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  公路隧道单层衬砌结构关键技术研究  
  日期:2014-01-27    来源:SRC-1986488063  
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1 项目简介

    项目基于我国学者提出的围岩松动圈理论开展单层衬砌支护机理研究,以湿喷射纤维混凝土改善衬砌结构抗渗性为技术重点,适当提高我国隧道施工设备及技术水平,集成创新地提出公路隧道单层衬砌结构成套技术,并经2项研究依托工程试点和2项推广应用工程检验,具有相当的成熟度。通过采用湿喷纤维混凝土极大地改善了衬砌混凝土的抗渗性,简化了隧道施工工艺,有显著的经济性,尤其适合西部山区低造价公路隧道建设;对异性断面隧道和长大陡坡斜井,将大大地提高施工安全性和缩短工期,具有十分显著的社会经济效益。

2 立项背景

    目前采用单层衬砌做隧道永久支护的国家有挪威、德国、芬兰、法国、南非、巴西、日本等。从使用情况看,单层衬砌基本上整个支护作业是用喷射的方法多次完成的,从根本上改变了隧道衬砌的施工工艺;在有地下水的情况下,不设置防水板,而采用具有防水性能的衬砌,施工作业大为简化;衬砌在施工过程中具有一定的韧性,能够吸收围岩较大变形;由于采用喷射纤维混凝土,抵抗开裂的能力大为提高;能大幅度地降低材料的消耗,经济性好。挪威于上世纪七十年代就开始采用湿喷混凝土做单层衬砌,后来随着技术的发展以及钢纤维混凝土在隧道支护中的应用,形成了基于Q系统的单层衬砌支护设计方法——挪威法;1992年在德国慕尼黑地铁中采用喷射混凝土做单层衬砌,取消了防水板和模筑混凝土,并于1995年提出了单层衬砌结构的技术规定;从19821992年十年中,巴西已有16座单线或双线铁路隧道采用喷射混凝土做永久衬砌,其中多数穿越松散粘土和砂粘土地层。同时,也形成了一些规定及施工指南,如以喷射钢纤维混凝土为特点的“挪威法”和德国公布的“单层衬砌规定”、日本的“喷射钢纤维混凝土衬砌规定”等。国外的实践证明,不仅在硬质完整岩层围岩中采用单层衬砌不存在任何问题,在软弱、破碎围岩中也有很广泛的应用前景。

    国内上世纪六十年代,在成昆铁路围岩较好的短隧道中就成功地采用了喷射混凝土加锚杆的单层衬砌,使用至今,情况基本良好。七十年代在铁路下坑隧道(属软岩隧道)试做了数十米单层衬砌,由于当时技术水平和材质所限,发生了裂缝和漏水情况。1999年在汕头液化石油气储库工程中在硬岩地段采用了挪威法,效果良好。2004年在武合高速铁路大别山隧道二号斜井也进行了单层衬砌试验。近几年在一些水电站引水隧洞工程中,在坚硬的岩质围岩地段也采用了喷射钢纤维混凝土做单层衬砌。

    尽管国内外单层衬砌在硬质围岩和软弱围岩中都有了一定程度的应用,但隧道衬砌设计通常是经验法或半经验半理论方法,缺乏类比工程,同时对单层衬砌的作用机理的研究还不够深入,我国现行隧道设计、施工规范也缺乏单层衬砌结构的相关规定。同时,复合式衬砌以锚喷初期支护为主要承载结构,二次衬砌作为安全储备,但无论什么样的条件均施作二次衬砌作为安全储备在经济上是不合理的。在复合式衬砌防水设计上,初期支护一般不考虑防水要求,主要通过敷设卷材来进行防水,但隧道运营中“十隧九漏”现象依然存在。复合式衬砌难于适应异形断面隧道和长大隧道陡坡斜井,施工安全隐患突出,工期长,往往造成工程投资增加。目前,在我国公路隧道复合式衬砌中,初期支护无抗渗性要求,绝大部分采用潮喷工艺,混凝土强度离散性较大,回弹量、粉尘也大,施工质量不易控制,施工工艺相对落后。 针对以上问题,本项目结合国内设备、施工技术和原材料情况,以较低等级公路隧道或长大隧道辅助巷道为研究对象,通过采用纤维混凝土材料和混凝土湿喷技术,以获得喷射混凝土自防水衬砌结构为技术重点,从材料、设计、施工、检测等方面开展系列研究,形成符合我国国情的单层衬砌结构的设计方法、支护参数、施工工艺、现场量测与质量检测成套技术。

3 主要创新点

    (1)通过隧道围岩稳定性评价方法的研究,提出了适用于公路隧道单层衬砌支护设计的围岩稳定性分级方法:即在预设计阶段采用塑性区进行分级;在施工阶段根据实测的围岩松动圈进行分级,予以修正;

    (2)结合试验研究与工程实践,提出了用于单层衬砌结构的喷射聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土设计指标

    (3)通过隧道单层衬砌结构作用机理研究,结合多项依托工程实践,提出了单层衬砌结构的适用范围、设计方法以及主要支护参数;

    (4)结合依托工程,提出了公路隧道单层衬砌结构的施工质量控制、质量检验与评定标准;

    (5)提炼研究成果,编制《公路隧道单层衬砌结构技术指南》。

4 应用情况

    (1)南涪二级公路关长山隧道(研究依托工程),全长885m,为双向行车隧道。200812月至20093月在隧道K23+525K23+775段实施了喷射聚丙烯纤维粉煤灰混凝土单层衬砌结构。201011月业主进行竣工验收检测,未发现有实质性缺陷,实施效果良好。项目组跟踪观察2年多也表明,衬砌结构受力稳定,运行情况优良。

    (2)巫奉高速公路摩天岭隧道通风斜井(研究依托工程):巫奉高速公路摩天岭隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路特长隧道(长7353m),左右线均采用分段送排式纵向通风方式,各设置斜井一座。在20088月至201010月期间两座斜井实施了喷射钢纤维混凝土单层衬砌。该工程于201010月建成通车,运行情况优良。

    (3)忠县海螺水泥厂石灰石输送廊道隧道(推广应用工程):起于忠县方斗山石板水矿区,止于忠县乌杨镇忠县海螺水泥厂厂区,全长约10km。为矿区到厂区的专用矿石运输通道,全线采用皮带传输系统,隧道为单向单道矿山皮带廊道运输隧道。20109月实施了17米长试验段。该工程已于20116月投入运营,运行情况优良。

    (4)城口至万源快速公路通道(推广应用工程):白芷山、八台山隧道为两座特长隧道(各长6710m5275m),均采用行车主洞+避难通道辅洞布置形式。在20106月至20136月期间在其隧道避难通道中推广采用了单层衬砌结构。目前隧道已贯通,预计20138月建成通车。

    项目研究成果可应用于无特殊地层以及特殊水文条件的所有围岩中的较低等级山区公路隧道、高速公路隧道的辅助巷道、通风斜井、人行横道等,也可应于山区公路裸洞隧道的加固改造,应用前景是乐观的。
  
 
 
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