公路隧道原位扩建技术探讨概要课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,公路隧道原位扩建设计技术探讨,公路隧道原位扩建设计技术探讨,内 容,背景,隧道扩建的形式,原位拓宽的工法,原位扩宽隧道的力学特性,原位扩宽设计特点,总结,内 容背景,一、背景,随着我国国民经的迅速发展，公路交通量也迅猛增长。,图,1,高速公路某路段交通量预测,160.8%,一、背景随着我国国民经的迅速,一、背景,交通量增长导致的结果,道路上拥挤不堪。,图,1-2,某高速公路拥挤堵车,一、背景交通量增长导致的结果道路上拥,一、背景,扩建高速公路提出了隧道扩建的设计问题,原隧道扩建成为双向八车道公路隧道是一种有效的方法,解决办法,新建道路,扩建道路,一、背景扩建高速公路提出,一、背景,已经取得的成果,大帽山隧道,后祠隧道,金鸡山,隧道,一点体会与大家探讨,一、背景已经取得的成果大帽山隧道后祠隧道金鸡山一点体会与大家,二、隧道扩建的形式,双洞四车道公路隧道扩建为双洞八车道隧道,-,有两种形式,增建形式,原位扩建形式,二、隧道扩建的形式双洞四车道公路隧道扩建为双洞八车道隧道 增,二、隧道扩建的形式,增建形式,:,在原有隧道附近增设,2,孔单向双车道隧道,适用条件：洞口接线地形开阔、地物较少、非良田地段,图,2-1,某隧道增建形式方案,二、隧道扩建的形式增建形式:在原有隧道附近增设2孔单向双车道,二、隧道扩建的形式,增建形式多样性,方案一 原两隧道之间增设两个两车道隧道,方案二 原两隧道间增设一个两车道隧道，一侧再增设一个两车道隧道,二、隧道扩建的形式增建形式多样性方案一 原两隧道之间增设两,二、隧道扩建的形式,增建形式多样性,方案三 原两隧道两侧边各增设一个两车道隧道,方案四 原隧道一侧新建两个两车道隧道,二、隧道扩建的形式增建形式多样性方案三 原两隧道两侧边各增设,二、隧道扩建的形式,增建形式实例,图,2-2,增建隧道的扩建方案（建成后）,原隧道,原隧道,二、隧道扩建的形式增建形式实例图2-2增建隧道的扩建方案（建,二、隧道扩建的形式,原位扩建的方式,：,将原有两车道隧道扩挖为四车道,当洞口接线地形狭窄、地物较多的地段,图,2-3,原位拓宽隧道的扩建方案,二、隧道扩建的形式原位扩建的方式 ：将原有两车道隧道扩挖为四,二、隧道扩建的形式,原位扩建,形式多样性,方法一 外侧扩宽,方法二 内侧扩宽,二、隧道扩建的形式原位扩建形式多样性方法一 外侧扩宽 方法二,二、隧道扩建的形式,原位扩建,形式多样性,方法三 两侧扩宽,图,3-2,原位扩宽,的扩建方案（建成后）,重点！,二、隧道扩建的形式原位扩建形式多样性方法三 两侧扩宽 图3-,二、隧道扩建的形式,两种扩宽形式的优缺点和适用范围,扩建形式,优 点,缺 点,使用范围,增建隧道,1.,设计施工技术相对简单,2.,隧道断面布置灵活,1.,洞口接线占地和工程量较大,2.,对运营车辆的通行有一定的影响,洞口地形开阔、地物较少、用地指标相对充裕的地段,原位扩宽,1.,洞口接线占地少，工程量相对较少；,2.,运营车辆行驶方便。,1.,断面的布设受限于既有隧道；,2.,开挖宽度大，设计和施工技术复杂。,洞口接线地形受限，地物较多，用地指标限制的地段。,表,1,扩宽形式的优缺点和适用范围,二、隧道扩建的形式两种扩宽形式的优缺点和适用范围 扩建形式优,三、原位拓宽的工法,原位拓宽是隧道扩建的主要方法之一，根据隧道和洞口接线的地形、地物及地质条件，主要有三种的扩宽形式。,内侧扩宽,外侧扩宽,两侧扩宽,组合,三、原位拓宽的工法原位拓宽是隧道扩建的主要方法之一，根据隧道,三、原位拓宽的工法,原位拓宽主要三种方法的比较,拓宽形式,简 图,优 点,缺 点,方法一,外侧扩宽,最大限度地保持中夹岩的宽度，减小俩洞间的受力和施工干扰。,1.,洞口接线占地相对较大；,2.,存在非对称受力。,方法二,内侧扩宽,洞口接线占地相对较小,1.,中夹岩的宽度小，俩洞间的受力和施工干扰相对较大；,2.,存在非对称受力。,方法三,两侧扩宽,受力基本对称,施工工序相对复杂。,三、原位拓宽的工法原位拓宽主要三种方法的比较拓宽形式简,三、原位拓宽的工法,原位拓宽根据拓宽的形式可分为两种工法,单侧边扩挖,两侧扩挖,适用,内外侧扩宽,适用,两,侧,扩,宽,图,3-1,拓宽隧道施工现场,原隧道,三、原位拓宽的工法原位拓宽根据拓宽的形式可分为两种工法单侧边,三、原位拓宽的工法,IV,、,V,级围岩单侧边扩挖工法的主要工序,原有洞室,下半断面回填,开挖支护左上导坑,（原洞侧）,开挖支护左下导坑,（原洞侧）,开挖支护,右上导坑,开挖支护,右下导坑,拆除临时支撑,浇筑二衬混凝土,三、原位拓宽的工法IV、V级围岩单侧边扩挖工法的主要工序 原,三、原位拓宽的工法,单侧边扩挖工法的主要工序示意,图,3-2,单侧边扩挖工法示意,三、原位拓宽的工法单侧边扩挖工法的主要工序示意 图3-2,三、原位拓宽的工法,IV,、,V,级围岩两侧边扩挖工法的主要工序,原有洞室,下半断面回填,开挖支护,中上导坑,开挖支护,左上导坑,开挖支护,右上导坑,开挖支护,中下导坑,开挖支护,左下导坑,开挖支护,右下导坑,拆除临时支撑,浇筑二衬混凝土,三、原位拓宽的工法IV、V级围岩两侧边扩挖工法的主要工序 原,三、原位拓宽的工法,两侧边扩挖工法的主要工序示意,图,3-3,两侧边扩挖工法示意,三、原位拓宽的工法两侧边扩挖工法的主要工序示意图3-3 两侧,三、原位拓宽的工法,对比两种工法,共同点：利用原有的隧道洞室作为临空面，作为扩挖的起始步。,不同点：由于原有隧道洞室所处的位置不同，使得,两侧边扩挖工法,分步较,单侧边扩挖工法,分步多，增加了施工的复杂性和延长了施工工期。,三、原位拓宽的工法对比两种工法共同点：利用原有的隧道洞室作为,四、原位扩宽隧道的力学特性,围岩和初支的受力特点,目的：了解三种主要扩宽形式的围岩和初支的受力特点,采用的工具,:,有限元计算程序,分析的对象,:,相同模型大小和边界条件下的,V,级围岩三种典型扩宽形式,围岩,容重,（,KN/m,3,）,变形模量,(MPa),泊松比,内摩擦角,(),粘聚力,（,MPa,）,V,级,19.0,1500,0.35,26,0.18,表,4-1,围岩物理力学主要指标,四、原位扩宽隧道的力学特性围岩和初支的受力特点 目的：了解三,四、原位扩宽隧道的力学特性,模型大小：,200,米,110,米（宽,高），本例原有两车道隧道的中距,40,米，拓宽后隧道开挖净宽,xx,米。,围岩和初支的受力特点,模型边界条件：左右边界为,水平约束,，下边界为,竖向约束,，上边界为,自由边界,。,单元：围岩采用弹塑性,三角形实体单元,，屈服准则为：,德鲁克普拉格准则,。喷射混凝土及钢支撑采用,梁单元,，锚杆采用,杆单元,。,四、原位扩宽隧道的力学特性模型大小：200米110米（宽,四、原位扩宽隧道的力学特性,围岩和初支的受力特点,初期支护参数：锚杆直径,25mm,，长度,5.5,米，布设间距,0.7,米,0.5,米,；钢支撑采用,工,25b,的型钢，间距,0.5,米,；喷射混凝土采用,C25,湿喷混凝土，厚度,35,厘米,。,图,4-1,扩宽模型网格划分示意,四、原位扩宽隧道的力学特性围岩和初支的受力特点初期支护参数：,四、原位扩宽隧道的力学特性,三种扩宽工法围岩屈服区的比较,图,4-2a,外侧扩宽,图,4-2b,内侧扩宽,最大,最小,四、原位扩宽隧道的力学特性三种扩宽工法围岩屈服区的比较 图4,四、原位扩宽隧道的力学特性,三种扩宽工法围岩屈服区的比较,图,4-2c,外侧扩宽,结果表明：三种方法中外侧拓宽的围岩屈服区面积最小，内侧扩宽最大，比外侧拓宽大,32%,。,四、原位扩宽隧道的力学特性三种扩宽工法围岩屈服区的比较图4-,四、原位扩宽隧道的力学特性,三种扩宽工法围岩屈服区的比较,以外侧扩宽,（,方法一,）,的围岩屈服区面积为基数,1.0,，与内侧扩宽（,方法二,）、两侧扩宽（,方法三,）进行比较。,图,4-3,拓宽形式屈服区比较,四、原位扩宽隧道的力学特性三种扩宽工法围岩屈服区的比较以外侧,四、原位扩宽隧道的力学特性,三种扩宽工法初期支护内力的比较,轴力,弯矩,图,4-4,外侧扩宽内力,方法二（内侧扩宽）的轴力和弯矩最大,方法三（两侧扩宽）的轴力和弯矩最小,四、原位扩宽隧道的力学特性三种扩宽工法初期支护内力的比较 轴,四、原位扩宽隧道的力学特性,三种扩宽工法初期支护内力的比较,以外侧扩宽,（,方法一,）,的内力为基数,1.0,，与内侧扩宽（,方法二,）、两侧扩宽（,方法三,）进行比较。,图,4-5,各拓宽形式初期支护内力比较,四、原位扩宽隧道的力学特性三种扩宽工法初期支护内力的比较以外,四、原位扩宽隧道的力学特性,三种扩宽工法初期支护内力的比较,方法三（两侧扩宽）的轴力仅为方法一的,82.3%,，弯矩仅为方法一的,80%,。,分析上述围岩塑性区和初期支护的受力情况，扩宽方法对围岩及支护的受力特性有一定的影响。,方法三的围岩塑性区面积与方法一相当，而初期支护的轴力和弯矩比方法一有一定的改善，仅为方法一的,82.3%,，,因此单从受力特性上来看，拓宽方法三,（两侧扩宽）,有一定的优势。,四、原位扩宽隧道的力学特性三种扩宽工法初期支护内力的比较方法,四、原位扩宽隧道的力学特性,二次衬砌围岩压力的探讨,二次衬砌是隧道的支护结构组成的主要部分，在软弱围岩段它,承受着部分甚至大部分的围岩压力,。,二次衬砌计算采用结构,-,荷载法，荷载的确定对二次衬砌的计算是,重要,的。,新建大跨度单洞,4,车道隧道的围岩压力，在修订的,公路隧道设计规范,中已有规定。,四、原位扩宽隧道的力学特性二次衬砌围岩压力的探讨二次衬砌是隧,四、原位扩宽隧道的力学特性,修订,公路隧道设计规范,荷载计算（,6.2.3,条）,垂直均布压力,q,=0.452,S,-1,S-,围岩级别；,-,宽度影响系数,=1+i,（,B-5,）,i,-,B,每增减,1m,围岩压力增减率,隧道宽度,B,14B25,围岩压力,增减率,i,考虑施工过程分导洞开挖,0.07,上下台阶法或一次性开挖,0.12,表,4-2,围岩压力增减率,i,取值表,形式没有变化,变化,四、原位扩宽隧道的力学特性修订公路隧道设计规范荷载计算（,四、原位扩宽隧道的力学特性,原位扩建的荷载如何计算？,修订,公路隧道设计规范,17.3.3-1,既有隧道施工时对围岩扰动不大、施工期间未发生大变形、坍方等，且经过一定时间运营后，围岩无明显变异的段落，,可参照新建隧道计算围岩压力,。,怎么会呢？,图,4-6,洞室对围岩应力（,3,）的影响,明显不一样！,四、原位扩宽隧道的力学特性原位扩建的荷载如何计算？修订,四、原位扩宽隧道的力学特性,基于规范公式的系数修正法,原洞室的存在和位置对围岩压力的大小和分布形式有着一定的影响。在缺乏类比及经验资料的情况下可采用基于规范公式的系数修正法对围岩的压力进行计算，公式如下,：,Fi-,修正后的围岩压力,i,围岩压力修正系数,fi-,由规范（修正稿）求得的围岩压力,这样行吗？,关键,四、原位扩宽隧道的力学特性基于规范公式的系数修正法 原洞室的,四、原位扩宽隧道的力学特性,围岩压力修正系数,i,i,是关键,数字模型,比较法求出,拓宽形式的数据模型求得特征点的位移与单洞同参数隧道的特征点的位移比来求得,垂直压力修正系数采用拱顶竖直位移比,内外侧水平压力的修正系数采用边墙水平位移比,四、原位扩宽隧道的力学特性围岩压力修正系数i i是关键数,四、原位扩宽隧道的力学特性,图,4-7,各拓宽方式围岩压力修正系数,原,洞,室存在和,位置,对,扩宽围岩压力,影响,较大,四、原位扩宽隧道的力学特性图4-7 各拓宽方式围岩压力修,四、原位扩宽隧道的力学特性,二次衬砌荷载承担系数,围岩压力由初期支护和二衬共同承担，存在着两者,分担荷载比例的问题,初期支护完好，二次衬砌荷载承担系数,不会大于,二次衬砌的刚度和复合式衬砌的刚度之比,设计中可以用二次衬砌的,刚度,和复合式衬砌的,刚度,之比作为二次衬砌荷载承担系数,四、原位扩宽隧道的力学特性二次衬砌荷载承担系数 围岩压力由初,四、原位扩宽隧道的力学特性,二次衬砌荷载承担系数计算,二次衬砌荷载承担系数,二次衬砌于初期支护的刚度比,Ee,、,Ec,二次衬砌和初期支护砼的抗弯弹性模量,Ie,、,Ic,二次衬砌和初期支护的惯性矩,四、原位扩宽隧道的力学特性二次衬砌荷载承担系数计算二次衬,五、原位扩宽设计特点,隧道原位拓宽，由于原洞室的影响，在围岩的稳定、支护结构的受力情况以及施工工法方面与新建四车道隧道存在着一定的差异。,在设计工作中有其特点,五、原位扩宽设计特点隧道原位拓宽，由于原洞室的影响，在围岩的,五、原位扩宽设计特点,设计工作中的特点,1.,收集原有隧道的设计和施工资料：,隧道各段落实际围岩级别、施工过程的病害及处置情况、施工过程的变更、监控量测资料和竣工图等技术资料，重点对塌方段落的病害处置情况进行研究,2.,对原有隧道进行全面的技术检测：,根据检测数据对原有隧道做出安全评估。检测中应特别注意隧道背后的空洞的大小和分布情况，二次衬砌的厚度、混凝土标号以及裂缝等；,五、原位扩宽设计特点设计工作中的特点1.收集原有隧道的设计和,五、原位扩宽设计特点,设计工作中的特点,3.,原位扩建通常是在交通量较大地段，设计中要增加交通保障设计,:,一般采用一洞扩建，一洞双向通车或采用一洞扩建，一洞单向通车加另一行车方向绕行等方式维持车辆通行；,泉厦高速公路的大帽山隧道扩建方案采用新建一个四车道隧道和右洞原位扩建为四车道隧道的方案。,例子,五、原位扩宽设计特点设计工作中的特点3.原位扩建通常是在交通,五、原位扩宽设计特点,设计工作中的特点,大帽山隧道横断面布置,五、原位扩宽设计特点设计工作中的特点大帽山隧道横断面布置,五、原位扩宽设计特点,设计工作中的特点,a,、施工新建四车道隧道，利用原有隧道维持正常交通，这时不需要临时交通组织。,五、原位扩宽设计特点设计工作中的特点a、施工新建四车道隧道，,五、原位扩宽设计特点,设计工作中的特点,b,、新建隧道施工完后，将需要原位扩建隧道侧的交通转换到新建隧道，然后进行隧道原位扩建。,五、原位扩宽设计特点设计工作中的特点b、新建隧道施工完后，将,五、原位扩宽设计特点,设计工作中的特点,c,、,隧道扩建施工完成后为标准八车道组织交通。,五、原位扩宽设计特点设计工作中的特点c、隧道扩建施工完成后为,五、原位扩宽设计特点,设计工作中的特点,4.,考虑原洞的影响：,设计中除了考虑地形地质条件外，还应考虑原洞的位置、大小对支护参数和施工工法的影响。,某拓宽隧道非对称支护示意,五、原位扩宽设计特点设计工作中的特点4.考虑原洞的影响：设计,五、原位扩宽设计特点,设计工作中的特点,特点,：,非对称支护设计，靠近原洞室一侧，锚杆改为小导管注浆，以更好地加固多次扰动的围岩。,下表,：某隧道复合式支护设计参数，,V,围岩加强段才用了双层喷射混凝土支护，以增强初期支护的强度和，系统锚杆采用中空锚杆和小导管注浆相结合的方式布设。,五、原位扩宽设计特点设计工作中的特点特点：非对称支护设计，靠,五、原位扩宽设计特点,设计工作中的特点,衬砌,类型,初期支护,二次,衬砌,C25,喷射砼,锚杆,+42,小导管,钢拱架,厚度,(cm),长度,(m),间距,(m),类 型,纵距,(m),厚度,(cm),/,标号,V,级加强,25+20,（双层）,6,0.70.5,工,20b,0.5,65/C40,钢筋格栅,V,级一般,35,6,0.70.5,工,25b,0.5,65/C40,IV,级一般,26,6,1.00.5,工,20b,1.0,50/C30,某隧道复合式支护设计参数,五、原位扩宽设计特点设计工作中的特点衬砌初期支护二次C25喷,五、原位扩宽设计特点,设计工作中的特点,维持通车和保证施工安全,:,根据检测结果对原有洞室进行必要的加固。衬砌背后的空洞对施工中的爆破震动较为敏感，一旦发生塌落对原洞室衬砌可能产生较大的破坏，因此在设计中必须采用回填措施予以处理。,对原洞二衬进行补强和预防掉块的措施,:,通常采用临时钢拱架和密眼钢筋网的方式进行处理。,五、原位扩宽设计特点设计工作中的特点维持通车和保证施工安全:,六、总结,工程样本较少：仅大帽山和后祠隧道等少数几座的原位扩建设计；,对荷载取值、支护参数和工法的采用有一定的局限性；,积累一定的经验；,在今后相关工程中，对荷载、支护参数和工法展开有效的科学研究 。,六、总结工程样本较少：仅大帽山和后祠隧道等少数几座的原位扩建,