一种新型隧道智能优化和自稳施工设计方法与流程

1.本发明涉及隧道及地下工程设计技术领域，具体是指一种新型隧道智能优化和自稳施工设计方法。


背景技术：

2.在《隧道及地下工程自稳修建法》发明专利解决隧道施工创新的基础上，进一步了解决快速优化和自稳修建设计问题。根据十项客观因素科学计算据围岩压力大小和分布后，如何快速进行智能优化设计问题依然未能解决。国内外至今普遍采用反复试算或作图试凑方法逼近，不仅费工费时，而且优化效果也不尽人意。长沙铁道学院介绍了用程序自动设计合理拱轴线的方法，如刘小兵发表的《复合式衬砌的合理拱轴线》论文介绍了一种自动设计优化模型：该模型用计算机自动调整轴线并计算需要1天时间；如人工调整曲线、计算机计算则需要20多天。查询其优化结果，不仅没有考虑受力优化来减薄衬砌厚度，在满足使用净空要求前提下，土方开挖量也非最经济的。该优化后不仅仍然是大偏心受压，偏心距 15.9，衬砌厚度45cm,单位长度挖方量有57.66立方米下降到55.96立方米。但本法进一步优化为偏心距 5.46的小偏心，从而是混凝土衬砌厚度由45cm减薄到25cm,减薄44％,挖方量再减少0.9m3,成为单位长度挖方量55.06立方米，效益显著。
3.迄今为止，国内外关于围岩稳定分析理论尚未建立。
4.目前，国内外隧道围岩稳定分析均处于用经验统计估算阶段，普遍存在考虑客观因素少、主观因素占主导地位问题。
5.铁路隧道设计规范143页，搬出了z.t.bienawski经过实例分析绘出的坑道自稳时间表。他也是考虑了2个因素，一个是围岩级别；另一个是无支护长度，也是普遍偏于保守。例如
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级围岩无支护长度1m, 平均自稳时间20分钟，实际上据实测甘肃天水地区膨胀性泥质
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级围岩双线隧道，其无支护长度为7m 时实测荷载为0，理论上该长度是可以长期稳定的。
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级围岩的物理力学参数是差别很大的。其实测粘聚力为600kpa,残余粘聚力为400kpa，已超出
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级围岩粘聚力的高限。根据规范
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级围岩粘聚力在50～200 kpa之间变化，其无支护长度变化是1～8m，不考虑参数变化用围岩级别粗略分析围岩稳定长度是脱离实际和缺乏科学性的。
6.铁路隧道设计规范121页给出了隧道初期支护极限相对位移和稳定性判别方法，是在初期支护完成后实测其极限相对位移，本身就是马后炮，缺乏实用价值。而且，王梦恕院士在其著作中明确指出：“极限位移是在新奥法施工在监控量测实践基础上得出的经验值，
……
软弱围岩变形值超出允许值数倍，仍未发生失稳；浅埋隧道变形尚未达到允许值却发生了坍塌”并无实用价值。
7.由于不能知己知彼，难以百战不殆。仅靠通过五个及时(及时支护、及时封闭、及时量测、及时反馈、及时修正)随机应变来解决预测的偏离实际的错误。这种经验性初步设计和修正设计，普遍需要进行超前支护、初期支护和二次支护等复杂多种辅助工序，费时、费力、费资、费能源，并不能保障工程安全和质量优良。
8.因此，一种新型隧道智能优化和自稳施工设计方法亟待研究。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种新型隧道智能优化和自稳施工设计方法，配套自稳修建法施工专利，解决上述背景技术中提出的问题。
10.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种新型隧道智能优化和自稳施工设计方法，具体包括以下步骤：
11.1)采用多功能预制优化拱片：提前工厂预制具有支撑、模板、初期支护、永久支护、防水、排水、通风、走线、灯槽、隔热、隔潮、防冻功能的预制多功能拱片；
12.2)双曲隧道的预制拼装施工：开挖后，首先在由预制多功能优化拱片拼装成沿隧道纵向起拱的单曲拱，并在拱片外填实现浇防水混凝土，靠1m跨的小跨度预制拱片承载；
13.当围岩来压时，首先压实现浇防水混凝土，然后，传力到已达设计强度的预制拱片承载，叫做立即受力，可以防止主体结构尚未形成时失稳问题；
14.当预制拱片完成横向拱形封闭后，结构自动转化为横向双曲拱立体受力；这种立体三向受力，随着荷载增大而加强，设计中作为安全储备，对提高抗灾能力非常有利。
15.如果设计优化拱形，立体受力的双曲拱也能发挥其抗压优势，实现优化受力，以实现既节约耗材，又保障安全的要求；
16.3)结构自防排水新工艺：将传统的先排后堵改为先堵后排，排水无需修建排水盲管系统，因为布满隧道全长的优化拱片的内侧空间，都可根据渗漏情况，加设挡板构成活动排水沟，将渗漏水排至隧道下部纵向排水沟和盲沟排水层，并进入中间排水沟排除。
17.作为一种优选方案，所述步骤2)中开挖空间缩小，将长大隧道变成短小隧道，可显著减小围岩压力。
18.作为一种优选方案，所述步骤2)中开挖形状各界面处于小偏心受压状态，优化开挖拱形，以显著提高围岩或衬砌的承载能力。
19.本发明与现有技术相比的优点在于：通过立体极限围岩压力理论计算围岩压力，搞清围岩承载体的大小、形状和承载能力，进而进行围岩承载安全系数的分析，以确定不同开挖空间大小及形状开挖后围岩自稳的安全系数，进而分析围岩自稳时间，保证在自稳时间内，超前完成有效衬砌。可以无需超前支护和初期支护，节省压浆、锚杆、管棚、埋入钢架、中间防排水系统、喷射混凝土等辅助工序，实现安全、优质、绿色、快速、节约修建隧道的目的。
附图说明
20.图1是本发明组合衬砌与复合衬砌、管片衬砌承载比较图。
具体实施方式
21.下面用具体实施例说明本发明，并不是对本发明的限制。
22.一种新型隧道智能优化和自稳施工设计方法，包括以下步骤：
23.1)新构件——多功能的预制优化拱片：提前工厂预制具有支撑、模板、初期支护、永久支护、防水、排水、通风、走线、灯槽、隔热、隔潮、防冻功能的预制多功能拱片，不仅可以
提高工程质量、降低成本，而且可以减少工序71％，大大缩短现场施工时间，获得安全、环保、快速、节约的效果。
24.2)新结构——双曲隧道的预制拼装施工：预制拱片小而轻，主要目的是便于缩小开挖空间，开挖后立即完成有效衬砌，从而保障在软弱围岩情况下，也能保障施工安全、周边安全和长远安全，实施自稳施工。如此可节省大量超前支护和初期支护工序，事半功倍。试验表明：挖衬1块拱片，仅需20多分钟；即使是ⅵ级围岩，粘聚力在5～28kpa之间，安全完成预制拱片，完成快速有效衬砌是可行的。粘聚力在 30～50kpa之间，按无支护长度1m施工可以安全自稳施工。
25.3)新工艺——结构自防排水解决渗漏难题：
26.结构自防排水新工艺与传统中间夹层柔性防水层加盲管排水系统有根本不同。王梦恕院士在《中国隧道及地下工程修建技术》一书第86页写道：“由于隧道防水工程的复杂性，尽管新建隧道都采用了上述新材料、新工艺，但仍有不少隧道出现了一定程度的渗漏，并且随着时间的推移，渗漏量有不断增加的趋势。这表明围岩变形造成的锚杆头、尖石等会戳破防水板，使地下水经防水板损伤处流入二次衬砌缝隙，导致隧道渗漏”。虽然，新建盲管排水系统开始时排水顺利，隧道内部无水渗出，容易通过验收。但随着时间推移，地下泥沙会逐渐堵塞排水盲管；另一方面围岩变形引起锚杆头部或地下尖石会戳破防水板，渗水会进入防水板破洞进入二次衬砌，二次衬砌没有经过试水渗漏检验，一旦排水盲管堵塞，渗水就会找到二次衬砌的空洞、三缝缝隙或钢筋通路进入隧道内部，造成《越用越漏》的质量问题。
27.本方法将传统的“先排后堵”改为“先堵后排”，排水无需修建排水盲管系统，因为布满隧道全长的优化拱片的内侧空间，都可根据渗漏情况，加设挡板构成活动排水沟，将渗漏水排至隧道下部纵向排水沟、盲沟排水层，并进入中间排水沟排除。实测证明：方法简单可靠有效。28000平方米的兰州东方红地下商城，埋深10.2m,有7.2m在水下，利用这种结构自带的防排水系统，竣工时每天集水池排水2次，随着时间推移，渗漏不断减少。通过《越用越好》解决了《越用越漏》的难题，而且由于任何部位都有拱片排水内空间，对暴雨成灾等特殊情况也能应对。在无水可排情况下，拱片内空间也可作为隔热、防潮、防冻、通风或电力线路通道。
28.当施工时涌水严重，不能进行混凝土水下灌注施工时，则需埋管引流，引流管带阀门开关，待影响范围内的衬砌全部达到设计强度后，再逐渐试行逐步关闭开关，严防过早或盲目关水，造成薄弱处大量坍塌涌水等灾害。
29.本发明在具体实施时，为使有效衬砌时间明显短于围岩自稳时间，采用预制新构件，组成能立即受力、立体受力、优化受力和共同受力的双曲隧道新结构，并通过结构自防排水新工艺，取代繁杂、费工、费时，设置中间防排水层的传统做法，是减少工序、快速完成有效衬砌，实现隧道自稳施工和围岩、衬砌共同受力技术关键，也是达到全程安全、高质可靠、绿色低耗、快速节约的基本技术方案。
30.围岩开挖后，围岩压力是随着时间逐渐增长的。开挖后，首先在由预制多功能优化拱片拼装成沿隧道纵向起拱的单曲拱，并在拱片外填实现浇防水混凝土，靠1m跨的预制拱片承载，当围岩来压时，首先压实现浇防水混凝土，然后，传力到已达设计强度的预制拱片承载。叫做“立即受力”。当预制拱片完成横向拱形封闭后，结构自动转化为横向双曲拱“立
体受力”，如果设计优化拱形则立体受力的双曲拱还能“优化受力”；由于预制拱片内空间自动形成防排水系统，无需设置中间夹层防排水系统，且衬砌拱形与围岩受力优化拱形一致且密切结合，可以真正实现围岩和衬砌共同受力，从而极大加强了隧道的超载能力，有利于减少灾害破坏。
31.据人工施工实测，一个4人工作组，完成每块优化拱片的有效衬砌时间，可控制在半小时之内，从而为保障了施工安全、周边安全和长远安全，解决隧道裂缝和“越用越漏”的渗漏质量问题，同时为取消绝大多数辅助工序，实现环保、快速、经济自稳施工创造了条件。
32.本发明根据量变到质变规律，注重改进内因，从减少开挖空间、边挖边砌，抓住快速有效衬砌这个矛盾，实现全程安全承载，既大幅度减小了施工围岩压力，又加快了有效承载施工速度。达到事半功倍的要求。从而改变了传统方法注重超前支护、初期支护等外因，为机械施工方便，增大开挖空间，先挖后衬，不仅增加了维护安全的辅助工序，使人材机耗费增大及施工时间延长，事倍功半。
33.自稳修建的设计的技术方案，主要是采用了多功能预制拱片新构件、双曲隧道新结构和结构自防排水新工艺，构成了预制、现浇组合的新结构来完成的。
34.本发明创造的效果和优点：
35.1全程安全：
36.本自稳施工设计通过立即受力、立体受力和优化受力以及共同受力三个阶段，确保了隧道工程全程安全。
37.立即受力阶段：根据开挖空间大小和形状计算围岩自稳时间，并在自稳时间内提前完成有效衬砌，由于有效衬砌是由已达设计强度的预制拱片和防水混凝土组成，不留坍塌空间，即使围岩压力在开挖后半小时到达，可先由预制拱片承载，预制拱片厚度很薄(6cm)，但其跨度也很小(1m)，且按小偏心受压设计，承载能力远超初始围岩压力，即使现浇防水混凝土没有凝固，也只能被压实，并不会使预制拱片超载。
38.立体受力和优化受力阶段：随着拱片成环封闭，构成了符合优化拱形的双曲隧道，具有优化受力和立体受力的优势。优化受力发挥了围岩和衬砌抗压强度大于抗拉强度十倍左右的优势，承载能力成倍提高，三向立体受力进一步提高了承载能力，而且作为安全储备，进一步提高了结构安全性；
39.共同受力阶段：由于衬砌拱形与围岩承载拱形高度一致，且围岩与衬砌之间无防排水隔离层，围岩与衬砌共同受力，进一步增加了隧道工程安全度，使超载能力显著提高，对提高抗灾能力极为有利。
40.如此不仅保障了施工安全、周边安全，也提高了超载安全、灾害安全的全程安全能力。
41.使地下工程告别重大伤亡和地面或建筑下沉裂缝的工程事故年代。
42.2质量提高：
43.由于衬砌按优化拱形设计，隧道各个截面均处于小偏心抗压状态，正好发挥了围岩和衬砌抗压强度远大于抗拉强度的优势，不仅在同等承载能力下减薄衬砌厚度约1/3，而且由于各个截面受压，既减少了裂缝产生和发展，渗漏问题和净空不足等难题也就随之破解。
44.3绿色低碳：
45.由于挖衬工作量减少和辅助施工工序减少，无需大型机械和喷射混凝土施工。达到了建设部绿色施工导则所要求的：“在保证安全质量基本要求下，实现四节一环保(节能、节地、节水、节材和环境保护)”要求。
46.无论是深埋或浅埋隧道。均无需打桩，注浆、锚杆、管棚等辅助工序，能耗减少。由于采用暗挖或盖挖施工，噪音、扬尘、废渣、废水大量减少。由于施工围挡时间和围挡面积均减少80％以上。对减少禁行、单行、绕行等堵塞交通对人民生产、生活影响，增强人民安全感、获得幸福感都有好处。
47.4缩短工期：
48.由于本方法抓住了有效衬砌时间必需小于围岩自稳时间这一技术关键，采用精简、高效的隧道设计，减少了70％为施工安全设置的辅助工序，实现隧道内部平行导坑多工作面施工，共用一套通风、照明、运输系统，将一个施工竖井的2个施工工作面扩大到6个和10个工作面，减少了另设平行导坑的工作量，大大缩短了隧道施工工期。省工、省时、节能降耗，采用多班组、短工时轮番作业，可减少因机械故障和围岩变化耽误的工期，使工程计划工期得到保证。
49.5全面节约：
50.由于衬砌减薄和施工工序减少，人力、材料、机械、资源、能源和地下空间全面节约。据9项试验工程统计：仅优化设计平均节约混凝土40％、节约钢材50％、节约木材90％、节约资金28.6％；对于ⅵ级围岩地下工程，减少了锚杆、管棚、喷射混凝土初期支护、中间盲管排水系统和防水板等工序，7道工序减少到2道，仅在开挖后，以预制拱片做模板进行防水混凝土二次衬砌(无需拆模)，在渗漏拱片处设置挡水板，全部土建工程即可进入装修阶段，节约效果显著。
51.6有利发展：
52.将传统隧道施工，向工厂预制化，现场拼装转化。有利质量升级和快速规模化制造施工。也可在砂石水泥集中地建造大规模预制工厂，为安排剩余劳动力创造条件。
53.如图1所示，建立在围岩稳定分析基础上的隧道智能优化设计，其关键是根据围岩来压大小、分布和来压时间，科学设计施工，既保障结构全程安全，又能够量体裁衣、使承载能力全程大于当时的围岩压力，以获得理想的社会效益、环境效益和经济效益。
54.图1表明：自稳法的组合式衬砌与新奥法复合式衬砌、盾构法管片是衬砌是显然不同的。
55.自稳法组合式衬砌(图1右下)开挖后立即安装预制拱片，并在拱片外侧错缝填实防水混凝土，即使来压再快，只能对未凝固防水混凝土进一步压实，并将荷载传递到预制拱片承担。预制拱片已达设计强度，尽管其厚度和薄，但其跨度也小，标准跨度是1m,能承受400kpa压力，是安全的。随着拱片封闭成环，变成大跨度的双曲结构，其三向立体受力成倍提高了承载能力，而且拱形按小偏心受压的优化拱形设计，混凝土的抗压强度约为轴心抗拉强度10倍(如c30混凝土轴心抗拉强度为2.2mpa；弯曲抗压 22mpa)，且其要求安全系数分别为2.4和3.6，不用钢筋也可达到设计安全要求。既节省钢筋，又能避免钢筋锈蚀影响使用寿命问题。
56.由于组合式衬砌无中间防排水隔离层，且衬砌拱形与围岩承载拱形吻合且密切结合，真正起到了围岩、衬砌共同承载作用。总体承载能力又有进一步提高，因此具有一定超
载能力，对减少灾害的破坏也有一定作用。
57.盾构管片衬砌，(图1右上)，虽然盾构机快速施工，最快不到2小时完成一环，因此也无需超前支护和初期支护，但为避免管片推进阻力，盾尾间隙需滞后密封，密封前仍然依靠围岩承载，因此仍然可能产生地面下沉或管片上浮问题。
58.新奥法复合式衬砌，因为一、二次衬砌中间防排水层的隔离，并不能共同受力。根据公路隧道设计规范185页释放荷载分派比例表，ⅳ级围岩二次衬砌分担荷载比例40～20％，当二次衬砌分担20％时，二次衬砌实际是无效衬砌(图1右上)；
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级围岩初期支护加围岩分担荷载比例20％时，中间有一个承载能力不足点(图1右下)，这就是有关文献所述的普遍产生裂缝的原因，但由于二衬的补充作用，此裂缝产生后一般很少继续发展。
59.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种新型隧道智能优化和自稳施工设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：1)采用多功能预制优化拱片：提前工厂预制具有支撑、模板、初期支护、永久支护、防水、排水、通风、走线、灯槽、隔热、隔潮、防冻功能的预制多功能拱片；2)双曲隧道的预制拼装施工：开挖后，首先在由预制多功能优化拱片拼装成沿隧道纵向起拱的单曲拱，并在拱片外填实现浇防水混凝土，靠1m跨的预制拱片承载；当围岩来压时，首先压实现浇防水混凝土，然后，传力到已达设计强度的预制拱片承载，叫做立即受力；当预制拱片完成横向拱形封闭后，结构自动转化为横向双曲拱立体受力，如果设计优化拱形则立体受力的双曲拱还能优化受力；3)结构自防排水新工艺：将传统的先排后堵改为先堵后排，排水无需修建排水盲管系统，因为布满隧道全长的优化拱片的内侧空间，都可根据渗漏情况，加设挡板构成活动排水沟，将渗漏水排至隧道下部纵向排水沟、盲沟排水层，并进入中间排水沟排除。2.根据权利要求1所述的一种新型隧道智能优化和自稳施工设计方法，其特征在于：所述步骤2)中开挖空间小，将长大隧道变成短小隧道，显著减小围岩压力。3.根据权利要求1所述的一种新型隧道智能优化和自稳施工设计方法，其特征在于：所述步骤2)中开挖形状各界面处于小偏心受压状态，以显著提高围岩或衬砌的承载能力。

技术总结
本发明涉及一种新型隧道智能优化和自稳施工设计方法，具体包括：1)采用多功能预制优化拱片；2)双曲隧道的预制拼装施工；3)结构自防排水新工艺。本发明与现有技术相比的优点在于：通过立体极限围岩压力理论计算围岩压力的大小、分布和来压时间，做到知己知彼百战百胜；与此同时，搞清围岩承载体的大小、形状和承载能力，进而进行围岩承载安全系数的分析，以确定不同开挖空间大小及形状开挖后围岩自稳的安全系数，进而分析围岩自稳时间，保证在自稳时间内，超前完成有效衬砌。可以无需超前支护和初期支护，节省压浆、锚杆、管棚、埋入钢架、中间防排水系统、喷射混凝土等辅助工序，实现安全、优质、绿色、快速、节约修建隧道的目的。节约修建隧道的目的。节约修建隧道的目的。


技术研发人员：王胜利 南振岐 敖运安 王颖 范亚君 雷舜杰 苏丽丽 张兵周 雷肖肖
受保护的技术使用者：兰州南特数码科技股份有限公司
技术研发日：2022.09.27
技术公布日：2023/8/24