《交通運輸科學技術新成果推廣目錄》（２０２０）—第三部分隧道《中條山隧道綜合建造技術研究》

本期項目簡介

完成單位: 中鐵第六勘察設計院集團有限公司

主要完成人: 范建國、 宋儀、 喬春生、 王媛、 孫曉科、 秦正貴、 朱舉、 董琪、 宋超業(yè)、 李勇

項目簡介

　　(一)項目背景

　　第三系地層成巖時間短,膠結性差。原始狀態(tài)下工程力學特性較好,但是隨著施工擾動圍巖迅速劣化,易導致隧道掌子面坍塌。以往隧道常用的超前管棚、超前預注漿等加固措施的效果不理想。

　　中條山隧道出口位于弱膠結第三系礫巖地層中,并且高承壓水發(fā)育,最大水頭高達177m。安全風險和工期風險極大。

　　(二)技術概況

　　(1)通過對第三系弱膠結礫巖做的含水率試驗、顆粒密度試驗、直剪試驗、三軸試驗、蠕變試驗、薄片鑒定試驗、自由水頭沖刷試驗、大型剪切試驗等14種,共計354組實驗室物理力學實驗的對比和分析,最終確定:決定第三系弱膠結礫巖施工期間掌子面穩(wěn)定性的關鍵因素是圍巖的膠結性,反應在物理力學參數(shù)中就是圍巖的抗剪強度。

　　(2)通過對無膠結礫巖的分維數(shù)研究,發(fā)現(xiàn)了分維度與內(nèi)摩擦角之間的關系,基于實驗室數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律,得出了二者的換算公式。

　　(3)利用水力學數(shù)值分析的方法,研究了高承壓水在施工過程中壓力變化情況,揭示了隧道掌子面附近水壓力分布規(guī)律。研究表明隧道施工是一個泄壓的過程。在不進行注漿堵水的前提下,地層中的高水壓隨著隧道掌子面的接近,在掌子面附近的水壓力會顯著下降,不會對掌子面的穩(wěn)定產(chǎn)生明顯不利影響。

　　(4)將強度折減法與突變理論相結合,對施工中隧道穩(wěn)定性進行定量分析。得出弱膠結礫巖具有一定凝聚力的條件下,掌子面自身具有一定穩(wěn)定性,不需要特殊加強措施的結論。

　　(5)利用水力學理論推導的方法,計算了隧道排水系統(tǒng)的排水能力。給出了作用在二襯上的水壓力與排水系統(tǒng)排水能力(排水量)的關系公式。

　　(6)利用實驗室試驗和數(shù)值模擬的方法,對流變地層隧道二襯長期受力狀態(tài)進行研究。得出了:在流變地層中,隧道二襯所承受的長期圍巖壓力與隧道埋深基本成正比的結論。

　　(三)適用范圍

　　適用于第三系礫巖地層,采用鉆爆法施工的山嶺隧道設計與施工。

　　(四)獲獎情況

　　該項目獲中國交通運輸協(xié)會2020年科技進步二等獎。

項目創(chuàng)新點

　　(1)提出了圍巖的膠結程度是決定第三系弱膠結礫巖隧道掌子面穩(wěn)定性關鍵因素的觀點,建立了圍巖分維數(shù)“D冶與內(nèi)摩擦角之間的關系公式,提高了對第三系弱膠結礫巖地層隧道工程性質的認識。

　　(2)研究了施工過程中地層的滲流規(guī)律及掌子面附近的水壓力狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)了隧道施工自然泄壓后,掌子面附近水壓力大幅下降的規(guī)律。

　　(3)創(chuàng)新了強度折減法與突變理論結合,對施工中隧道穩(wěn)定性進行定量分析發(fā)的方法。

　　(4)國內(nèi)首次對蠕變地層隧道二襯長期受力狀態(tài)進行研究,得出了蠕變地層隧道襯砌受力有類似液態(tài)環(huán)境的特性。為類似工程的設計提供借鑒和參考。

同類項目比較

　　本課題與國內(nèi)外同類技術比較參見表3。具有明顯先進性,其中利用分維度估算圍巖內(nèi)摩擦角等3項成果填補了國內(nèi)外空白,判斷第三系弱膠結礫巖可以進行暗挖施工等3項成果取得了重大突破。具體見表3。

應用案例

　　中條山隧道綜合建造技術研究的成果,直接應用與中條山隧道的建設中。為中條山隧道工程建設節(jié)約了巨額資金,隧道安全按時完工,創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和設計效益。中條山隧道第三系地層段月進尺40~45米,延米造價7萬元,處于國際領先的水平。

　　通過對施工過程中隧道掌子面水壓力的研究,得出了“掌子面附近的水壓力會顯著下降冶的結論。基于這個研究結論,施工中取消了原設計的超前泄水隧道,直接節(jié)約投資約6123萬元(見表4)。

　　通過對隧道掌子面穩(wěn)定性的定量分析,得出弱膠結礫巖具有一定凝聚力的條件下,掌子面自身具有一定穩(wěn)定性,隧道不需要特殊加強措施的結論。依據(jù)此成果,取消了周邊帷幕注漿和水平旋噴樁措施。直接節(jié)約投資約9282萬元。

社會效益與經(jīng)濟效益

　　(一)經(jīng)濟效益

　　中條山隧道綜合建造項目獲得的經(jīng)濟效益如表5所示。

　　(二)社會效益

　　課題成果有力保障了中條山隧道的順利建成,保證了蒙華鐵路這條“北煤南運冶的戰(zhàn)略運輸通道的按時貫通。蒙華鐵路途經(jīng)內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、河北、湖南、江西7省區(qū),線路全長1800余公里,規(guī)劃設計年輸送能力2億噸。

　　本項目對第三系地層中掌子面穩(wěn)定性及掌子面附近水壓力的研究,提高了國內(nèi)對第三系地層的工程特性的認識和隧道設計水平。課題對蠕變圍巖隧道受力的研究,揭開了此類特殊地層神秘面紗的一角,為以后類似地層隧道設計指明了研究方向。