项目申报书项目名称： 浅埋偏压隧道爆破开挖与监控技术研究单 位： 北京市公路桥梁建设集团有限公司 北京工业大学起止时间： 2009 年 12 月至 2011 年 08 月2浅 埋 偏 压 隧 道 爆 破 开 挖 与 监 控 技 术 研 究一、立项依据 研究意义：近几年来，随着国家加强对基础设施建设的投入，我国公路交通建设得到了迅猛发展，公路隧道特别是长大隧道建设与研究取得了长足的进步。目前，我国已经成为世界上隧道工程数量最多、最复杂、发展最快的国家。另一方面，随着公路建设规模的不断扩大，公路等级的不断提高，以及我国公路建设的重点逐步向多山、多丘岭的地区转移，所带来的环境地质灾害问题日益突出。为了控制山区公路建设所造成的地质灾害问题，保护公路沿线的生态环境，大量的深挖路堑改为隧道施工，如密兴路火郎峪隧道工程、108 国道南村隧道和岢萝坨隧道、八达岭过境线青龙桥隧道，延 庆西铁路瓦庙隧道，以及刚刚建成通车的京承三期高速公路隧道工程等。作为“ 带状”工程的山区公路隧道建设，必将跨越各种不同的地形、地质区域，如果勘察不祥、 设计不合理、施工与监控技术落后，无疑会带来诸多的地质灾害。目前，国内外山岭隧道开挖大多采用钻爆法进行施工。同人工开挖相比，钻爆法有着施工速度快、施工安全和人力资源消耗少的优点；同隧道掘进机相比， 钻爆法又有着适应能力强，施工成本低廉的显著优点。工程实践表明， 钻爆法作为一种安全、经济、快速有效的施工方法，已被广泛应用于国内外山岭重丘区公路隧道的开挖施工中；另一方面，由于爆炸荷载的冲击作用，隧道的爆破开挖必将对围岩、衬砌以及周边建( 构)筑物等造成不同程度的影响(特别是浅埋偏压隧道 )，如因爆破振动引起隧道塌方、地表的不均匀沉降、临近建(构)筑物的破坏等。因此，开展山岭重丘区公路隧道特别是浅埋偏压隧道爆破开挖技术的研究，探索隧道建设与地质环境、周 边环境之间的相互关系、相互作用，以及由此产生或诱发的隧道各类病害，从而提出合理的控制技术措施，具有重要的现实意义。 研究概况：山岭隧道掘 进爆破开挖以及相关 问题的研究，目前主要3集中在如下几个方面：1、隧道洞口仰坡及边坡稳定性研究洞口是隧道进出口的咽喉，同时也是整个隧道施工的薄弱环节。洞口的安全，关系到隧道能否顺利进洞并进行安全施工。大量的工程经验表明，洞口段地质条件复杂，多为风化严重的堆积物或破碎岩体，且覆盖岩层较薄，施工时 容易造成洞口段仰坡及边坡的失稳，严重时产生滑动和坍塌。另外，对于岩 质隧道，目前 90%以上采用钻 爆法施工，爆炸荷载作用产生的振动对浅埋、偏压隧道洞口段的稳定影响极大。随着公路隧道工程的大量建设，隧道洞口仰坡及边坡暴露的问题越来越多，已引起隧道设计、施工以及科研部门的重视。综合隧道洞口仰坡及边坡稳定性研究成果，目前大多从传统的边坡稳定性分析出发，探讨隧道开挖对边坡滑动面的影响，同时考虑地表、洞口预加固措施，并通过位移或变形观测来分析和判断边坡的稳定性、地表的沉降等。这些研究大多局限于隧道洞口段仰坡及边坡的静力稳定分析，而对钻爆法施工时，爆破振动对隧道洞口边坡的动力稳定、衬砌以及周边建（构）筑物的影响和破坏规律研究较少，或未能进行较为系统的研究。2、隧道开挖爆破设计专家系统与爆破振动效应研究随着公路工程的建设，隧道已成为山区公路建设中必不可缺少的重要组成部分，受山区地形的约束以及公路线形的要求，小间距隧道越来越多。伴随小间距隧道的出现，隧道爆破施工对临洞稳定及衬砌安全的影响变得不容忽视；随着大跨度隧道的不断出现，在围岩情况较好的条件下，隧道采用全断面或台阶法施工时，往往一次爆破药量较大，这时的爆破振动对周边环境的影响将急剧增大。隧道 开 挖 爆 破 技 术 经 过 多 年 的 发 展 ，基 本 上 能 够 满 足 隧 道 施 工 和 安 全的 需 要 ，也 是 当 前 隧 道 施 工 中 应 用 最 多 的 一 种 方 法 。但 是 ，随 着 隧 道 开 挖 技术 的 发 展 ，传 统 的 人 工 隧 道 爆 破 设 计 方 法 已 不 能 满 足 施 工 需 要 ，开 发 可 靠的 隧 道 爆 破 设 计 智 能 系 统 ，用 计 算 机 进 行 爆 破 设 计 是 隧 道 爆 破 施 工 技 术 的重 要 发 展 方 向 之 一 。然 而 ，现 有 的 隧 道 爆 破 设 计 系 统 都 是 通 过 CAD 软 件 实4现 炮 孔 布 置 图 、起 爆 网 络 图 、装 药 结 构 图 、设 计 说 明 书 绘 制 与 打 印 ，爆 破 设计 尚 不 能 根 据 围 岩 特 性 的 不 同 进 行 自 适 应 布 置 ，设 计 中 的 人 为 因 素 较 多 。对于浅埋山岭隧道的爆破开挖，爆破参数的选择与控制将直接影响到地表、围岩以及支护结构的稳定性。如何最大限度提高掘进速度，同时有效地保证围岩的安全稳定，是目前隧道施工过程中亟待解决的关键技术问题。另一方面，隧道开挖爆破震动效应( 危害)研究，目前主要集中在隧道爆破开挖的地表震动效应、爆破震动对围岩和衬砌结构的影响、连拱隧道中墙稳定、新建隧道爆破对既有隧道以及临近建( 构)筑的影响等方面。虽然许多研究工作者针对不同的研究重点，从多方面对隧道爆破震动效应问题展开了大量的研究工作，但目前隧道爆破震动效应的研究工作远远落后于工程实践，特 别是浅埋偏压隧道爆破开挖以及振动危害的控制研究。3、隧道开挖地质超前预报技术作为隐蔽工程的公路隧道在施工过程中，由于前方地质情况不明，经常会因遇到断层、破碎带、溶洞等不良地质体而导致塌方、泥石流、突水等地质灾害发生。这些灾害的出现，往往会影响施工进度，带来严重的经济损失。隧道地质超前预报在隧道施工开挖中起着关键性作用。目前，我国用于隧道地质超前预报的方法很多，主要有隧道地震超前预报系统(TSP)、探地雷达(GPR)法、水平声波剖面(HSP)法、陆地声纳法、超前钻孔法和超前平导法几种。经过多年的发展，在隧道施工地质预报的方法技术上和实践上有很好的进展。但是，由于地质情况复杂多变，目前的技术还不能完全适应隧道施工建设的需要。如何利用新的数学模型和实验平台，对接收到的来自隧道掌子面前方复杂围岩介质的反射回波信号进行正反演数值模拟分析，同时运用现代信号分析与处理技术（如小波分析、神经网络等）对接收信号进行全参数非线性反演处理，提取所需的多参数信息，推断隧道掌子面前方复杂围岩介质的几何特性参数和力学参数。同时开发三维可视化的隧道安全立体预测预警系统，在现有条件下以 TSP 法进 行中长距离预测，以地质雷5达法进行短距离的精细预测；地表探测结果与隧道掌子面探测结果形成隧道的三维立体预测体系，并建立隧道安全管理智能数据库，以便对隧道掘进过程中出现的安全险情随时进行动态监控，同时又为设计和安全施工提供更好的保证体系。4、隧道施工监控与反分析新奥法施工的基本原则可以归纳为“少扰动、早支护、勤量 测、紧封闭”其中勤量测更成为新奥法施工中的重点，施工监控不断的收集地质条件及施工中的信息，并反馈到设计进行指导施工，达到工程建设优化的目的。隧道施工监控的内容涵盖了隧道围岩支护结构体系的各个方面，包括位移、应力、应变、压力等，具体的 测量项目有：工作面地质观察、隧道拱顶下沉、洞周收敛、地表下降、 围岩内部位移、 围岩应力、支护结构压力、锚杆轴力和抗拔力等。而观测的主要目的是及时获得围岩和支护结构受力与变形的动态信息，分析其变化趋势来评价围岩稳定性和支护系统可靠性，同时 将量测数据与反分析技术结合起来，以期更全面、真实地反映围岩性态，并 对隧道稳定性进行预测。我国隧道施工监控及围岩参数反分析，大都致力于对围岩各项弹塑性参数及初始应力进行反算。由于洞内及地表位移量测方便，目前对反分析的研究主要集中在位移的反分析上，并对围岩参数及初始应力进行推算，然后分析预测隧道稳定性及变形。另外，在地质条件较为复杂、围岩类别多变的隧道施工中，由于回归分析无法考虑更多的围岩信息将受到相当的限制。如何将信息化反演理论引入到隧道爆破开挖控制参数反演问题中，以建立隧道围岩控制爆破参数的反演模型，并将其用于隧道开挖中，爆破控制参数的适时在线反演，不断优化爆破设计参数，实现隧道掘进的动态信息化实施，这方面的研究对隧道施工有着切实的意义。综上所述，目前关于山岭隧道施工，主要集中在隧道洞口段稳定性研究、隧道掘进爆破及其振动效应、隧道开挖地质超前预报技术、隧道施工监控与反分析等方面。在山岭隧道的爆破开挖过程中，爆破参数的设计与施工方法的选择将直接影响到隧道围岩以及支护结构的稳定性，同时也6影响到隧道爆破掘进的速度；对于浅埋、偏压隧道，爆破参数的控制将直接影响到地表的沉降、隧道施工的安全。如何在隧道开挖过程中有效地破碎岩石、最大限度地提高掘进速度，同时控制爆破振动的有害效应，确保围岩的稳定性，则是目前浅埋、偏压隧道钻爆法施工过程中亟待解决的关键技术问题。二、研究内容 依托工程概况密兴路改建工程火郎峪隧道，设计公路等级为二级公路，隧道建筑净宽 10.5m，限高 5.0m, 隧道全长 618m。隧道 场地地形起伏大，进口处最低标高为 238.52m，山脊最高处标高为 297.21m，相对高差达 58.7m，为构造低山剥蚀地貌( 如图 1、图 2)。场区岩体多为强风化、中风化斜长浅粒岩、片麻岩，完整性差、节 理裂隙发育，其中隧道进口段(K10+215K23+332)、出口(K10+727K10+833)为 V 级围岩，占全隧 总长的 36.1；洞身(K10+332K10+727)为级围岩，占全隧总长的 63.9；隧道埋深，进出口段最小埋深仅为 4 m，且 为偏压隧道( 如图 1)，山脊最高处埋深约 50m，其余埋深在 1525 m。研究背景工程火郎峪隧道，地质条件复杂，多为强风化、中风化变质岩，且 为浅埋、偏压隧道。7图 1 火郎峪隧道浅埋、偏压图 2 火郎峪隧道地质剖面图 主要研究内容基于依托工程密兴路火郎峪隧道浅埋、偏压且围岩地质条件差的特点，项 目研究主要开展如下几个方面的工作：1、浅埋偏压隧道洞口段开挖动力稳定性分析基于火郎峪隧道进出口明挖段和浅埋段存在高边坡偏压结构、围岩压力分布不均、地质条件差、施工难度大的特点，在现场监测（包括地表沉降、坡顶 位移、拱 顶 下沉、洞周收 敛、地质 超前预报、爆破振动以及结构动力响应等）、三维数值模拟的基础上，系统研究隧道爆破开挖过程中洞口边坡、洞口段和衬砌结构的动力稳定性和安全性，提出浅埋、偏压隧道合理的施工工艺、钻爆参数和支护结构形式。2、浅埋偏压隧道施工多元信息自动监控系统研究8结 合 现 代 遥 测 (无 线 )技 术 ，把 选 测 断 面 传 感 器 (频 率 类 、电 压 电 流 类 、开 关 量 类 、数 字 类 等 )数 据 采 集 、三 维 激 光 扫 描 、地 质 超 前 预 报 、爆 破 振 动监 测 以 及 可 视 化 (视 频 )监 控 融 合 在 一 起 ，实 现 隧 道 施 工 掌 子 面 可 视 化 实 时显 示 与 分 析 、隧 道 施 工 监 测 (控 )自 动 化 数 据 采 集 与 分 析 ，形 成 隧 道 施 工 多元 信 息 监 测 (控 )系 统 ，确 保 复 杂 围 岩 地 质 条 件 下 隧 道 施 工 安 全 。3、浅埋偏压隧道开挖爆破及其振动规律研究根据围岩物理力学性质和浅埋偏压隧道地形地质条件，结合隧道施工多元信息监控系统研究，系统研究不同围岩条件、不同施工工艺下，浅埋（偏压）隧道爆破开挖及其振动特征（频率、振幅、作用时间和振动速度等）、传播规 律、振 动效 应（危害）与爆破条件的相互关系和规律性。4、隧道开挖爆破设计智能系统开发结合现代监测技术与隧道爆破理论分析，开发一套适宜浅埋偏压隧道开挖爆破设计智能系统，实现不同围岩级别、不同施工方法隧道爆破开挖数字化、精确化设计。5、浅埋偏压隧道爆破开挖关键技术研究基