隧道可行性研究报告

浙江交工集团股份科研项目
可行性研究报告
项目名称：深埋特长大型隧道近距离爆破影响、岩爆及机械化
配套设计及施工关键技术研究
第一承担单位：（公章）编写日期：2017 年 4 月13 日
1．项目概要；
长春至深圳高速公路（G25）浙江建德至金华段工程施工图先行段共设置隧道4座，其中特长隧道（金华山隧道）7388m/1座，隧道均采用双洞单向行车双车道型式（上下行分离）。

其中金华山隧道属中-低山地貌区，所在山体最高点标高为1003.7米，隧道最大埋深达750米，隧址区未见深大断裂通过，但受江山-绍兴深断裂影响，多条北东向断层发育，断层性质为压性断层，根据区域地质资料、工程地质调绘，隧址区构造断裂发育，揭露8条断层，断层带节理裂隙发育，水文地质条件较复杂，稳定一般-较差。

隧址区岩体复杂，岩性为流纹斑岩、砾岩、凝灰岩、凝灰质砂岩以及花岗斑岩、辉绿岩侵入体。

隧道右线采用竖井送排风，竖井位于YK2467+400处，总长度为253.5m，左线设置排烟风道兼平时自然风道，左右线间设置联络风道实现互补式通风，在右洞桩号YK2467+381上跨右线设置左洞排风道，排风道底板距右线顶拱围岩最小净距仅有2.5m。

地下机房及联络通道设置在III级围岩区段，该交叉处围岩受力复杂，施工荷载及爆破等相对比较集中。

隧道K2467+930~K2468+750段，由于隧道的埋深较大，可能有中等岩爆活动；在隧道K2467+500~K2467+930段及K2468+750~K2469+790段可能有低岩爆活动。

金华山隧道具有洞线长、埋深大、左洞排风道与右洞存在超小净距爆破开挖影响等问题，本项目基于金华山隧道通过对工程施工建设中遇到的岩爆、小净距爆破对既有隧道影响及施工机械化配套技术等机理、防治及施工关键技术研究，形成相关施工关键技术体系，所得结果可为类似工程提供有益的参考。

2．项目研究背景（国内外同类技术研究现状）；
2.1 长大隧道施工机械配套技术研究现状
随着我国隧道施工技术、施工机械设备和施工管理水平的提高，隧道施工速度和克服各种复杂地质条件的能力也不断提高。

钻爆法中主要是人工钻爆法和凿岩台车钻爆法施工。

并由早期的以生产效率低、劳动强度大、作业环境恶劣的人工钻爆向机械化程度比较高的凿岩台车钻爆转型。

国外钻爆法施工中采用凿岩台车并在节约成本方面取得了比较好的成绩有法沃罗公路隧道、莱明肯勒公路隧道、韦塔斯特隆隧道等。

随着我国的隧道的修建技术发展，大体上可以划分成三个时期：
第一个阶段：基本上是人力开挖，加上利用锤、钎、镐等作为工具，手工操作、技术比较落后的时代。

那时工人的劳动强度较大，效率较低，没有办法完成长大隧道的修建，处理地质灾害的能力特别微弱。

第二个阶段：隧道的施工转入中、小型的机械施工，隧道的设计、施工的技术有了较大的发展，通过进行实践以及实验的研究，进一步改进并且提高了勘测设计以及施工的组织方法，大范围推广运用机械设备[[29]，对于光面爆破进行了研究和试用，并且在对于整治岩溶、岩爆、坍塌、涌水及瓦斯等方面逐步累积工程经验。

第三个阶段：在世界范围的隧道技术得到高速的发展，逐步向高速化、自动化、智能化的方向发展，并且能够战胜困难和不良地质的能力，以及技术不断提高，隧道的修建速度也不断地提高。

随着改革开放的脚步，铁路、公路、引水、水电站等隧道工程在我国的发展进入了一个全新的时期，隧道修建也从传统的矿山法转向采用以“新奥法”为原则指导下一系列的新设备、新技术发展;隧道施工迈入了大型的机械设备成套化作业的时期，标志着我们国家的隧道修建技艺己经赶上世界的先进水平。

随着不断发展机械设备的设计和制造能力，隧道的施工机械一样得到了大范围的提升，提供了快速施工的可能，同时，随着人力资源的成本不断增加，目前发达国家在隧道施工过程中特别关注机械设备的配置是否合理，尽可能少使用人力；伴随国内的人工费用越涨越高，正在不断地削弱着人海战术的优势。

在我国隧道施工中风枪钻孔的作用己经发挥到极限，它的工作效率是其他国家力所不及的。

在这情况下，凿岩台车等设备的使用才可以继续提高隧道施工的技术水平及进度。

不断地提高我国的隧道施工的机械化水平，将会是隧道施工，尤其是长大隧道施工的发展趋势。

不过，隧道施工的机械设备的配置并
不是越先进越好、越高越好。

应该随着隧道的长度及断面面积的不同而使用不相同的模式。

必须从整体上思考设备的经济方面与配套技术的合理性，充分地思考机械设备的工序时间、工作效率及工期的要求、功能及性能之间的相互匹配、能源消耗、设备的通用性、易操作性、灵活性、耐久性及维修的难易性、劳动力资源等因素的影响；与此同时还应该注意设备的配置在同时实现安全、快速施工时，能够具有一定程度的适应地质变化的功能。

同时还必须注重机械化施工成套技术的研究，加强施工的组织和协调，减少工序环节间的间隙和资源的浪费。

然而在山岭公路隧道建设中，总体施工水平虽然得到高速发展，但开挖、支护等机械化施工水平仍落后于铁路行业，未很好引进先进机械化设备和技术并进行吸收应用、推广、提高，可以说在机械化施工方面的设备引进使用、技术研究、自主产品开发等处于发展阶段。

加强隧道钻爆法施工机械化、现代化、标准化、精细化等势在必行。

2.2 小净距隧道爆破施工对既有隧道影响及控制研究现状
新建隧洞大多距离既有隧道较近，新建隧洞爆破振动对既有隧道的影响成为突出问题。

国内外近距离隧道爆破振动对既有隧道造成的破坏已有不少案例。

因此，如何控制新建隧道的爆破开挖对相邻隧道的影响，保证既有隧道的安全是临近隧道施工的难点。

实际施工中可以控制的关键参数就是爆破振动速度，这也是临近隧道爆破的研究重点。

通过爆破振动监测，以反馈爆破作业施工单位采取相应的爆破技术控制爆破振动速度，达到既有隧道不受爆破振动影响的目的。

近年来，对距离建筑物较近的隧道爆破振动问题和距离较近的双线隧道的爆破振动问题研究较多。

钟世航等以招宝山隧道为依托，对超小净距隧道施工技术进行了研究，在III、IV级围岩净距3.5~4.2 m下取得了成功，并总结了许多设计施工参数和安全措施，其对小净距隧道爆破开挖来说具有重要的参考价值。

钱耀峰（2014）基于数值模拟方法，针对崂山隧道爆破施工对既有仰口隧道提出明确与定量化的结论。

贾磊等（2015）依托新疆吐库铁路隧道复线工程，通过有限元数值模拟研究新建隧道爆破开挖施工对既有隧道衬砌的影响。

丰权章（2016）依托某高速公路隧道施工工程，基于现场测试的技术手段研究后行洞施工爆破作业对先行洞既有初期支护的影响规律。

林金耐（2013）以兰州枢纽工程北环隧道上穿既有红山顶铁路隧道为研究对象，通过数值模拟，研究了超小净距隧道（最小净距仅为1.365m）爆破施工对既有隧道的影响。

何本国等（2010）、朱正国等（2012）针对南京地铁二号线超小净距隧道（最小净距仅0.309m），研究确保小
净距先行隧道安全稳定的后行隧道爆破施工控制技术。

李秀地等（2014）为控制原位扩建隧道爆破开挖对邻近运营隧道结构安全的影响，以大帽山大断面小净距隧道原位扩建施工为背景，利用数值计算模型分析爆破应力波在围岩和运营隧道衬砌中的传播规律。

马志刚（2013）针对新建深圳地铁3号线龙岗区间隧道下穿已运营4号线少年宫站车档隧道（最小竖向净距1.835m），采用爆破数值模拟探求对既有隧道的爆破振动影响规律。

李术才（2014）、曹正龙（2015）以青岛地铁2号线近距离（0.25m）下穿刚完成初支的3号线隧道工程设计及施工为实例，通过采取相关施工措施，并根据类比给出合理的爆破振速控制指标，控制爆破振速及隧道变形。

梅东冬针对兰渝铁路桐子林隧道上跨既有遂渝线和既有黄井联络线隧道（最小净距 5.31m），研究采取相关施工技术，保证了既有线的安全。

邵珠山等（2014）针对西康二线翠华山隧道（与既有小峪隧道最小垂直净间距仅为8m），建立复线隧道和既有隧道的三维模型，以振速峰值作为判据，确定不同净间距下新建隧道爆破施工时既有隧道的振速测点布置方案；并给出相应的爆破炸药量建议方案。

张希禹（2015）以重庆市双碑隧道为研究背景建立分析模型，分析研究隧道后行洞爆破开挖对先行洞初期支护结构的动力响应问题。

鲜一丁（2016）以新嘎拉山公路隧道近接既有嘎拉山隧道为背景，通过数值模拟和现场测试等方法，研究了新建隧道爆破施工对依托工程的影响及微差爆破控制技术。

总之，目前隧道爆破地震效应的理论研究主要是围绕现场试验监测和实测数据的分析，以及基于有限元的二维、三维数值模拟。

2.3 岩爆灾害预测及防控研究现状
2.3.1岩爆机理
岩爆理论经过了几代学者的潜心研究，目前已经有了较多的成果，同时取得了一定程度的发展，但由于岩爆影响因素众多，岩爆本身的复杂性导致其很难用数学方法进行准确预测预报，因此，人们对于岩爆理论的研究仍就处于探索尝试阶段，岩爆发生的内在机理，至今尚未形成统一认识，国内外学者专家从不同的角度先后从强度、刚度、能量、岩爆倾向性、失稳机理和综合因素方面提出了各自的理论，其中，强度理论、能量理论与冲击倾向理论相对研究和运用的较多，然而这些研究机理的理论也只是处于假设和经验阶段，真正应用于工程实践的还相对较少。

岩爆孕育发生机理主要有以下几种理论。

强度理论：强度理论是以岩石的单轴抗压强度与围岩初始应力的关系做为依据，将各种强度准则作为岩爆的判据，当洞室的切向应力时发生岩爆。

该理论对
岩爆的内在机理没有特别的解释，只是根据单纯的单轴试验得出的结果。

刚度理论：该理论是Cook与Hodgeim提出的，其中认为一旦岩体受力屈服后的刚度大于顶底板和支架的刚度，岩爆就会发生。

反之，岩体则处于稳定状态。

能量理论：能量理论由库克等人首先提出，理论认为：当围岩系统中所释放出的能量大于破坏所消耗的能量时，产生岩爆。

该理论未考虑时间和空间的因素，
所以存在局限性。

K大于其临界值冲击倾向理论：冲击倾向理论认为，当岩体的冲击倾向度E
K时发生岩爆。

国内外衡量岩体冲击倾向的指标主要有：能量、破坏时间、变c
形大小、刚度四个方面。

3.3.2岩爆预测方法
岩爆预测是为岩爆防治圈定时间、地点、危险程度等信息，由于岩爆机理的复杂性，影响岩爆的因素众多，导致现有的岩爆预测方法不很可靠。

目前国内外有很多关于岩爆预测预报的方法，主要有：地质综合分析预测、岩石力学理论预测、现场监控预测、计算机辅助预报系统预测、数学方法预测、岩爆临界深度预测。

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3．项目研究必要性（包括项目研究目的，推广应用前景）、可行性（包括项目前期研究及工作基础）；
3.1 研究必要性
（1）研究目的
项目针对金华山长大深埋隧道施工中会遇到的问题，从基于监控量测的围岩变形时空变化、试验段振动测试及岩爆机理特征，围绕如何提高施工的质量、加快施工进度、合理缩短工期、改善作业环境并保证围岩和支护结构的稳定性要求，开展特大型隧道机械化配套设计及施工关键技术、临近隧道近距离施工爆破对既有隧道影响研究及穿越岩爆段岩爆特征、强度预测及防治关键技术等方面研究，形成一套长大深埋隧道施工及监控关键技术体系，以保证本隧道的成功修建。

（2）推广应用前景
通过本项目研究，能够对我国长大深埋公路隧道建设中机械化配套设计、超小净距洞室或洞室群施工扰动相互影响及控制技术、岩爆可能预测及防治技术提供良好的技术储备，具有重要的指导意义，达到减少人力物力的目的，促进我国建立与隧道大型机械化配套设施相匹配的关键施工技术。

3.2 研究可行性
（1）项目前期研究
课题组人员及其所在隧道与岩土中心成员近年来主持或参与了若干项与本项目有关的课题，相关成果发表在《公路隧道》、《岩石力学与工程学报》、《岩土工程学报》、《土木工程学报》、《隧道建设》等学术刊物和国际学术会议上。

在隧道口边坡稳定性分析评价、隧道围岩稳定性及控制技术研究、隧道施工监测技术研究等方面作了大量的理论和试验研究工作，取得了较多的研究成果，已完成多座隧道施工监控量测、质量检测、地质超前预报工作，积累了丰富的实践经验，从而为本项目取得预期的研究成果奠定了坚实的基础。

（2）工作基础
现有美国SIR-3000地质雷达、超前地质预报系统（TGP）、激光断面仪、振动及动态应变采集分析仪、超声波测试仪和伺服加载系统等一批一流的试验设备，并具有隧道与岩土试验室。

4．项目研究、开发实施方案（包括拟解决的关键问题，实施的具体内容及实施方案，拟采取的技术路线等），本章内容要求不少于5000字；
4.1 项目拟解决的关键问题
（1）提高施工质量及改善作业环境的机械化配套施工技术设计；
（2）超小净距隧道爆破开挖对既有隧道的影响及控制技术研究；
（3）岩爆段岩爆的机理、特征以及防治技术研究。

4.2 项目实施的具体内容及实施方案
一、特大型隧道机械化配套设计及施工关键技术
（1）多臂凿岩机、二衬台车、自动湿喷台车等机械化配套施工设计
查阅国内外相关资料，调研隧道现场，分析现阶段使用机械配套设备情况，分析其中存在的不足以及存在的改进方向及发展趋势。

对多臂凿岩机钻爆设计方法、施工准备（包括台车定位、超前地质预报、施工前的准备等）、施工工艺和施工工序流程等方面开挖施工技术进行研究，分析影响开挖施工进度、施工精度的因素，并提出相应控制措施，解决卡钻及超欠挖等开挖作业中相关情况的施工处理改进方法。

对自动湿喷台车从作业前的准备、施工方法、施工工艺和施工工序流程等方面进行研究，对影响基于该设备的初期支护施工因素进行分析，总结基于该工艺的施工方法，并从工艺参数的控制方面对减少回弹和保证湿喷质量得出相应控制指标。

考虑不同围岩条件下的施工工法，紧密结合隧道施工过程，全面分析具体洞段超前地质预报、开挖、支护与二次衬砌机械化施工等作业，确定合理的施工流程；充分对设备配套进行试验、研究、配置与实施，与常规人工作业（对基于多臂凿岩机和人工钻爆法两种不同开挖方式、自动湿喷台车等配套机械初期支护作业与常规初期支护作业）进行追踪，从成本、质量、进度和施工环境等方面进行对比分析，得出机械化配套设备最合理的配置。

通过超前预报、监控量测实现信息采集并与施工结合，反馈指导施工，并综合评价隧道机械化开挖支护效果，建立与大型机械化配套设施相匹配的施工技术。

（2）大型配套机械化施工技术对围岩力学效应影响
1）通过分别在常规人工作业和机械化配套施工的典型洞段，结合开挖进尺和隧道施工情况，布置监测断面，对围岩顶拱和边墙收敛变形、锚杆轴力、钢拱架应力、支护结构与围岩之间的接触压力、二衬混凝土应力等进行监控量测；
2）分析应用大型配套机械化施工技术下（不同施工开挖工艺、支护结构施作及二衬台车移走等施工环节）的围岩变形时空变化规律，并与常规人工作业进行对比分析；
3）研究隧道围岩径向位移释放与时间和空间之间的关系，在此基础上结合三维数值仿真分析，模拟隧道实际开挖支护等施工过程，基于收敛约束法得到围岩特征曲线、支护特征曲线及支护结构变形和内力分布，充分发挥围岩的自承能力，优化不同围岩级别及穿越断层段、岩爆段的施工工法及二衬刚度和施作时机；
4）根据围岩特征曲线、支护特征曲线及二衬结构内力和变形分布，建立不同围岩条件下施工工法及二衬刚度和施作时机优选分析系统，系统力求简单易操作，方便各层次施工和设计人员使用。

二、临近隧道近距离施工爆破对既有隧道影响研究
（1）临近隧道爆破对既有隧道影响理论方面研究
调研国内外近距离隧道爆破施工对已有隧道影响成果和实例分析，对近距离施工的影响机理、控制措施及既有隧道振动安全性判据进行理论分析。

依托现场试验段爆破振动监测试验，对爆破作用形成机理、地震波特点进行阐述，研究爆破地震波在岩体及临空面的传播规律，结合波动力学理论在近距离隧道施工中的应用，确定爆破震动与分区影响因素，为爆破振动的监测和施工控制提供基础。

（2）现场爆破影响振动测试支持
利用与竖井段接近围岩条件下人行通道、车行通道或者左右线开挖爆破相互影响，采用测振仪对围岩振动情况进行监测，分析测点距爆破掌子面的距离、装药量、爆破速度三者之间的关系，对所测数据应用萨道夫斯基公式进行回归分析，得到隧道爆破振动衰减公式。

运用公式来合理预测质点振动峰值，确定爆破重点影响区域及对爆破振动强度的主要影响因素，并反馈指导竖井地下机房各通道爆破施工。

结合考虑围岩状况、断面、埋深、爆源方向以及爆破地震波振动频率等因素，结合试验段确定竖井段地下厂房和联络通道既有隧道洞壁及支护结构安全允许振动速度等安全性评判标准。

（3）近距离开挖爆破对支护结构影响及控制技术研究
根据试验段确定的爆破重点影响区域，在竖井段地下机房及联络通道处既有隧道围岩及支护结构进行爆破震动和衬砌结构变形、内力等动态监控，分析施工期岩体内部及衬砌结构受力和变形情况。

通过对监测的爆破振动数据分析，研究使爆破振动速度和主振频率作为衡量爆破振动强度的指标，确定近爆源下临近既有隧道爆破控制标准。

结合确定的既有隧道安全标准，提出合理的控制性参数指标，保证既有隧道的结构安全，使爆破震动速度和结构受力都控制在允许标准以内，实现根据净距不同而采取不同的爆破设计参数。

三、穿越岩爆段岩爆特征、强度预测及防治关键技术
（1）金华山隧道地应力反演及特征研究
利用BP神经网络理论和FLAC有限差分的基本理论，以金华山隧道为原型建立三维数值模型，施加不同边界条件，选取岩体力学参数，将实测的大地自然坐标下地应力值转换为计算模型XYZ坐标系下的应力坐标分量，施加不同边界条件和选取岩体力学参数，进行FLAC有限差分计算实测点应力值，建立边界条件及围岩参数和地应力值的输入输出关系，再利用BP神经网络进行隧道初始地应力场的反演。

在对地应力进行反演得到回归系数后，计算金华山隧道轴线方向初始地应力特征；在国内外岩爆工程统计分析基础上，结合金华山隧道工程实际，分析影响岩爆主要因素；根据地应力模拟结果，选取适用于金华山隧道的地应力划分标准，对其进行地应力区段初步划分，为岩爆预测及岩爆防治提供依据。

（2）基于超前地质预报的金华山隧道岩爆预测
分析TGP预测岩爆原理，优化TGP在金华山隧道探测方法及测试布置方式；做好接收孔与激发孔的布设、接收与激发装置的安装、接收与激发的链接等准备工作，实施预报采集隧道P波深度偏移图、SH波深度偏移图和岩体物性图等，利用TGP超前地质预报系统自带的软件进行数据处理；分析现有的岩爆预测判别指标优缺点及适用范围，优选适用于金华山隧道的岩爆判别指标，结合采集数据预测金华山隧道岩爆发生的位置及烈度。

（3）岩爆防治关键技术研究
根据岩爆段地应力分布规律，采用数值模拟分析不同开挖方法下，岩爆发生倾向及烈度，确定最优开挖方法；在此基础上，模拟最优开挖方法下不同开挖进。