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秦岭终南山隧道调查报告土木116 201104273 余学胜1、基础情况介绍世界最长的双洞高速公路隧道---秦岭终南山公路隧道。
该隧道是国家交通规划网内蒙古包头至广东茂名高速公路在陕西境内的重要路段，也是陕西省“三纵四横五辐射”公路骨架网中西安至安康高速公路沟通秦岭南北地区交通的控制性工程。
秦岭终南山公路隧道北起西安市长安区五台乡，南抵商洛市柞水县营盘镇，隧道单洞全长18.02公里，双洞长36.04公里。
隧道按双向车道高速公路标准建设；隧道净宽10.5米，限高5米；设计车速80公里/小时，总投资31.93亿元。
2、整体设计结构①衬砌设计隧道洞身地段均采用曲墙复合式衬砌。
采用三心圆内轮廓形式，内轮廓净宽10.92m，净高7.6m。
行车交叉口处正洞复合式衬砌加强，长度13～14m。
行车交叉口处二次衬砌在III、IV类围岩段采用C25模筑钢纤维混凝土，V、VI围岩段采用C25模筑混凝土。
洞口段为满足国防要求，采用C25钢筋混凝土模筑衬砌。
②隧道仰拱II、III类围岩地段均设置与二次衬砌拱部等厚的混凝土仰拱，填充采用C10混凝土。
③防排水隧道采用双侧水沟排水。
全隧拱墙设Φ100，高度25mm的弹簧半圆透水管，纵向间距一般为10m，富水段为5m，岩爆段为15m，与墙角纵向盲沟相连通；墙角两侧设Φ100×5mmPVC纵向盲沟，与环向盲沟及墙角泄水孔采用三通连接，在纵向每隔100m双侧设检查井，以便清洗检查；全隧两侧墙角每隔10m设一处PVC泄水孔，采用三通将墙角纵向盲沟和侧沟连接起来。
在初期支护与二次衬砌之间铺设1.2mm厚的EVA防水板和300g/m2的无纺布。
行人、行车横通道在喷混凝土与模筑衬砌之间设EVA防水板和无纺布。
3、照明系统终南山隧道根据不同情况，设置了三种照明系统①一般照明一般照明包括保证隧道内正常行车所必需的基本照明和消除出入口“白洞”和“黑洞”效应的加强照明。
设计中对基本照明光源的选择进行了荧光灯和高压钠灯的方案比选，最终确定采用光效更高、透雾性更好、寿命更长的高压钠灯作为终南山公路隧道的基本照明光源，出入口加强照明采用大功率高压钠灯。
第30卷第6期 岩 土 力 学 V ol.30 No. 6 2009年6月 Rock and Soil Mechanics Jun. 2009收稿日期：2008-08-05第一作者简介：徐士良，男，1972年生，博士研究生，讲师，主要从事岩土工程方面的教学和研究工作。
E-mail: slxubest@文章编号：1000－7598 (2009) 06－1759－05秦岭公路隧道通风竖井岩爆预测和防治措施徐士良1, 2，朱合华1，丁文其1，刘宝许3（1. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，地下建筑与工程系，上海 200092； 2. 安徽建筑工业学院 岩土工程系，合肥 230022；3. 中交隧道工程局有限公司，北京 100011）摘 要：秦岭公路隧道2号通风竖井，为国内乃至世界公路隧道规模最大的竖井工程。
根据工程地质资料分析，岩爆是该竖井施工过程中的主要难题。
为了从岩性角度评价竖井围岩的岩爆倾向性，开展了室内岩石单轴压缩变形试验和物理模型试验，根据改进脆性指数指标和模型试验的结果，表明竖井围岩有岩爆倾向性，必须加强岩爆预测和防治。
根据水压致裂法的地应力测试结果和地应力分布特点，采用三维有限元回归分析反演了竖井工程区域的初始应力场。
根据竖井围岩地应力场和Kirsch 解得到的围岩二次应力场，结合Russenes 和陶振宇岩爆判据，进行了竖井岩爆综合预测和分析，得出竖井有轻微和中等岩爆发生的结论，并提出岩爆防治措施。
关 键 词：隧道工程；通风竖井；岩爆预测；地应力；有限元 中图分类号：U 459.2 文献标识码：ARock burst prediction for ventilation shaft of Qinling highwaytunnel and its countermeasuresXU Shi-liang 1, 2，ZHU He-hua 1，DING Wen-qi 1，LIU Bao-xu 3(1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Department of Geotechnical Engineering, Tongji University,Shanghai 200092，China ；2. Department of Geotechnical Engineering ，Anhui Institute of Architecture and Industry ，Hefei 230022, China;3. CCCC Tunnel Construction Engineering Co., Ltd., Beijing 100011, China)Abstract: No.2 ventilation shaft of Qinling highway tunnel is one of the largest ventilation shafts in the highway tunnel field at home and abroad. Rock burst is a serious problem during the shaft excavation according to the analysis of in-situ engineering geological data. For evaluating rock burst tendency from the perspective of lithological character, the uniaxial compression deformation test and physical model test are carried out. There is a high tendency of rock burst in surrounding rock by analyzing the modified brittleness index and model test result, so it is essential to strengthen rock burst prediction and control. The initial stress field of surrounding rocks of shaft is regressively analyzed by 3D finite element method according to in-situ measured data by hydro-fracturing and distribution properties of in-situ stress. Then the comprehensive rock burst prediction and analysis based on Russenes and Tao criteria are made according to the induced stress field obtained by Kirsch solutions and in-situ stress distribution of surrounding rock of shaft respectively. The result shows that the weak and moderate rock burst will occur during shaft excavation. Finally, some countermeasures to rock burst are proposed. It provides valuable references for other projects.Key words: tunnel engineering; ventilation shaft; rock burst prediction; in-situ stress; finite element method1 前 言岩爆是高地应力区的地下工程在开挖过程中或开挖完毕后，围岩因开挖卸荷发生脆性破坏而导致储存于岩体中的弹性应变能突然释放，且产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。
秦岭终南山公路隧道运营通风系统组成及关键技术的开题报告1.研究背景秦岭终南山公路是一条连接陕西省和甘肃省的山区公路，全长约100公里，其中包含了几个隧道，如独柳隧道、蟠虺山隧道等。
这些隧道在运营过程中需要进行通风，使得隧道内的空气能够流动，减少污染物的积累，保证行车安全。
公路隧道通风系统是影响隧道环境质量、保证行车安全的重要组成部分，通风系统的设计、运行和管理直接影响着隧道的通风质量、能效和维护管理费用。
秦岭终南山公路隧道的通风系统目前存在一些不足之处，如通风效果不佳、能耗高、维护费用高等问题。
因此，开展对秦岭终南山公路隧道通风系统的组成及关键技术研究，具有实际应用价值和科学研究意义。
2.研究内容本项目的研究内容主要包括：（1）秦岭终南山公路隧道通风系统的组成及原理研究。
（2）基于CFD（计算流体力学）技术的秦岭终南山公路隧道通风系统数值模拟研究。
（3）秦岭终南山公路隧道通风系统节能技术的研究。
（4）秦岭终南山公路隧道通风系统监测和管理技术的研究。
3.研究目的通过上述研究内容，达到以下目的：（1）掌握秦岭终南山公路隧道通风系统的组成及原理，为后续的研究工作提供基础。
（2）通过数值模拟研究，探究秦岭终南山公路隧道通风系统的优化方案，提高通风效果，降低能耗。
（3）研究隧道通风系统的节能技术，提高系统能效，降低运行成本。
（4）研究隧道通风系统的监测和管理技术，及时发现并解决异常问题，保证系统长期稳定运行。
4.研究方法和技术路线本项目采用文献调研和理论分析相结合的方法，主要采用以下技术路线：（1）秦岭终南山公路隧道通风系统的组成及原理研究通过查阅相关文献及资料，归纳总结当前公路隧道通风系统的基本组成及原理。
（2）基于CFD技术的秦岭终南山公路隧道通风系统数值模拟研究基于CFD技术，建立秦岭终南山公路隧道通风系统的三维模型，模拟隧道内部空气流动情况，对通风系统运行效果进行数值模拟分析。
（3）秦岭终南山公路隧道通风系统节能技术的研究针对隧道通风系统的能耗问题，研究系统节能技术，如利用地下水进行换热、采用智能化控制等。
终南山特长公路隧道火灾模式下通风设计和控制技术随着公路隧道里程的增加,隧道火灾的危险性也在增大。
由于公路隧道火灾的巨大危害性,公路隧道的安全问题日益受到人们的关注。
秦岭终南山特长公路隧道全长18020 m,双洞单向交通,采用多竖井送排风方式。
无论是长度还是通风方式都与以往的隧道不同,因此对其进行火灾通风的研究就变得尤为必要。
鉴于此,论文以秦岭终南山特长公路隧道工程为背景,结合西部交通建设科技项目——秦岭终南山公路隧道综合技术研究防灾救援技术研究(20013180007103)项目,采用理论分析结合模型试验和数值模拟的办法,对特长公路隧道的火灾模式下通风设计及控制技术进行了较深入系统的分析研究,并将研究成果运用于依托工程中,不但对秦岭终南山公路隧道的规划、设计、施工、营运有较大的技术支撑作用,而且对全国特长公路隧道通风、防灾救援技术具有重要的指导意义,也为规范修订积累资料。
本论文的研究工作主要体现存以下几个方面:1.通过对隧道火灾过程中某些条件的简化,建立了隧道内温度纵向下降的理论预测公式。
通过对隧道围岩温度随时间变化的研究,得到了温度纵向分布计算中不稳定传热系数随烟流和围岩之间热交换过程变化的影响因素,引入烟流和隧道围岩的热交换系数,考虑到不稳定换热系数的时间影响因素,得到了温度纵向分布的时间和空间影响因素。
2.通过对隧道火灾时密度的分布,确定了火风压的计算公式。
对于特长公路隧道,由于温度沿程变化明显,因此,根据不同区段的温度变化给出了特长公路隧道分段式的火风压计算公式和烟流摩擦阻力计算公式。
3.通过对单体隧道火灾通风控制的研究,确定了单体隧道火灾的临界风速为2-3m/s:在此基础上,通过试验研究的方法,首次明确提出了有横通道隧道发生火灾的情况下的通风控制;以及多竖井隧道在不同的火灾点位置的通风控制基准。
4.开发出“特长公路隧道火灾网络通风程序”计算软件,可自动完成特长公路隧道火灾情况下“各分支风量、风机数量”的计算,并对秦岭终南山特长公路隧道火灾通风进行了计算,得到了所有防火区段的风机布置,为隧道火灾预案的制定提供了计算上的依据。
终南山隧道技术调研报告——高速公路隧道1．隧道概况及工程水文地质条件1.1基础情况介绍世界最长的双洞高速公路隧道---秦岭终南山公路隧道。
该隧道是国家交通规划网内蒙古包头至广东茂名高速公路在陕西境内的重要路段，也是陕西省“三纵四横五辐射”公路骨架网中西安至安康高速公路沟通秦岭南北地区交通的控制性工程。
秦岭终南山公路隧道北起西安市长安区五台乡，南抵商洛市柞水县营盘镇，隧道单洞全长18.02公里，双洞长36.04公里。
隧道按双向车道高速公路标准建设；隧道净宽10.5米，限高5米；设计车速80公里/小时，总投资31.93亿元。
1.2隧道概况秦岭是黄河与长江两大水系的分水岭，是西安至安康高速公路必须克服的天然屏障。
秦岭终南山特长隧道位于西康公路西安至柞水段，隧道全长18.020km，为东线、西线双洞四车道，中线间距30m。
该隧道是国家公路网规划的西部开发八条公路干线中的内蒙古阿荣旗至广西北海和银川至武汉两条路线上的共用段，也是陕西省规划的"米"字型公路网主骨架西康公路中的重要组成部分。
它的建成对促进西部开发战略的实施和陕西省与周边省市的经济交流具有十分重要的意义。
该隧道由石砭峪垭口翻越秦岭地区的终南山，在隧道东侧与西康铁路秦岭特长隧道相邻。
进口位于长安县石砭峪乡青岔村石砭峪河右岸。
出口位于柞水县营盘镇小峪街村太峪河右岸。
洞内为人字坡，最大纵坡为1.1%。
隧道最大埋深1600m。
行车速度为60~80km/h，隧道内路面为水泥混凝土路面1.3工程水文地质条件洞身岩性主要以混合片麻岩和混合花岗岩为主，岩石坚硬，岩体完整，受构造影响轻微，节理不发育，围岩类别多为Ⅳ、Ⅴ类，最大埋深1640m。
秦岭终南山特长公路隧道通风控制研究/摘要：论述了通风控制的发展现状与存在的主要问题，分析了通风控制参数CO 浓度、排队长度、车辆在隧道内的滞留时间与交通运营的关系，提出了基于表格查询法的通风模糊控制模型，达到既满足隧道环境条件要求，又节能并保证设备运转平衡的目的。
关键词：公路隧道通风控制模糊预测秦岭终南山特长公路隧道工程是西部干线公路“内蒙古阿荣旗一西安一重庆一广西北海”和“银川一西安一武汉”两条路线的共用段，也是陕西省“米”字形公路网主骨架中打通西安至安康通道，进而沟通秦岭南北地区交通的大型公路建设项目。
建设标准为双洞四车道高速公路，计算行车速度80km/h，全长18.02km，采用分段送排式纵向通风。
据计算，通风运营费用一般占隧道通风与照明运营费用的70％—80％，将来该隧道的通风运营费用将是管理单位一笔沉重的负担。
本文就如何进行通风控制，达到既满足隧道环境条件要求又节能进行探讨。
1 通风控制发展现状通风控制和通风方案有关。
就通风方案而言，主要有纵向、横向、半横向及混合型等多种通风形式；而通风控制方案按系统控制概念讲，有集中控制和独立控制(分散型)等形式。
由于通风控制涉及异常确认，所以一般采用集中控制。
这时主要有直接控制法、间接控制法及混合型控制法三种方式，国内大多数隧道都是采用直接控制法。
仅以CO浓度和能见度作为通风控制指标，从实际使用效果来看，目前通风控制主要存在以下问题：a．通风控制参数选取不合理。
采用CO/VI作为控制参数，由于检测设备不稳定，降低了系统的可靠性。
b．控制工况不合理。
根据CO/VI是否超标进行控制，没考虑《公路隧道通风照明设计规范》中CO/VI的允许持续时间，从而造成未来交通量下降，本来自然排放就可满足规范要求，结果却开了风机使得运营成本增加。
c．控制模型智能化水平低，没有考虑交通流的发展趋势是增加还是减少。
2 通风控制参数根据《公路隧道通风照明设计规范》，通风控制CO浓度、能见度、车辆在隧道内的持续时间和交通拥挤时的排队长度四个指标，在此主要烟雾浓度以外的三个参数进行讨论。
2.1 排队长度≤1km的条件正常状态与阻塞状态的交通量、密度、速度分别为q1、k1、v1和q2、k2、v2，车辆阻塞时间为t1，根据交通流理沦，排队长度≤lkm，即要求满足以下条件：2.2 车辆在隧道内滞留时间对于3000m以上的隧道，如秦岭终南山隧道，采用纵向通风，这时可按CO不超过250ppm进行控制，这时对应的滞留时间为35min，这意味着过秦岭终南山隧道的车辆平均运营速度必须大于30.89km/h。
这一速度已接近阻塞速度的临界值，因此在正常交通工况下，车辆在隧道的滞留时间一般不再是通风控制应考虑的因素。
但是，当交通量大于通行能力时，交通处于强制流状况，阻塞发生，车速下降，这时车辆在隧道的行驶时间就可能成为通风控制应考虑的因素。
出现这种情况，包括慢车引起拥挤交通流和故障车引起的交通阻滞两种情况。
前者引起的阻塞随着慢车驶出隧道而消失，后者随着交通量的减少或故障车的排除而逐步恢复正常交通，两者都可按交通流理论计算阻塞消失时间，从而得到车辆在隧道内的滞留时间。
2.3 车辆在隧道内的滞留时间与CO浓度的关系根据规范要求，交通阻塞过(各车道均以怠速行驶，平均车速为10km/h)时，阻塞段的平均CO设计浓度可取300ppm，经过时间不超过20min。
规范中没有给出其他情况CO浓度与车辆在隧道内的最大滞留时间的关系。
基本采用规范P81图2的结果，400ppm允许20min，350ppm允许25min，300ppm允许30min，250ppm允许35min，200ppm允许40min，则车辆在隧道内的滞留时间，与CO浓度建议式如下：3 通风控制工况通风控制工况包括正常工况与异常工况，异常工况包括火灾与阻塞，基于未来交通量发展趋势的通风控制工况如下图所示。
4 交通量模糊预测目前，常用的短期预测方法有神经网络法、模糊预测法。
模糊辨识器具有神经网络辨识器所不具备的以下两大优点：模糊辨识器的参数具有明确的物理意义，即在模糊“如果一则”规则中，y1为“则”部分模糊集合的中点，而xli和Oli分别为“如果”部分模糊集合的中点和宽度；因此，可能找到一个较好的方法来选择初始参数。
反之，神经网络辨识器的参数与其输入、输出数据之间缺乏明确的物理意义，所以神经网络辨识器的初始参数通常是随机选取的。
由于这两种辨识器采用的反向传播算法均属梯度算法，因此初始参数的选择是否合理在相当程度上影响算法的收敛速度。
b．模糊辨识器是在模糊逻辑系统的基础上构造的，而模糊逻辑系统又是提供了利用人类语言描述信息的途径，而这类语言描述(以“如果一则”规则的形式)常常包含了未知非线性系统的重要信息。
具体来讲，利用这类语言信息可以构造出一个较弱的初始辨识器，从而使得模糊辨识器在在线辨识过程中更快地收敛于真实系统。
模糊辨识器能利用语言信息这一能力具有十分重要的实用意义，其原因是现实生活中许多真实系统是由专家控制的，这些专家也确实能够提供这类非线性系统的语言描述信息。
而这类语言信息一般是比较模糊和不确切的，所以在传统辨识器和神经网络辨识器的设计过程中始终无法利用这类信息，只是在设计完成后用这类信息来评估设计是否合理。
然而，在模糊辨识器的设计过程中，设计者能够将这类信息自始自终地贯彻于整个设计过程之中，而且我们相信这类信息对辨识器的设计是利大于弊的。
因此，本文采用模糊预测法。
模糊预测包括初始模糊逻辑系统f的构造和f的在线自适应调整两个部分，具体步骤如下：a．初始模糊逻辑系统f的构造构造一个合理的初始模糊逻辑系统f，这涉及怎样合理地选y1,xii和Oli等初始参数。
设从k=0开始辨识非线性系统。
设参数xi(M)=ui(l)和yi(M)=g(u(l)),i=1, 2，…，n；l=1，2，…，Mo此时u(l)=(ui(l),(u2(l)，…un(l))T, 为系统和辨识器的输入，g(u(l))为模糊逻辑系统f在输入为u(l)时的期望输出；设oli(M)取某些较小的值。
或者设oli(M)：[max(ui(l)，l=1，2，．．．M)]-min(ui(l)，l=1．2，…M)]/2M，式中l=1，2，…，M；i=1，2，…，n。
模糊辨识器的在线调整过程是从M+1时刻开始的。
b．γ在线自适应调整在线自适应调整f的参数目的是要使系统的输出γ与辨识器的输出y之间的误差e 最小。
鉴于反向学习传播算法和正交最小二年学习算法都不经济，本文采用表格查寻学习算法，从数据信息中产生模糊规则。
设给定期望的输入一输出数据对为：(x1(1)，x2(2)；γ(1))，(xl(2)，x2(2)；y(2))，……；xl、x2分别为输入，y为输出，确定所需要的模糊逻辑系统f：(xl，x2)→y分如下5步组成：步骤1 把输入空间和输出空间划分为模糊区间设xl、x2和y的取值范围分别为[x1-，x1+]，[x2-，x2+]和[y-，y+]，将每一个变量的取值范围再划分成2N+1个区间，将这2N+1个区间分别表示为SN，…，S1，CE(中点)，B1，…，BN(从小到中到大)，且每个区间都对就一个模糊隶属函数。
步骤2 由已知的输入一输出数据对产生模糊规则首先求出不同区间上已知数据x1(i), x2(i)和y(i)对应的隶属度。
其次，将已知数据x1(i)，x2(i)和y(i)分别定位于最大隶属度对应的区间上。
最后，从每一对较满意的输入一输出数据对中产生一条规则。
步骤3 为每一条规则赋予一个置信度由于有许多对数据信息，而每一对产生一条规则，就很可能出现自相矛盾的规则。
解决这个矛盾的方法是为每一条数据对产生的规则赋予一个置信度，在自相矛盾的规则中只选用具有最高置信度的那条规则。
步骤4 组合模糊规则库的产生组合模糊规则库中的规则既可以来源于数据产生的规则，也可来源于语言性规则，如果模糊规则库中某一空格对应的规则不止一个，则选用具有最大置信度的那一条规则，从而将数据和语言两类信息用组合模糊规则库统一起来。
步骤5 根据组合模糊规则确定出映射关系对于已知的输入(x1，x2)，按下式计算(x1，x2)相对应的输入控制的置信度μiOi，μiOi=μIil(x1)μIi2(x2)这里。
i表示规则i的输出区间，Ii1表示规则i中第j个分量的输入区间。
用下列的中心平均模糊消除公式就可求出输出y：y即预测的交通量，根据预测交通量的大小和发展趋势，则可判断发生拥挤的可能性。
5 模糊通风控制模型通风控制涉及通风方式、交通组成与变化、交通状态与变化、风机运行时间及启停时间几个方面的因素，作为控制决策，在通风方式确定后，影，向通风的主要因素有隧道内的车辆数和车辆类型，其决定了CO和烟雾排放量，而车辆行驶速度决定了车辆在隧道内的滞留时间。
从而通风控制问题转换为隧道内车辆数与车辆类型的检测和预测问题。
在得到隧道内车辆数与车辆类型的当前值和其后一段时间的发展变化规律后，则可计算CO和烟雾排放量值，得到C0和烟雾排放量随时间的变化曲线(表)；根据通风计算模型，得到风机开启台数随时间的变化曲线(表)；根据各台风机运行时间和启停时刻记录，选择启动或停止的风机，使风机运转平衡。
根据上述分析，通风控制包括以下模块：a，预警参数设置模块预警参数包括CO浓度与车流的平均速度，用于判断隧道环境条件是否将超过《规范》的要求。
b．通风计算模块根据交通发展变化情况，计算CO和烟雾浓度，从而由通风计算模块计算需风量及风机开启或停转台数。
c．交通预测与交通状态判断模块根据现场采集的交通数据，判别交通状态：正常或阻塞；预测期内隧道内车辆数变化趋势是将增加、减少或基本保持不变，当隧道内车辆数基本保持不变时，不需改变风机的运行状态；当隧道内车辆数将增加时，可能会增加风机的开启台数；当隧道内车辆数将减少时，可能会减少风机的开启台数；隧道内车流的平均速度(用于判别是否会出现lkm的阻塞)。
d．运营评价模块计算车辆在隧道的滞留时间，发生阻塞+计算阻塞长度，对隧道当前风机的运营状态进行评价，根据运转时间，对待(停)开的风机排列优先顺序，以便进行通风控制决策。
e．控制决策模块结合运营评价模块的评价结论，决定风机的开启或停转。
6 结语本文对模糊通风控制进行了探讨，使用中还需提供通风计算有关参数、射流风机开启台数(从1~N，N为单洞最大轴流风机台数)适应的交通量与速度表、在射流风机全开的条件下轴流风机开启台数(从1-M，M为单洞最大轴流风机台数)适应的交通量与速度表及火灾工况射流风机与轴流风机开启台数表。
鉴于篇幅有限，未给出模拟验证结果，文中不当之处尚请批评指正。
参考文献1 交通工程手册．北京：人民交通出版社，1998，52 王立新．自适应模糊系统与控制。
