（隧道防水排水）高寒地区隧道防冻设计与施工成套.ppt

高寒地区隧道防冻设计与施工成套技术研究,我国多年冻土区面积有2150000平方公里，占国土总面积的22.4。我国每年修建在冻土区上的隧道数量非常多，对已经运营的寒区公路隧道进行调查时发现，寒区隧道中有80以上都存在各种各样冻害现象，其中60的发生渗漏，约24的出现衬砌混凝土剥落、开裂、滑塌、沉陷等问题。每年各地区部门和相关交通企业对这些病害隧道维修养护费用数量惊人。,项目研究背景,项目研究背景,在寒区修建隧道，除具有隧道工程的一般性外，其技术性问题要更加复杂，其中最主要的问题就是隧道工程主体结构尤其是洞口段的结构抗防冻能力、运营安全性及结构的长期寿命等。据调查，寒区隧道冻害现象出现频率如此之高，比重如此之大，主要是对高寒隧道了解不足或估计错误所致。,研究内容,高寒地区隧道气温变化特征与围岩、衬砌温度场分布规律研究,高寒地区隧道防冻技术适应性研究,高寒地区隧道安全施工技术研究,高寒地区隧道结构受力特征与安全评价研究,高寒地区隧道施工安全与监控可视化仿真,依托工程概况,阿拉坦隧道位于内蒙古自治区通辽市境内，是国道304线图布信至霍林郭勒段一级公路改建工程项目的控制工程。该隧道左线全长775m，右线全长730m，位于扎鲁特旗中北部，距离鲁北镇100多公里，距离霍林郭勒市约50公里。,依托工程概况,隧址区位于内蒙古东北部，冬季漫长而寒冷。根据扎鲁特旗气象站资料，多年平均气温5.8℃，最低气温-27.4℃。多年平均降水量410mm；多年平均冻结深度108cm，最大冻结深度194cm；全年最冷月1月份平均气温为－20℃，最大冻结深度为269cm，极端最低气温－37.66℃。地下水类型主要为河谷洼地区的孔隙潜水、丘陵山区孔隙裂隙潜水，本区地下水主要以接受垂向大气降水补给为主，水位年变幅约1.5m。,寒区隧道温度场监测方案设计,隧道开挖后，山体内部温度场引起了变化。一般地质条件下，隧道开挖影响范围内，外界环境对隧道穿越区的温度影响最为显著。根据温湿度计的布设原则，测温元件应当是按隧道纵向对称分布，考虑到阿拉坦隧道的实际情况（隧道长度较短），所以测温元件采取由密到疏的埋设原则，由左线洞口桩号开始，用以测定围岩内部温度变化情况。围岩内温度测试元件的埋设断面如图3-6所示。隧道围岩内温度值为每天测一次，每天测定时间基本相同。,一、寒区隧道气温变化特征与围岩、衬砌温度场分布规律研究,寒区隧道温度场监测方案设计,,隧道区及隧道内气温温度的监测仪器本次测试采用ZJI-2B型温湿度计对大气温度连续自动记录，记录结果为米格纸上连续的温度湿度曲线，并按要求进行温湿度校正。每周更换一次记录纸。温度计实物图及隧道外、隧道布设横断面如图1、图2和图3所示。,图1温湿度计及其记录结果实物图,一、寒区隧道气温变化特征与围岩、衬砌温度场分布规律研究,寒区隧道温度场监测方案设计,,温湿度计布置断面图外界大气百叶窗布设图,隧道区及隧道内气温温度的监测仪器,一、寒区隧道气温变化特征与围岩、衬砌温度场分布规律研究,寒区隧道温度场监测方案设计,隧道围岩测温元件围岩内测温元件埋设示意图,隧道内围岩温度元件,一、寒区隧道气温变化特征与围岩、衬砌温度场分布规律研究,寒区隧道温度场监测方案设计,,温湿度计及围岩测温元件沿隧道纵向布设,一、寒区隧道气温变化特征与围岩、衬砌温度场分布规律研究,隧址区大气和隧道内环境温度观测数据分析,a）隧道洞口,b）隧道中间处隧道内大气温度曲线图（ab）,从图7）图中可知，在隧道的进出口段，由于在冬季隧道内保持稳定风向，洞外低温气体充分同二次衬砌和围岩交换热量，使得二次衬砌和围岩内一定深度均处于负温，由于阿拉坦隧道长度较短，所以在隧道中间处的气温曲线最小值要比隧道外大气气温曲线最小值在每年相同时间上延迟20天。,一、寒区隧道气温变化特征与围岩、衬砌温度场分布规律研究,隧址区大气和隧道内环境温度观测数据分析,沿隧道纵向温度变化曲线,1）1月与2月两个月，沿隧道纵向气温曲线基本呈倒V型，隧道中间处温度高。从隧道外到隧道中间处，月平均气温较差最高可达12℃，最低气温出现在隧道出口外，在隧道的进出口处向隧道内方向温度都是降低的。2）3月和4月温度曲线整体大致成“一”字状，这期间隧道进出口洞外气温回升较快，而隧道洞口与隧道外大气温度相差不多。3）从5月至8月，隧道进口至隧道中部温度曲线基本呈直线下降趋势。4）整体来看，隧道中间处温度值从1月至8月增幅较小，其1月的最低值与7月的最高值均为隧道纵向同期的最小值。,一、寒区隧道气温变化特征与围岩、衬砌温度场分布规律研究,隧道围岩温度数据分析,表1隧道洞口段围岩内最低负温值,一、寒区隧道气温变化特征与围岩、衬砌温度场分布规律研究,隧道围岩温度数据分析,隧道洞身段,一、寒区隧道气温变化特征与围岩、衬砌温度场分布规律研究,常用保温材料,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,福利凯（FLOLICFOAM）,保温材料比选试验研究,模型试验的研制,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,温度调节箱设计图温度调节箱实物图,冷浴刻槽圆盘设计图,保温材料比选试验研究,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,模型试验的研制,HC-2010型低温恒温槽,制冷铝板实物图,模型试验的研制,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,保温材料比选试验研究,SWD-809型自动打印十六路巡检控制仪,记录结果实物图,保温材料比选试验研究,测试原件及埋设,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,WZP-011型Pt100单支铂热电阻感应元件,测温探头在混凝土板表面布置图图混凝土板表面涂抹凡士林,保温材料比选试验研究,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,保温层内置（二次衬砌表面）,数据采集过程图,试验方案（1）无保温层的低温模拟试验（2）内置4cm福利凯板（（FLOLICFOAM））作为保温层的低温模拟试验（3）内置5cm聚氨酯板（PU）作为保温层的低温模拟试验,保温材料比选试验数据分析,未铺设保温层未铺设保温层时模型内温度变化情况如图所示，当外界温度较低时，由二次衬砌至围岩，温度差值分布明显。随着外界温度的下降，衬砌及围岩模拟层内部温度也有着同样趋势的下降，随着径向深度的加深，温度降幅是逐渐减少的，即远离隧道断面，越向围岩深处的温度变化越小。模型内温度变化仅仅对一定范围内的模拟层温度产生影响，与“隧道冻融圈”理论相符合。,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,无保温层断面温度对比,保温材料比选试验数据分析,A断面温度变化曲线,B断面温度变化曲线,C断面温度变化曲线,D断面温度变化曲线,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,保温材料比选试验数据分析,内置福利凯（（FLOLICFOAM））保温层,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,模型在D断面与冷浴之间铺设4.5cm福利凯（（FLOLICFOAM））作为保温层即内置保温层后模型内部温度变化情况如图19所示，保温层使围岩模拟层A断面、B断面和支护模拟层C断面、D断面温度达到了0℃以上起到了防止围岩冻胀的作用。,内置福利凯（FLOLICFOAM）作保温层断面温度对比,隧道温度场有限元计算,隧道温度场有限元模型的建立,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,根据阿拉坦隧道实际情况建立11计算模型。由隧道温度梯度的大小对隧道内不同材料类型进行不同的网格划分，划分的基本原则是温度场内温度梯度大的区域网格划分密，温度梯度小的区域网格较稀疏。,隧道温度场有限元计算模型,隧道温度场有限元计算,有限元计算结果,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,无保温层时隧道温度云图,内置4cm硬质福利凯（FLOLICFOAM）时隧道温度云图,由图21可见，当无保温层情况时，隧道外轮廓钱处于负温区，即衬砌后一定区域的围岩均处于负温区，易发生冻害；由图22可见，内置5cm硬质福利凯（PU）作为保温层情况下，隧道外轮廓钱与围岩内温度均处于0℃以上，达到了保温防止冻害发生的目的。,隧道温度场有限元计算,隧道纵向温度场模拟,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,a）无保温层时加载第1年温度图,b）无保温层时加载第30年温度图,从图23可以看出，沿隧道纵向设定保温层后，第1年时衬砌内的负温值比该处隧道内空气温度明显要高出，衬砌内温度没有出现低于-6.3℃的，但是隧道衬砌内的温度沿隧道纵向分布的比较均匀；当反复加载30年时，隧道衬砌内衬砌表面的负温值会达到-8℃，从而说明反复加载的时间越长，隧道围岩一定范围内的年平均温度会下降，温度最终稳定的值同隧道围岩的初始温度、隧道内气温、地区降水量、围岩的性质等各因素有关。,隧道纵向温度场模拟,隧道温度场有限元计算,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,,c）有保温层时加载第1年温度图,d）有保温层时加载第30年温度图,沿隧道纵向温度模拟云图（ad）,寒区隧道防冻设计与安装,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,,,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,寒区隧道防冻设计与安装,,二、寒区隧道防冻技术适应性研究,寒区隧道防冻设计与安装,寒区隧道安全施工控制技术研究内容,依托国道304线图不信霍林河段阿拉坦隧道，本研究报告主要完成了以下研究工作（1）隧道围岩特征与施工综合地质超前预报技术根据TSP、地质雷达等隧道超前地质预报技术获得的洞周围岩松动范围的资料，预测高寒地区隧道施工灾害，针对具体施工灾害，提出加固改善隧道围岩条件的工程措施及其施工技术和质量控制，有效指导施工。（2）隧道施工安全管理系统通过洞内变形收敛量测来监控洞室稳定状态和评价隧道变形特征。并通过对量测数据的整理与回归分析，找出其内在的规律，对围岩稳定性进行评价，优化隧道初期支护设计，提高信息化设计水平，初步建立隧道施工安全管理系统。,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,超前地质预报,超前预报的主要目标包括（1）超前探测地层岩性、软弱层的位置、岩体完整程度、断裂带位置、宽度、破碎程度、富水性；（2）超前探测岩溶洞穴、含水体的位置、大小、规模、充填情况，预报突水突泥具体位置及可能带来的灾害程度；（3）查明勘察设计阶段物探资料显示的异常体的具体位置、规模，确定其危害程度；（4）隧道底部及周边岩溶洞穴及含水体的位置、规模。通过超前地质预报及时发现异常地质现象，预报隧道开挖面前方不良地质的位置、产状及其围岩结构的完整性，为正确选择开挖方式、修正支护参数和优化施工方案提供有力依据，并为预防隧洞出现塌方、流沙、漏水、突泥、岩溶和采空区等可能形成的灾害事故及时提供信息，以降低地质灾害发生的风险，进而保证施工质量。,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,施工监控量测,施工监控量测具体目标为（1）通过施工监控掌握隧道拱顶沉降、周边收敛、围岩内部位移，了解围岩松动破坏范围，对围岩稳定性作出评价。（2）掌握隧道围岩的变形规律以及与施工工序和爆破振动的关系，用以调整施工方法和参数。（3）通过施工监控，及时发现安全隐患并予以排除。通过各种有效的技术手段，快速取得可靠的监测数据，快速评价隧道施工的安全状态，及时指导施工；通过对围岩及隧道结构的受力、变形状况的全面分析，准确评定隧道施工工艺、支护衬砌结构参数的安全性和经济性，为施工优化提供指导，最终达到安全、优质、经济的目的。,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,寒区浅埋隧道进洞安全施工,寒区浅埋隧道进洞安全施工控制（注浆技术）包括以下几个方面（1）注浆标准通过注浆要求达到的效果和质量指标；（2）施工范围包括注浆程度、长度和宽度；（3）注浆材料包括浆材种类和浆液配方；（4）浆液影响半径指浆液在设计压力下所能达到的有效扩散距离；（5）钻孔布置根据浆液影响半径和注浆体设计厚度，确定合理的孔距、排距、孔数和排数；（6）注浆压力规定不同地区和不同程度的允许最大注浆压力；（7）注浆效果评价用各种方法和手段检测注浆效果。,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,超前地质预报结果分析,探地雷达在隧道围岩判定中的应用阿拉坦隧道围岩全部为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，因此以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩为例，进行典型分析。,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,1.Ⅲ级围岩本次雷达预报探测范围RK6898～RK6933段，从点测及线测结果来看，掌子面前方35m范围雷达反射波特征基本相同，波幅及相位变化不大，预计本段范围内围岩特征与掌子面基本相似，岩性为微风化凝灰岩，节理、裂隙较发育，整体稳定性一般。预计该段范围内围岩特征与掌子面相比基本一致。岩性为微风化凝灰岩，岩体较完整，整体上呈块状结构，稳定性一般。按照有关技术规范的规则判定，围岩分级为Ⅲ级。,超前地质预报结果分析,2.Ⅳ级围岩本次雷达预报探测范围RK6793～RK6828段，从点测及线测结果来看，本测段范围内雷达反射波特征基本相同，波幅及相位变化不大，预计本段范围内围岩特征与掌子面基本相似。相比较而言，雷达波在RK6812处相位稍微变大，此处围岩强度可能变低。雷达波在RK6821.6波幅变大，此处围岩破碎，应根据炮孔钻进情况谨慎掘进。雷达波形图如图所示。,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,超前地质预报结果分析,3.软弱夹层的探测本次雷达预报探测范围RK6828～RK6863段，从点测及线测结果来看，本测段范围内雷达反射波特征基本相同，波幅及相位变化不大，预计本段范围内围岩特征与掌子面基本相似，岩性为中风化～微风化凝灰岩，节理、裂隙较发育，整体稳定性一般。相比较而言，RK6849～RK6851段波形显异常，此处波幅变大，可能为一软弱夹层，应根据炮孔钻进情况谨慎掘进。,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,超前地质预报结果分析,地震反射波法在隧道围岩判定中的应用,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,经开挖实际验证，预报结果与实际围岩状况较为接近。由于物探方法的间接性和多解性以及目前所采用的各种地质预报手段都有一定的缺陷，因此隧道施工期间的地质超前预报必须是“以地质方法为基础，集各种预报方法所长”的综合预报。,,隧道监控测量实施方案,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,,监控量测的目的与内容隧道施工量测是反馈动态设计的重要依据，它关系到施工安全、结构稳定及工程造价等方面。针对阿拉坦隧道具体情况，本次施工量测的目的为通过适时的施工监控量测，得到客观的符合实际的量测数据，对支护的设计参数进行调整，保证隧道结构稳定。1.地表沉降对隧道进出洞口位置浅埋段，进行地表沉降观测；2.拱顶下沉及其周边收敛,,周边收敛、拱顶下沉测点布设,地表沉陷测点布设,隧道监控测量实施方案,3.寒区隧道岩体分层沉降量测仪器主要采用我校自行研制的多点位移计，最小读数可达0.02mm，结构见图。根据隧道地质和洞顶外地表特征，在隧道左线出口浅埋段，桩号Ｋ7340和K7250两断面安装位移计。,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,,岩体监测平面布置图,多点位移计结构图,隧道监控测量实施方案,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,K7340钻孔断面（A断面）,隧道监控测量数据分析,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,A1号位移计竖向观察曲线,A2号位移计竖向观察曲线,A3号位移计竖向观察曲线,A4号位移计竖向观察曲线,A5号位移计竖向观察曲线,A6号位移计竖向观察曲线,,隧道监控测量数据分析,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,A7号位移计竖向观察曲线岩体变形过程（位移掌子面位置）,图4.1为A断面（桩号K7340）各点竖向变形观察曲线，A1A7号位移计各层曲线与地表曲线趋势一致，表明对于周围岩体中某一坐标因隧道开挖而产生的竖向变形与该坐标地表竖向变形趋势相一致。A1与A7号位移计各层曲线重合，且在-1010mm之间，表明隧道的开挖的影响范围在A1与A7之间；A3A5号位移计各层曲线与地表曲线之间有明显的距离，表明岩层之间有明显位移，隧道洞径范围岩体岩层竖向变形大于地表变形，特别是A3号位移计岩体岩层虽然间隔只有1米但竖向变形差异仍然很明显。,隧道监控测量数据分析,岩层各点随开挖纵向沉降变化规律综合本隧道其他地表监测结果，掌子面开挖岩层各点竖向位移与地表基本一致（如图4.18），同样可以分为以下四个区域（a）微小鼓起区域。当掌子面在测点距离相差-2-0.8范围时，岩层有上鼓趋势。（b）微小沉降区域。当掌子面与测点距离相差-0.80倍洞径时，该段沉降值占总沉降值的10。（c）沉降剧增区域。随着开挖工作面的向前推进，在开挖面后距测点0-1.2倍洞径范围，岩层沉降速率急剧增长，沉降值增大。该段沉降值约占总沉降值50-60，累计沉降已经超过70。（d）沉降基本稳定区域。在开挖工作面后距测点2倍洞径后，沉降增长缓慢，沉降曲线区域平缓。,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,,纵向岩层沉降L为开挖工作面距测点的距离；D为地下工程开挖直径；u为沉降值；u0为最终沉降值。,隧道监控测量数据分析,岩层横向沉降变形,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,（d）掌子面距测点断面2洞径时岩层变形曲线,（c）掌子面距测点断面1洞径时岩层变形曲线,掌子面距测点断面-0.5洞径时岩层变形曲线,（b）掌子面距测点断面-0洞径时岩层变形曲线,隧道监控测量数据分析,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,（e）测点断面最终岩层变形曲线掌子面距测点断面不同距离时岩层变形,从图4.19中可以看出，岩层横断面变形与地表类似，呈漏斗形，近似正态分布曲线。隧道中心轴附近地表沉降值最大，越向两边地表沉降值越小，当距隧道中心轴位置12m时，沉降值不超过5mm。由于地表横向有坡度，左低右高，导致最大竖向位移点左移，表明埋深是影响岩层竖向位移的重要因素之一。对图4.19中曲线采用正态分布曲线（公式4.13）拟合,式中,为距离隧道中心轴线x处的地表沉降，mm；,为隧道中心线处的地表最大沉降，采用实测值，mm；A为拟合时的常数。,图4.20为拱顶上部岩体内部竖向变形图，从图中看隧道开挖松动圈已经波及地表，拱顶附近变形最大，然后向外扩散逐渐减小，横向递减比纵向快得多。,岩体竖向变形图云图,隧道监控测量数据分析,确定适当的进尺长度当掌子面开挖至K7340，短短的4天内，拱顶附近的岩体沉降以接近70mm，最大沉降速率超过10mm/d并且岩体分层明显，根据目测、地质调查等本段岩体破碎，岩体的完整性差，极有可能发生塌方、冒顶事故，为了确保前方岩体的稳定，降低掌子面爆破对本断面的扰动采取缩短进尺来降低爆破强度办法由原来的3m减至1m并继续监测该断面，对K7325再次进行量测，结果如下我们发现，只改变进尺长度，开挖后5天拱顶附近的岩体沉降不足50mm，最大沉降速率小于10mm/d，此外K7340也趋于稳定。从两个监测断面我们发现，进尺长度，对岩体变形十分重要，对于变形过大一般稳定岩体，调整进尺长度，可以实现对岩体变形的控制。在根据本段测试数据修改进尺长度时，周边收敛才刚刚开始测试，而地表数据虽然与岩体变形趋势类似，但是由于岩层的“缓冲”，变形量降低了不少。故对于浅埋隧道的进尺长度应根据岩体变形来确定较为科学合理。,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,A3号位移计沉降速率观察曲线,B号位移计沉降速率观察曲线,寒区隧道洞口段注浆控制技术（安全施工）,注浆方案,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,,,地表注浆孔位平面图,注浆加固图,寒区隧道洞口段注浆控制技术评价,三、寒区隧道安全施工控制技术研究,注浆效果分析与评价通过对基本相同地质条件下的注浆段与未注浆段地表下沉、拱顶下沉、净空收敛等监测变形结果，评价围岩的注浆效果。由监测结果可以看出，场地工程地质条件基本相同时，经地表注浆加固后，洞内拱顶累计下沉明显减小。,,,寒区隧道应力场现场测试及分析,测试断面布设方案依据阿拉坦隧道工程特点，在深埋段依据围岩级别分别在Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩与Ⅴ级围岩段布设一个主测断面和一个辅测断面。在隧道围岩Ⅴ级围岩浅埋段，布设一个主测断面和一个辅测断面。阿拉坦隧道洞口段，由于左、右线净距较小，为小净距段，在此处布设一组测试断面，同样布设一个主测断面和一个辅测断面。,四、寒区隧道结构受力特征及安全评价,压力盒布置图,锚杆钢筋计布置图,钢格栅内力钢筋计布置或二次衬砌混凝土应变计布置断面图,寒区隧道应力场现场测试及分析,现场测试内容1.围岩压力采用XYJ-3型压力盒量测，每个断面布设测点5个。判断围岩的稳定性及围岩的应力分布状态，指导安全施工。2.钢支撑内力及外力采用XJG-2型CD25钢弦式应力计进行量测，每个量测断面布设5个点，每个测点布设2个应力计，量测钢支撑内力和外力，推算作用于钢支撑上的弯矩和轴力的大小。判断钢支撑尺寸、间距及参数等。掌握钢支撑的实际工作状态，确定钢支撑的安全性。3.二次衬砌内应力用XJH-2型埋入式混凝土应变计，每个量测断面布设5个测点。每个测点布置2只1对应变计。通过量测二次衬砌的外侧和内侧的应力和应变，推算其轴力和弯矩，判断二次衬砌的应力和应变，确保隧道二次衬砌支护的安全性。4.锚杆轴力每个测试断面5个测试锚杆，依据锚杆长度，每根锚杆23个测点，了解锚杆实际工作状态及轴向力的大小。结合位移量测，判断围岩发展趋势，分析围岩内强度下降区的界限；修正锚杆设计参数，评价锚杆支护效果。,四、寒区隧道结构受力特征及安全评价,四、寒区隧道结构受力特征及安全评价,寒区隧道应力场现场测试及分析,Ⅴ级深埋断面测试,围岩压力时程曲线,锚杆轴力时程曲线,表面应变计时程曲线,混凝土应变计时程曲线,寒区隧道应力场现场测试及分析,Ⅴ级小间距浅埋断面测试,初支压力时程曲线,仰拱及边墙压力时程曲线,锚杆轴力时程曲线,初支型钢拱架轴力时程曲线,四、寒区隧道结构受力特征及安全评价,寒区隧道应力场现场测试及分析,,Ⅴ级小间距浅埋断面测试,仰拱及边墙型钢拱架轴力时程曲线,二衬压力时程曲线,四、寒区隧道结构受力特征及安全评价,隧道结构数值仿真应用研究,Ⅳ级围岩K7100断面计算模型,四、寒区隧道结构受力特征及安全评价,计算模型图,计算模型细部图,隧道结构数值仿真应用研究,a）,c）,e）,b）,d）,f）,四、寒区隧道结构受力特征及安全评价,图左洞上、下台阶初支护弯矩a）、b）；右洞上、下台阶初支护弯矩c）、d）；左右洞二次衬砌支护弯矩e）、f）（单位N.m）,隧道结构数值仿真应用研究,四、寒区隧道结构受力特征及安全评价,a）,c）,e）,b）,d）,f）,图左洞上、下台阶初支护轴力a）、b）；右洞上、下台阶初支护轴力c）、d）；左右洞二次衬砌支护轴力e）、f）（单位N）,隧道结构数值仿真应用研究,a）,c）,e）,b）,d）,f）,图左洞上、下台阶初支护剪力a）、b）；右洞上、下台阶初支护剪力c）、d）；左右洞二次衬砌支护剪力e）、f）（单位N）,四、寒区隧道结构受力特征及安全评价,隧道结构数值仿真应用研究,a）,c）,b）,d）,图左洞上、下台阶初支护锚杆轴力a）、b）；右洞上、下台阶初支护锚杆轴力c）、d）（单位N）,四、寒区隧道结构受力特征及安全评价,隧道结构数值仿真应用研究,支护结构分析小结1、支护结构弯矩分析小结在隧道初支护和二次衬砌支护弯矩图5.26上，分析可知，在初支护的拱脚和拱腰位置处弯矩较大，弯矩最大值发生在左隧道的左下拱脚处，弯矩为M10.949KN.m，相应截面初支护洞外侧上的弯拉应力为-8.251MPa，相应截面初支护洞内侧上的弯压应力为12.305MPa，即该位置处初支护的洞内外两侧均不会出现拉应力，满足C25喷射混凝土抗拉设计强度值1.3MPa，也满足C25喷射混凝土弯曲抗压设计强度值13.5MPa。在d）右隧道初支护上最大弯矩发生在右侧拱腰处，弯矩为M10.873KN.m，但由于该处受到的轴力较大，相应截面初支护洞内侧上的弯压应力为16.015MPa，大于25喷射混凝土弯曲抗压设计强度值13.5MPa，但小于混凝土弯曲抗压强度标准值18.5MPa。由于喷射混凝土内配有工字钢拱架，作为主要的受压构件，可以满足要求。在隧道二次衬砌支护弯矩图上，弯矩最大值发生在左洞左侧拱腰位置处，为M53.791KN.m，相应截面二衬洞外侧上的弯拉应力为1.519MPa，相应截面二衬洞内侧上的弯压应力为1.251MPa，稍大于C30混凝土设计抗拉强度值1.5MPa，但小于C30混凝土标准抗拉强度值2.2MPa。在实际工程中，针对拱腰处的弯矩和轴力较大，在初支护中采用索脚锚杆和配置工子刚能有效地减小拱腰处的弯矩和轴力，也使二次衬砌支护中的弯矩和应力变小，满足二次衬砌抗弯拉设计要求。2、支护结构轴力分析小结在隧道初支护和二次衬砌支护轴力图5.27上，分析可知，在初支护的拱腰和拱脚位置处轴力较大，最大值发生在左隧道左侧拱腰处，最大轴力为Z-2.78E06N，即初支护截面上受到的压应力为15.440MPa，大于混凝土弯曲抗压强度设计值13.5MPa，小于混凝土弯曲强度标准值18.5MPa，但是喷射混凝土内配有工字钢拱架，可以承担较大部分的轴力，可以满足要求。在隧道二次衬砌支护轴力图上，最大拉力发生在左洞左侧拱腰位置处，最大压力发生在左洞左侧的拱脚位置处，最大拉力为Z554.096KN，最大压力为Z-432.5181KN，即相应的轴心拉应力为1.385MPa，压应力为1.081MPa，小于C30混凝土抗拉强度设计值1.5MPa和抗拉强度标准值2.2MPa，在设计上一般是加大拱脚二次衬砌厚度，做矮边墙，能有效地抑制拱脚处围岩的推力，同时使拱底二次衬砌中的轴力减小。,四、寒区隧道结构受力特征及安全评价,隧道结构数值仿真应用研究,支护结构分析小结3、支护结构剪力分析小结在隧道初支护和二次衬砌支护剪力图5.28上，分析可知，在拱腰和拱脚位置处剪力变化较大，在拱底和拱顶位置处剪力较小。初支护中剪力最大值发生在左洞左侧拱腰处，最大值为36.705KN，相应截面上的剪应力为0.204MPa。剪应力小于隧规中C25喷射混凝土设计强度值1.0MPa，初支护满足抗剪要求。在隧道二次衬砌支护剪力图上，在拱腰位置处剪力变化较大，且剪力最大值都发生在隧道右侧拱腰位置处，在拱底和拱顶位置处剪力较小。二次衬砌中最大剪力发生在右洞右侧拱腰处，剪力最大值为114.843KN，相应截面上的剪应力为0.287MPa。可知隧道二次衬砌支护上受到的剪应力小于隧规中C30混凝土剪应力容许值1.1MPa，二次衬砌满足抗剪要求。4、锚杆轴力分析小结在隧道初支护锚杆轴力图5.29上，隧道上台阶开挖初支护，在隧道的拱顶和左右两侧的起拱线位置处锚杆轴力较大，且可以看出左隧道锚杆受到的拉力和压力均比右洞隧道锚杆受力大。隧道下台阶开挖初支护后，上台阶开挖初支护中的锚杆轴力重新分布，且轴力增大，在拱顶和拱腰处锚杆轴力较大，锚杆最大轴力发生在右洞拱腰位置处，最大值为36.861KN，小于二级钢筋ф22早强砂浆锚杆的设计值50KN要小，满足工程要求。,四、寒区隧道结构受力特征及安全评价,公路隧洞施工过程三维动态可视化研究,将阿拉坦隧洞施工场地地形等高线数据进行处理，确保每条等高线有高程属性值；并保证等高线疏密程度适合，若等高线密度太稀，则通过插值进行加密。将整理好的等高线数据加载入3DSMAX系统，利用MAX系统自带的地形命令生成TIN格式的三维数字地形模型（DigitalTerrainModel，DTM），并消除由于等高线数据过于密集或采集信息缺乏所造成的细小、狭长三角形，获得高精度的TIN模型。阿拉坦隧洞施工场地地形如下图所示。,五、高寒地区隧道施工安全与监控可视化仿真技术研究,公路隧洞施工过程三维动态可视化研究,五、高寒地区隧道施工安全与监控可视化仿真技术研究,阿拉坦隧洞施工场地地形图,公路隧洞施工过程三维动态可视化研究,对于地下隧洞，隧洞断面形态控制隧洞建筑物的几何形态，隧洞中心线则控制其空间位置。根据这两项数据，加上控制坐标，利用路径扫描法实现洞室三维建模，然后将所有完成的隧洞实体集合，清除多余的曲线或曲面，合并重复部分，得到完整的隧洞三维几何模型。阿拉坦隧洞模型如下图所示。,五、高寒地区隧道施工安全与监控可视化仿真技术研究,公路隧洞施工过程三维动态可视化研究,五、高寒地区隧道施工安全与监控可视化仿真技术研究,阿拉坦隧洞模型图,公路隧洞施工过程三维动态可视化研究,,阿拉坦隧洞施工工程VR模型交互界面设计图,五、高寒地区隧道施工安全与监控可视化仿真技术研究,公路隧洞施工过程三维动态可视化研究,阿拉坦隧洞施工过程VR初始界面,五、高寒地区隧道施工安全与监控可视化仿真技术研究,阿拉坦公路隧洞施工仿真与成果分析,五、高寒地区隧道施工安全与监控可视化仿真技术研究,,阿拉坦公路隧洞施工系统动态仿真CPM层模型,阿拉坦公路隧洞施工仿真与成果分析,经过仿真计算，阿拉坦公路隧道施工工期为512天，约17个月（1年5个月）。开始于2007年9月1日施工准备，结束于2009年2月1日交工验收。各工序的开始结束时间及持续时间如下表所示。,五、高寒地区隧道施工安全与监控可视化仿真技术研究,阿拉坦公路隧洞施工仿真与成果分析,进度计划横道图,五、高寒地区隧道施工安全与监控可视化仿真技术研究,阿拉坦公路隧洞施工仿真与成果分析,在仿真计算中，循环各参数如循环进尺大小以及测量、钻孔、清底、安检等各环节的时间是决定每个循环时间的重要因素，进行敏感度分析能确定影响工期的主导因素，为提高效率和缩短工期提供重要依据。从表4-6到4-9可知，测量、钻孔、清底、安检等时间越长，工期越长。其中，由于清底时间和安检时间相等，它们的变化对工期的影响是一致的。,五、高寒地区隧道施工安全与监控可视化仿真技术研究,阿拉坦公路隧洞施工仿真与成果分析,阿拉坦隧洞施工过程三维动态可视化分析工具简便、直观地表现了复杂的隧洞施工过程并提供了一个明朗、形象的视觉效果，使工程技术人员和决策人员能够更加全面掌握隧洞开挖施工过程的信息、提高施工效率和决策水平。整个施工过程的各个主要的面貌如下,2007年11月20日面貌,2008年1月9日面貌,2008年3月4日面貌,2008年4月29日面貌,2008年11月19日面貌,2009年2月1日面貌,五、高寒地区隧道施工安全与监控可视化仿真技术研究,