定位與力學(xué)行為時(shí)空演化分析相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了巖體失穩(wěn)模式的快速判識(shí)與圍巖擾動(dòng)破壞區(qū)域的識(shí)別定位，揭示了圍巖荷載釋放規(guī)律與分布特征，為巖體垮塌災(zāi)害防控提供理論基礎(chǔ)。

其次，通過(guò)開展圍巖變形破壞與支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)效機(jī)制研究，揭示軟弱破碎地層圍巖支護(hù)耦合作用機(jī)理，為復(fù)雜條件超大斷面隧道高強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)。首創(chuàng)了高強(qiáng)約束混凝土支護(hù)體系與設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜條件超大斷面隧道圍巖的穩(wěn)定控制。

再次，通過(guò)開展富水地層襯砌結(jié)構(gòu)破裂滲漏水失效機(jī)制研究，揭示襯砌結(jié)構(gòu)的變形特征與破壞模式，據(jù)此提出新型一體化協(xié)同承載結(jié)構(gòu)體系，從而避免富水地層襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水病害的發(fā)生。

最后，提出了超大斷面隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)外聯(lián)動(dòng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，建立了圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)價(jià)模型與方法，開發(fā)了超大斷面隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與科學(xué)評(píng)價(jià)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了超大斷面隧道圍巖與結(jié)構(gòu)狀態(tài)的科學(xué)評(píng)價(jià)與安全控制。

項(xiàng)目主要科研單位——山東高速集團(tuán)有限公司

山東高速集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱“山東高速集團(tuán)”）是山東省基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的國(guó)有資本投資公司，注冊(cè)資本459億元，資產(chǎn)總額1萬(wàn)億元。山東高速集團(tuán)大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施核心業(yè)務(wù)，致力于打造主業(yè)突出、核心競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)運(yùn)營(yíng)服務(wù)商和行業(yè)龍頭企業(yè)。

山東高速集團(tuán)全面貫徹中央和省委、省政府決策部署，堅(jiān)守國(guó)有企業(yè)經(jīng)濟(jì)責(zé)任、政治責(zé)任和社會(huì)責(zé)任，以推動(dòng)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展為主題，以產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化和結(jié)構(gòu)調(diào)整為主線，以深化改革創(chuàng)新為動(dòng)力，加快構(gòu)建優(yōu)勢(shì)突出、特色鮮明的山東高速產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈、價(jià)值鏈和創(chuàng)新鏈，致力打造“紅色”“創(chuàng)新”“質(zhì)量”“卓越”“活力”“文化”企業(yè)，為建設(shè)新時(shí)代現(xiàn)代化強(qiáng)省作出新的更大貢獻(xiàn)。

“十四五”期間，山東高速集團(tuán)將新建、續(xù)建高速公路重點(diǎn)項(xiàng)目40個(gè)左右，總長(zhǎng)約3200公里、總投資5200億元，完成815公里的高速公路改擴(kuò)建，屆時(shí)山東高速集團(tuán)運(yùn)營(yíng)的高速公路里程將達(dá)9517公里，六車道以上占比提升至40%以上，京滬高速公路、京臺(tái)高速公路兩條南北大通道實(shí)現(xiàn)省內(nèi)全路段六車道以上通行，助力全省高速公路通車?yán)锍掏黄?萬(wàn)公里。同時(shí)山東高速集團(tuán)堅(jiān)持“存量改造”和“增量突圍”同向發(fā)力，不斷加大智慧高速建設(shè)力度，推動(dòng)高速公路數(shù)字化和智慧化升級(jí)。

成果：一套理論 兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)三種分析方法

通過(guò)一系列研究，該項(xiàng)目系統(tǒng)創(chuàng)新了一套理論、兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、三種分析方法，集成搭建了隧道圍巖-支護(hù)-結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與科學(xué)評(píng)價(jià)平臺(tái)，最終形成了復(fù)雜條件超大斷面隧道施工安全控制關(guān)鍵技術(shù)，提升了我國(guó)超大斷面隧道工程建設(shè)水平。

復(fù)雜條件超大斷面隧道圍巖破壞及其與結(jié)構(gòu)耦合作用理論

針對(duì)現(xiàn)行設(shè)計(jì)、施工規(guī)范不適用于超大斷面隧道，導(dǎo)致支護(hù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏依據(jù)的現(xiàn)狀，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出了以“三維結(jié)構(gòu)面特征智能識(shí)別、巖體擾動(dòng)破壞微震定位、力學(xué)行為時(shí)空演化分析”為核心，且多模式結(jié)合的隧道圍巖穩(wěn)定性綜合判別方法。

隧道圍巖穩(wěn)定性綜合判別方法

此外，研究團(tuán)隊(duì)還自主研發(fā)了圍巖高強(qiáng)支護(hù)大型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，分析了隧道圍巖應(yīng)力、變形發(fā)展規(guī)律，明確了圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)失效機(jī)制，揭示了軟弱圍巖-高強(qiáng)支護(hù)耦合作用機(jī)理，為軟弱破碎圍巖高強(qiáng)支護(hù)方式比選與參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圍巖高強(qiáng)支護(hù)大型模擬試驗(yàn)研究

襯砌漏水模型試驗(yàn)研究

約束混凝土力學(xué)試驗(yàn)研究

同時(shí)，通過(guò)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究團(tuán)隊(duì)揭示了壁后荷載分布及孔隙水壓力演化規(guī)律和襯砌破裂失效機(jī)制，明確了襯砌結(jié)構(gòu)的變形特征與破壞模式，為隧道穿越富水破碎帶襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與滲漏水病害防治提供了依據(jù)。

超大斷面隧道軟弱破碎地層圍巖高強(qiáng)支護(hù)與穩(wěn)定控制技術(shù)

針對(duì)軟弱破碎圍巖傳統(tǒng)支護(hù)體系強(qiáng)度、剛度不足的難題，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了隧道約束混凝土高強(qiáng)支護(hù)體系，通過(guò)約束混凝土力學(xué)試驗(yàn)，明確了基本構(gòu)件的變形破壞模式，揭示了拱架局部弱化失效機(jī)制，建立了關(guān)鍵部位強(qiáng)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

新型一體化襯砌結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究

此外，研究團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了約束混凝土全比尺拱架力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，揭示了約束混凝土拱架強(qiáng)度-穩(wěn)定承載機(jī)制，為超大斷面隧道高強(qiáng)約束混凝土拱架設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

研究團(tuán)隊(duì)建立了任意節(jié)數(shù)、非等剛度拱架內(nèi)力分析模型與承載力計(jì)算方法，提出了約束混凝土支護(hù)體系設(shè)計(jì)方法，形成了支護(hù)施工工法，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了超大斷面隧道軟弱破碎圍巖的穩(wěn)定控制。

約束混凝土支護(hù)體系設(shè)計(jì)方法

超大斷面隧道富水破碎地層襯砌結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)價(jià)與安全控制

針對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形失調(diào)、易破裂的難題，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了新型一體化協(xié)同承載結(jié)構(gòu)，其中強(qiáng)黏合性防水材料斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)210%，黏結(jié)強(qiáng)度1.2MPa。開展了新型一體化襯砌結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，證明新型結(jié)構(gòu)具有良好的抗?jié)B與承載能力，為解決富水地層襯砌滲漏水病害防治難題提供了有效途徑。

基于上述模型試驗(yàn)所揭示的承壓特征，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)近800個(gè)參量監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，提出了超大斷面隧道圍巖-結(jié)構(gòu)內(nèi)外聯(lián)動(dòng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系與安全狀態(tài)評(píng)價(jià)方法。

超大斷面隧道圍巖-結(jié)構(gòu)內(nèi)外聯(lián)動(dòng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系

此外，研究團(tuán)隊(duì)還搭建了基于近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，開發(fā)了基于“一個(gè)系統(tǒng)，兩個(gè)平臺(tái)，九個(gè)模塊”的超大斷面隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與科學(xué)評(píng)價(jià)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)有效評(píng)價(jià)與安全控制。

隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)

應(yīng)用：已在60余座公路隧道工程中成功應(yīng)用

該項(xiàng)目形成省部級(jí)工法2項(xiàng)，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利25項(xiàng)、實(shí)用新型專利5項(xiàng)、軟件著作權(quán)3項(xiàng)，發(fā)表SCI和Ei論文50余篇。其成果在京滬高速公路改擴(kuò)建工程、濱萊高速公路改擴(kuò)建工程、重慶市S1快速路、新臺(tái)高速公路等60余座隧道工程中成功應(yīng)用，不僅提高了隧道施工安全與災(zāi)害防控科學(xué)水平，極大程度上規(guī)避了巖體垮塌與圍巖大變形等災(zāi)害，還解決了軟弱破碎、富水地層等復(fù)雜條件超大斷面隧道圍巖控制難題，保證了工程建設(shè)安全。

京滬高速公路與日蘭高速公路在臨沂境內(nèi)形成了“黃金十字大鏈接”

代表性工程應(yīng)用案例

京滬高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目控制性節(jié)點(diǎn)工程青龍崮隧道，在施工中面臨灰?guī)r頁(yè)巖互層段易坍塌、失穩(wěn)等災(zāi)害控制難題。在應(yīng)用該項(xiàng)目研究成果后，解決了不良地質(zhì)段圍巖穩(wěn)定性控制難題，保障了隧道安全高效施工。

截至完工時(shí)，我國(guó)最大斷面公路隧道——濱萊高速公路樂疃隧道地質(zhì)條件復(fù)雜、巖性多變，存在破碎帶、斷層等不良地質(zhì)，圍巖控制難度大，采用該研究成果后不僅降低了大變形、巖體垮塌等工程災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，還保障了隧道安全高效施工。

重慶市主城區(qū)特大型穿山隧道——歇馬隧道穿越多層軟弱圍巖、串珠型溶腔和管道等不良地質(zhì)，存在軟弱破碎圍巖大變形、巖溶突涌水等災(zāi)害控制難題。采用該研究成果后實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害的有效防控，保障了隧道施工安全。