1.1GPS在大桥控制测量中的应用
在建立大桥控制网时，采用桥梁轴线建立坐标系对所应用的GPS技术进行处理。在桥梁主轴线上，联测或假定一个控制点，并且以轴作为GPS控制网方位基准，由高精度测距仪测量主轴线两端控制点间长度确定网尺度基准。在主桥高程面上选择GPS桥梁控制网投影面。
1.2GPS在隧道控制测量中的应用
在布设GPS隧道控制网时，通常采用隧道工程坐标系。在布设隧道工程坐标系的过程中，其原点一般选择隧道洞口控制点，并且在方向上要求X轴指向与线路前进方向一致，同时通过正交的方式，使得Y轴与X轴构成右手系。在对GPS隧道控制网网点进行选择埋设时，需要考虑GPS测量对点位的要求，以及隧道施工的要求。
2GPS高程拟合精度评定指标
为了对GPS高程拟合精度进行客观的评论，需要对所有的GPS点进行水准联测，在全网上均匀分布起算点，选择其他点作为检核点。在内符合精度方面，根据参与拟合计算已知点高程异常与拟合出高程异常求拟合残差；在外符合精度方面，根据检核点高程异常与拟合出高程异常间差值，计算GPS高程拟合的外符合精度M；GPS水准精度评定，根据检核点与已知点距离L计算检核点拟合残差限值评定GPS拟合高程达到的精度。
3数据介绍隧道主要应用
GPS进行控制网布设进行高程传递。对于控制点来说，由于需要进行拟合处理，在这种情况下需要的数据比较少。以某一桥梁为例，采用20个公共点对三次样条模型和移动曲面进行拟合分析，根据需要数据前四位省略，在数据类别方面，根据GPS高程拟合原理，可以将其分为起算数据、检核数据。其中，起算数据中的点一方面包含大地高，另一方面包含正常高，同时以此为计算拟合模型中的参数。检核数据是已知大地高，高程异常通过应用拟合模型进行计算，进一步获得正常高。本文中将11个数据点作为起算数据，9个数据点作为检核数据，具体分配方案为起算数据13个，分别为1、3、5、6、7、9、11、14、16、18、20点，检核数据9个，分别为2、4、8、10、12、13、15、17、19。
4数据解算结果及分析
分别对三次样条拟合和移动曲面拟合两种模型根据分配好方案进行数据拟合，三次样条拟合法比移动曲面拟合法效果更好一些，两种方法得到拟合结果值与已知各点高程异常值关系。当多跨桥梁长度、隧道长度分别小于3000m、6000m时，通过移动曲面拟合法可以满足精度要求。对于三次样条曲线拟合，在应用过程中，需要注意X分量、Y分量对拟合结果产生的影响，在某些情况下，三次样条拟合出高程异常面会出现失真现象。对于多跨桥梁、隧道来说，当其长度分别超过3000m、6000m时，在这种情况下，通过移动曲面拟合法获取高程数据，在精度方面早已不能满足要求。对测区内一块宽1000m，长5000m区域采用三次样条拟合法和移动曲面拟合法进行高程异常拟合，通过对比分析两种拟合方法所得结果及拟合图形，同时结合三次样条和移动曲面拟合原理，可知三次样条拟合法存在一定的局限性，三次样条法拟合法与X分量或者Y分量密切相关，拟合结果受X分量、Y分量的影响，进而影响拟合结果的可靠性。
5结论
关键词：隧道工程静电除尘使用条件浓度指标
0引言
在交通事业发展迅猛的今天，公路隧道建设也得到了长足的发展。公路隧道通风设施的费用一般为工程造价的20％～30％，长大隧道甚至可达50％[1]，因此公路隧道的通风问题是十分值得关注的研究课题。
目前的隧道通风方式分为以下几种，如图1所示。
当交通流量不大，隧道长度比较短时，隧道采用自然通风即可满足要求。1924年，美国匹兹堡室自由隧道（长1800米）发生交通堵塞，洞内CO浓度增高，导致很多人中毒，从此，隧道的设计中开始采用机械通风系统。
美国纽约市的荷兰隧道，采用盾构法施工，圆形断面，所以车道下面作为送风道，上部作为排风道，气流从下往上横向流动。世界上首次采用全横向通风方式。
对于圆形断面的隧道，车道的上部、下部空间可以作为风道，而对于其他断面形式的隧道就没有这种便利了。1934年，英国人在修建莫尔西隧道（长3226米）时，对尽量减少管道断面的方式做了研究，首次采用半横向通风系统。取得了很好的效果。
全横向和半横向通风方式，需要隔离较大的隧道断面空间作为风道，需要大功率的轴流风机通过斜（竖）井排出洞内废气，因此需要花费较大的工程费用和营运费用。纵向通风方式浮出水面。
对于纵向通风的研究，日本人一直走在世界的前列。1976年，日本在修建关越隧道（长10855米），首次将纵向通风应用于10km以上的隧道。并对隧道通风编程模拟，模拟的结果表明静电除尘装置加送排式纵向通风系统可以应用在关越隧道上，并得出了不论交通方式、隧道长短如何，均可采用静电除尘装置加分段纵向通风的结论。
本文通过对柴油车和汽油车在不同坡度和速度情况下的CO和烟雾的排放的分析，得出静电除尘装置的基本使用条件的计算方法。
1静电除尘装置简介及其在隧道中的应用
静电除尘装置的使用场所大致分为两种类型，一是以改善隧道内视距为主要目的的隧道内设置型；一是以改善隧道口环境为主要目的的换气处设置型。本文讨论的是前者的以改善隧道内部空气品质为目的的静电除尘装置。
1.1静电除尘装置原理
如图2所示，在带负电的放电极周围的空气电离形成电离区（叫做电晕区），电晕区通常局限于放电极周围几毫米处。电离后，负离子向带正电的正极移动。含沉空气通过静电除尘装置时，获得负电荷，沉积在正极板（因此正极板也叫做集尘板）上，只有少量在电晕区通过（因为电晕区范围很小），沉积在负极板上。
1.2静电除尘装置的开发过程
静电除尘装置从第一号机的开发到现在，处理风速和除尘效率都在不断提高。
表1静电除尘装置发展过程第一代第二代第三代第四代
1978~19891986~19961996~现在1999~现在
空气洗净式静电除尘装置水洗净式静电除尘装置水洗净式静电除尘装置水洗净式静电除尘装置
处理风速7m/s处理风速7m/s处理风速9m/s处理风速9m/s
效率80%效率80%效率80%效率90%
2静电除尘装置的使用条件分析
当按照烟雾浓度指标计算得到的隧道通风需风量大于按照CO浓度指标计算得到的隧道通风需风量时，隧道满足了采用静电除尘装置的必要条件。此时，若在隧道中采用静电除尘装置，则可以降低隧道的需风量，从而降低了隧道通风量，从而达到了节能的目的。
2.1满足CO指标的隧道通风需风量计算方法
2.1.1CO排放量计算
（1）
式中：——隧道全长CO排风量，m3/s；——CO基准排风量，取为0.01m3/辆·km；——考虑CO的车况系数；——车密度系数；——考虑CO的海拔高度系数；——考虑CO的纵坡－车速系数；——考虑CO的车型系数；——车型类别数；——相应类型的设计交通量，辆/h。
2.1.2稀释CO的需风量计算
（2）
中：——隧道全长稀释CO的需风量，m3/s；——标准大气压，取为101.325kPa；——隧道选址设计大气压；——标准气温，取为273K；——隧道夏季设计气温，K。
2.2满足烟雾指标隧道通风需风量计算方法
2.2.1烟雾排放量计算
（3）
式中：——隧道全长烟雾排风量，m2/s；——烟雾基准排风量，取为2.5m2/辆·km；——考虑烟雾的车况系数；——考虑烟雾的纵坡－车速系数；——考虑烟雾的海拔高度系数，取为1.0；——考虑烟雾的车型系数；——柴油车的车型类别数；——相应车型的设计交通量，辆/h。
2.2.2稀释烟雾的需风量计算
（4）
式中：——隧道全长稀释烟雾的需风量，m3/s；——烟雾设计浓度，m-1。
2.3临界柴油车比例
临界柴油车比例是当按CO指标计算的需风量等于按烟雾指标计算的需风量时的柴油车比例。如果柴油车比例超过临界柴油车比例，则隧道就有可能需要使用静电除尘装置。
临界柴油车比例的计算方法为，利用公式（2）得出按CO指标计算的需风量，利用公式（4）得出按烟雾指标计算的需风量。令二者相等，得出临界柴油车比例的计算公式为：
（5）
式中：——临界柴油车比例；——烟雾设计浓度，m-1；——CO设计浓度，ppm；——CO基准排风量，取为0.01m3/辆·km；——烟雾基准排风量，取为2.5m2/辆·km；——考虑CO的纵坡－车速系数；——考虑烟雾的纵坡－车速系数。
表2纵向通风时不同行车速度、坡度下的临界柴油车比例（％）车速（km/h）坡度（％）
－4－3－2－101234
临界柴油车比例（％）8037.328.020.414.08.64.3－－－
7038.729.021.114.510.56.43.7－－
6040.030.021.816.012.08.35.5－－
5044.033.024.017.613.29.16.0－－
4048.036.026.220.616.913.19.96.5－
3042.732.025.621.317.817.814.511.08.0
2046.939.135.228.223.524.420.717.114.1
1051.242.738.430.725.621.318.114.912.3
2.4不同坡度组合情况下的临界柴油车比例
因为坡度的变化对隧道通风需风量的计算指标影响较大，故需研究不同坡度组合情况下的临界柴油车比例。隧道由两段组成，按照行车方向，第一段长度为，坡度为；第二段长度为，坡度为。根据公式（5），得到此隧道的临界柴油车比例为：
（6）
式中：——临界柴油车比例；——烟雾设计浓度，m-1；——CO设计浓度，ppm；——CO基准排风量，取为0.01m3/辆·km；——烟雾基准排风量，取为2.5m2/辆·km；——考虑CO的第一段的纵坡－车速系数；——考虑CO的第二段的纵坡－车速系数；——考虑烟雾的第一段的纵坡－车速系数；——考虑烟雾的第二段的纵坡－车速系数；——隧道第一段长度，m；——隧道第二段长度，m。
3结论
本文通过对于随着隧道坡度和柴油车比例变化下，隧道需风量的变化的分析，讨论了静电除尘装置的使用条件，即在一定坡度下，柴油车比例达到所谓临界柴油车比例时，才有使用静电除尘装置的需要，并且计算了不同坡度和车速下的临界柴油车比例的值。在此基础上，讨论了当隧道中有坡度变化时的情况下，临界柴油车比例的计算方法。
参考文献
[1]王永东.长大公路隧道纵向通风数值模拟研究.[D]西安：西安公路交通大学，2000.6
[2]公路隧道通风照明设计规范（JTJ026.1-1999）[S].北京：人民交通出版社，2000
[3]李德英.静电吸尘在公路隧道通风中的应用.[J]现代隧道技术，2002.1
由于地层地质的复杂性，大跨软岩隧道工程仍然面临着以下几个急需解决的关键问题:
1)对围岩变形的判断与控制。对于软岩隧道围岩变形的研究主要集中在三个方面:
a．从理论方面对变形机理进行研究;
b．选择合理的施工工法对围岩变形进行控制;
c．运用有限元或其他数值模拟的手段对围岩的变形量和变形趋势进行预测。从众多的学术论文和科研成果中不难发现，对于围岩变形的机理多是采用连续性介质理论进行分析，而实际工程中的围岩是非连续的，它是岩块和结构面在三维空间的一种非定向关系。尤其是对于地质状况比较复杂的软弱围岩，都是由多种物理成分组成的，且各物理成分的大小、多少及分布具有很大的随机性。但是，在实际的研究和应用中，例如采用数值模拟的方法对软岩隧道围岩变形进行分析时，又必须运用岩体的本构关系，这本身就是存在问题的，更不要说计算结果的准确性了。不论是理论分析还是数值模拟都没有办法对围岩的变形量进行准确的判断。这将引起另外一个问题，就是在采取控制变形措施时，通常采用的是依据相似工程经验制定施工方案，并没有针对不同的变形量采取相应的控制措施，因此变形控制措施也具有一定的盲目性。另外，隧道施工中变形可以达到1．0m甚至更大，软弱围岩变形本质上属于大变形问题，然而岩体力学中使用的弹塑性变形理论虽然对材料的非线性进行了考虑，但是严格意义上仍属小变形理论。
2)对合理支护时机的探讨。隧道二次衬砌施作时机始终是隧道界讨论的热点问题，二次衬砌的支护时机是保证二次衬砌长期稳定的关键。特别是对于软岩大变形隧道，如果二次衬砌施作过晚，则可能造成初期支护变形过大而无法控制，以致隧道失稳;但如果施作过早，则不利于地应力的释放和充分发挥围岩的自稳能力，从而使二衬受力过大而导致开裂，降低了隧道结构稳定性。因此，合理确定二次衬砌施作时机是保证隧道施工阶段和长期运营阶段安全性的关键。但是现阶段，对于隧道二次衬砌支护时机的研究仍然没有形成系统的体系。研究者多根据具体的工程背景选择不同的岩石弹塑性模型，采用的确定合理支护时机的判定方法也各有不同。对于二衬支护时机的影响因素的分析也多是针对单一影响因素，并没有综合考虑。
2大跨软岩隧道的发展与展望
为了满通建设的需要，将不可避免的遇到更多的软岩隧道工程。围岩大变形的控制问题仍然是未来软岩隧道工程需要解决的关键问题。从根本上讲要更深入的研究围岩的变形机理，找出适用于实际工程地质状况的围岩的本构关系。在施工的过程中，超前地质预报要贯穿整个隧道的开挖过程，监控测量要及时跟进。对于具有代表性的工程要完善施工工法，以便以后类似工程经验借鉴。隧道是地层围岩和支护结构共同组成的复杂受力体。支护是一个过程，一个好的支护方案要让这一过程与围岩变形过程相协调。考虑到软弱围岩的蠕变特性，围岩的自稳能力是与施加相关的，因此二次衬砌的支护需要一个合理的时机。反过来理解，如果要确定合理的二衬支护时机，首先要对围岩的蠕变特性和变形机理进行充分而深入地分析，只有在此基础上，才能选择适当的支护时机和支护形式以及确定合适的支护参数。由于目前的研究多针对二次衬砌的支护时机探讨，应该将整个支护过程统一起来，形成与不同围岩级别、不同断面尺寸、不同开挖方式、不同支护参数相对应的系统的支护方案，以及更完善的施工工法。
3结语
由于地层地质的复杂性，大跨软岩隧道工程仍然面临着以下几个急需解决的关键问题:
1)对围岩变形的判断与控制。
对于软岩隧道围岩变形的研究主要集中在三个方面:a．从理论方面对变形机理进行研究;b．选择合理的施工工法对围岩变形进行控制;c．运用有限元或其他数值模拟的手段对围岩的变形量和变形趋势进行预测。从众多的学术论文和科研成果中不难发现，对于围岩变形的机理多是采用连续性介质理论进行分析，而实际工程中的围岩是非连续的，它是岩块和结构面在三维空间的一种非定向关系。尤其是对于地质状况比较复杂的软弱围岩，都是由多种物理成分组成的，且各物理成分的大小、多少及分布具有很大的随机性。但是，在实际的研究和应用中，例如采用数值模拟的方法对软岩隧道围岩变形进行分析时，又必须运用岩体的本构关系，这本身就是存在问题的，更不要说计算结果的准确性了。不论是理论分析还是数值模拟都没有办法对围岩的变形量进行准确的判断。这将引起另外一个问题，就是在采取控制变形措施时，通常采用的是依据相似工程经验制定施工方案，并没有针对不同的变形量采取相应的控制措施，因此变形控制措施也具有一定的盲目性。另外，隧道施工中变形可以达到1．0m甚至更大，软弱围岩变形本质上属于大变形问题，然而岩体力学中使用的弹塑性变形理论虽然对材料的非线性进行了考虑，但是严格意义上仍属小变形理论。
2)对合理支护时机的探讨。
隧道二次衬砌施作时机始终是隧道界讨论的热点问题，二次衬砌的支护时机是保证二次衬砌长期稳定的关键。特别是对于软岩大变形隧道，如果二次衬砌施作过晚，则可能造成初期支护变形过大而无法控制，以致隧道失稳;但如果施作过早，则不利于地应力的释放和充分发挥围岩的自稳能力，从而使二衬受力过大而导致开裂，降低了隧道结构稳定性。因此，合理确定二次衬砌施作时机是保证隧道施工阶段和长期运营阶段安全性的关键。但是现阶段，对于隧道二次衬砌支护时机的研究仍然没有形成系统的体系。研究者多根据具体的工程背景选择不同的岩石弹塑性模型，采用的确定合理支护时机的判定方法也各有不同。对于二衬支护时机的影响因素的分析也多是针对单一影响因素，并没有综合考虑。
2软岩隧道的发展与展望
为了满通建设的需要，将不可避免的遇到更多的软岩隧道工程。围岩大变形的控制问题仍然是未来软岩隧道工程需要解决的关键问题。从根本上讲要更深入的研究围岩的变形机理，找出适用于实际工程地质状况的围岩的本构关系。在施工的过程中，超前地质预报要贯穿整个隧道的开挖过程，监控测量要及时跟进。对于具有代表性的工程要完善施工工法，以便以后类似工程经验借鉴。隧道是地层围岩和支护结构共同组成的复杂受力体。支护是一个过程，一个好的支护方案要让这一过程与围岩变形过程相协调。考虑到软弱围岩的蠕变特性，围岩的自稳能力是与施加相关的，因此二次衬砌的支护需要一个合理的时机。反过来理解，如果要确定合理的二衬支护时机，首先要对围岩的蠕变特性和变形机理进行充分而深入地分析，只有在此基础上，才能选择适当的支护时机和支护形式以及确定合适的支护参数。由于目前的研究多针对二次衬砌的支护时机探讨，应该将整个支护过程统一起来，形成与不同围岩级别、不同断面尺寸、不同开挖方式、不同支护参数相对应的系统的支护方案，以及更完善的施工工法。
3结语
关键词:地铁隧道水平冻结冻结壁地表变形数值模拟
冻结法由于具有高强、阻水、均匀、灵活、经济等特点,在日本及欧洲各国的城市地铁等市政工程中都有广泛应用。我国在北京、上海地铁施工中也采用过局部冻结技术,但地铁隧道的水平冻结施工在我国还没有先例。北京地铁大北窑车站区间隧道施工首次成功地采用了水平冻结技术,水平冻结长度40余米。工程地处交通枢纽,交通繁忙、建筑众多,隧道上覆多条地下市政管线。冻结施工伴有冻胀和融降现象,过量的冻胀量和融降量将使地下管线及地上的建筑物、道路等受到影响甚至破坏,因此,研究和预测城市地铁隧道水平冻结对地下管线、地表变形的影响规律十分必要。
1工程简介
北京地铁大北窑区间隧道局部水平冻结施工工程距大北窑车站东侧40m,位于建外大街与东三环的交叉处,有多条地下管线,隧道顶部有2m厚的粉细砂层,由于多条管线渗漏,致使粉细砂土饱和。隧道暗挖施工时出现流砂坍塌,为保障地面立交桥的安全畅通,隔断门向西40m隧道采用局部水平冻结法施工。地质情况为:0～-115m为杂填土层,-115～-1015m为轻亚粘土层,-1015～-1215m为粉细砂层,-1215～-1815m为圆砾石层,隧道底部-1815～-2215m为轻亚粘土层。
2FLAC软件及模型的建立
FLAC软件即连续介质快速拉格朗日分析软件,是目前世界上最优秀的岩土力学数值计算软件之一,在模拟支护体方面可提供梁、桩、锚杆、壳体等多种结构单元,非常适合于研究隧道开挖等岩土工程问题。
211施工隧道的数值分析模型
选取冻结法施工隧道的横断面作为开挖模拟的力学几何模型,以现场原型工程为研究对象。考虑问题的对称性,取一半建立模型,待开挖的隧道断面取半径为3m的圆形,上覆盖土层厚12m,隧道底板土层厚度分别取10m和23m,满足大于隧道开挖影响范围3～5倍的要求。力学模型尺寸为23m×28m,按平面应变问题求解,模型底部边界采用固定X、Y方向位移约束,左、右边界都采用固定X方向的位移约束条件。由于原型工程属于浅埋隧道,座落在其上方的东三环立交桥的桩基持力层在隧道底板埋深水平以下,故地表上方不需加载。212隧道分步开挖模型选取工程现场隧道纵断面作为隧道开挖模拟的力学几何模型,隧道纵向长40m,断面高112m,开挖步距2m,上覆土层厚12m,隧道底部范围土层深10m,平面40m×28m,网格划分为1120单元,按平面应变问题求解,模型底部边界采用固定X、Y方向位移约束,左右边界采用固定X方向约束。213模型的有关参数本模型采用摩尔—库仑准则参考有关资料确定模型材料参数如表1。
3隧道开挖过程数值计算结果处理
在修正模型中输入土体初始参数后,计算分析主应力、塑性区发展状况及拱顶和隧道上方地表的垂直位移过程,得到如下结论:
(1)作为施工隧道开挖中承受上覆地压的主要载体冻结壁的拱脚上出现应力集中,应力集中系数可达3～4之多。
(2)冻结壁拱脚冻土体可能会出现塑性屈服区,这正是现场隧道收敛测试中出现的两拱脚之间距离先减小后增大现象的根本原因。
(3)在隧道开挖造成土层损失引起地表下沉的过程中,由于抗压、抗弯强度等力学指标比周围土体大得多的冻结壁减缓了隧道中线及附近的地表下沉,从而减少了地表下沉量。
根据PECK原理作出如下地层地表沉降预测:
2
-x
S=Smax·exp
2i2式中Smax地表最大沉降量;
i沉降槽宽度系数;
x距隧道中心线距离。
取i=0141H(H为开挖深度),绘出按PECK公式计算的地面沉降曲线(见图1)。
图1地表沉降曲线图
比较表明,由模拟得到的地面沉降曲线与PECK公式的曲线相一致。从图1可知,隧道开挖后形成的地表沉降槽在垂直隧道轴线方向上的影响范围为隧道外侧约215倍洞径。将沉降槽近似看成三角形,沉降槽的平均倾斜率ΔT=SmaxΠW=0100075(W为沉降槽的半宽)。根据《建筑地基基础设计规范》(GBJ7—89)的规定,对于高度<60m的多高层建筑,基础的允许倾斜率≤01003,所以隧道水平冻结施工引起的正常地面沉降不会使地面建筑和混凝土路面遭到破坏。
改变冻结壁厚度(018m、112m、115m、118m)得到地表沉降与冻结壁关系曲线见图2。
图2地表沉降与冻结壁厚度的关系
从以上图形可得出如下结论:
(1)冻结壁的厚度参数是隧道水平冻结施工中的一个重要参数,冻结壁对控制地表沉降的作用很明显。地表沉降在冻结壁厚度S=112m时为12mm,S=018m时为16mm(增加60%),S=115m时为10mm(减少了20%)。
(2)对于原型工程,其他条件(开挖步距、台阶工作面长度及掘砌工艺等)不变时,冻结壁厚度可降为018m,此时地表沉降量为16mm,满足北京地铁施工地表沉降量最大允许值30mm的要求,取一倍安全系数,得到合理的冻结壁厚度为115m。
4隧道开挖施工动态数值模拟
采用虚拟支撑力法来模拟开挖断面的空间效应。在正台阶工作面长度为4m、开挖步距2m以及其他条件都与现场相同的情况下,在模拟程序中设置隧道的顺次开挖拱顶及地表监测点,拱顶处从点(i=4,j=17)开始,每隔2m设置一个测点,直至(i=12,j=17),前后共设5个测点;隧道中线垂直上方地表从点(i=1,j=29)开始,每隔2m设置一个测点,直至(i=33,j=29),前后共设17个测点。分析隧道中线垂直上方地表各点、拱顶各监测点的沉降数据得到如下结论:
(1)当掌子面开挖到与测点距离相差110～115倍洞径时,隧道开挖就对地表产生影响,造成一定范围的沉降。
(2)当开挖工作面推进到距离超过测点2～3倍洞径时,变形速率逐渐稳定下来,主要是地层的变形逐渐趋于平缓。
在开挖第5步时,改变开挖步距(L0=2m、3m、4m),得到拱顶测点(i=1,j=17)的位移沉降历史图(图3)。分析表明,在开挖步距L0=4m的情况下,检测点
注:菱形点、方点及三角点分别代表开挖步距为2、3、4m。
(i=1,j=17)地表下沉量约为L0=1m的117倍。在现有施工能力及组织水平的基础上,根据图示的数据比较,考虑选择开挖步距L0=3m是较为合理的。在开挖第5步时,改变台阶工作面长度(L=2m、3m、6m),得到地表测点(i=1,j=43)的沉降历史图(图4)。
注:菱形点、方点及三角点分别代表开挖步距为2、3、4m。分析表明,适当降低台阶工作面长度对地表沉陷及拱顶下沉量的影响不大,但增大台阶工作面长度却能明显地减少地表的沉陷值及隧道的收敛变形值。在北京复—八线采用水平冻结法施工时,台阶工作面的合理优化长度L=5m。
5结论
(1)通过基于原型工程的数值模拟可得到隧道水平冻结法开挖施工中应力场、位移场分布特征。
(2)通过数值计算得到的考虑地表沉降情况下的合理冻结壁厚度为115m。
1.黄土节理对施工的影响黄土沿着各方向上的构造节理都完全发育，多数节理为原生节理并呈X形的成对出现，无限向外延生，产生危险截面。在隧道开挖的过程中，土体容易在危险截面上，顺着节理松弛和断裂。水会顺着裂缝流入土体，使土体的湿度发生改变，随之产生相当大的应力，极易给隧道施工带来预想不到的危险。比如发生较大的坍塌。
2.黄土溶洞与陷穴对施工的影响黄土溶洞与陷穴，是黄土地区常见的不容忽视的不良地质现象。如果将隧道修建在黄土地质的上方，则会有隧道基底下沉的可能。如果将隧道修建在黄土地质的下方，则会有冒顶的可能。若果将隧道修建在黄土地质的附近地区，则会有偏压受力的可能，使得围岩与衬砌处于不利的受力状态。总之，若不采取相应的措施，都将酿成无可挽回的局面。
3.水对黄土隧道施工的影响黄土在干燥环境下时十分坚固可靠，承压的能力较高，隧道的施工能得以顺利的进行。但是，在含地下水较丰富的黄土地层，黄土一旦遇水，就会地质松软、不稳定、孔隙大，承载力急剧降低，遇水下沉产生凹陷。最重要的是，黄土的这种湿陷变形是相当突然的，没有征兆的不可挽回的。当黄土被丰富的地下水浸湿后，土体会发生不同程度的湿陷性，从而发生突然性的不均匀沉降，因此隧道开挖后的围岩就会迅速的丧失自稳能力，如果施工中的支护措施不足，就极易给隧道施工带来预想不到的危险。比如发生坍塌。
二、黄土隧道的施工方法
1.黄土地质为隧道施工的正常进行带来了巨大的困难，但是对于隧道施工的建设者们，这是一个不得不克服的难题。在黄土的特性和对隧道施工的影响中，我们可以分析到，在隧道施工中，处理黄土地质问题应该着重从影响其物理性质变化的内在因素和外在因素上共同考虑，通过改变图的力学性质达到处理的目的。但是对于不同的工程，具有不同的施工条件，因此还需要根据不同的情况进行不同的处理。总而言之，黄土地质下隧道施工的要点大致如下：应做好黄土构造节理的产状与分布的调查；根据不同地域的不同水文地质条件选择合理的施工方法，对围岩进行合理的支护，宜采用复合式衬砌；做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程，并妥善处理陷穴和裂缝；遵循“短开挖、少扰动、强支护、实回填、严治水、勤量测”的施工原则。在黄土地质环境下进行隧道施工时，对于因构造节理切割而形成的不稳定部位，应加强支护措施，以保证施工能安全顺利的进行。同时，开挖方式宜采用短台阶法或分布开挖法，初期支护必须在开挖断面后尽快施作。下面对施工细节进行说明：
2.洞顶陷穴的处理针对黄土的湿陷性，为了保证隧道能安全顺利的施工，在隧道开挖前应对洞顶周围陷穴进行适当的处理，防止水从陷穴和裂缝渗入到隧道内部，侵蚀洞体周围，引起隧道的坍塌。第一步将陷穴中的杂物清除，第二部对陷穴加以加工使之成为较规则的形状，以便于后期的回填，最后夯实陷穴底部。对于较深的陷穴可采用灌浆充填，对于较浅的陷穴可采取素土或灰土分层夯实回填。除上述处理方法之外，也可结合坡顶建筑物地基处理，采用挤密法处理黄土陷穴现象。
3.洞口防护及地表加固根据不同洞口的特点和“自然进洞”的施工原则，借助地表注浆加固等辅助施工措施提前进洞，这样就能有效的解决洞口的工程危害，保护洞口边仰坡稳定，降低洞口的防护成本。常用的防护和加固方法有深孔注浆、地面锚杆、高压喷射注浆等。支护措施黄土地质的围岩开挖后，如果若暴露时间过长，围岩风化至内部岩体加速松弛，进而发生坍方现象。因此，对于支护宜采用复合式衬砌，开挖时少扰动，开挖后以喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢支撑作初期支护，一起构成较强的支护体系，防止因支护措施不当而发生的工程事故。必要时也可采用超前锚杆、管棚支护加固围岩。在初期支护基本稳定后，进行作用永久支护衬砌。衬砌背后尤其是拱顶回填要密实。监控检测监控检测是所有施工过程中不可缺少的环节。在隧道施工的过程中，应定期对围岩支护体系的稳定性进行相关的监测和评价，为初期支护和二次衬砌设计参数的调整提供有利的依据，从而确保施工能安全顺利的进行。
三、结束语
根据设计，SMART将按3种模式运营［2－3］，如图3所示。1）模式1。无暴风雨或低降水量情况，没有洪水分流到该系统中，泄洪隧道处于无水状态，公路隧道正常对外开放，见图3（a）；2）模式2。在中等洪水情况，即上游Klang／Ampang交汇处的L4雨洪流量站测得流量达到70～150m3／s，通过原有的泄洪设施排泄的流量控制在50m3／s以内，超出的部分则需通过SMART隧道泄洪，但公路隧道区段仅限于隧道的底部空间用于泄洪。公路隧道正常对外开放，见图3（b）；3）模式3。大暴雨、特大暴雨情况下，即上游Klang／Ampang交汇处的L4流量站测得流量超过150m3／s，公路隧道关闭交通，隧道内的车辆和人员全部撤离，隧道全断面泄洪，见图3（c）。对模式3而言，在隧道接到泄洪通知后45min内，隧道内的所有车辆及相关人员必须完成撤离，每次过洪后重新恢复道路交通需要52h。对于3km的公路隧道区间，由于隧道需要在干湿2种环境中运营，因此隧道内的照明设备及CCTV系统均按IP68设计，即可以被水淹没。隧道的应急电话系统设计为可快速更换类型。设计最大洪峰泄洪时流速为4．7m／s，所有的机电设备及指示牌尽可能按流线型设计，且设备安装应有足够的刚度与强度。工程按百年一遇的暴雨标准设计。依此标准，一年内绝大部分时间SMART都将按模式1运行，可能会有7～10次按模式2运行，而按模式3运行的频率为每年1次甚至几年1次。
2隧道地质情况与施工方法比选
2．1隧道地质情况
地质调查结果表明，SMART隧道所经历的地层主要是KualaLumpur石灰岩（简称“KL石灰岩”），这种地层将是工程面临的巨大挑战，隧道纵断面见图4（a）。KL石灰岩90％以上的成分为方解石，具有典型的Karst地层特征：1）石灰岩地层出露地面形成陡峭绝壁或深切峡谷，见图4（b）；2）长期的水溶作用形成溶洞，溶洞大小可以与隧道掘进机的尺寸相当；3）溶洞往往与地下水相联系，隧道施工过程中的降水活动可能给周边建（构）筑物带来风险；4）在历史上地层出现塌陷的地方往往被松软土层充填，这种松软而不密实的充填物对盾构的掘进施工将存在极大风险；5）施工降水可能引发新的地层塌陷。从施工的角度来看，最为关键的就是岩层的起伏变化以及遭遇大型溶洞。为了准确地确定岩层的起伏变化情况，在2001年利用Mackintosh探钻打了1072个地质探孔。另外，为了解溶洞及上卧层疏松土的松软程度及低密度情况，对2个分岔井间的隧道段，按平行于隧道轴线布置5条线路进行微重力试验。试验结果大致给出了岩石露头的最低点以及大溶洞存在的区域范围。然后又在这些区段进行地质钻孔补测，结果表明微重力试验的结果能大致给出岩层露头的定性而非定量结果。在施工初期又采用电阻物探法进行地层测探，以便获得更多的地层信息。
2．2施工方法比选
基于沿线的地质条件，对明挖法、新奥法以及盾构法等几种常用隧道施工方法进行综合比选，为了减少施工风险以及施工对周边环境的扰动，最终推荐采用盾构施工的方案。在盾构的类型（EPB或泥水平衡）比选方面，一方面泥水盾构较EPB能更好地适应复合地层，而且当时超大断面的泥水平衡盾构已有多个成功案例，而直径大于13m的土压盾构工程还没有先例，因此最终选定2台泥水平衡盾构进行施工。由于水力条件要求，隧道仰拱的标高不能变动，因此隧道掘进施工将不可避免地遭遇软硬并存的复合地层。
3SMART隧道设计
3．1结构设计
根据隧道排洪与公路交通多功能的需要，与常规的交通隧道或泄洪隧道相比，沿线的结构布置、隧道的断面形式以及整条隧道的防灾减灾系统均需要有特殊的考虑和安排。在3km公路隧道的南、北两端各设1座分岔井，作为车辆出入口与洪水入口的分叉点。公路隧道的出入口分别设在KampongPandan环形岔路口和KL／Seremban高速公路的立交处与既有线路衔接。2个分岔井还兼作公路隧道的通风井与隧道泄洪的调压井。另外，3km段交通隧道每隔1km布设1座中间风井。作为防灾措施之一，每250m左右设1座联络通道连接上下层隧道。SMART主体隧道采用盾构法掘进施工，隧道结构采用管片衬砌。综合考虑隧道的泄洪能力以及公路隧道的布置需要，隧道内径设为11．83m。管片设计除了要平衡衬砌厚度与含钢量间的关系外，还考虑管片的正常处置状态（如拼装、翻身等）的受力情况、在高强度石灰岩层中掘进时千斤顶反力集中对管片的作用以及在松软地层中管片的受扭不利工况等。管片采用C50混凝土，厚度为500mm，含钢量为90kg／m3。管片环宽为1．7m，1环包括9块管片，即6块标准块、2块临块和1块封顶块，每块标准块的质量为10．3t，1环的总质量为82t。管片的环向和纵向均采用M25高强度螺栓连接。根据隧道线路布置，最小转弯半径仅250m，管片最大楔形量为110mm。管片不设直线环，直线环由左曲环和右曲环交替拼装而成。中间3．0km公路段，采用双层结构布置，由2道横隔板将隧道分成3部分空间，上部为向南的车道，中间空间为向北的车道。底部的空间用于运营模式2和模式3情况下泄洪。每层各提供3个车道，包括2个宽3．35m的正常车道和1个应急车道。受空间限制，隧道内只能通过高度不超过2．55m的小型车辆。隧道内的设计限速为60km／h，实际显示的限速为50km／h。隧道的内部结构布置见图6。
3．2防水设计
对SMART隧道工程而言，由于兼具排洪和公路交通的双重功能，因此对隧道的防水设计也提出了特殊要求，内部结构的防水要求较常规交通隧道要高得多。盾构隧道管片的防水通过在管片上预留密封沟槽安装EPDM橡胶密封实现，最大压力水头按32m考虑。中间3km的公路隧道段在运营模式2情况下，底部的空间水流按有压流考虑，而中部和上部均为无水环境下的公路交通，因此必须要防止水从底部渗漏到中上部空间，这是SMART隧道防水设计的关键与难点所在。为了最大限度减少水从底部渗漏到下隔板，所有施工缝的钢筋都全部连通，并在接缝处预留压浆管。隔板和竖墙的配筋要足够，以防止混凝土施工的早期裂缝。在C40混凝土配合比设计中选用低水化热的PFA水泥，混凝土浇筑的温度严格限制在60℃以内，对浇筑的隔板采取蓄水养护。为防止水通过管片环缝渗入上隔板，在环缝处设“T”形止水带。另外，在隧道管片衬砌与内衬之间预留压浆管。
3．3防灾减灾设计
SMART隧道工程设计开始于2001年，恰逢欧洲勃朗峰隧道火灾（1999年）和阿尔卑斯山隧道火灾（2000年）不久，因此公路隧道的防灾减灾设计尤为受到关注，为此咨询公司专门开展了火灾的数值模拟分析。假定隧道的下层道路发生2～3辆小汽车相撞产生10MW的大火燃烧60min。采用一维数值模拟分析了中间隔板底部的导热情况，通过分析不同深度混凝土结构的温度来推测混凝土剥落的情况。分析结果表明大火情况下混凝土剥落现象仅限于30mm深度范围，混凝土内部的钢筋不致发生软化现象。另外，作为防灾减灾措施的通风系统也十分重要。3km长的公路隧道按1km间隔共设4座风井，每座风井安装8套通风扇和增压风扇为上下层交通隧道供风，增压风扇主要作用是阻止火灾情况下烟雾进络通道，隧道通风模型见图8。在隧道的出入口设置轴流式风机进行新风补充。通风系统的操作系统与隧道SCAVADA系统相连。用于监测隧道内CO浓度与可视度的仪器安装在联络通道附近，整个通风系统根据监测的结果自动调节风量与风速。3km公路隧道沿线每250～300m间隔设联络通道用于连接上层与下层隧道，具置则根据具体地质情况与施工条件确定。一旦发生火灾，在无事故的隧道层则供增压风，以阻止烟雾进入非事故隧道。电气开关房布置在联络通道的中间，见图9。在联络通道与隧道的连接处设水密门，确保泄洪期间水不进络通道。根据地质条件的不同，联络通道采用马蹄形开挖断面＋现浇混凝土衬砌和椭圆形开挖断面＋喷射混凝土衬砌2种形式。
3．4洪水监测与预警系统
由于SMART工程主要的功能是泄洪，并且还要实现泄洪与公路交通不同运营模式之间的转换，因此洪水的监测与预报系统（FloodDetectionSystem简称FDS）必不可少。该系统除了为公路隧道区间不同运营模式间的转换提供水情预报外，还对SMART工程中各个子系统运营状态进行监测与预警。这些系统包括通信系统、预警系统、隧道内安设的传感器、公路隧道出入口的水密门以及蓄洪池的闸门等。更重要的是在公路隧道按模式2或模式3运行时，该系统将为SMART工程中控室和交通管理中心提供实时完整的信息。洪水监测系统安装在SMART工程中控室，包括7个子系统：1）产流区域监测系统。28个遥感水文站，对河流与产流区域的流量进行实时监测，为FDS系统模型提供输入；2）预报模型系统。带有自动模拟与数据信息处置能力的水文与水动力学模型，可以对所选的地点进行长达2h的流量过程预报；3）预警系统。设置在关键位置的警报站；4）监测与控制系统。对各子系统信息进行整合与智能管理的软件系统；5）CCTV系统。设置在重要位置的摄像头和照相机等，以便对现场进行实时监督；6）SCADA系统。包括FDS与MCC系统的界面，用以SMART系统信息与传播的SCX系统；7）无线与光纤通讯系统。包括无线网络、电话以及光纤通讯系统等。
4主体隧道工程施工情况
4．1盾构设备选型
针对地下水位高、复合地层以及Karst地层特点，盾构选型的准则与依据如下：1）马来西亚土地（包括地下）属于私有财产，根据土地征用的具体要求，隧道的线路尽可能落在地面公路的土地使用范围内，盾构设备必须满足最小半径250m的急转弯情况；2）覆土厚度范围10～20m，因此盾构设备必须满足浅覆土施工的工况条件；3）为提供开挖面正面平衡精度，防止施工过程中开挖面前方坍塌，盾构采用泥水－气平衡系统；4）盾构绝大部分都是在石灰岩中进行掘进，部分区域会遭遇溶洞或岩石露头的突变等情况，盾构必须具备在复合地层中掘进施工的能力。经综合比选，SMART隧道采用2台外径13．21m的泥水平衡盾构进行施工。所采用盾构由德国Herrenknecht公司提供，第1台在合同签订后12个月供货，第2台的到货时间滞后2个月。刀盘的配置必须满足在复合地层掘进的需要，值得一提的是盾构采用了球形主轴承，这样允许刀盘与主轴承间以小于90°的夹角进行切削以满足急曲线转弯的超挖需要，同时也减小了作用在隧道管片上千斤顶的行程差，这样可以实现最大的超挖量达到400mm。这一特性还可以满足在岩石地层条件下，将刀盘缩回为查刀与换刀提供一定空间。为满足不间断地进行气压条件下对刀盘上的刀具进行更换，盾构配备了2个气闸室和1个小一些的材料闸室。盾构还配备了2套超前钻探设备和1套振动探测系统以供对开挖面前方的地层进行超前探测。
4．2隧道主体施工情况
隧道的掘进施工始于2003年11月25日。采用2台直径13．2m的泥水平衡盾构从北侧风井始发朝相反的2个方向始发掘进，盾构TUAH用于北侧隧道掘进施工，盾构GEMILANG则朝南掘进。盾构TUAH于2004年6月从北侧风井始发，经过24周的掘进，于2004年11月，到达北侧分岔井，共掘进了737m。2005年1月底，盾构TUAH从北侧分岔井重新始发开始第2段区间隧道的掘进施工，掘进的长度为4550m。SMART北侧盾构隧道的部分参数见表2。工程经过多次延误后，公路隧道段于2007年5月14日下午3：00正式通车，而泄洪隧道段最终于2007年7月底竣工。就在公路隧道通车后的几个星期内，隧道就进入运营模式3泄洪。截至2010年7月18日，SMART系统对7次灾难性的暴雨洪水成功实施分流，从而使吉隆坡市中心免遭内涝之灾。
4．3施工的主要挑战与应对策略
盾构掘进施工中潜在的风险与挑战主要包括：地层沉降或坍塌、Karst溶洞或坑穴以及泥水逃逸导致地表坍塌隆起、开挖面坍塌和泥水溢出地面等。为了防止所述风险并尽量减少泥水损失，施工中采用了一系列的技术措施与方法：1）针对溶洞的位置、大小、地层特点等信息，基于Mohkam模型对开挖面的平衡压力进行计算分析；2）根据地层特点将掘进分为均质地层中掘进、复合地层（掘进断面中含岩石和沉积土）中掘进、交界面中掘进以及在Karst溶洞中掘进等工况，针对不同的工况条件制定相应的盾构掘进施工参数体系；3）对地表沉降进行实时监测，通过监测数据及时反馈给盾构操作人员以降低地表隆沉与冒浆的风险。施工中采用的一些其他措施还包括：1）根据不同的地层情况及泥浆的损失情况及时调整泥浆的组成成分并补充泥浆量；2）在敏感环境区域采用补偿注浆、压密注浆和岩石裂隙注浆3种方法从地表对开挖面前方地层进行注浆加固。根据不同的具体情况选择不同的注浆方法与浆液配比。当地面不具备条件时，也可以从盾构内部进行注浆加固。
5结论与讨论
