长距离隧道范文

长距离隧道范文（精选7篇）

长距离隧道 第1篇

实现长大隧道长距离独头快速掘进,主要是合理选择开挖方法、机械设备配套及解决通风排烟问题,现结合大瑶山三号隧道进口施工介绍如下。

1 开挖方法

大瑶山三号隧道进口以砂岩、砂质板岩为主,为实现快速施工,Ⅱ,Ⅲ级围岩采用全断面带仰拱一次开挖的方法,避免了仰拱二次开挖对后续工作的影响,减少了仰拱开挖爆破对风水管路及电路的损坏,Ⅳ,Ⅴ级围岩施工采用三台阶法施工。

全断面法采用在自制多功能台架上人工手持风枪钻孔,楔形掏槽,光面爆破,CAT320C挖掘机配合WA470装载机装碴,奔驰自卸汽车出碴的无轨运输方式施工。

Ⅱ,Ⅲ级围岩设计开挖断面分别为140 m2,144 m2,自制多功能台架上30台风枪同时钻孔作业,掏槽眼孔深5 m,采用周边眼间隔装药,辅助眼连续装药,导爆索引爆的方法,每循环开挖进尺为3.8 m～4 m,钻爆时间控制在3.5 h。

爆破时严格控制炮眼深度及周边眼的装药量,减少对围岩的震动以控制成型,爆破后挖掘机、装载机共同装碴,自卸汽车出碴。再利用上循环架立的钢架或者格栅做超前支护及辅助措施。在施工中坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则,以确保施工安全进行。

在设计基础上,采用TSP203地质预报系统,采集各种水文、地质、变形、应变等参数进行信息化管理,确定合理的结构支护参数,实行信息化管理、信息化施工,以保证施工顺利进行。

2 出碴运输

三号隧道进口受地形影响,碴场设在距洞口2 km处,运距长,出碴时间长,影响开挖进度。为了保证隧道施工进度,在距洞口500 m处择地设立了二次道碴场,由此节约了出碴时间,将每循环出碴时间控制在5 h内。

水沟电缆槽、垫层开始施工以后,工区专门设立了洞内出碴车辆调度指挥员制度,在特殊地段负责行驶路线引导;并在每个错车道安装红灯来提醒驾驶员,以保证畅通。

3 通风排烟

1)大功率通风机配合大直径通风管送风。客专隧道断面大,断面达150 m2,适合大通风机配大直径通风管,在施工过程中,通风机采用低噪节能隧道专业通风机,功率为110 kW×2,通风管直径为1.5 m。直径大风阻小,加大了风量利用率,改善了洞内空气质量。2)各工作面辅助通风除尘。在开挖爆破完成后,主要采取洒水除尘降温的办法,采用两台加压水枪洒水,消除空气中的浮尘,降低洞内温度。为了加快衬砌台车处空气流动,在衬砌台车靠掌子面方向右侧安放30 kW射流风机,风向对准洞口方向。另外在挂防水板台架上部按隧道中线左右侧各布置一台小型射流风机,功率为4 kW,加快了隧道拱部空气的流动,有效解决了台车风阻问题。3)加强洞内行车调度,减少出碴车尾气排放。洞内出碴时,指定了专门的车辆调度人员,负责洞内行车安全和车辆疏通工作,避免了塞车,减少车辆在洞内的停留时间,车辆在出碴等待时关掉发动机,减少尾气排量。4)接力通风措施。三号隧道进口施工达到3.5 km时,采取了洞内接力通风措施,洞口设双通风管路供风(见图1)。在隧道洞口增加一套通风设备和管路,双管路将新鲜空气压入,洞内距洞口3 km处设一台低噪节能通风机接力压入,功率为110 kW×2,通风管直径为1.5 m,保证掌子面风量的需求量(见图2)。5)加强通风系统管路维修。为了减少洞内施工时损坏通风管漏风损失风量,专门指定专人负责通风管路的管理和维修,通风机械出现故障后能及时得到维修,管路出现破损时能及时补漏,减少了通风管路的风量损失。

4 其他生产要素配置

1)电力设施。三号隧道进口在洞外配置了一台630 kVA变压器,以10 kV高压进洞,供洞内设备用电;隧道洞内各工作面,分段设置315-10 kV/0.4 kV移动变压器供电;配置一台2 000-35/10输电变压器,同时配置一台2 000 kVA配电变压器供洞外设备及洞内照明用电;洞内照明线路中分段增设稳压器,保证洞内电压稳定。2)洞内供风。根据隧道作业所需风量,三号隧道进口配置了9台20 m3/min电动空压机(含1台20 m3/min内燃空压机),组成大型空压机站集中供风。供风管采用ϕ200 mm供风钢管,管道安装高度为内轨顶面上450 mm,在空压机房旁边设200 m3水池一座供空压机循环用水。为储存风量,缓解风压损失,在主管线上隔段增设风包,在管线最低和末端处加设油水分离器,经常排放高压风管和风包中的积水油污,保证了供风质量。3)高压水配置。三号隧道进口施工用水引接X329县道左侧沟谷中的常年流水;对附近沟谷中的溪流水进行筑坝蓄接,引至工点,供搅拌站及洞内施工用水;洞口建200 m3高山水池和泵房各一座,采用100 mm无缝钢管供水至洞内。洞内高压水管安装在高压风管上部,为满足施工用水水压要求,管道进入洞内适当位置设管道增压泵。为保证供水安全有效,泵房安装高压水泵两台(1台备用)。4)洞内排水。三号隧道进口段设计为人字坡,洞口方向4‰的正坡,隧道施工3.4 km为反坡排水,隧道洞内富水,为解决洞内污水及地下水的排放,主要采取了集中排水方式。在各工作面污水排放处设集水井,长2 m,宽1 m,高1 m,大功率抽水泵两台,功率为15 kW,扬程30 m,先将工作面水收集至井内,再集中排水。水箱上设专门的连接管与洞内100排水管连接,排水管引至洞口污水净化池,污水经净化处理后排放。5)信息化管理技术。工区专门布设了隧道内—隧道外一体化的信息交流平台,主要的信息交流为电话语音交流。在隧道内各工作面设置了防爆电话;在隧道外搅拌站、空压站、值班室、工区办公室,设置了内部联系电话;在值班室另设了外线,方便与外界取得沟通。这样的信息平台使隧道内外在任何情况下通信都是畅通的,各个工作面之间都能取得联系,方便施工需要。一旦有突发事件发生,可以及时地了解现场状况,提前做出判断,为应急预案的启动赢得宝贵时间。

5 结语

在长大隧道施工中,通风问题要彻底解决存在较大的困难,尤其在夏季施工时洞内温度偏高,独头掘进时则更加显著,洞内与洞外温度相当,空气无法对流,导致局部地段空气流动过于缓慢,能见度低,车辆行驶速度必然受到影响。鉴于以上问题,建议在今后长大隧道设计中,增加辅助通风坑道,以便更好地解决施工通风问题。

摘要：以大瑶山三号隧道工程为例,从开挖方法,机械设备配置及通风排烟方式三方面阐述了长大隧道长距离独头快速掘进施工工艺,介绍了施工过程中生产要素的配置,并根据施工体会指出长大隧道独头掘进时应着重解决好通风问题。

关键词：隧道,全断面法,通风排烟,信息化管理技术

参考文献

长距离隧道 第2篇

1 工程概况

徐屯II号隧道是福建省松溪(闽浙界)至建瓯公路国家高速公路网第3纵长春至深圳线福建省境内松溪至建瓯段(简称松建高速公路)的小净距浅埋、偏压短隧道。隧道起讫桩号为左洞ZK84+510～ZK84+887,长377 m;右洞YK84+530～YK84+902.5,长372.5 m,左右洞平均长374.75 m。徐屯II号隧道穿越北东—南西向的低山区,地形起伏较大,属构造-剥蚀低山丘陵地貌。进口侧山坡相对较陡,自然坡度约19°～26°。隧道进口段围岩为坡积土、残积粘性土、全～强风化云母石英片岩围岩段,岩体极破碎,大部分呈散体状。开挖中地下水多呈淋雨状;自稳能力差,易坍塌。围岩级别洞口段为V级围岩,洞身以IV级围岩为主。

2 变形过程

2.1 初支下沉变形情况

2011-11-22,在施工和检查过程中发现左洞进口端ZK84+540～ZK84+620初期支护突然发生变形,首先是拱顶喷射混凝土起皮;再是矮边墙上拱脚位置喷射混凝土开始剥落,次日初支变形开始明显变大,目测可以发现拱腰混凝土剥落面扩大,右洞YK84+600～YK84+648受影响也发生变形。钢拱架急剧下沉,呈现压屈状态,并伴有压弯、扭曲甚至剪断等不良现象。同时,监控量测数据也显示该段隧道沉降和收敛值发生突变,隧道整体向线路右侧推移,部分地段初支已侵入二衬净空,多的有20 cm。隧道初期支护主体受力结构受到严重的损毁,左洞ZK84+626～636.5,右洞YK84+648～658.5段落的二次衬砌混凝土也发生不同程度的纵横向裂缝,给洞身质量和施工安全带来了极大的隐患。

2.2 地表沉降开裂情况

自左洞初期支护变形明显后,施工单位加强了洞内沉降和收敛的监控测量,同时加强地表观测。发现在左洞左侧20～30 m位置出现几道地表裂缝,其中最长的纵向裂缝约90 m,裂缝宽度3～20 cm,且有断裂沉降错台的情况,错台高度约15 cm。裂缝大致随山脊由洞口外侧延伸到山顶,具体位置见图1。

2.3 变形特点

徐屯Ⅱ号隧道进口段左右洞初支下沉变形有以下特点;首先围岩变形量大,在短短的4 d内,累计变形最大达到100.09 mm;其次变形速率快,变形为突发性,变形速度极快,表面来压快,围岩自稳能力和完整性受到严重破坏;再则变形范围大,变形主要发生段落左洞85 m,右洞58 m,合计发生变形的长度为143 m,发生变形长度及其影响区域占隧道长度近20%。

3 隧道变形原因分析

3.1 地形及地质复杂

徐屯II号隧道隧址区属构造-剥蚀低山丘陵地貌,相对高差较大,进口侧山坡相对较陡,自然坡度较大,约19°～26°,使隧道洞身偏压受力,容易造成洞身侧向位移或变形。进口段隧道洞身为坡积土、残积粘性土、全～强风化云母石英片岩围岩段,岩体极破碎,大部分呈散体状。开挖中地下水多呈淋雨状,局部地下水位高于洞底,侧壁易发生小坍塌。隧道左右洞间距较小,中夹岩宽度较窄,围岩强度低,自承能力不足,且中夹岩注浆效果不明显,当山体重力集中作用于中夹岩,超过其承载能力,发生竖向沉降变形,连带洞身初支变形。

3.2 施工措施不当

该隧道属于小净距隧道,地质条件差。项目部管理不善,在施工过程中对隧道中夹岩加固施工督查不到位,小导管注浆效果不佳未形成有效的加固圈,部分钢拱架安装错位,不能形成有效的受力封闭环;同时由于项目部与班组内部问题,整个隧道停工达半年之久,左洞软弱围岩段二衬未能及时跟进施工;复工后项目部又违反施工程序和设计要求,无视业主和监理的督促指令,盲目抢快抢进,在未及时进行仰拱跟进施工的情况下将右洞进口段近100 m的上台阶贯通,隧道施工过程中,由于开挖、特别是爆破开挖对岩体扰动较大,对岩体的整体稳定性造成了一定的破坏,加剧了隧道顶部岩体的变形速度。

3.3 监控量测不力

隧道开挖完成后,围岩本身应力的释放是一个缓慢的过程,隧道监控量测的主要作用是掌握围岩力学形态的变化和规律,评价围岩和支护系统的稳定性、安全性;及时预报围岩险情,防止事故发生;及时提供信息用以指导安全施工,修正施工参数与工艺。本项目监控量测单位未能及时、全面对开挖后的隧道进行监控布测,也未能及时整理、反馈前期围岩、支护变形、收敛等情况,致使项目部在支护突变前未能采取预防措施。

以上各种不利因素的综合影响,造成了此次隧道支护变形的速率快、范围大、变形量大的特点。

4 变形处治方案

针对隧道初期支护严重变形损毁的现状,为确保隧道洞身安全处治方案坚持以“先稳后固”的原则,同时采用临时加固措施和永久加固措施,保障洞室的整体稳定,使隧道应力重分布达到新的静态平衡状态,并满足设计要求。加强监控量测工作,对监控数据进行分析,待洞身整体沉降和收敛趋于稳定后,再进行扩挖换拱施工。

4.1 临时加固措施

临时加固措施主要是采用强力支撑于变形的初期支护,减小和抑制已损毁初期支护继续增大变形。一般有:(1)架设钢护拱,形成双层钢拱架受力;(2)架立强支撑、增大受力点,减轻已损坏的初期支护受力;(3)增加临时仰拱,提早形成封闭环受力;(4)增设临时二衬。根据洞内初支变形和破坏情况,经各方共同研究决定:对左右洞变形较大的地段采用钢管柱扇形支撑稳定,同时对洞顶山体裂缝进行防水处治。

4.1.1 扇形支撑稳定

在左右洞变形地段ZK84+561～ZK84+636,YK84+590～YK84+648设置扇形支撑,纵向间距3 m。扇形支撑采用3道主扇形骨架+2道斜撑支腿+扇形支撑间的横向连接+各扇形单元之间的纵向网格连接组成,支撑体系见图2。

临时支撑体系中,中心3根扇形主支撑为Φ200 mm的钢管,管内压注水灰比0.45的纯水泥浆进行充填以增大其刚度,两侧斜撑及扇形支撑底部垫块为I 20b型钢,钢管柱支撑底部和垫块用C20混凝土包裹,横向及纵向联系支撑为I 12槽钢,钢管每根长6 m,5根钢管之间采用法兰盘和螺栓连接。同时在扇形支护上布设应力计和应变计进行应力、应变监测;原初支钢支撑拱脚处采用锁脚Φ50 mm小导管注浆加固,进出口两侧向洞内方向逐榀加固;隧道外侧下山体边坡布设测斜管观测土体水平方向的稳定情况,若发现变化有异常时,应及时上报。施工时加强监控量测,确保施工人员安全。

4.1.2 地表裂缝处治

为防止雨水沿地表裂缝下渗引起围岩的进一步失稳,采取对洞顶山体裂缝进行人工回填后夯实,再在两侧施工排水沟,做到及时截、排地表雨水,同时使用土工布覆盖裂缝,避免雨水侵入裂缝中。为进一步掌握地表变形情况,隧道外侧山体边坡上按设计布设3个测斜管,以进一步掌握隧道变形机理,为后期处理提供依据。

4.2 隧道永久加固方案

隧道加强加固主要体现在2个方面:一是注浆小导管加固,即对隧道周边原初期支护进行径向注浆小导管加固,并对隧洞左右洞之间的中岩墙增设6 m注浆小导管进行加固。二是对洞身已损毁的初期支护进行扩挖换拱施工,重新施作初期支护。

4.2.1 注浆小导管加固

临时支撑加强后,在监控量测进行的同时,对中夹岩和周边小导管按设计加固组织施工。

(1)中夹岩加固小导管设计参数:采用6 m长Φ50 mm注浆小导管,环向间距0.5 m(每排8根),纵向间距0.5 m。小导管注浆采用水泥浆液,水灰比0.5∶1。

(2)周边小导管设计参数:采用6 m长Φ50 mm径向注浆小导管,采用间距0.8 m×0.8 m梅花型布置,见图3。

(3)左洞(ZK84+535.5～ZK84+636.5)中夹岩和周边小导管加固。右洞(YK84+554～YK84+658.5)中夹岩和周边小导管加固,加固小导管设计见图3。

(4)为确保注浆质量及加固效果,应采用专用的注浆设备及注浆压力表,进行注浆压力控制。注浆材料采用水灰比1∶1的纯水泥浆,注浆压力不小于2 MPa,达到压力时应持续15 min方可终止注浆。施工过程要严格控制浆液质量、注浆压力、持荷时间,使浆液按设计要求扩散,有效加固。

4.2.2 扩挖换拱施工技术处理

随着临时加固及注浆小导管加固的完成的,监控单位对断面进行了复测,每3～5 m测量1个断面。根据初期支护损毁及侵限情况确定ZK84+545～ZK84+642和YK84+545～YK84+667段落采用扩挖换拱施工。

(1)先在已施做的第1～2榀初期支护中间挖槽至设计开挖线,在槽内初喷1层4 cm厚的C25混凝土,架设新钢支撑后,再喷22 cm厚的C25混凝土;之后隔2榀即在原第4～5榀间施作新钢支撑,然后再在原第2～3、3～4榀间逐榀换拱,完成4榀后方能开始逐榀拆除该范围内旧钢支撑,并挖除沉陷体至新的设计线,接着喷射C25混凝土,与先前挖槽增设钢支撑喷混凝土形成一整体,再整体挂Φ12 mm钢筋网,最后再喷4 cm厚C25混凝土完成1个循环后方能施做下个循环;

(2)换拱施工顺序由洞口向掌子面方向逐榀施工,施工时加强监控量测;其换拱初期支护参数厚度由原来26 cm改为30 cm,钢支撑间距由原来的70 cm I 20b改为间距为50 cm的I 22b,钢筋网由原来的Φ8 mm改为Φ12 mm,并在中空锚杆之间打设Φ50 mm注浆小导管;二次衬砌厚度由原来50 cm改为60 cm,混凝土等级由原来的C25提高为C30,钢筋间距为10 cm(每侧即10根Φ25)。

4.3 施工工序

初期支护锁脚小导管加固和地表裂缝回填→中夹岩加固→在原初期支护基础上打入径向Φ50 mm小导管注浆加固→右洞YK84+545～YK84+667段落初期支护进行拆除并换拱→每换拱10 m后须进行施工二次衬砌→下个循环右洞换拱和二次衬砌→右洞换拱和二次衬砌全部完毕→对左洞ZK59+702～ZK59+757段落初期支护进行拆除并换拱→每换拱10 m后须进行施工二次衬砌→下个循环左洞换拱和二次衬砌→左洞换拱和二次衬砌全部完毕。

5 监控分析

自隧道发生变形后,次日的变形量较大,4 d累计最大的下沉有100 mm(ZK84+600最大为101 mm,YK84+630最大93 mm)。随着临时加固的完成,1周后开始沉降趋于稳定,每天在1 mm以内;1月后沉降基本稳定,每天在0.3 mm以内(有正负波动),应力计和应变计进行的应力、应变监测数据也无异常。另外隧道外侧山体边坡上已按设计布设测斜管(3个孔),观测土体的水平方向的稳定情况,监测数据无异常,山体处于稳定状态。

6 结语

本隧道初期支护变形治理已完成,虽然对工期和成本造成了影响,但治理措施是可行的,从监控量测情况看治理是成功的。由于隧道形式多种多样,而隧道受各种地形、地质的影响又是复杂多变的,本文结合隧道初支变形的特点,针对隧道出现的严重损毁现象,根据“先稳后固”的原则,提出了扇形支撑、注浆小导管加固和扩挖换拱施工工艺,为今后类似隧道变形情况的处治提供了一定借鉴。

参考文献

[1]JTG D70—2004公路隧道设计规范[S].

[2]JTG/T F60—2009公路隧道施工技术细则[S].

长距离隧道 第3篇

隧道掘进2 342 m时发生了溃水自然灾害,隧道被淹没。为了恢复隧道正常施工,采取了一定的措施,将洞内淤积的水(泥)清除干净。由于隧道内存在岩溶补给水,抽水设备的能力必须远大于补给量才能有效的排尽洞内积水,安装水泵→接排水管→抽水→拆除水泵前移至下一抽水位置→延长排水管路→再次抽水。在抢险期间,为了快速排水,研发了移动方便、抽水快捷、功率大的长达120 m的移动式抽水列车,在隧道内存在涌水的情况下,快速有效、安全地排尽洞内积水,施作混凝土封堵墙隔断突水溶腔,使隧道能够恢复正常掘进施工。

1 反坡隧道抽水特点及技术难点

1)水泵每推进一次抽水量减少。

马鹿箐隧道线路纵坡15.3‰,从水头位置向洞内50 m处水深50×15.3‰=0.765 m,扣除潜水泵本身吃水深度约0.3 m后,每次抽水只能降低水位0.465 m。

2)前移水泵,安装排水管均在水中进行,施工难度大。

将水泵前移50 m,水深0.765 m。采取人工运输已经达到极限;采用常规机械设备,如装载机、汽车等,也很难到达更远位置;采取竹筏、轮船虽然可以将水泵前移至更远位置,但水太深,施工人员无法站在水中运输、安装水管,也难以采用轮船在隧道内运输、安装水管。

3)隧道溃水灾害发生后,追排水时洞内存在突涌水风险。

一旦发生突水,施工人员和设备需要紧急撤离,常规的抽水方法在紧急情况下很难保证人员、设备安全撤离。

2 追排水技术方案选定[1]

2.1 抽水列车研发

抽水台车按照“1+3+1”分3个部分设计,总长度120 m。第1段为抽水平台,长度12 m;第2段为车身行走系统,长度72 m;第3段为动力、牵引部分,长度36 m。列车配置8台500 m3/h污水泵,排量4 000 m3/h,每循环追水90 m。抽水列车构造见图1。

列车抽水平台高度2.8 m,宽度1.6 m,最大吃水深度1.8 m。选用具有自由转向功能的梭矿轮对作为行走系统,采用型钢作骨架,吊装8台500 m3/h污水泵。抽水台车处8根排水软管分两层布置,根据需要更换接入抽水台车布置的8根钢管。

为了加大潜水泵吃水深度,抽水台车中间设计为3段。每段接钢管3根、软管1根共24 m,同样采用梭矿轮对作为行走系统,3段总长度72 m。按照“4+4”分两层布设ϕ200钢管8根。两侧采用钢丝绳挂动力线。研发过程中主要解决的问题:列车加长后为满足通过曲线路的要求,抽水台车直线段长度为18 m,连接段采用6 m长钢丝软管和牵引杆连接。

大功率抽水设备的使用,必然要求高压变电系统距离水泵不大于600 m,如果在隧道内每600 m安装一台变压器,就需要安装3台固定式变压器,且每次列车就位后都需要重新接电线,必然耽误抢险救灾工期。为了解决这一难题,采用了移动箱式变压器为抽水台车提供电源,且一次性配备2 200 m的高压电缆置于后方平板车上,随着追水列车前进,不断上墙布置。抽水台车第三部分为动力、牵引部分,长度36 m。采用两台电瓶车推移抽水台车,抽水台车后端挂三个平板车,用于放置抽水软管、安装箱式变压器和放置高压电缆,为抽水台车提供电源。电瓶车和平板车两侧焊接电缆支架,挂动力线绕过平板车和电瓶车。变压器后方再挂一台电瓶车,用于推移箱变。正式抽水前要求电瓶车电量充足,以后不再更换电瓶。

2.2 抽水泵选型

配备何种大功率抽水泵才能达到最大功耗,适应隧道抽排水等,都要综合考虑。隧道内积水上层为清水,下层为淤泥。如果不能把部分淤泥混着水一起抽至洞外,那必将影响抽水列车的行走,也必将使清淤量加大或者提前进行清淤,从而耽误救灾工期。所以水泵的功率和排污能力必须着重考虑,施工中选定排量大、排污能力强的污水泵(QY500-50/2-90)。

2.3 箱式变压器选定

箱式变压器的选定从很大程度上解决了施工用电的难题:1)用电安全得到了最大的保证,箱式变压器的密封性很好,所有用电都在开始作业前安装好后,不需要重新接电。2)节约了救灾时间,不需要安装固定式变压器,所有水泵用电一次性连接到启动柜并安装总闸后,不需要每次移动都重新接电,只需要从洞外布置一趟照明线路,即解决了隧道所有用电问题。

2.4 抽水管路选型

抽水作业过程中消耗时间最长的就是接水管,选择一种轻质、可快速连接的水管是抢险救灾的关键。选定并专门订制的直径250 HDPE钢管主要有以下特点:

1)质量轻,只有14.7 kg/m,我们订制每根长度7.5 m,总重量为110.25 kg,两个劳力刚好可以抬走;

2)耐高压,大功率水泵抽水压力很大,选择的水管必须耐高压,HDPE管材质耐压达到2.5 MPa,完全符合要求;

3)水管上提前配置好可旋转的法兰盘,这样在水管对接时,就只需要转动法兰盘即可轻松连接;

4)在水管端头提前用胶粘好垫片,在水管连接时,就节约了时间。

3 追排水施工组织

3.1 追排水工艺流程

追排水抢险每天进行6个循环(4 h一个抽水循环),每天累计追水540 m,按照100 m3/h补给量计算,每天抽水量4.1万m3。

为满足4 h追水90 m(包括补给量共计抽水6 800 m3)的要求,管路布置按照正常3 000 m3/h的排量设计。

1)每循环推移抽水台车、动力电缆、箱变、清除抽水台车前方障碍物等准备工作需要30 min,列车行走需要30 min。

2)抽水台车就位后立即接通6根软管开始抽水,每两根软管平行作业连接,达到6个水泵全部启动需要30 min。

3)从第1台水泵开机抽水至所有水泵停机,累计每循环抽水时间170 min,额定排量为:1 000×10/60+2 000×10/60+3 000×130/60+2 000×20/60=7 667 m3。

4)抽水台车就位后,将箱变后方的高压电缆挂在隧道边墙上需要20 min。然后将运输水管的平板车推移至抽水台车后方开始接水管,在所有水泵停机之前,将下一循环抽水需要的6根水管全部接到位,需要在160 min内完成。

3.2 洞内抽水管路布置

因隧道作业面狭窄,轨道线路右侧可供接水管的作业面宽度只有1.4 m,左侧作业面宽度2.1 m,设计在隧道左侧布置4路PE水管,右侧布置2路PE水管。抽水时间段内,运输和接水管数量为6×97.5=585 m,共78根。全部6根97.5 m在前方连接成长管,待水泵全部停机抽水列车前移后两端连接抽水。

隧道内管路布置如图2所示。

为保证接水管有足够的工作面空间,隧道两侧各布置1路水管在边墙上。

4 结语

4.1 常规抽水与列车追排水综合分析比较

常规抽水与列车追排水综合分析比较见表1。

4.2 抽水列车追排水技术

1)由于隧道作业环境限制,当反坡隧道遭遇岩溶突水被淹没时,采取抽水列车追排水技术可以极大加快抽水进度,减少作业人员劳动强度,特别是存在大涌水量时(马鹿箐隧道抽水列车排量可达4 000 m3/h),可以实现强排水抢险,排干洞内积水;

2)在有突水风险的隧道中作业时,采用抽水列车追排水能够尽量减少施工人员在水中作业的时间,有突水征兆时能够快速撤离,确保人员、设备财产不受损失;

3)马鹿箐隧道出口反坡排水创造性的使用ϕ250PE塑料排水管,排水管抗压能力达0.6 MPa,满足了抽水、抽淤要求。由于管道轻便且采取快速接头方式,极大的减轻了施工人员劳动强度,加快了抢险进度。

摘要：通过对长大隧道反坡追踪排水施工技术分析、研究,提出了长距离反坡追踪排水特点及难点,经过工程实践,采取了有针对性的措施,长距离反坡追踪排水达到了预期的效果。

关键词：隧道,长距离,反坡,排水技术

参考文献

长距离隧道 第4篇

1砼浇筑难点及对策

无碴道床施工工期紧, 要求在45天内完成2 919m双线盾构隧道无碴道床施工, 盾构隧道内施工场地狭小, 施工材料存放较多, 严重影响砼的运输, 砼供给和浇筑速度直接决定道床施工效率, 另外在砼运输及浇筑施工中很容易受到各种客观因素影响, 如何妥善处理前后工序的施工干扰, 保证砼浇筑施工连续性是本工程施工一大难点。

整个盾构隧道总长2 919m, 除了在两端车站有8m×8m预留口外, 只有一个距离云山西路站885m电力竖井预留口可用于物料供给, 剩下一段2 034m长距离盾构隧道砼运输是本工程施工一大难点。

每个预留井口地面距离隧道底面有40m深, 砼如何输送至隧道底部, 在长距离运送过程中如何防止砼凝固或污染, 保证砼的流动性, 更是施工控制的难点。

无碴道床施工面采用单进口全断面施工, 即采用双线同时施工, 减少了单线施工砼运输、浇筑施工时间及各工序间的干扰;在浇筑砼过程中, 采用有效的防护措施防止砼污染轨枕, 同时加强砼作业人员的教育, 进行成品保护。

2道床砼浇筑施工

2.1砼浇筑前现场准备

清理浇筑面上的杂物, 在浇筑前6h内需喷水湿润地面及轨枕底部, 浇筑前用防护罩覆盖轨枕、扣件和钢轨;浇筑所需的电力线路、供水设施及各种施工机械、运输罐车、龙门起重机、振捣棒等做全面检查, 保证浇筑过程中均能正常运转。

检查和确认工具轨复测结果, 浇筑砼前, 如果轨道精调时间间隔过长 (超过12h) 或隧道内环境温度变化超过15℃, 或受到外部条件影响, 必须对道床轨道重新精调, 确保轨道数据与设计值一致。

2.2砼浇筑技术准备

1) 根据设计图纸及相关施工规范、标准编制施工技术交底。

2) 根据技术交底资料、设计图纸等对施工人员进行全面培训。由于该双块式无碴道床无论在结构上还是在施工方法上都与以往的整体道床有着很大的区别, 尤其是砼浇筑施工法。因此, 必须在正式施工前有组织的对参加现场施工的技术骨干和施工人员进行培训, 使所有参加施工的人员都能掌握整体道床的结构特点、砼施工工艺流程及施工质量控制要点, 确保施工的质量。

3) 对拆、立模型、砼施工和养护、粗调、精调等重难点工序, 制定切实可行的技术措施。

4) 调查水泥、砂石料、掺和料 (粉煤灰、矿粉) 、外加剂、钢材、机械设备等。做好水泥、砂石料、掺和料 (粉煤灰、矿粉) 、外加剂的取样送检和试验检验工作, 做好各种配合比设计, 并将试验结果报监理工程师审核认可。

2.3砼运输及浇筑

2.3.1砼垂直运输

砼由搅拌站运输到地面施工现场后, 试验员检测每车砼的坍落度、含气量及入模温度等指标, 然后通过井口架设滑槽、∅200镀锌管拼接一起的垂直竖管、竖管底部制作一个倾斜的厚铁箱缓冲垂直滑下来的砼冲击, 特制的成套砼垂直输送管路, 将砼从地面输送至隧道内的砼搅拌车中。

2.3.2砼水平运输

盾构隧道无碴道床C40砼采用每个工作面上配置1台8m3砼搅拌车, 以满载后倒车进入隧道施工面的方式, 将砼由预留洞口隧道底部运输至隧道内的施工面, 在整个运输过程中保持搅拌车搅拌罐的旋转搅拌, 维持砼良好的流动性;工作面上利用隧道特制龙门起重机, 通过定制的2m3料斗进行二次短距离转运。

8m3砼搅拌车整车重约16t, 吊装前选择有搅拌车吊装经验的吊装单位进行操作, 并依据起吊距离选择相应汽车起重机进行吊装, 吊装前, 核定吊装井的净空预留尺寸是否满足8m3搅拌车的吊装, 汽车起重机检验合格证、性能指标是否达标、汽车起重机操作人员是否持证上岗等, 并在起吊前做好吊装安全交底。由于搅拌车下井后, 受隧道空间影响, 检修维护困难, 因而在下井前做好故障排查, 尤其是对发动机的检查保养、照明刹车系统、搅拌罐支承滚动轴承、各传动转动件润滑、轮胎等进行重点细致检修, 还应对搅拌罐内已结罐的砼块清理干净。

2.3.3砼现场浇筑

满载的隧道搅拌车将砼运到隧道施工面时, 试验员作浇筑前最终检测, 检测每车砼的坍落度、含气量及入模温度等指标是否达标, 浇筑时, 为确保砼道床板浇筑不产生超限的温度裂缝, 浇筑砼期间应全天监测隧道内环境温度 (温度计) 、轨道温度 (红外线测温计) , 绘制相应的温度曲线, 然后确定砼浇筑最佳时间段, 保证砼浇筑能在气温变化影响范围较小的时间段下进行, 并将砼入模温度控制在5~30℃之间。

无碴道床砼浇筑通过隧道特制龙门起重机完成, 结合2个2m3料斗一起使用, 料斗直接放在搅拌车卸料口处, 装满后直接用特制龙门起重机电动葫芦提起, 提升后料斗底部稍高于道床工装螺栓, 直接将料斗运送到道床浇筑面上, 浇筑时需在2个轨枕间、道床中部空隙处缓慢打开料斗底部开关进行浇筑, 让砼从道床中部向两侧填充。当砼量略高于设计标高后, 前移到下一格进行浇筑, 砼浇筑施工如图1所示。

2.3.4砼修面及养护

表层砼振捣完成后, 及时修整、抹平砼裸露面。砼振捣完成后进行抹面, 首先用刮平器靠在轨面人工拖动刮平砼面 (3人) , 然后人工进行收抹。要求收抹不少于3遍, 第一遍 (一般0.5h内) 用木抹粗抹找平 (3人) , 第二遍 (一般1h左右) 用钢抹收平 (3人) , 第三遍在初凝前用钢抹压光。靠近纵向模板的砼顶面与模板顶面收平。为防止砼表面失水产生细小裂纹, 道床抹面时禁止洒水润面, 避免表层砼起皮。抹面过程中要注意加强对框架、钢轨下方、轨枕四周等隐蔽部位的施工。抹面完成后, 须马上对钢轨、支撑杆、轨枕和扣件等表面附着的砼进行清理, 防止污染。整个道床板砼养护时, 采用砼表面覆盖土工布进行保湿保温, 养护时间必须大于7天, 避免表面产生细小裂纹;砼浇筑4h后人工对工具轨托盘螺杆扭松1/4~1/2圈, 并松开横向模板的固定装置, 所有轨枕上的扣件全部松开, 释放轨道在施工过程中由温度等产生的应力变形。操作时须尽一切可能减少对工具轨产生扰动。砼表面必须密实, 平整, 颜色匀称, 避免有露筋, 蜂窝, 孔洞, 疏松, 麻面和缺棱掉角等不良缺陷。

在整个砼浇筑过程中, 施工管理人员如质量检查人员、技术员、技术主管等要全过程跟踪管理, 同时安排1名电工、1名机修工、2名模板工长驻施工现场, 消除砼浇筑施工中出现的问题。参与砼浇筑施工的人员均配备对讲机, 保证隧道内外通讯顺畅, 并制定砼浇筑施工相应的应急预案。如:施工过程中突然停电, 机械故障, 交通阻塞安全事故等紧急情况出现时, 必须有相应的处理措施, 防止砼浇筑过程中中断或受影响。砼终凝后, 适时再次进行轨道数据采集, 检查轨道各项数据是否满足要求, 发现问题及时处理。模板拆除时不能碰伤砼表面。

3结语

无碴道床砼浇筑是整个道床施工关键步骤, 结合最匹配的机械设备进行浇筑, 可以有效保障施工进度和施工质量。本项目工程在长距离大直径盾构隧道内采用砼搅拌车、特制隧道龙门吊、特制料斗等最佳的机械设备组合, 既保证了道床施工按时完成、良好的施工质量, 又取得较好经济效益, 为日后类似工程施工提供较成功的例子。

参考文献

[1]TB 10754-2010, 高速铁路轨道工程施工质量验收标准[S].

[2]况军.浅谈隧道内双块式无砟轨道施工施工工艺[J].城市建设理论研究, 2014, (7) :2646.

[3]尚攀.机械化连续施工混凝土衬砌防裂方法研究[D].河海大学, 2007.

长距离隧道 第5篇

一般而言,把直径超过10 m的盾构机称为大直径盾构机;单台盾构1次不间断掘进长度超过2 km时,称为长距离掘进施工。大直径长距离过江隧道的施工,面临着比地铁施工更为严峻的问题:首先埋深较深,水压力大,一般达到650 kPa或更高;其次在水下推进过程中基本不具备维修、更换尾刷的条件,即使进行维修,也存在着巨大的风险和高昂的成本。所以,大直径长距离过江隧道盾构施工中,盾尾泄漏的预防工作,是重中之重。

南京长江隧道采用2台直径14.93 m的泥水平衡盾构进行施工,自工程开始,盾尾密封的防护就一直是施工方高度重视的课题,结合广州地铁等地的施工经验,分析了盾尾泄漏的可能原因,并有针对性地制定了可行应对措施,有效地保护了盾尾密封,截至目前,隧道已经推进接近4 000 m,没有发生盾尾泄漏的情况。

2 盾尾泄漏的原因分析

造成盾构机盾尾密封发生泄漏的原因有多种,在小直径盾构施工中,管片错台是造成盾尾泄漏的因素之一;但在南京长江隧道大直径盾构施工中,管片拼装精度很高,不易发生变形,实际施工中管片错台量能控制在5 mm以内,因此长江隧道施工中,由于错台而引起盾构管片渗漏的可能性不大,不作为一个影响因素列出。

2.1 盾尾刷安装方式不科学

盾尾刷是由宽20 cm的很多小块尾刷连接而成(见图1),一般在盾构机组装完之后现场安装,很多工地在安装时忽略了安装时尾刷背部弹簧钢板的搭接顺序,导致尾刷上的钢板没有形成彼此的保护,而是杂乱无序,使其整体耐压能力大打折扣。

2.2 始发时油脂涂抹不到位

负环管片拼装之前,应当对密封刷进行手工涂抹盾尾密封油脂的工作,以使油脂尽可能均匀地填充在尾刷的内部,起到耐压作用。如果油脂涂抹不均匀或者不到位,该处的钢丝刷内会形成空腔,成为整个盾尾密封的薄弱点,从而极易被击穿。

2.3 盾构姿态不理想

如图2所示,盾尾密封刷被管片压伏在盾壳上,掘进时,弹簧钢板和钢丝刷紧贴着管片拖拉滑动,在理想的盾构机姿态下,管片与盾壳之间的间隙为65 mm,称之为盾尾间隙。地铁盾构的盾尾间隙一般在80~90 mm。

(1)当盾构机姿态向隧道轴线某一侧偏离时,该侧的盾尾间隙增大,例如,盾构姿态偏向隧道轴线下方30 mm,下部盾尾间隙就会增大至95 mm,上部盾尾间隙就会相应的减小至35 mm。盾尾间隙增大的一侧,密封刷与管片之间易形成间隙,容易被盾尾外部的泥水或砂浆击穿,导致泄漏;如果长时间在这种姿态下推进,盾尾间隙减少的一侧密封刷的磨损会急剧加大,一段时间后更易被击穿。

(2)盾构姿态纠偏过急,导致盾尾轴线与管片轴线形成一定的夹角(大直径盾构没有盾尾铰接装置),管片前沿会严重地拉擦盾尾密封刷,最严重的情况会导致下一环管片拼装时与盾尾壳的间距变为零而无法拼装。

2.4 管片外环面不平整

管片浇筑时,为了保证内环面的高精度,采用内环面向下的生产工艺,内环面的精度取决于钢模的精度。但是外环面的精度受生产时外环面盖板的安装精度、混凝土抹面工的打磨技术等影响,精度较低[1]。并且,在吊运、存放的过程中,外环面容易受到损坏,再次修复的精度全凭工人技艺,很难保证。实际施工中,曾发现过外环面误差超过10 mm的管片。

外环面的不平整,首先会使盾尾密封刷在管片的不平整处与管片产生间隙,易导致盾尾泄漏;其次,较大的凹凸不平,会加快盾尾密封刷的磨损速度。

2.5 管片外环面纵缝的间隙

如图3所示,管片拼装完毕后,外环面2块管片的连接处存在一个8 mm的缝隙,理论上,该间隙会被盾尾密封油脂填充,但实际上,当推进1环至1 m行程时,4道盾尾密封刷全部被这一环管片覆盖,该间隙形成一个联通盾尾内部与外部的通道,随着埋深的逐渐增大,填充其中的油脂会无法承受逐渐增大的泥水或砂浆压力,被击穿为一个泄漏通路。

2.6 同步注浆管理失控

(1)在同步注浆的管理上,较为常见的问题就是注浆压力过高,砂浆直接击穿盾尾。

(2)砂浆的饱满和均匀其实是对盾尾密封刷的第1道保护,在泥水盾构中尤其突出。整个盾构机的盾体从前至后是一个倒楔形,因此掘进过程中开挖仓和盾尾其实是相通的,盾尾密封刷外面就是泥浆,泥浆的渗透性要比砂浆强很多,如果盾尾密封刷直接面对泥浆,几乎可以肯定每一环的管片外环面纵缝处都会发生泄漏。而饱满均匀的砂浆会在盾尾处形成一个隔离层,隔开泥水和盾尾密封,渗透性差的砂浆成为盾尾密封的第1道保护。

2.7 盾尾密封油脂注入管理失控

(1)盾构机推进过程中,盾尾刷之间的密封腔中的油脂会附着在管片上不断消耗,因此在推进的过程中要不断地注入油脂。每台盾构机每推进1环,其消耗的油脂量是一定的,那么每环的油脂注入量应该是大致相等的。如果缺乏管理,油脂注入不均匀,甚至长时间不注油脂,盾尾密封的耐压能力将急剧下降直至被击穿。

(2)盾构机因为设备维修等原因有时需要停机一段时间,这段时间内,有可能会忽略对盾尾油脂注入的管理。在停机时,由于压力差的原因,盾尾密封腔内的油脂会不断地向外部砂浆和盾尾内部缓慢渗透,时间长的话,密封腔内的压力会降得非常低,此时盾尾特别容易在外界砂浆不够饱满处被击穿。

2.8 长距离掘进的正常磨损

在长达2 km以上的推进过程中,即便将预防措施做到最好,盾尾密封刷的磨损也在所难免。钢丝会逐渐磨断或脱落,内外层的保护弹簧钢板也会逐渐有一部分脱落,盾尾的密封性会逐步降低。

3 预防措施

针对以上分析的盾尾泄漏的原因,提出了有针对性的预防措施。

3.1 正确的安装盾尾密封刷

正确的安装盾尾密封刷,这是所有工作的前提。每块尾刷后部的弹簧钢板应该在安装时沿顺时针或逆时针(注意只能是一个方向)一块压住一块,形成一个封闭的搭接环,正确安装后的效果如图4所示:

3.2 始发前正确地涂抹油脂

制作若干细长的钢板或竹片,用他们分开盾尾密封刷的钢板与钢丝、中间钢丝网与钢丝,把尾刷人工涂抹进去,并在整道尾刷的根部涂抹尽可能多的油脂,如图5所示,涂抹之后的效果如图6所示。

3.3 保持良好的盾构机姿态

(1)推进过程中尽可能使盾构机姿态靠近隧道轴线,操作手要不断根据测量系统的反馈调整盾构机的姿态。

(2)根据盾构机的姿态和盾尾间隙的实际测量值,选择合适的管片类型,减小盾尾间隙的不均匀性。

(3)如果盾构机姿态已经过差,要采取纠偏措施,但纠偏不能过急,每环纠偏3~5 mm即可。注意,采取纠偏措施后,并不一定当环见效,有可能偏差继续增加,这是因为偏移的趋势还存在,偏差还没有达到峰值,此时确保偏差增加的速度减小就可以了。

3.4 加强管片质量监测

要求管片场在生产过程中严格控制外环面的平整度;减少在吊运过程中的损坏;如确有损坏需要修补,一定要确保达到质量要求。

3.5 增加外环面纵缝密封条

为了消除外环面纵缝的通道,增加了1道纵缝密封条,如图7所示。

3.6 保持盾尾同步注浆饱满

如前述,注浆量参考理论注浆量进行控制,同时控制注浆压力:

(1)根据理论注浆量和推进的行程,对比实际注浆量,防止注浆过多;其次,密切关注注浆管道的压力反馈值,注浆压力不应超过该处外部泥水压力过多,不可超过盾尾密封油脂的压力。

(2)个别环即使注浆量超出理论量很多,但是注浆压力很低,则根据压力控制,只要压力不超盾尾耐压,可以多注。

3.7 监控油脂注入参数

每环推进之后会复核油脂的消耗量,这样已经将油脂泵故障所造成的风险降到了最低。但是,鉴于埋深较深,水压较大,推进过程中及停机状态时油脂的流失等等,有可能会有局部盾尾油脂压力下降到接近于甚至小于水压的状态。操作手应当不定时检查所有的压力传感器显示值,发现有压力偏低时,应当进行补注。

3.8 定期手动补注油脂

为了将各种风险降到最低限度,实际上采取了每班手动补充一次盾尾油脂的做法,补充时,宜在停机状态进行,将所有油脂管全部打开,补注5~10 min,或补注至第3道尾刷压力达到高出水压力100~200 k Pa。

3.9 严密关注盾尾实际的密封情况

随着埋深的增加,掘进距离的增加,尾刷磨损的增加,对盾尾密封情况的监测也要更加频繁,每环推进过程中都安排专人观察盾尾有无渗漏水的情况,一般而言,少许清水的渗漏是正常现象,但是一旦出现,该处的油脂就需要立即多注。并且,随着距离的增加,可以适当调高每环油脂消耗量。

4 应急措施

在万一发生泄漏的情况下,应当采取如下应急措施:

(1)确定是否停止推进。如果是由于砂浆过多,压力过高导致盾尾泄漏,必须持续掘进以开挖更多空间,降低砂浆压力。如果由于砂浆不足导致泄漏,在砂浆没有大量泄漏,只有泥水泄露的状况下,也必须持续掘进,同时同步注浆,补注油脂,以利砂浆和油脂填补空腔;如果砂浆已经开始泄露,则可以停机补注油脂,直至砂浆停止泄露。

(2)分清泄漏状态。发生盾尾泄露时,及时查看注浆压力和注浆量,对照理论值;查看泄漏出来的物料的组成,结合第(1)点综合分析泄漏是由于砂浆注入过多所导致的还是由于砂浆注入不足所导致的,然后有针对性地处理。

(3)确定是否停止注浆。如果能够确定是砂浆注入过多导致泄漏,在维持推进的同时,应当暂时停止注浆,以减少外界的压力;如果确定是砂浆注入过少导致泄漏,如果泄露较小并是较稀的泥水,则维持推进,并应当持续进行同步注浆,同时要严密监控注浆压力,一般这种情况下,注浆压力会偏小,为了防止矫枉过正,注浆压力应限制在当前掌子面压力以下,如果泄露较大且为砂浆,须停机补注油脂,停止注浆。

(4)加大油脂注入量。不论是何种泄漏原因,油脂注入量都必须加大,虽然可以选择局部加大油脂注入,但是,为了降低风险,最好选择全部油脂管都打开补注。

(5)后续观察和补充盾尾油脂。任何一环发生泄漏后,后续几环要有意识地加大盾尾油脂的注入量。

(6)盾尾排水。在采取以上所有措施的同时,立即通知相关部门,安排专人负责盾尾排水。

5 结语

事实证明,通过事先分析所有可能造成泄漏的原因,提前制定全面的切实有效的应对措施,施工中管理到位,是可以避免盾尾泄漏的发生的。重点应当放在全面分析、全面预防上,不可有遗漏的风险点。同样的做法,也适合于更易控制和管理的地铁小直径盾构。

摘要：结合南京长江隧道盾构施工工程,分析了盾构施工中导致盾尾泄漏的各种原因,并提出了有针对性的预防措施及应急预案,确保了南京长江隧道盾构施工安全实施。

关键词：过江隧道,盾构施工,盾尾泄漏,原因分析,预防措施

参考文献

[1]潘国庆.隧道施工中盾构盾尾密封渗漏风险源分析[J].中国市政工程,2008,(5):59-60.

[2]刘玮,马升雁.泥水平衡盾构机渗漏原因分析及预防措施[J].2006,(4):61-62.

长距离隧道 第6篇

地铁隧道断面的变化检测可以通过采用测量机器人或扫描仪获得相对密集的隧道断面数据,拟合自由曲线进行分析比较。为准确度量断面曲线的整体变化信息,需要确定拟合的各期断面曲线之间的距离。几何图形间的距离度量方式有多种［1］,其中Hausdorff距离是一种非常直接的度量方式,被广泛用于图像匹配和模式识别领域。但是Hausdorff距离在度量振荡曲线之间的距离时,由于没有考虑曲线走势影响,计算的距离不能准确反映曲线之间的关系,具有局限性［2］。地铁隧道断面曲线主要为较为光滑的曲线,采用B样条曲线拟合隧道断面,避开了Hausdorff距离的应用缺陷。因此本文选用Hausdorff距离作为地铁隧道断面变化检测中的距离度量,首先对各期隧道断面扫描数据进行B样条曲线拟合,然后计算不同期断面曲线之间的Hausdorff距离以定义隧道断面形状变化。

1隧道断面B样条曲线拟合

样条曲线是用来描述自由曲线的常用手段,其中B样条曲线具有局部支承、连续阶数可调等特性,能够准确描述隧道断面的局部形状信息。同时采用B样条曲线拟合的光滑曲线可以避开Hausdorff距离的应用缺陷。因此本文选择B样条曲线拟合隧道断面信息。B样条曲线的参数方程定义为［3］:

其中,di为B样条曲线的控制顶点坐标向量,n为控制顶点个数,Ni，k( t) 为k次B样条曲线的基函数。

B样条曲线拟合是由m个已知点列{Qi}mi=1拟合一条k次非均匀B样条曲线C(t),使式E=Σmi=1wi‖C(ui)-Qi‖2达到最小,其中(wi≥0,i=1,2…m)为权系数。待求参数包括控制顶点、节点矢量以及各已知点的参数值。基本步骤包括参数化、节点矢量的确定以及最优化拟合三个步骤。本文通过累积弦长参数化计算已知数据点的初始参数值,采用文献[4]提出的基于主点的节点矢量确定方法,以曲率和弧长两个指标作为依据选择主点,并计算出节点矢量。预先计算数据点的参数值以及节点矢量,即可建立误差方程组,求解出未知控制顶点初始值。依据文献[5]提出的最优化目标函数,以m-2个参数值和n-2个控制点作为变量(所求B样条曲线严格通过首末两端点),采用LM算法[6]求解非线性最优化问题获得一步拟合结果。逐点计算各已知数据点到拟合曲线的偏差以及相应的拟合中误差。如果各点偏差和拟合中误差均小于给定的阈值,将当前拟合结果作为最终结果。否则在偏离最大点所在的节点区间增加主点,重新进行节点矢量的确定以及最优化拟合,新增主点选择方法详见文献[4]。值得注意的是,主点数目即控制顶点数目的增加可以提高曲线的拟合精度,然而当主点数目接近已知数据点数时拟合曲线容易形成振荡。在隧道断面曲线拟合时,需在保证曲线不产生多余振荡的前提下控制拟合精度。

2曲线间的Hausdorff距离

给定两条曲线C1和C2,它们之间的Hausdorff距离定义为:

其中,为曲线C1到C2的单向Hausdorff距离。对于有限点集可以直接根据定义计算Hausdorff距离［7，8］。然而对于包含无限数目点的曲线之间的Hausdorff距离,则无法直接根据定义来计算。Scharf［9，10］根据曲线的连续性推导出自由曲线上产生Hausdorff距离的四类候选点以及相应的解算方程,能够精确地计算自由曲线之间的Hausdorff距离,该距离由两个单向Hausdorff距离决定,因此只需考虑单向Hausdorff距离的计算方法。产生Hausdorff距离的四类候选点,即曲线C1到C2的单向Hausdorff距离可能产生在曲线C1的端点、自平分线交点、极值点以及共线法向点上。图1中实线所示的为曲线C1到虚线所示的曲线C2的Hausdorff距离可能产生的四类位置,带箭头的粗线标明了C1到C2的单向Hausdorff距离的位置。

图1(a)中,C1到C2的距离产生在C1的端点处。假设两条曲线分别为C1(t)和C2(s),其中t∈[0,1],s∈[0,1]。对于C1的端点C1(0)和C1(1),它们到C2的最近点是其到C2的极值点或者C2的端点。端点C1(0)到C2的极值点可由式(3)求解得到,式(3)的含义为C1(0)与极值点的连线垂直于C2在极值点处的切线。如果存在多个极值点,需依次计算端点到各极值点的距离,取最小距离作为Hausdorff距离的候选。

图1(b)中,C1到C2的距离产生在C1与C2的自平分线的交点处。曲线C2的自平分线为在C2上有两个或两个以上的距离相等的极值点的点集,该点集与C1的交点可由式(4)求解,求解过程中需满足约束条件s≠r。只有当式(4)所求的极值点为交点到曲线C1的最近点,它们之间的距离才能作为Hausdorff距离的候选。

图1(c)中,C1到C2的距离产生在C2的端点到C1的极值点。端点C2(0)到C1的极值点可由与式(3)类似的式(5)求解得到。

图1 ( d) 中,C1到C2的距离产生在C1与C2的共线法向点处。C1与C2的共线法向点的连线分别垂直于两条曲线在共线法向点处的切线,共线法向点的具体值可以由式( 6) 求解得到。

曲线C1到C2的Hausdorff距离可以通过计算上述四类位置的候选距离,取候选集中的最大值。对于C1、C2为B样条曲线的情况,文献[11] 中给出了上述方程中的样条曲线相乘的具体算法。

3隧道断面变化分析实例

某地铁运行区间,其矿山法隧道侧墙发生外鼓剥裂,严重影响了地铁隧道结构安全和行车安全。 为及时、准确地掌握该地段隧道断面结构的变形情况,监测单位对病害断面以及附近的参考断面进行了断面扫描。图2为断面扫描的原始数据,其中圆点为维修前的病害断面部分断面扫描点,十字点为维修后的病害断面部分断面扫描点,实心点为参考断面相同位置部分断面扫描点。

采用第一节所述B样条曲线拟合方法对扫描数据点进行断面曲线拟合,结果如图3所示。其中维修前的病害断面曲线拟合中误差为5. 7mm,偏离最大距离为15. 8mm。维修后的病害断面以及参考断面较为光滑,拟合精度较高。维修后病害断面曲线拟合中误差为2. 4mm,偏离最大距离为5. 7mm,参考断面曲线拟合中误差为1. 1mm,偏离最大距离为2. 8mm。

维修前的病害断面扫描数据点数为40,以局部曲率和弧长为依据选取出来的主点数为11个。对偏离最大点区间新增主点重新计算拟合曲线,当主点数增加到16个时,依据偏离最大点11号点新增主点重新拟合的曲线发生多余的振荡。图4、5分别为增加新主点前后的拟合曲线对比图以及多余振荡的细节对比图。图4中为方便对比,新增主点后的拟合曲线整体向X轴正方向移动了1m,圆点为扫描数据点,实心点为选定的主点。细节对比图可以看到在局部主点数接近扫描点数时,新增控制顶点反而使拟合曲线产生了多余的振荡,造成了曲线的扭曲变形,因此病害断面拟合曲线的控制顶点数最终确定为16。

在维修前,计算病害断面曲线与参考断面曲线的Hausdorff距离,分析断面变形情况,可以获取病害的详细信息,指导断面维修工作。计算得维修前病害断面与参考断面的Hausdorff距离为0. 273m。图6为参考断面与病害断面曲线之间的Hausdorff距离,图中粗线所示为Hausdorff距离所在的位置。图7 ~ 图9依次为参考断面到病害断面曲线的Hausdorff距离的四类候选点处的距离,最后取候选距离中的最大值为单向Hausdorff距离值。在维修后,计算扫描的病害断面曲线与参考断面的Hausdorff距离为0. 086m。对于矿山法隧道,修复后的断面可以满足使用要求。

4结语

本文介绍了Hausdorff距离的定义以及自由曲线之间Hausdorff距离的计算方法,并将其应用于地铁隧道断面的变化检测中。以某地铁矿山法隧道侧墙发生外鼓剥裂的断面为例,对修复前后的隧道断面以及邻近的参考断面进行扫描,通过B样条曲线拟合扫描数据,并计算各拟合曲线之间的Hausdorff距离,为隧道维修和使用提供依据。

摘要：本文采用B样条曲线拟合地铁隧道断面,并选用自由曲线之间的Hausdorff距离作为度量,定义隧道断面的形状变化。介绍了隧道断面的B样条曲线拟合算法,自由曲线之间Hausdorff距离的计算方法。最后以某地铁区间隧道断面受损及修复后的扫描数据为例,采用B样条曲线拟合,并计算其断面Hausdorff距离分析变化,为隧道维护和使用提供了依据。

长距离隧道 第7篇

就单体隧道而言, 隧道内的照度值随着隧道纵深的变化规律相似, 基本上似盆状曲线变化。从外界环境进入隧道, 照度会产生巨大的落差, 从进口段到过渡段, 隧道照度逐渐下降, 到隧道中间段时照度基本稳定, 随着隧道纵深的延伸, 越来越接近出口, 隧道内的照度又会逐渐变大, 如图1所示[1,2]。

连续隧道的照明环境与单体隧道的照明环境有着显著的不同。在白天, 洞内亮度较低, 隧道间由于受自然光的影响, 其亮度较高;而在夜间, 隧道内由于有人工照明, 而隧道间没有任何光线来源, 隧道间的亮度极低, 其亮度接近于零。因此, 驾车通过连续隧道时, 白天要经历“暗-亮-暗”的亮度适应过程, 而夜间要经过“亮-暗-亮”的亮度适应过程[3,4], 如图2所示。

2 分析模型

2.1 连续隧道几何模型

某连续隧道右线距离为20 m, 左线间距离为32m, 洞口山体坡度较大, 基本上呈垂直状态。洞门所在坡面植被较少, 岩石裸露, 反射率较高, 如图3所示。

2.2 连续隧道所在区域天气情况

文中统计了连续隧道所在地从2011年1月至2016年3月期间的天气情况, 如表1所示。在此时间区间内, 晴天所占的比例仅为22%, 而其它天气合计占比为78%, 可以推断, 约五分之四的白天时间洞外亮度较低, 而仅有五分之一的时间洞外亮度较高。由于是连续隧道, 山体对自然光线有一定的遮挡, 连续隧道的洞外亮度会明显低于单体隧道的洞外亮度。因此从洞外亮度的角度来看, 因连续隧道的洞外亮度较低, 白天进入后续隧道时的黑洞效应没有单体隧道明显。

2.3 计算模型

隧道洞外亮度与天气情况、隧道洞口地理位置和朝向密切相关, 由于北半球一年中太阳辐射最强、太阳光线与地平面角度最大的一天为夏至日 (6月22日) , 其他日期的太阳光强强度均小于夏至日, 夏至日的洞外亮度对行车安全和舒适性最为不利, 因此在计算时以夏至日为计算日。连续隧道洞口基本呈南北朝向, 经度和纬度分别为27.72°和103.76°。根据连续隧道的地形图建立洞外山体模型, 同时设置合理的反射系数, 计算模型如图4所示。

在连续隧道自然光计算时, 采用《日光照明空间分布》 (CIE-110-1994) 定义的天空类型, 该标准将天空分为晴天、阴天、混合天空。

3 计算结果分析

由于为南北朝向及山体陡峭, 隧道洞口的光线主要来自山体岩石的反射, 因此总体亮度较低, 对行车的安全性和舒适性影响较小, 右幅洞口的最大亮度出现在11:30左右, 其亮度值为1 008 cd/m2, 而左幅洞口的亮度最大值为125 cd/m2。在通过连续隧道时, 由于隧道间的距离较小, 只有在隧道间才能看到前方隧道的洞门, 在隧道距离较小的情况下, 洞门在人的视野中占的比例较小, 因此当连续隧道的洞外亮度较小时, 黑洞效应不明显, 在驾车通过连续隧道时, 驾驶员对路面上障碍物的识认能力并没有明显的降低。

在昼间, 除太阳直射洞门的时间外, 隧道间路面的亮度较高, 而隧道洞外亮度L20的较低, 隧道间路面亮度是隧道洞外亮度L20的2倍左右。

驾车通过连续隧道时, 由于前后隧道的洞内亮度较低, 而隧道间路面的亮度较高, 驾驶员会经历“暗-亮-暗”的视觉适应过程, 产生明显的不舒适眩光, 有必要对隧道间路面的亮度进行控制, 缩小隧道内与隧道间路面的亮度差距[5]。

为了降低隧道间路面的亮度, 在隧道间路面上方布置减光棚, 如果采用封闭式的结构形式则会对隧道内的污染物扩散造成影响[6], 因此减光棚采用上方封闭, 下方镂空的形式, 镂空高度为3 m。当减光棚的透光率为30%时。增设减光棚后的隧道间路面亮度如表3所示和图6所示。

设置减光棚透光率为30%时, 在昼间大部分时段减光率大于50%, 隧道间左右幅路面一天中最大亮度为分别为1 175 cd/m2和519 cd/m2, 最小亮度分别为36 cd/m2和37 cd/m2, 对自然光线的遮挡启到了较好的效果, 缩小了隧道内与隧道间的路面亮度差距, 有效地提高了行车的安全性和舒适性。

4 结语

(1) 当连续隧道间的距离较小时, 隧道洞外亮度L20较小, 一般为单体隧道洞外亮度的1/3至1/2, 通过连续隧道时前方隧道洞门在人的视野中的占比较小, 因此连续隧道的“黑洞效应”不明显。

(2) 由于山体对自然光线的遮挡, 连续隧道的洞口亮度一般低于隧道间路面亮度, 当太阳光线不能直射洞门时, 路面亮度一般是洞口亮度的2倍左右。

(3) 当驾车通过连续隧道时, 由于隧道间路面的亮度较高, 前后隧道的洞内亮度较低, 会造成明显的不舒适眩光。

(4) 在连续隧道间设置遮光棚能够显著降低隧道间路面的亮度, 缩小前后隧道洞内亮度和隧道间路面亮度的差距, 减轻不舒适眩光的影响。

参考文献

[1]王少飞.公路隧道分类及公路隧道群概念探讨[J].公路隧道, 2009 (2) :10-14.

[2]JTG/T D70/2-01—2014, 公路隧道照明设计细则[S].北京:人民交通出版社, 2014.

[3]何川, 王明年, 方勇.公路隧道群及毗邻隧道智能通风照明与灾害救援联动控制技术研究[J].公路隧道, 2008 (3) :53-56.

[4]周娜.高速公路隧道群交通运行环境分析与评价研究[D].长安大学2010.

[5]韩星, 杨洁, 张翛.毗邻隧道上游污染物对下游影响的研究[J].地下空间与工程学报.2015 (3) :781-787.