文档介绍：公路隧道松弛荷载预测理论与预警系统及设计方法研究
报告简本
1、项目研究目的意义
《公路隧道松弛荷载预测理论与预警系统及设计方法研究》是交通部2006年度西部交通建设科技项目中的一个研究项目,立项于2006年8月,从2006年7月至2009年6月,研究经费200万元,主要内容为各级围岩条件下隧道围岩变形破坏理论研究和基于监控量测和非确定性反分析的隧道结构设计与预警系统研究。项目组现已全面完成项目合同所规定的研究工作。
近年来山区公路隧道复杂工况施工过程中的围岩稳定性问题日益突出,稍有不慎或处理不当,都会造成严重事故,给国家和人民的生命财产造成巨大损失。究其原因,主要有根本原因和直接原因。
隧道开挖
隧道开挖围岩松动围岩坍塌加固处治
图1-1 公路隧道围岩破坏
根本原因是隧道围岩理论研究跟不上工程建设发展的需要,目前隧道设计规范推荐的荷载—结构法和地层—结构法存在局限性以及对隧道围岩在开挖应力状态下的渐进性破坏规律和围岩压力的演化趋势研究不完善性,导致不能全面分析隧道在开挖过程中围岩级别的劣化过程、围岩稳定性演化趋势以及围岩压力变化规律。因此,专题一各级围岩条件下隧道围岩变形破坏理论研究,开展相关理论和应用研究,重点突破了1)公路隧道围岩分级与损伤变量的关系;2)开挖应力状态下隧道围岩损伤演化模型,提出了基于经验公式的围岩压力预测模型和基于隧道围岩渐进性破坏的围岩压力预测模型。
直接原因是当前公路隧道设计与施工存在的突出问题主要有二个:一、隧道结构变更设计,围岩级别的现场判定,依据不足;二、隧道围岩变形破坏,坍塌频繁,预测不准。造成这二个问题的主要原因是:1)围岩分级与现场监控量测毫无关系,人为判断;2)监控量测与分析水平低下,预警标准没有建立。针对以上问题开展专题:1)专题二隧道施工现场围岩定量分级判定方法;2)专题三:隧道围岩稳定及支护结构设计的非确定性反分析方法研究;3)专题四:隧道围岩变形破坏的预警系统方法研究。重点突破了1)考虑松动圈的卡尔曼滤波与有限元耦合反分析法;2)隧道围岩变形破坏临界值的统计分析方法;3)图形可视化开发平台。建立了1)考虑松动圈的卡尔曼滤波与有限元耦合反分析法;2)基于监控量测和非确定性反分析的隧道施工现场围岩分级方法;3)两车道公路隧道各级围岩条件下隧道围岩变形破坏监测预警值;4)基于监控量测和非确定性反分析的隧道结构设计与预警系统。
2、研究内容及考核指标
研究内容
本项目主要研究内容分如下四个专题:
专题一:各级围岩条件下隧道围岩变形破坏理论研究;
专题二:隧道施工现场围岩定量分级判定方法;
专题三:隧道围岩稳定及支护结构设计的非确定性反分析方法研究;
专题四:隧道围岩变形破坏的预警系统方法研究;
考核指标
技术指标
(1)本项目研究最终将形成基于非确定性反分析方法的隧道结构设计新方法,该设计方法综合考虑了我国现行隧道设计规范中所推荐的荷载—结构法和地层—结构法,更真实地反映了隧道围岩随机性、复杂性、不可预知性等特性,能够更加合理地解决隧道围岩稳定性判定和支护结构的设计问题。
(2)本项目研究提出的隧道围岩变形破坏预警系统方法,能有效提高隧道施工安全性,减少隧道塌方,降低隧道建设成本。
(3)本项目研究形成隧道结构设计分析新方法的软件系统2套;
(4)本项目研究提交4份专题报告和一份总报告。
经济指标
(1)项目研究提出的基于松弛荷载理论的隧道结构设计新方法,可以节约工程造价10%~20%。
(2)本项目研究提出的隧道围岩变形破坏预警系统方法,能有效提高隧道在施工开挖过程中的人员设备安全性,同时减少隧道塌方,降低隧道建设成本。
(3)本项目指导示范工程一座,提交应用报告一份。
(4)鉴于本项目在理论研究方面的深度较大,在人才培养上拟培养博士生1-2名。
指标完成情况
技术指标完成情况:
1)建立了基于经验公式的围岩压力预测模型和基于隧道围岩渐进性破坏的围岩压力预测模型;
2)建立了考虑松动圈的卡尔曼滤波与有限元耦合反分析法及其软件1套;
3)建立了基于监控量测和非确定性反分析的隧道施工现场围岩分级方法;
4)建立了两车道公路隧道各级围岩条件下隧道围岩变形破坏监测预警值(三车道);
5)建立了基于监控量测和非确定性反分析的隧道结构设计与预警系统1套;
6)完成5份专题报告、1份总报告、 1份工作报告、 1份应用报告和1份软件使用手册。
经济指标完成情况:
1)通过基于非确定性反分析方法和现场围岩等级定量判别方法的结构设计修正,使设计更趋合理,节约造价,依托工程造价节省在10%以上。
2)依托工程应用证明:本项目研究提出的隧道围岩变形破坏预警系统方法,能有效提高隧道在施工开挖过程中的人员设备安全