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长冲隧道信息化施工监测与数值模拟研究 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 8 分类号 U45 单位代码 10618 密 级 学 号 106270308 硕 士 学 位 论 文 论文题目：长冲隧道信息化施工监测与数值模拟研究 Study on the Information Construction Monitoring&Numerical Simulation of Changchong Tunnel 研究生姓名：范小伟 导师姓名、职称：徐林生 教授 博士生导师 申请学位门类：工 学 专 业 名 称：结构工程 论文答辩日期：2009 年 3 月 28 日 学位授予单位：重 庆 交 通 大 学 答 辩 委 员 会 主 席：熊有言 评阅人：熊有言 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 9 涂忠仁 2009 年 3 月 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。学位论文作者签名：指导教师签名：第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 10 日期：年 月 日 日期：年 月 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社 CNKI 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年 月 日 日期：年 月 日 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 11 摘 要 本论文以长冲隧道工程为依托，对隧道信息化施工进行了深入的研究。本文从量测原理、信息采集及量测布置、量侧信息分析及反馈等几个方面进行研究，重点放在量测信息分析及反馈上。根据获取的量测信息，尤其是位移信息进行分析，依照各种经验方法和理论准则，以及有限元理论分析综合进行反馈，把握隧道的初始地应力及开挖时围岩和隧道结构的变形和受力规律，确认围岩和隧道结构的稳定性，确定合理的支护时机和支护参数，在保证施工安全的基础上追求工程经济性。本文运用同济曙光软件对长冲隧道的开挖方法进行优化分析，选取了台阶法和 CD 工法进行模拟，从隧道周边围岩的位移和应力特征、初期支护和二次衬砌的轴力剪力弯矩等方面进行了系统的比较。最后使用 ANSYS 软件对长冲隧道岩溶富水区的二次衬砌的稳定性进行了数值模拟，考虑了外水压力分别为 0、0.15、0.3、0.6、0.9 和 1.2MPa 时二次衬砌的受力特点。研究结果表明：长冲隧道施工选取的台阶法和支护结构参数是安全的；通过长冲隧道信息化施工中地质超前预报的应用证明预报结果是可信的，起到了超前地质预报的作用，直接指导了施工，有效地促进了工程进度，避免了意外事故的发生；台阶法有施工效率高、施工费用低的优点，有利于加快施工进度，节约成本；不论从节约费用还是从施工力学出发，长冲隧道宜采用台阶法施工；对于地下水位较高的岩溶富水区隧道的衬砌结构设计时应充分考虑外水压力对隧道的影响，衬砌拱脚位置是衬砌结构受力最不利位置，设计时还应对拱顶和仰拱部位有足够的重视。关键词：隧道工程；信息化施工；监控量测；信息反馈；数值分析 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 12 ABSTRACT According to Changchong tunnel,the information construction of the tunnel is further studied in this paper.The paper takes data analysis and feedback of construction measurement as its basis,investigating from measurement principles,data analysis and feedback etc.Based on the gathered data,especially displacement data,statistically analyzing and feed back according to various empirical methods and theoretical norm and FEM computation are conducted so as to grasp initiatory ground stress,the rules of deformation and stress of ground and structure,assess the stability of ground and structure as well as determine reasonable support time and parameters,ultimately economy without compromised safety.In this paper,construction methods of Changchong tunnel are contrastive analyzed with Tong-ji Dawn software.Bench method and CD method are simulated on the displacement of tunnel surrounding rock and the axial force,shear,moment of early support and secondary lining.Finally the use of ANSYS software,the stability of secondary lining is simulated at karst water-rich areas of Changchong tunnel.When external water pressure equal 0,0.15,0.3,0.6,0.9,1.2MPa,force characteristics of secondary lining are analyzed.The results showed that:the selected bench method and tunnel supports structure parameters are safe;the use of geological prediction in information construction of Changchong tunnel proved that prediction are credible,played a role of TSP,guided directly the construction,promoted effectively the progress of the project,avoid accidents;bench method has advantages of high efficiency and low-cost,it help to speed up the construction progress and cost savings;whether from the cost savings or from the mechanical construction,for Changchong tunnel the bench method should be adopted;for high water in karst water-rich areas,the designing of tunnel supports structure should be took full account of external water pressure on the impact of the tunnel,arch foot of secondary lining is the 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 13 most disadvantageous position,when designing lining we should give sufficient attention to dome and inverted arch.KEY WORDS:tunnel engineering;information construction;monitoring measurement;information feedback;numerical computation 目 录 第一章 绪论1 1.1 研究现状2 1.2 本文研究的主要内容、意义和技术路线5 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测8 2.1 工程概况8 2.2 浅埋段地表沉降监测分析17 2.2.1 地表沉降监测断面布置17 2.2.2 地表沉降特征分析17 2.3 隧道围岩变形监测与分析18 2.3.1 隧道围岩变形监测断面布置18 2.3.2 隧道围岩变形效应分析19 2.3.3 围岩变形的主要影响因素34 2.4 隧道施工瓦斯浓度监测分析36 2.5 衬砌结构受力监测分析42 2.5.1 衬砌结构受力监测断面布置42 2.5.2 围岩压力特性分析42 2.5.3 钢支撑轴力特性分析44 2.5.4 喷射混凝土层内应力特性分析45 2.5.5 二次衬砌内应力特性分析45 2.6 施工地质超前预报46 2.6.1 TGP 超前预报探测原理46 2.6.2 TGP 超前预报在长冲隧道信息化施工中的应用47 第三章 长冲隧道施工方法优化分析与稳定性的数值模拟研究54 3.1 概述54 3.1.1 隧道开挖模拟的基本思路54 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 14 3.1.2 隧道施工过程的数值模拟55 3.1.3 计算范围的选取57 3.1.4 本构模型的选取58 3.2 长冲隧道进口段开挖方法优化分析60 3.2.1 模型建立61 3.2.2 计算参数选取62 3.2.3 开挖支护过程63 3.2.4 计算结果分析64 3.2.5 小结72 3.3 长冲隧道外水压力作用下衬砌结构受力特性的数值模拟分析72 3.3.1 有限元模型的建立73 3.3.2 计算参数的确定73 3.3.3 数值模拟步骤74 3.3.4 数值模拟结果分析75 3.3.5 小结91 第四章 结论92 致 谢94 参考文献95 在学期间发表的论著及取得的科研成果97 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 15 第一章 绪论 隧道工程设计的基本特点是“地质环境复杂，基础信息缺乏”，其施工存在着很大的不确定性和高风险性。随着隧道跨度的增大这种不确定性和高风险性程指数递增。在隧道建设历史上，很长一段时期内主要依赖工程技术人员的工程经验进行设计和施工，至今工程经验在设计和施工中仍占相当重要的位置。新奥法诞生以来，随着岩土理论及量测技术、数据库管理技术、计算机辅助设计等方面的发展，使隧道施工跨入了“信息化”时代1。信息化施工是指在施工过程中布置监控测试系统，从现场围岩的开挖及支护过程中获得围岩稳定性及支护设施的工作状态信息，通过分析研究这些信息以间接地描述围岩的稳定性及支护的作用，并反馈于施工决策和支护系统，修正和确定新的开挖方案的支护参数，以期获得保证安全的前提下最优地下结构物的一种方法。这种方法早期叫做信息反馈设计法，或称信息化设计与施工方法。信息化施工特别适合于隧道工程。隧道为线状结构物，沿隧道轴线方向围岩地质情况变化大，不可能在隧道施工前将地质情况全部研究结清楚，即使可能也是不科学和不经济的，因此允许在开挖过程中进行设计和施工的调整是符合实践情况的。信息化施工具有解决不确定性问题的能力，可降低风险、建立针对重大坍塌和破坏事件的报警系统，从而实现施工的安全和经济的目标2、3。新奥法(NATM)作为一种全新的隧道施工概念，其基本原理是运用各种手段(开挖方法、支护形式、监控量测等)抑制围岩变形，最大限度地发挥围岩自身的承载能力4。使隧道施工更安全、更经济，而其经济性与安全性就是通过现场监控量测所获得的围岩、支护系统的应变和应力信息及时反馈应用于隧道设计和施工中来实现的。由于监控量测和反馈分析是信息化施工的关键5，是新奥法施工的三大支柱之一，一直受到大家的关注。国内外研究人员开始探索建立依据位移量测信息确定合理支护结构形式及其设置时间的收敛限制法设计理论的研究。法国学者在这一领域的研究起步较早，国内同济大学侯学渊教授等所作的工作及取得的成果较多。与此同时，根据现场采集的监控量测数据进行反馈分析的工作也很快引起大 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 16 家的注意，西欧、日本和我国的学者纷纷投入建立直接依据位移量测信息反演确定初始地应力与围岩性态参数的理论和方法的研究，取得了一系列的成果。目前，对于监测反馈分析研究，根据监测信息主要可分为两类：围岩变形监测反馈分析；支护结构受力监测反馈分析。由于围岩变形监测简单并易于操作，所以大家对它反馈分析研究较多，主要是利用围岩变形信息反馈分析围岩的稳定性和围岩的物理力学参数，对于围岩变形曲线可以采用指数函数、对数函数及双曲线函数等进行回归分析，也可以采用灰色系统及人工神经网络的方法来预测围岩的最终变形量和围岩的稳定状况。但是支护结构受力监测反馈分析研究起步较晚，根据监测资料反馈分析复合式支护结构受力状况，进而指导施工并优化设计，这方面的研究目前还处于起步阶段，相应的研究成果也较少。监测反馈分析研究将成为今后相当长的一段时间大家共同关注的焦点，其中监测技术手段及信息采集系统的研制、隧道围岩变形特性及反馈分析综合研究、反分析本构模型及反分析方法的优化、复合式支护衬砌结构受力综合研究等将得到越来越多的关注。我们有理由相信：随着隧道监测技术及反馈分析研究的发展，新奥法将得到更好的应用，信息化设计施工将逐渐成为可能。1.1 研究现状 在传统的“设计一施工”模式中，影响设计的因素众多复杂，如设计参数难以准确确定以及设计方法不够完善等等，均影响着工程施工的质量和安全。此模式常常使设计计算结果与实际工程状况产生较大差异。因此，充分利用施工过程中的各项信息，对设计和施工进行动态调整及控制，进而保证工程施工质量及安全的新型施工方法应运而生。这种利用施工过程中获取的信息指导施工的方法逐步发展成信息化施工方法。伴随大量隧道及地下工程的出现，隧道工程的理论和方法不断的进步，以及科学技术的不断发展，工程建设中，人们逐渐认识到，工程地质勘察、设计和施工形成系统化、信息化一体的思想非常重要。传统的隧道工程建设方法是地质勘察为设计提供资料，设计仅为施工提供设计结果，不参与施工过程，造成工程地质勘察、设计与施工脱节，其结果是工程事故、工程质量问题及工程造价的提高。现代的理论和方法认为，隧道工程建设中，应该在施工前、后及过程中不断注意地质条件与施工状况信息的收集，及时地反馈到设计并指导施工，达到工程建设优化的目的，由此引入了信息化设计与施工理论和方法。若把传统隧道设计施工方法比为静态方法，则信息化设计与施工方法为动态方法。隧道工程的基本特点是“地质环境复杂，基础信息匾乏”，因此，一种集设计、第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 17 施工、监测、反馈设计、施工于一体的“多级自优化”的隧道信息化设计与施工方法6、7。已成为推动隧道工程建设日趋规范、科学、合理的主导动力。隧道工程现场监测是该方法得以广泛应用的关键，是从个体到群体解决隧道与地下工程力学、设计、施工问题的一种重要手段和主要途径。只有实时获取到反映隧道围岩整体稳定状态的各种信息，并及时分析、处理与反馈，才能真正反映隧道工程开挖过程的动态变化，体现其“信息化”的特点。自二十世纪七十年代起，随着计算机技术的大力发展，涌现了很多学者对岩土计算理论尤其是岩土工程反演理论的研究并取得了较多成果。国外如日本的樱井(S.Sakurai)提出的位移一应变反馈确定初始地应力与地层弹性参数值的有限单元法、结合工程实践提出了确定围岩极限张应变值的原理和方法，以及评估隧道稳定性的方法和标准(Hazard Warning Level)、大家正幸在提出的位移预报法中涉及了初始地应力的反演确定，对圆形洞室的粘弹性问题提出了解析解法、美国学者古德曼(R.E.Goodman)在 70 年代出版的岩石力学专着中已提到可依据位移量反算初始地应力、意大利学者(G.Gioda)提出了可同时确定初始地应力和地层特性参数的优化反演分析理论；国内长科院发表的方法是根据圆形洞室的洞周位移进行平面应变问题初始地应力反分析计算的复变函数法，西安空军工程学院发表的是引入数理统计原理的二维弹塑性问题位移反分析计算的边界单元法，能源部成勘院发表的方法是可考虑松动圈影响的弹塑性问题双介质位移反分析数值计算法。这些研究不仅促进了岩土力学的发展，也有力地激起隧道信息化设计施工划时代的变化。在此基础上，近年来由于量测技术、电子技术、数据处理技术的快速进步发展起来了信息化设计和信息化施工方法。二十世纪九十年代，“信息化方法”获得了广泛地应用，其原理也大大地被扩展。“信息化方法”作为一种设计、施工方法已经被许多规范认同，如欧洲规范(Eurocode)。诸多学者也更加重视甚至大力倡导信息化方法。1999 年 Terzaghi 教授的亲密同事 Ralph Peck 博士和 Alan Powderham 博士在施工反思(Rethinking Construction)书中写到，“信息化方法具有天生的解决复杂问题的能力，虽然事实上己经取得了很多成功的范例，人们在项目开始仍极少考虑信息化途径。”他们呼吁将信息化方法提到项目各方(业主、承包商及咨询工程师)的议事日程表。ISSMGE(国际土力学及岩土工程学会)副主席 Brandl 博士也大力倡导信息化方法，称之为“解决目前理论与实际日益脱节”的有效办法。国际隧协 19921995 执行主席 Eisenstein 教授在城市隧道的挑战与进展书中认为，“信息化方法特别适于隧道工程”。目前欧洲及日本等已纷纷开始研制和开发的隧道工程动态设计系统是建立在现代信息技术及信息化设计施工思想基础上的，其中有的己开始产业化应用。过 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 18 去我们在隧道施工中，基本上也是按照“信息化设计施工”的思想，进行设计和施工的。但因获取信息手段发展的迟缓、信息传输系统的不完善以及隧道施工环境和管理体制的限制等等原因并未实现真正意义上的“信息化”。但最近一段时间，由于信息技术、通信技术以及各种获取信息手段和方法的迅速发展，特别是设计施工体制的改革以及适应未来“设计施工总承包(DesignBuild Contract)”体制的实施要求，给真正实现“信息化设计施工”创造了良好的条件和基础8。隧道信息化施工过程:信息采集 信息化施工信息采集首先要确定信息采集项目。信息可分为施工前地质勘测信息的采集、施工过程中的围岩和支护系统的力学行为的信息采集以及施工过程中地质信息的采集。施工前地质勘测信息的采集包括工程地质、水文地质信息等。施工过程中信息采集项目选择应该能够直接反映围岩和支护系统的力学形态，而且在采集技术上容易实施。对于软岩和硬岩，信息采集项目是不同的，要分别设计采集的项目、测点布置、测试手段做出规划，并根据施工开挖进度情况，确定每一观测项目的信息采集时间、密度和周期，还应该注意各项目信息采集的同步性，以便分析对比，对特殊地层隧道信息采集项目应该进行添加。软岩是以位移测试数据为主要的采集数据，因为位移是围岩以及支护力学形态最直接、最明显的反映，容易建立一些准则实现信息化施工中的反馈，而且数据采集简单易行。硬岩着重节理、裂隙系统的调查，即着重节理产状、频度、整合性等。此外还有监测围岩与衬砌之间接触应力、围岩应力一应变、锚杆抗拔力和拉力等数据。对于特殊地层项目，根据具体地层情况要监测地下水压力、流量；煤层厚度、瓦斯压力；环境温度和结构内部温度变化、冻胀压力、冻融圈厚度等数据。信息处理 信息处理是采用反演分析法将施工监测到的岩土体的一些基础信息，通过计算来求解岩土体的参数。其目的是把施工监测中采集到的新信息和资料以及由此通过反演分析获得的结果反馈到设计中去，对施工设计提出改进性意见或修改方案。但是施工过程中围岩和支护系统力学行为信息由于施工等因素的限制，一般具有时间和空间的限制，并且具有离散性，因此信息处理是信息化施工中的重要环节。表征围岩和支护系统性态物理量的全量是正确进行围岩稳定和支护系统可靠性判断的依据。所谓“全量”就是指全断面形成后由于开挖引起该物理量的最终量值。但是目前隧道工程中进行的量测一般不容易得到这个“全量”。主要困难 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 19 是:施工监测往往是在全断面还没有形成时在导洞或分步开挖断面中进行的；施工监测往往在开挖面延伸到一定距离后才能进行，因此量测数据在空间和时间上的外延对于信息化施工是十分必要的；施工中的量测一般只能取得过程中某一个时刻中的量值，推断到最终值会有偏差，这种偏差有时可能会很大。量测信息的空间外延。施工中量测数据一般为导洞或分步开挖量测的数据，需要由局部信息及时推断到全断面形成后的围岩变形，以此作为判断围岩稳定性和支护系统可靠性的依据。采用“一正一反”的方法。“反”，就是反分析技术，用于局部或分步开挖采集的监测围岩位移反推初始地应力和岩体力学指标。“正”，就是正分析技术，根据反分析获得的岩体力学指标和岩体环境参数，并且根据实际施工方法，用有限元等计算方法，推求全断面后的位移信息。量测信息的时间外延是根据某一个特定时段量测的信息推求最终的全量。量测信息时间外延主要通过以下一些手段:利用三维有限元进行分析；利用流变理论进行时效分析；利用统计数学的方法。信息反馈 隧道稳定问题主要是一个岩土体结构问题，应力状态则是通过岩土体结构的力学效应而表现出来的，因此，一方面通过观测或量测围岩的应力状态可以认识岩土体结构，另一方面，可将由反演分析得到的岩土力学参数，应用于稳定分析计算。评价隧洞围岩的稳定性，实质就是分析洞室围岩在工作过程中的应力和变形。对埋深大、围岩完好的隧洞，研究重点放在对围岩承载能力的研究上，以围岩实际的应力水平来作为围岩稳定的判据；对埋深浅、围岩较破碎的隧洞，研究重点应放在对围岩能允许多大位移的研究上，以围岩实际的位移多少来作为围岩稳定的判据。通过对围岩稳定性的分析，一方面以此来指导工程的后续施工，采取合理的支护措施，以最小的代价获得最合适的安全程度；另一方面可以为类似地质条件的工程提供第一手可靠的经验资料9。1.2 本文研究的主要内容、意义和技术路线 由于隧道工程具有水文地质环境复杂，不确定性影响因素多的特点，采用信息化施工是必要的和可行的。特别是在地质情况复杂，工程质量要求高的隧道中，动态设计与施工既可做到安全施工，也可带来经济效益和社会效益。本文主要从以下几个方面进行研究：1)根据长冲隧道的实际工程地质情况，分析了长冲隧道现场监控量测工作中可能存在的一些问题并提出了相应的监控对策。2)充分的阐述了监控量测的目的和意义，简要的介绍了长冲隧道现场监控量 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 20 测工作的主要内容，以及监控典型断面布设方案。对监控中收集的数据进行处理、分析并总结规律。3)对隧道进行有限元数值模拟计算，对比了上下台阶法和 CD 工法在长冲隧道开挖过程中的优缺点，对各施工步骤的力学行为进行了对比分析并与实测结果进行对比分析，以确保施工方法的可行性和安全性。并模拟了隧道衬砌结构在不同的外水压力下的受力情况，进而分析了衬砌结构的稳定性。本文通过现场监控量测的手段以及室内理论计算相结合的研究方法和手段对隧道施工过程中布置监测系统，从现场围岩的开挖及支护过程中了解围岩稳定性及支护结构的工作状态。在施工过程中能够监测的主要信息很多，有围岩表面及内部的位移、应力变化，围岩与衬砌之间的接触压力等等。但根据隧道围岩主要呈脆性破坏和隧道断面较大的特征，根据规范，采用必测与选测项目相结合的方法来采集数据，以便对隧道围岩应力动态及发展趋势、围岩稳定性及最大速率变化、最终位移量以及初期支护的合理性、二次衬砌的支护时机和它们之间的相互关系进行跟踪监控，并辅以有限元分析方法。为数据分析处理和信息反馈提供较为可靠的第一手资料。图 1.2 研究技术路线图 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 21 Fig 1.2 The technical route 长冲隧道岩层间结合较差，隧道拱部围岩容易失稳，在主要为级围岩的洞口浅埋段存在偏压的影响，洞身段围岩主要为级，地层地质复杂，如处治不当则会危及该隧道的正常施工建设和安全运营。因此有必要围绕该隧道施工力学响应与围岩稳定性及合理工程措施问题进行研究，有针对性地开展科研工作，从而指导施工实践、反馈分析设计参数的合理性。通过对隧道围岩变形的监控量测以及支护衬砌结构受力特性分析与调研，并对典型断面施工的力学响应与围岩稳定性进行二维有限元数值模拟分析，保证长冲隧道正常施工建设、节省建设投资等具有十分重要的理论现实意义和工程实际应用价值。本文研究技术路线如图 1.2所示。第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 2.1 工程概况 长冲隧道进口位于重庆市南岸区广阳镇银浮村，穿过明月峡背峡，出口为巴南区木洞镇水口寺村，进出口均无公路相连，交通不方便。该区属中低山地貌，隧道横穿明月峡背斜，所处地区主要为林区，少量耕植区，植被发育。区内背斜轴部槽谷发育，大致平行向北东、西南方向展布，切割较深，坡角约 10-20；进口处位于明月峡背斜西翼，坡体植被发育，纵向东高西低，坡角约 15-20，横向呈“V”型，坡角约 10-25 右侧有一小冲沟；出口处位于明月峡背斜东翼，场地植被发育，纵向西高东低，坡角约 25-27，横向呈“v”型，坡角约 15-32。隧址区最高点高程为 605.60m，隧道进口地面高程约为 321.52m，出口地面高程约为 332.71m，隧址区地面相对高差达284.08m，隧道最大埋深 282m。长冲隧道为双向行驶隧道，隧道长 2000m（K6+640K8+640），属长隧道。隧道 设计线 进口段 处于 R 631.460m 的圆 曲线和 缓和曲 线上（K6+640 K6+953.551），长 313.551m，洞身段位于于直线上。出口位于 R600m 的圆曲线和缓和曲线上(K8+269.511K8+640)长 370.489m。隧道设计纵坡为+0.85%的单向坡。隧道衬砌内轮廓按建筑限界宽 10.0m，高 5.0m，拱部为 R=5.25m 的单心圆，两侧大圆半径为 R8.25m，净宽 10.26m，净高 6.85m，内净空面积 59.87m2，内净空与建筑限界之间的净空满足拱顶悬挂射流风机，并预留了内装饰层净空，同时还考虑了照明、消防、交通工程等营运管理设施所需空间9。第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 22 2.1.1 长冲隧道工程地质概况 地质构造 属新华夏系第三隆起带之川鄂湘黔隆起褶带北西缘。从南西向北东，主要构造线由北北东走向自然弯转为近东西向，成为突向北西的弧形构造带。隧址区地质构造位置属明月峡背斜，背斜轴部走向约 18，属不对称背斜，背斜西翼（进口方向）岩层产状 300-30870-85；背斜东翼（出口方向）岩层产状 110-13236-66。背斜西翼近轴部发育一逆断层，断层面倾向东，倾角约 72，据探槽揭露，断层破碎带 0.6-1.5m。该断层在走向上已延伸出勘察区。节理裂隙：据在隧址区基岩露头上观测统计及钻探揭露，岩体构造裂隙主要有：进口段裂隙：1)倾向 212，倾角 382)倾向 46，倾角 68;出口段裂隙：1)倾向 338，倾角 822)倾向 253，倾角 79;洞身段裂隙：1)倾向 119，倾角782)倾向 226，倾角 69。不良地质现象 根据现场调查，隧道区内的不良地质现象主要有：岩溶、岩溶水、煤层及采空区、断层破碎带。1)岩溶发育规律 岩溶发育受构造与岩性的控制，隧道区主要发育在背斜近轴部两翼三叠系雷口坡组、嘉陵江组四段地层中，在地貌上形成槽谷。岩溶发育明显地受地质构造控制，岩溶主要顺层发育，并集中在可溶岩与相对隔水顶底板附近。岩溶发育具随深度增加而减弱的规律本区岩溶发育规律在水平上体现在 170m 和 470m 两个标高点岩溶发育，具两层水平循环带，由于地壳的抬升形成了不同标高的岩溶发育规律；垂直上在 400-470m 标高仅发育溶孔、小型溶洞和溶蚀裂隙。隧道设计标高312.22m（进洞口）324.25m(出洞口)在岩溶发育两标高之间通过，隧道通过地段岩溶不发育。2)岩溶水 隧道区岩溶不发育，仅发育有溶孔、小型溶洞和溶蚀裂隙，岩溶水水量预测不大等特点，隧道施工中发生突水、突泥的可能性小，但施工中应提高警惕，随时注意地质条件的变化，对雷口坡组与须家河组、雷口坡组与嘉陵江组四段接触界面以及断层带等各岩组地层界面附近更应引起重视，必须进行施工超前预测预报工作，保证施工安全。3)穿煤及采空区 长冲隧道横穿须家河组一、三、五段含煤地层。根据区域地质及煤矿资料，须家河组共含可采煤 5 层，厚 0.1-0.5m，但是煤层厚度变化大，不稳定，没有工 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 23 业储量，只适合小型开采。在背斜东翼，隧道穿越各煤层段岩层倾角 45-65，而西翼煤层段岩层倾角大于 70，同时含煤段岩石较易坍方。通过分析隧道附近煤窑的洞口位置、标高、开采方式和本区煤层分布可以对采空区与隧道的关系进行预测。位于背斜西翼路线（K6+880）右侧约 130m 的煤窑,据访问，该煤窑建立于 1958 年，上世纪 80 年代停止开采，开采标高 359m 以上。隧道穿越采空区路面设计标高约 314m,煤窑采空区距隧道洞顶大于 35m，采空区对隧道无影响。隧道区外围开采须家河组三段底部煤层的标高均在500m 以上，对隧道无影响。4)断层破碎带 背斜西翼近轴部发育一逆断层，须家河组地层不连续，地表未出露一、二、三段地层，断层走向约 15，与背斜近一致，据物探资料显示，断层面倾向东，倾角 72，断层破碎带宽 0.6-1.5m，破碎带物质成分为砂岩、白云岩，断层属阻水断层。该断层属新构造运动以前的断层，不是活动断层，诱发地震的可能性小。隧道区其它段地层层序正常，无断层和破碎带。水文地质条件 隧道位于明月峡背斜中段，自西向东横穿明月峡背斜，背斜轴部为测区地下水的分水岭，其两侧形成两个独立的地下水体系。砂岩为透水层，泥岩属极弱含水层或不含水层，由于含水层与隔水层相间分布,决定了本区地下水主要沿岩层走向排泄,含水层间水力联系不明显。本区地下水补给来源主要为大气降水，含水岩层多暴露地表，直接接受大气降水及地表水的补给。区内地下水主要类型为堆积物孔隙水、基岩强风化带网状裂隙水、基岩裂隙水、岩溶水。在两层泥岩夹砂岩的地层中有少量的承压水，属潜水-承压水性质。各类型地下水的埋藏、分布、富水性受地质构造、地形地貌、岩性及裂隙发育程度控制。据水文地质调查与区域资料显示，地下水的动态变化与大气降水有着密切联系。由于降雨量在时间上的分配不均和季节性变化显著，因此，泉水的流量亦是随季节而变化。尤其是直接受降雨补给且补给范围小，流程短的泉水，流量的季节性变化更为显著，有的泉在夏季降雨后，流量骤增，而久旱未雨，流量又减少，甚至干枯。以地下水动力学水平坑道疏干法计算结果为基础分析计算得出隧道内平水期涌水量 4535（m3/d），根据隧址区泉点动态变化雨季为枯季的 1.5 倍，取平水期的 1.5 倍为隧道丰水期的涌水量为 6803（m3/d）。隧道采取水样水质分析结果表明，对混凝土均不具腐蚀性。建议作好以下几点：1)作好隧道含地下水地段的超前预测预报，保证施工时对前方的水文条件有了解，采取（超前钻探、地质雷达、红外线、TSP 探测等）合理的措施，避免不必 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 24 要的损失；2)贯彻以堵为主的施工方案，要求严密堵水，在衬砌与围岩之间做严密的隔水层等工程措施，将漏水予以堵塞，防止地表水、地下水疏干，造成生态环境的破坏；3)施工工序要紧跟，短开挖，快堵水，快衬砌，严防超挖与蹋方。4)在穿过煤系地层及岩溶、裂隙发育段时，应预防产生煤系地层、岩溶突水、突泥，加强超前预测预报地质工作，超前堵水，可采用超前帷幕灌浆。5)施工期间应监测洞内涌水量及水中泥沙的含量，同时监测隧道周围的井泉，地表水体的水位水量变化情况，有异常情况应及时的上报有关部门，采取相应的措施。2.1.2 长冲隧道工程设计简介 隧道洞门设计 洞门位置及形式的选择，本着结构安全、工程经济并适当考虑美观的原则，根据洞口地形、地质条件，经多方案比选，确定进口为端墙明洞洞门，出口为端墙明洞洞门。洞门边仰坡开挖自上而下逐段进行，边开挖边进行网、锚、喷临时支护。洞口段 根据长冲隧道洞口段的地质情况，洞口采用加强衬砌，喷、锚、网和工字钢架作为施工临时支护，级围岩施工铺助措施为或超前小导管以确保洞口段稳固安全。洞口加强段长度在施工时可根据开挖揭露的地质情况，予以适当调整。洞口段二次衬砌拱墙及仰拱模筑混凝土紧跟开挖进行。洞口浅埋加强段各级围岩隧道衬砌支护参数见表 2.1。洞身段 按新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌，初期支护以喷、锚、网为主，二次衬砌为模筑混凝土。支护参数根据结构分析与工程类比相结合确定，、级衬砌设仰拱，同时围岩较差段衬砌向围岩较好段延伸 10 米，以保证结构和施工方法过渡安全。洞身深埋段各级围岩隧道衬砌支护参数见表 2.2。表 2.1 洞口浅埋加强段支护参数表 Tab 2.1 The support parameters of shallow and enhanced hole 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 25 项 目 级围岩 备 注 衬砌类型 a(Vac)初 期 支 护 喷射混凝土（C20）25cm 钢筋网（6.5）2020cm 锚杆 R25N 中空注浆锚杆 8080cm,L=3.5m 二 次 衬 砌 50cm 钢筋砼 仰 拱 50cm 初支加劲措施 18 工字钢 铺 助 措 施 超前小导管 表 2.2 洞身深埋段支护参数表 Tab 2.2 The support parameters of deep hole 项 目 级围岩 级围岩 级围岩 衬砌类型 f f（fc）f（fc）初 期 支 护 喷射混凝土（C20）10cm 15cm 22cm 钢筋网（6.5）2525cm(局部)2525cm 2020cm 锚 杆 22全粘接药卷锚杆120120cm,L=2.5m 22全粘接药卷锚杆100100cm,L=3.0m R25N 中空注浆锚杆 8080cm,L=3.5m 第二章 长冲隧道信息化施工监控量测 26 二 次 衬 砌 35cm 素砼 35cm 素砼 45cm 素砼 仰 拱/35cm 素砼 45cm 素砼 初支加劲措施/钢格栅拱 钢格栅拱 铺 助 措 施/超前锚杆 超前小导管 2.1.3 长冲隧道监控存在的主要问题及对策 灰岩地段岩溶、溶洞、暗河等问题 根据现场调查及地质勘察资料，隧道有 200 米经过灰岩地层，岩溶比较发育，当隧道穿过时，可能发生突水、突泥、大股涌水并夹带大量泥砂现象，岩溶形态有溶洞、落水洞、溶隙、溶孔等,局部可能存在暗河。突水、突泥等将给隧道施工和营运将带来极大危害，若隧道施工不及时采取有效的处理措施，将