工程服务
工程技术服务
“三度空间”理论
1、技术服务
成都天佑智隧科技有限公司,是西南交通大学下属企业,致力于隧道与地下工程创新型技术研发、应用及咨询,提供智慧隧道整体解决方案。公司以“隧道信息了如指掌、隧道工程得心应手”为愿景,以“用科技让隧道更简单”为使命,以信息化技术服务于隧道与地下工程行业,引领技术升级换代。公司的技术服务如下所示。
图1-1 公司技术服务示意图
2、理论简介
隧道及地下空间稳定性空域分布特征的三度空间假说,如上图1-1所示,从地表向地下,受埋深、岩性和洞室形状与大小的影响,普遍存在着一种规律与节奏:
图1-2 三度空间示意图
软岩大变形隧道治理
1、简介
我司成功攻克隧道大变形这一世界性难题!传统采用“强支硬抗”技术且频频无效,多次被动拆换,既不安全又不经济。我司自主研发的限阻耗能型支护结构,如图 2-1所示,已在蒙华铁路阳山隧道、郑庄隧道等多座隧道成功应用,一次成型不需二次拆换和补强,平均每延米节省直接成本1.5万元。
图2-1 限阻耗能型支护结构
2、成功的案例
2.1.浩吉重载铁路大变形治理
浩吉铁路蒙陕段建华镇、延安、麻科义、阳山、段家坪、如意和集义等7座隧道的水平岩层段相继发生拱顶初期支护开裂变形,7座隧道根据优化设计共计施作了4772m,根据限阻器的变形量和监测结果,在不裂不坏的情况下完全控制了隧道的变形,一次性不裂、不补、不拆、不换地通过了风险段,减少直接投资约4800万元,并确保了施工安全、工程质量和按期完工。
浩吉铁路蒙陕段阳山隧道、麻科义、郑庄和郭旗等老黄土深埋隧道应用限阻器优化设计初期支护共施作了2280m,一次性不裂、不补、不拆、不换地通过了风险段,减少直接投资约3400万元,并确保了施工安全、工程质量和按期完工。
限阻器应用于深埋老黄土大变形段落与高地应力水平岩层大变形段落治理超过7km。技术经济效益显著,其深埋老黄土段,原设计由衬砌支护参数由IVb变更为Va加强,仍旧出现初支破裂现象,后采用再次变更为 IVb+限阻器治理方案,不裂不拆不换一次性通过。较Va加强支护方案,每延米节省直接工程投资成本1.5万元,并显著缩短了建设工期。
图2-2 浩吉重载铁路应用效果
2.2.中老铁路磨万段双线车站段大变形治理
隧道属构造剥蚀中高山地貌,地形起伏较大,地面高程440m~680m,相对高差大于100m。受区域构造影响,次级断层发育,隧道发育有沙嫩山2#断层(DK209+865),洞身岩性产状变化较大。地下水以基岩裂隙水为主,局部为岩溶水。洞身围岩岩质软硬不均、节理裂隙发育。
限阻器试验段,限阻器通过引导围岩-支护体系变形,有效保护钢架混凝土结构安全,从而减少了混凝土开裂和起皮现象。综合来说,限阻器有效治理了大变形段落的初支破裂、钢架扭曲的工程问题。
图2-3 中老铁路磨万段双线车站段应用效果
2.3.玉楚高速公路隧道大变形治理
齐云隧道为玉(溪)楚(雄)高速公路勘察试验段中的一座特长隧道,穿越断层带,设计为双线六车道,设计时速100km/h。隧道洞身穿越断层带,设计围岩级别为Ⅳ级~Ⅴ级,在初步设计阶段安全风险评估中将隧道坍塌、大变形评估为Ⅲ级安全风险项目。围岩为浅灰色泥质砂岩,中风化,裂隙发育,岩体破碎~较破碎,层间结合差,开挖呈淋雨状出水。
采用常规支护时,施工进口段持续发生较大变形,初期支护开裂、工字钢压溃,二衬底板开裂隆起,边墙混凝土压溃,表现出大变形特征。而多座隧道的大变形风险段落采用限阻器支护在不裂不坏的情况下完全控制了隧道的变形,一次性不裂、不补、不拆、不换地通过了风险段,并确保了施工安全、工程质量和按期完工。
图2-4 玉楚高速公路应用效果
2.4.郑万高铁双线大断面隧道大变形治理
郑万高铁双线大断面隧道穿越的山体属构造剥蚀~溶蚀,以中山、丘陵地貌为主,地形受构造控制,山高坡陡,山峦起伏,沟壑纵横,岭谷之间高差悬殊。隧址区属剥蚀低山地貌,斜坡基岩出露较好。隧道位于朱衣背斜南翼,郑州端(靠近核部)小褶曲发育,万州端(翼部)岩层总体单斜,局部倒转;构造节理较发育,岩体较破碎。主要工程地质问题:顺层及顺层偏压、岩溶与岩溶水、下穿古滑坡体及岩堆体、采空区、煤层瓦斯等。总体工程地质条件较差,施工技术难度大,存在较大的安全风险且工期紧。
采用常规支护与加强支护仍出现喷混开裂,钢架屈曲的现象。而采用限阻器支护(共施作93m)在不裂不坏的情况下完全控制了隧道的变形,一次性不裂、不补、不拆、不换地通过了风险段,并确保了施工安全、工程质量和按期完工。
图2-5 郑万高铁应用效果
隧道近接既有建筑分析
我司专业提供近接咨询与评估上百项,曾获国家科技进步二等奖。以连霍高速公路改扩建工程通过郑西高铁阌乡隧道上方近接为例,经我司分析与评估,提出有针对性的近接施工标准,并据此提出无需加固而通过实时监测进行动态风险控制的方案,并被业主采纳。相对传统套拱或以桥跨越方案,大大节省工期与成本,现已安全运营5年。
1、近接类型
2、成功的案例
隧道抗震设计
由于地震释放的能量很大,断层的错动和位移一般较大,人为的抗震措施也很难控制,只能采用规避的策略。土壤的震动产生的变形相对较小,可以采取有效的抗震构造措施减小地震产生的危害。而隧道结构则显然是我们抗震设计的重点,也是研究的重点。
助力攻克长大隧道过活动断层这一绝症。我司基于能量消-转-释-吸-散的隧道抗震设计理念与方法,提出了柔性吸能新型减震结构,如碎石笼衬砌,具备高力刚比和能刚比,经济易得且可快速替换,可节省近2/3的成本。碎石笼衬砌如下图 4-1所示。
图 4-1碎石笼衬砌结构
支护优化
概况:基于隧道三度空间理论,分区采取对策措施,可实现安全做加法、经济做减法目的。重庆轨道交通十八号线白居寺站原设计采用双侧壁导坑工法施工,但按照原设计开挖步序,需将两侧导坑初支落底后进行上部核心土开挖。面临中部施做临时竖撑,后续开挖拆除困难且危险性高,浪费施工材料,造价高等问题。因此拟优化为改进三台阶法。支护优化设计如图 5-1所示。
图 5-1白居寺车站隧道支护优化设计
优化后开挖施工方案的可行性主要取决于隧道施工的安全性,下面就两种开挖施工方案的隧道以及围岩安全系数进行对比,以研究拟优化方案实施的可行性,如图 5-2所示。
图 5-2两种开挖方案的围岩安全系数对比
两种开挖方案的前两步围岩安全系数差别不大,在原开挖方案第7步即优化方案第3步、原开挖第8步即优化方案第4步,优化方案的围岩安全系数无论在裸洞还是施加初期支护的情况下均大于原开挖方案。虽然两种开挖方案下的围岩安全系数有所差别,但是差距很小,相对于优化方案比原开挖方案所节省的工期、造价可以忽略不计。
隧道安全性评估
1、二次衬砌评价咨询
1.1.评估方法
二次衬砌的稳定性,通过强度折减法进行评估。强度折减法就是将土体的抗剪强度指标粘聚力和内摩擦角按照一定的规则进行增大或减小。用一个系数,这个系数称为强度折减系数,按照下述2个式子进行折减。然后用折减后的强度指标取代原来的,得到折减后的抗剪强度。
式中,为折减后的粘聚力,为折减后的内摩擦角。
1.2.评估的内容
针对隧道二衬质量缺陷段稳定性评估,利用FLAC3D数值模拟软件建立地层-结构模型,对二衬防裂钢筋网缺失以及防裂钢筋网保护层厚度过大缺陷进行安全系数计算:
1)二衬防裂钢筋网缺失对结构稳定性的影响分析;
2)二衬防裂钢筋网保护层厚度过大对结构稳定性的影响分析;
3)二衬钢筋保护层厚度过大对结构稳定性的影响分析;
4)遇水易软化围岩对二衬稳定性的影响分析;
5)二衬施工间歇缝对结构稳定性的影响分析;
通过以上计算分析和监测结果,评估隧道二衬质量缺陷段的稳定性。
1.3.案例——张吉怀铁路吉首隧道二次衬砌缺陷评估咨询
图 6-1二衬应力云图
由图可知,二衬内侧全为受压状态,最大压应力为15.2MPa,不会发生拉裂、压溃现象,所以防裂钢筋网是非必要的;
图 6-2折减系数与拱顶沉降关系图
2、隧道近接工程的稳定性评估与技术咨询
2.1.评估的内容
针对隧道近接工程,主要采用以下几个方法进行计算:
1)通过采用快速拉格朗日法有限差分软件Flac3D,建立高仿真三维有限差分元模型,对隧道近接的影响进行分析;
2)通过引入强度折减法,对隧道稳定性进行评价;
3)通过《铁路隧道设计规范》,确定坍落拱的高度,进行地铁隧道开挖及运营中既有铁路隧道二次衬砌的安全性进行评价;
4)基于荷载——结构模型,进行既有铁路隧道二次衬砌的安全性评价。
5)通过三维动力计算模拟列车振动,分析了列车振动对既有隧道二衬的影响。
2.2.案例——既有渝怀铁路上行线人和场隧道受上穿重庆轨道交通五号线TBM隧道影响的稳定性评估与技术咨询
本次计算分别采用强度折减法(内聚力及摩擦角同时按比例折减)进行安全系数计算,以最大位移的突变点作为安全系数的取值,按照隧道开挖顺序,计算结果如下:
1)渝怀上行人和场隧道开挖安全系数
图 6-3拱顶位移随折减系数的变化曲线
由强度折减法稳定性判据可知,位移突变点处的折减系数即为安全系数,取得安全系数为6.83。
2)渝怀上行人和场隧道上方右线开挖安全系数
图 6-4拱顶位移随折减系数的变化曲线
由强度折减法稳定性判据可知,位移突变点处的折减系数即为安全系数,取得安全系数为6.83。
3)渝怀上行人和场隧道上方左线开挖安全系数
图 6-5两种开挖方案的围岩安全系数对比
由强度折减法稳定性判据可知,位移突变点处的折减系数即为安全系数,取得安全系数为7.11。
4)地铁隧道运营中渝怀上行人和场隧道安全系数
图 6-6两种开挖方案的围岩安全系数对比
由强度折减法稳定性判据可知,位移突变点处的折减系数即为安全系数,取得安全系数为6.88。
检测评估与整治设计
1、简介
针对运营期隧道提供专业的病害检测、诊断和整治设计与咨询一体化服务。现服务达数十项,如成昆铁路布祖湾隧道质量检测、织毕铁路元宝山隧道抢险救援等,为整治维修提供数据支撑与咨询服务。
图 7-1织毕铁路元宝山隧道抢险救援
图 7-2成昆铁路布祖湾隧道净空检测
在建地铁实测数据的工程目标及其风险统计分析
1、概况
基于智隧信息化平台TK-TIM,借助大数据分析青岛地铁三号线、二号线的勘察、设计、施工、监测等多源数据信息,建立青岛地铁建设中的典型风险辨识模式及风险预测模型,优化、指导在建及新建工程。
图 8-1青岛地铁3号线地层分布图
图 8-2青岛地铁3号线沿线风险等级分布图
图 8-3青岛地铁2号线地层分布图
图 8-4青岛地铁2号线沿线风险等级分布图
溶洞三维建模
1、简介
隧道建设过程中,不可避免遇到溶洞,处置时需快速、准确掌握其与隧道的空间位置关系、体积方量等。因在岩溶地区富水地段修建深长隧道的技术尚不成熟,且受岩溶发育的复杂性和隧道工程地质勘察工作的复杂性影响,工程设计期间往往无法准确预测对隧道影响较大的大型岩溶。在隧道掘进过程中会破坏含水或潜在含水围岩,其内部的水流将冲进隧道施工场地,甚至会造成人员的伤亡和机械的损坏,从而造成严重的事故。我司专业提供基于三维激光扫描的快速三维建模,如成贵铁路玉京山隧道、郑万荣家湾隧道等溶洞建模,快速、准确地摸清了隧道溶洞分布情况,为处置提供一手资料。
图 9-1郑万荣家湾隧道溶洞
图 9-2成贵铁路玉京山隧道溶洞
岩爆监测——微震监测
1、微震监测简介
微震监测技术是用于监测岩体在变形和破坏过程中微裂隙产生、扩展所发出的应力波来进行监测岩体稳定性的技术,该技术起源于20世纪60年代,最早被南非和美国用来研究硬岩矿井中岩爆和煤矿中的冲击地压问题。近年来,微震监测技术在岩土工程中也得到了广泛应用,对水电硐室、隧道工程、岩质边坡等工程结构的稳定性进行监测与评价。
微震监测技术在隧道工程中的应用对施工安全生产和监控量测具有重要意义。在微震源定位、滤波及去噪、弱信号拾取等方面仍有进步和优化空间,相信在超深埋矿巷、山岭隧道等工程中会发挥更加重要的指导性作用。
图 10-1隧道微震监测系统结构
2、应用范围
2.1.隧道围岩稳定性监测
1)隧道工程施工安全监测;
2)隧道运营期间安全监测;
2.2.地下注浆工程监测
2.3.大型地下油气库的安全监测
2.4.石油工程中的监测
3、微震监测可取的成果
将微震监测技术应用于浅埋暗挖地铁隧道施工过程的监测与预警。构建了隧道的实时、连续和3D微震监测系统,传感器随中岩柱和台阶开挖随时向前推移,进而能够连续监测隧道围岩微破裂的孕育规律及损伤情况,构建了隧道内部震动信号波形库,从而剔除噪音信号处理有效微震信号,实时传送并处理有效微震数据,对隧道围岩稳定性进行评估。
连续三维的微震监测为施工的推进提供了安全保障,围岩损伤主要集中在拱顶与拱肩处,且随着中岩柱开挖的推进以及初期支护的进行,围岩损伤程度逐渐降低,表明围岩自承能力和完整性得到提高,监测过程中未发生重大工程灾害。
通过微震监测结果和现场围岩变形破坏结果,总结可通过微震事件个数、事件震级、事件时空分布规律和事件密度云图的变化对类似条件隧道的变形与塌方失稳进行预测。微震事件在某一区域持续累积、事件密度持续升高和每天事件个数快速增大可作为隧道开裂、掉块以及坍塌等灾害的前兆信息。如果随隧道开挖微震事件仍在开裂掉块区域累积且震级变大,则该区域存在塌方风险,若对开裂掉块区域加固处理后,微震事件没有继续在风险区域累积,且事件震级较小,则表明风险区域高应力由于围岩的变形和开裂、掉块得到释放,隧道塌方等风险解除。
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