《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第三部分隧道《中条山隧道综合建造技术研究》

本期项目简介

完成单位: 中铁第六勘察设计院集团有限公司

主要完成人: 范建国、 宋仪、 乔春生、 王媛、 孙晓科、 秦正贵、 朱举、 董琪、 宋超业、 李勇

项目简介

　　(一)项目背景

　　第三系地层成岩时间短,胶结性差。原始状态下工程力学特性较好,但是随着施工扰动围岩迅速劣化,易导致隧道掌子面坍塌。以往隧道常用的超前管棚、超前预注浆等加固措施的效果不理想。

　　中条山隧道出口位于弱胶结第三系砾岩地层中,并且高承压水发育,最大水头高达177m。安全风险和工期风险极大。

　　(二)技术概况

　　(1)通过对第三系弱胶结砾岩做的含水率试验、颗粒密度试验、直剪试验、三轴试验、蠕变试验、薄片鉴定试验、自由水头冲刷试验、大型剪切试验等14种,共计354组实验室物理力学实验的对比和分析,最终确定:决定第三系弱胶结砾岩施工期间掌子面稳定性的关键因素是围岩的胶结性,反应在物理力学参数中就是围岩的抗剪强度。

　　(2)通过对无胶结砾岩的分维数研究,发现了分维度与内摩擦角之间的关系,基于实验室数据的统计规律,得出了二者的换算公式。

　　(3)利用水力学数值分析的方法,研究了高承压水在施工过程中压力变化情况,揭示了隧道掌子面附近水压力分布规律。研究表明隧道施工是一个泄压的过程。在不进行注浆堵水的前提下,地层中的高水压随着隧道掌子面的接近,在掌子面附近的水压力会显著下降,不会对掌子面的稳定产生明显不利影响。

　　(4)将强度折减法与突变理论相结合,对施工中隧道稳定性进行定量分析。得出弱胶结砾岩具有一定凝聚力的条件下,掌子面自身具有一定稳定性,不需要特殊加强措施的结论。

　　(5)利用水力学理论推导的方法,计算了隧道排水系统的排水能力。给出了作用在二衬上的水压力与排水系统排水能力(排水量)的关系公式。

　　(6)利用实验室试验和数值模拟的方法,对流变地层隧道二衬长期受力状态进行研究。得出了:在流变地层中,隧道二衬所承受的长期围岩压力与隧道埋深基本成正比的结论。

　　(三)适用范围

　　适用于第三系砾岩地层,采用钻爆法施工的山岭隧道设计与施工。

　　(四)获奖情况

　　该项目获中国交通运输协会2020年科技进步二等奖。

项目创新点

　　(1)提出了围岩的胶结程度是决定第三系弱胶结砾岩隧道掌子面稳定性关键因素的观点,建立了围岩分维数“D冶与内摩擦角之间的关系公式,提高了对第三系弱胶结砾岩地层隧道工程性质的认识。

　　(2)研究了施工过程中地层的渗流规律及掌子面附近的水压力状态。发现了隧道施工自然泄压后,掌子面附近水压力大幅下降的规律。

　　(3)创新了强度折减法与突变理论结合,对施工中隧道稳定性进行定量分析发的方法。

　　(4)国内首次对蠕变地层隧道二衬长期受力状态进行研究,得出了蠕变地层隧道衬砌受力有类似液态环境的特性。为类似工程的设计提供借鉴和参考。

同类项目比较

　　本课题与国内外同类技术比较参见表3。具有明显先进性,其中利用分维度估算围岩内摩擦角等3项成果填补了国内外空白,判断第三系弱胶结砾岩可以进行暗挖施工等3项成果取得了重大突破。具体见表3。

应用案例

　　中条山隧道综合建造技术研究的成果,直接应用与中条山隧道的建设中。为中条山隧道工程建设节约了巨额资金,隧道安全按时完工,创造了良好的经济效益和设计效益。中条山隧道第三系地层段月进尺40~45米,延米造价7万元,处于国际领先的水平。

　　通过对施工过程中隧道掌子面水压力的研究,得出了“掌子面附近的水压力会显著下降冶的结论。基于这个研究结论,施工中取消了原设计的超前泄水隧道,直接节约投资约6123万元(见表4)。

　　通过对隧道掌子面稳定性的定量分析,得出弱胶结砾岩具有一定凝聚力的条件下,掌子面自身具有一定稳定性,隧道不需要特殊加强措施的结论。依据此成果,取消了周边帷幕注浆和水平旋喷桩措施。直接节约投资约9282万元。

社会效益与经济效益

　　(一)经济效益

　　中条山隧道综合建造项目获得的经济效益如表5所示。

　　(二)社会效益

　　课题成果有力保障了中条山隧道的顺利建成,保证了蒙华铁路这条“北煤南运冶的战略运输通道的按时贯通。蒙华铁路途经内蒙古、陕西、山西、河南、河北、湖南、江西7省区,线路全长1800余公里,规划设计年输送能力2亿吨。

　　本项目对第三系地层中掌子面稳定性及掌子面附近水压力的研究,提高了国内对第三系地层的工程特性的认识和隧道设计水平。课题对蠕变围岩隧道受力的研究,揭开了此类特殊地层神秘面纱的一角,为以后类似地层隧道设计指明了研究方向。