（交通运输工程专业论文）隧道监控量测技术在鹰嘴山隧道的应用.pdf

摘要 随着社会经济的迅速发展，交通线上出现越来越多的隧道。如何在穿越不同 的围岩地质条件时，保证围岩和支护结构的稳定性，监控量测是一个关键工序。 本文从理论分析和现场监控量测两方面，对隧道新奥法施工量测技术做了详细的 阐述，并对量测数据处理方法做了一些探索性研究。该研究不仅具有理论价值， 而且具有重要的工程意义。论文主要包括以下几个部分： 1 - 本文在前人研究成果的基础上，研究了隧道开挖和支护结构作用机理， 超前支护、初期支护和二次衬砌与围岩稳定性的关系： 2 从动态施工理念出发，详细阐述了监控量测的内容以及量测数据分析处 理的方法： 3 鹰嘴山隧道具有复杂的工程环境，考虑工程各种不利因素确定施工方法。 通过洞内状态观察、地质超前预报和隧道位移量测来保证围岩和支护结构的稳定 性。 关键词：隧道；监控量测；围岩；支护结构 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h e r ea rem a n yt u n n e l so nt h et 觚c l i n e h o wt oe u s u r et h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ka n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r ei nt h e d i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，d e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n ta r eak e yp r o e s s i nt h e p a p e r , c o n s t r u c t i o nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo nn a t mi sd i s c u s s e di nd e t a i la n d m e t h o d so fm e a s u r e m e n td a t ap r o c e s s i n ga r er e s e a r c h e de x p l o r a t o r i l y t h es t u d yh a s n o to n l vt h e o r e t i c a lv a l u e ，b u ta l s oi m n o r t a n te n g i n e e r i n gs e n s ea sw e l l t h ec o n t e n t s i nt h i sp a p e ra l ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h er e s e a r c ho u t p u to fp r e d e c e s s o r , i nt h i sp a p e r , t h em e c h a n i c so f t u n n e le x c a v a t i o na n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r ea n dt h er e l a t i o n s h i po fa m o n ga d v a n c e d s u p p o r t ，p r i m a r ys u p p o r t ，s e c o n d a r yl i n i n ga n ds t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ka r e s t u d i e d ； 2 c o n t e n to fd e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n t a n dm e t h o do fm e a s u r e m e n td a t a a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n ga r ed i s c u s s e di ni d e ao fd y n a m i cc o n s t r u c t i o n ； 3 y i n z u i s h a nt u n n e lh a sc o m p l e xe n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ，c o n s t r u c t i o nm e t h o d i sd e t e r m i n e dc o n s i d e r i n gv a r i o u su n f a v o r a b l ef a c t o r s b yt h eo b s e r v a t i o no fi n n e r t u n n e l ，g e o l o g i c a lf o r e c a s t ，a n dd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t ，t h es t a b i l i t y o ft h e s u r r o u n d i n gr o c ka n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r ei se u s u r e d k e y w o r d s ：t u n n e l ；d e t e c t i o n a n dm e a s u r e m e n t ；s u r r o u n d i n gr o c k ；s u p p o r t i n g s t r u c t u r e 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题依据及研究意义 隧道是高等级公路、铁路、城市地下铁路等快速交通网络必不可缺的地下工程。2 0 0 4 年初国务院批准了中长期铁路网规划，根据规划，到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程将 达到1 0 万公里；兴建“四纵四横”快速客运专线，形成快速客运网络；武广、郑西、石 太、京津、京沪等一批客运专线和城际轨道交通项目相继开工建设。我国在建和拟建的 高速铁路项目中，隧道总长度将超过1 0 0 0 k m ，其中2 0 0 6 年已经开工建设的项目中，隧 道座数超过5 0 0 座，总长度超过7 0 0 k m 。我国大规模高速铁路的建设为高速铁路隧道施 工技术进步和创新提供了很好的机遇。铁路建设规模之大、建设标准之高、投资数量之 多可谓前所未有。“多、长、大、深”即数量多、长度长、大断面、大埋深将是2 1 世纪 隧道工程的发展趋势。 在我国隧道施工建设中，尤其是修建衡广复线大瑶山隧道成功采用新奥法( n a t m ) 施工后，新奥法在我国逐渐推广。新奥法的核心内容认为围岩具有一定的承载能力，在 施工中要最大限度保护围岩，提高围岩的承载力；其施工基本原则可以归纳为“少扰动、 早喷锚、勤量测、紧封闭”，在施工中光面爆破与锚喷支护技术仍是酋选的工艺技术， 复合式衬砌是普及性的支护工艺，通过监控量测与信息反馈来指导施工，修改设计。作 为地下工程，围岩稳定问题一直是地下工程( 隧道) 设计与施工研究的重点问题。对于 隧道而言，其地质环境以及结构方面的特殊性给这一问题的研究增加了特殊的内容。现 有较广泛使用的围岩稳定性理论认为：在隧道施工过程中，坑道周围岩体发生应力重分 布，当这种分布应力超过围岩的强度极限时，将造成围岩的失稳破坏。因此，围岩稳定 性评价是与隧道工程施工和运营密切联系的一项极为重要的研究内容。 随着地下工程支护与施工理论不断发展，新奥法成为现代支护理论的典型代表，尤 其是现场监测与理论分析相结合，发展为一种适应地下工程特点的和当前技术水平的新 的设计方法信息化设计与施工方法。现场监测、动态设计、信息化施 已经成为当 前地下工程设计与施： 的发展方向。 高速铁路隧道与一般铁路隧道相比有诸多不同，高速铁路叔线隧道歹f 挖断面达 1 4 0 1 7 0m 2 ，属超人断嘶隧道，! j 一般隧道比较，施：【难度急剧增j j u 。 随着隧道跨度的增加，地质条件的不确定性和施工高风险指数在不颐增加。这就需 第一章绪论 要隧道工程的理论和方法不断进步，科学地指导设计及施工。现代的理论和方法认为， 隧道工程建设中，应该在施工前、后及过程中不断注意地质条件与施工状况信息的收集， 及时地反馈到设计并指导施工，达到工程建设优化的目的，由此引入了信息化设计与旌 工理论和方法。 1 2 监控量测技术的发展 1 2 1 监测量测技术的国内外现状 在新奥法施工过程中，通过现场量测可以判断为围岩稳定性，及早发现异常情况后 可以及时采取措施，因而能保证安全施工。在隧道长期运营过程中，还可以通过经常性 的量侧来预测和监视隧道的稳定状况。我国不少研究单位、高等院校和逆差设计部门的 专家学者，在数值分析和理论研究方法上进行了积极探讨，汇集了现场施工与实测的诸 多经验，应用有限元( f e m ) 、边界法( b e m ) 、离散元法( d e m ) 等开发出了不同类 型的数值分析程序。目前对位移两侧的数据可以采用指数函数、对数函数以及双曲线函 数通过回归分析，推测出最终变形量与围岩的稳定状态，也可用灰色理论及人工神经网 络的方法来预测隧道围岩的最终变形量和围岩的状态。 由于地下工程支护系统工作环境的不同和围岩状况的复杂多变以及理论上的不完 善，目l j 还找不到一种计算模型能全面、准确地表达各种情况下围岩状况及其与支护系 统的相互关系和支护关系的工作条件，通过力学计算来设计也是困难的。因而现今的施 工前预设计主要是依靠某些勘察资料及工程类比法进行的，在实际施工中会发现由于工 程地质、水文地质、施工方式、支护特性等的出入与变化，常常使原设计不尽合理。锚 喷支护的采用和新奥法的实施，使得有必要在隧道开挖过程中及时对围岩变形进行监控 量测，通过这种监控量测对围岩的稳定性做出判断，并且使客观的评价支护与围岩的状 态和合理地设计成为可能，从而使围岩受力状态达到平衡与稳定。但由于围岩条件的复 杂性、施工操作的不一致性、支护结构及标准的不均衡性，以及支护构筑时间的差异性 等，使得目前要用某些力学林伦来解决这种非线性的多因素关系的实际问题尚存在相当 大的困难。基于这种情况，对于现场监测，目自订多从隧道开挖内净空变位量测入手，结 合现场j i ：程地质状况、开挖施工条件以及支护的工作状态等的考察柬研究隧道围岩的变 形规律及其与隧道施工、支护类型的关系，找i l 围岩变形速率0 稳定性的关系、变速率 与j l ：挖面距离的关系、开挖时间与稳定时f 日j 的父系，并预测围7 最终稳定h , t f j 以及坠重 变化量的判断准则等。因此，新奥法的理论尚待进一步完善。 2 长安大学硕十学位论文 近年来，我国相继颁布实施的有关地下工程设计和施工的规程和规范都对监测做了 具体规定，监测是地下工程施工中必不可少的组成部分。地层力学参数的不确定性及施 工过程的不可预见性，使地下工程设计和施工中难免出现与实际地层条件不符合的情 况，需要在施工过程中通过监测信息的反馈来修正和设计，指导施工。 2 0 世纪6 0 年代，奥地利学者和工程师总结出了以尽可能不恶化地层中的分布为前 提，在施工过程中密切监测地层及结构的变形和应力，及时优化支护参数，以便最大限 度地发挥围岩自承能力的新奥法施工技术。 2 0 世纪7 0 年代，日本的樱井春辅、意大利的g i o d a 和中国的杨志法、杨林德等， 先后提出了反分析方法的研究成果，陈子萌( 1 9 8 8 ) 提出了时间序列分析法，经过长期 的实践发现，地下工程周边位移和浅埋地下工程的地表沉降是围岩也是结构支护结 构系统力学形态最直接、最明显的反映，是可以监测并控制的，因此普遍认为地下工程 周边位移和浅埋地下工程的地表沉降监测最有价值，即可全面了解地下工程施工过程中 的围岩与结构及地层的动态，又具有容易观测，可控制的特点，并较易于通过工程类比 总结经验，建立稳定判别标准。基于以上认识，我国现行规范中的围岩与结构稳定性的 判据都是以周边允许收敛速度等形式给出的，作为评价施工、判断地下工程稳定性的主 要依据。 1 2 3 目前国内监控量测存在的问题 1 隧道设计、施工与监控量测很难做到有机结合比 我国隧道施工规范规定：采用复合式衬砌的隧道，施工、设计单位必须紧密配合隧 道监控量测，共同研究，分析各项量测数据，确认或修改支护参数。但在实际隧道施工 中，由于各种原因的存在，隧道监控量测数据却很少的被应用于修改支护参数，甚至一 些隧道的施工中少作或不作监控量测。 2 ，测试手段和测试仪器有待提高 测试手段和测试方法更新过慢，以位移量测为例，目前大多数情况下仍然采用水准 仪+ 塔尺的方法进行拱顶下沉量测，虽然长安大学吕康成教授早在2 0 0 2 年就发明了隧道 位移实时监控系统，但这组仪器在- j ：程灾际中的普及牢仍然很低；其次，前面提到的其它 量测仪器、器械的精度较低、自动化稃艘低、环境适应能力差、可操作性不强等问题， 一些传感器在埋入地下之后动辄 现数抓紊乱等质量i u j 题。 3 数掘处理技术有待提高 第一章绪论 以洞内位移量测为例，目前大部分隧道施工监测的数据处理在e x c e l 里进行，大家 一般用该软件自带的曲线回归函数进行回归，北方交通大学等国内科研院校也有采用 o r i g i n 软件进行回归分析的，这些回归分析方法在有足够数据的情况下，回归结果相当 精确，然而，由于采集数据周期过长，对现实的施工指导意义不大。现实工程施工中， 还有不进行数据的回归分析，单纯根据位移值的大小，根据以往的工程经验，判断围岩 支护结构是否安全、经济的。这种方法需要丰富的工程经验，没有牢固的理论依据，可 靠度不高。 4 对一些特殊地质情况的隧道施工监测办法不多 特殊地质情况主要是指塌方、涌水等，这些地段进行施工监测有很大的局限性：一 方面在这些情况下进行施工监测安全无法得到保障，另一方面由于塌方、涌水等原因造 成的围岩应力变化很难预测，而普通的现场监测不能做到实时监控。最终导致工程抢险 过程中无法进行监控量测或者是治理过后才能进行量测。 1 3 本文研究的主要内容 本文结合理论分析和现场监控量测，对隧道新奥法施工量测技术做了详细的阐述， 并对量测数据处理方法做了一些探索性研究。论文主要包括以下部分： 1 本文在前人研究成果的基础上，研究了隧道围岩开挖和支护结构作用机理，超 前支护、初期支护和二次衬砌与围岩稳定性的关系； 2 从动态施工理念出发，详细阐述了隧道信息化施工方法，监控量测原理以及量 测数据分析处理的方法： 一 + 3 鹰嘴山隧道具有复杂的工程环境，考虑工程各种不利因素确定施工方法。通过 洞内状态观察、超前地质预报和隧道周边位移量测来保证围岩和支护结构的稳定性。 4 长安大学硕士学位论文 第二章隧道围岩与支护结构力学特性分析 2 1 基本概念 隧道工程的一个重要的力学特征是在有一定的应力历史和应力场的岩体中 修建的。 洞室开挖前，地层处于静止平衡状态，这种平衡状态是由于岩体的自重和地 质构造作用，在经历了漫长的应力历史逐步构造而成的。通常我们把由于岩体自 重和漫长的地质构造作用逐步形成的，在洞室开挖之前就已经存在着的处于相对 稳定和平衡状态中的应力场称为初始应力场或原岩应力场。 洞室开挖后，由于围岩在开挖面处解除了约束，破坏了这种平衡，洞内各点 的应力状态发生了变化，其结果引起洞室周围各点的位移，从而适应应力的这种 变化而达到新的平衡，这种现象叫做应力重分布。但这种应力重分布仅限于隧道 周围一定范围内的岩体，而在此范围以外仍保持在初始应力状态。通常我们把洞 室周围发生应力重分布的这部分岩体叫做围岩，而把重新分布后的应力状态叫做 二次应力状态或围岩应力状态。 在重新分布的应力作用下，一定范围内的围岩产生位移，形成松弛，与此同 时也会使围岩的物理力学性质恶化，在这种条件下坑道围岩将在薄弱处产生局部 破坏，在局部破坏的基础上造成整个坑道的崩塌。这一过程反映了坑道从开挖后 到其破坏的一般力学动态。这种应力的变化过程，以及洞室周围岩体的破坏过程 和破坏现象其主要的影响因素是围岩初始应力场的分布形态和岩性特征，其次 受到隧道的跨度和施工过程( 爆破、非爆破、全断面开挖、分部开挖) 等因 素的影响。 由于二次应力状态的作用，使围岩发生向洞内的位移。这种位移我们称之为 收敛。若岩体强度高，整体性好，断面形状有利，岩体的变形到一定程度就将自 行终止，围岩是稳定的。反之，岩体的变形将自由地发展下去最终导致隧道围 岩整体失稳而破坏。在这种情况下，应在丌挖后适时地沿隧道周边设置支护结构， 对岩体的移动产生阻力，形成约束。相j 虹地，支护结构也将承受i 訇7 所给予的作 用力，并产牛变形。支护结构变形后所能提供的阻力会有所增加，i f i i t ：l 岩却红变 形过狂l 1 释放了部分能奄，进一。步变形的趋势有所减弱，需要支护结构提供的阻 5 第二章隧道围岩与支护结构力学特性分析 力以及支护结构所承受的作用力都将降低。如果支护结构有一定的强度和刚度， 这种围岩和支护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与围岩作用力 之间达到平衡为止，从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系，这就是三次应力 状态，也是围岩与支护结构相互作用的过程。 显然。这种应力状态与支护结构的类型、施设的方法及时间等因素有关。假 定在开挖隧道的同时支护结构立即架设，并发挥作用。在支护结构具有极大刚 度的情况下，围岩可以一点也不产生变形但支护结构必须将围岩保持在原有的 初始应力状态，因而支护结构所受到的作用力也必然等于围岩中初始应力所形成 的全部压力。反之，支护结构架设得太迟，或它的刚度过小，都将会引起围岩松 弛，自承能力下降，造成如上所述的岩性恶化、局部坍塌或破坏等现象，所需的 支护阻力或支护结构需要承受的作用力又将增大。所以说，要经济合理地设计支 护结构，必须研究围岩的收敛与支护结构的约束相互作用而达到平衡的作用机 理。 三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构。这样，这个力 学过程才告结束。然而，支护结构设置得是否经济合理，也就是说它的结构形式、 断面尺寸、施工方法和施工时间选择得是否恰到好处，则要根据设置支护结构后 所改变的围岩应力状态和支护结构的应力状态、以及两者的变形情况来判断。 2 2 围岩与支护结构的相互作用 2 2 1 1 围岩的支护需求曲线 通常，我们把围岩变形特征曲线称为围岩收敛曲线。 ( 1 ) 弹性收敛方程 洞壁位移收敛曲线如图2 1 所示，它只适用于围岩处于弹性的状态。 ( 2 ) 弹塑性收敛曲线 不考虑塑性区体积扩容的方程 一般都采用修正的芬纳公式。 由于塑性区c 、缈值是变化的，代以不同的c 、妒值就可得到不同的收敛线。 通常采用平均的f 、妒值来确定收敛线( 图2 1 ) 。 6 长安大学硕士学位论文 1 一弹性线；2 一修正芬纳线；3 一考虑扩容的弹塑性线 图2 - 1围岩弹塑性收敛曲线 考虑体积扩容的收敛曲线方程 肾坠2 g 坐| 虹p 型p 弘2 袱见训( 2 1 ) 。 la + c c o t a pi 2 g 、 。7 、。“7 式中，m 弹塑性边界上应力差，m = q - g = 2 吒s i n 缈+ 2 c c o sr p ； g 一酷脯磁萤乳赢。 其余的符号同前。 也可采用引入一个塑性区体积扩容系数以来求解洞壁位移( 刀表示塑性区体 积变化的百分率) 。按疗的定义，可导出下式 堕陋竺捌 蔷( 2 - 2 a ) 龟4 g 【p o + c c o t r pj + 孚 号篇笋产 p 2 b ， tj 一般可取n - 0 1 加5 。 2 2 2 支护结构的补给曲线( 支护特性曲线) 以上所述是隧道围岩与支护结构共同作用的一个方面，即围岩对支护的需求 情况。现在分析它的另一个方面，即支护结构可以提供的约束能力。任何一种支 护结构，如钢拱支撑、锚杆、喷射混凝土层、模板灌注混凝士衬砌等，只要有一 定的刚度，并和l 玛岩紧密接触，总能对围岩变形提供一定的约束力，即支护附i 力。 但由于每一种支护形式都有自己的结构特点，因而可能提供的支护阻力大小与分 和，以及它随支护变形i j 增加的情况都有很大的不同，是比较复杂的。因为它4 i 仪仪决定于支护结构本身的构造，而且与周围岩体的接触条件以及在施工中出现 7 第二章隧道围岩与支护结构力学特性分析 的各种变异有关。因此，目前在评价支护结构的支护阻力特性时，原则上都假定 其他条件是相同的、不变的( o n 紧密接触、压力分布均匀、径向分布等) ，只研究 支护因结构不同而产生的力学效应。 现以圆形隧道为研究对象，并假定围岩给支护结构的反力也是径向均布的。 因此，这是一个轴对称问题。相对于围岩的力学特性而言，混凝土衬砌或钢支撑 的力学特性可以认为是线弹性的。 在一般情况下，支护结构的力学特性可表达为 p = 厂( k ) ( 2 3 ) 式中的k 为支护阻力p 与其位移u 的比值，称之为支护结构的刚度，即 k ：宰( 2 4 ) a f u 基于上述概念，可把各种支护结构的力学特性用所谓的支护结构特性曲线来 表示。 支护特性曲线，是指作用在支护上的荷载与支护变形的关系曲线，支护结构 所能提供的支护阻力随着支护结构的刚度而增大，所以这条曲线也称为“支护补 给曲线”。支护结构的刚度和支护与围岩的接触状态有关。例如钢支撑本身抵 抗变形能力很大，但当支撑上设有木垫块时，其对岩体变形的约束则可能主要决 定于木垫块。在不考虑支护结构与围岩的接触状态对支护结构刚度的影响时，可 以认为作用在支护结构上的径向压力a 和它的径向位移成正比，由下式决定： 。 只“等 ( 2 - 5 ) 式中开挖坑道的半径。 因为这里只考虑径向匀布压力，所以k 中只包含支护结构受压( 拉) 刚度。若 隧道周边的收敛不均匀，则支护结构的弯曲刚度就成为主要的了。 如图2 2 所示，通常，支护结构都是在隧道围岩已经h ；现一定量值的收敛变 形后才施设的，若用表示这个初始径向位移，则 g l r o 硼+ 警( 2 - 6 ) 刚时，也应将支护补给曲线的起始点移至( 0 ，“。) g k 。 8 长安大学硕士学位论文 式( 2 6 ) 一直应用到达到支护结构强度为止。在喷混凝土支护、楔点钢支撑或 灌浆锚杆或锚栓等情况下，都假定达到这一点时支护体系发生破坏，而且在常支 护阻力下，会进一步出现图2 - 2 所示的变形。最大支护阻力用见嘛表示，对应 的最大位移为“龟隅。 不同的支护结构形式有不同的支护刚度，分别讨论如下。 ( 1 ) 混凝土或喷混凝土的支护特性曲线 图2 - 2 支护结构特性曲线的物理概念图2 3 封闭圆环衬砌 当喷层厚度吐较小时( 以o 0 4 ) ，可采用薄壁圆筒( 图2 - 3 ) f f 剃，即 k 2 耦 p 7 ， 可提供的最大支护阻力见一为 儿一：譬( 2 - 8 ) 式中 巨、混凝土或喷混凝土的弹性模量和抗压强度。 当d 。 0 0 4 r o 时，应按厚壁圆筒公式计算。 ( 2 ) 灌浆锚杆的特性曲线 灌桨锚杆的支护特性曲线是比较复杂的，它对围岩变形的约束能力是通过锚 杆与胶结材料之间的剪应力来传递的，所以，围岩在向隧道内变形的过程中锚 杆始终受拉( 图4 4 ) 。同时，锚杆所能提供的约束力必然与灌浆的质量有关。因 此，目前评价锚杆力学特征需通过 迕拔试验得到的拉拔荷载与位移的关系来确 定。这种关系常常表现是非线性的，它表明拉拔荷载与锚杆本身的强度、直径、 长度以及使岩j j 锚杆胶结在一起的材料( 砂浆或树脂) 的强度等有关。在无试验 的条件f ，可以经验地用图2 2 表示的物理概念表达灌浆锚卡1 的支护刚度。孑f 假 定锚杆的粘结力是沿隧道周边非均匀分布( 图2 4 ) ，且其破坏形式足胶结材料与 9 第二章隧道围岩与支护结构力学特性分析 孔壁脱离时 儿眦= 万吃机 ( 2 - 9 ) 式中，f 一胶结材料与孔壁围岩的单位粘结力，其值与围岩强度、胶结材料的性 质、施工质量等有关一般情况砂浆与石灰岩的粘结力约为1 5 2 0m p a ，与页 岩的胶结力约为1 o 1 2 m p a ： 吐锚杆孔直径； 朋。工作条件系数，取o 7 5 , - - 0 9 0 。 这样，灌浆锚杆的刚度 心= 芒= 簪矗聊y p 坳 式中 毛一锚杆的弹性摸量； 卜一锚杆的长度； 吃一锚杆的直径； e 、瓯一锚杆的布置参数。 其余符号同前。 由公式( 2 1 0 ) 可见，在锚杆直径一定的情况下，锚杆长度增加时，锚杆的刚 度和锚杆所提供的支护阻力反而减小，这是不合理的。 不同类型锚杆的支护刚度的表达式不同，不同的破坏形态时锚杆的最大承载 力也不同。 ： 一 总的说来，由计算得出锚杆所提供的支护阻力较小，而支护实践却一再说明 锚杆支护的巨大效果。因此i 这个问题尚需进一步研究。 ( 3 ) 组合支护体系的特性 当2 种支护体系，例如锚杆和喷混凝土联合成为1 个支护体系且同时施设， 可假定组合支护体系的刚度等于每个组成部分刚度的总和。即 k k l + 心 ( 2 11 ) 式中 k 第一系统的刚度； k ，第二系统的刚度。 此时，组合支护所提供的支护阻力也是内者之和。若不是同时架设的有另外 的计算公式。 l o 长安大学硕士学位论文 在已知支护结构的刚度后，根据式( 2 5 ) 且l j 可画出支护结构提供的支护阻力和 它的径向位移的关系曲线。假设= 5 0 m 、e = 2 4 g p a 、f 。= 4 0 m p a 、吐- 0 2 m 、 毛- 2 1 1 0 5 m p a 、= & = 1 0 m 、1 = 3 o m 、以= 2 2 m m ，按公式( 2 7 ) 、( 2 1 0 ) 和式 ( 2 一1 1 ) 绘出的各类支护结构的见一u 龟t o 如图2 - 5 。该图表示，支护结构所能提供的 支护阻力随支护结构的刚度而增大。所以，这条曲线又称为“支护补给曲线”， 或称为“支护特征曲线”。 通常，支护结构都是在隧道围岩已经出现一定量值的收敛变形后才施设的。 若用表示初始位移，则支护结构的支护阻力与径向位移”0 的关系可写成： 一- 丝一 l 磊蕊沁 坠手一，一 铸轩 广一一= 一j ， ，f 。- 一 f ： 一 c 一锚杆支护曲线；、卜_ 喷混凝土支护曲线：卜组合结构支护曲线 图2 - 4 灌浆锚杆轴力、剪应力及位移分布图2 5 围岩与支护结构的相互作用 五二划 ( 2 1 2 ) 厂。 同时，也应将支护补给曲线的起点移到( 0 ，u o ) 处。 2 2 3 围岩与支护结构准静力平衡状态的建立 有了围岩的支护需求曲线和支护结构的支护补给曲线，我们就可以进步来 分析隧道围岩和支护结构如何在相互作用的过程中达到平衡状态( 图2 5 ) 的。初 期( 图中的a 点) ，围岩所需的支护约束力很大，而一般支护结构所能供给的则很 小。因此，围岩继续变形，并在变形过程中与支护结构的支护补给曲线相交予一 点，从而达到平衡，这个交点都j 递在岩的或支护结构的“。毅之前。随着时 间的推移，地下水位逐渐恢复，围岩物性指标劣化，锚杆锈蚀等，这个平衡状态 还将调整。 第二章隧道围岩与支护结构力学特性分析 支护结构特性曲线与围岩支护需求曲线交点处的横坐标为形成平衡体系时 洞周发生的位移。交点纵坐标以下的部分为支护结构上承受的荷载，以上的部分 由围岩来承担。 下面对图2 5 进行分析。 ( 1 ) 不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的见和“是不同的 刚度大的支护结构承受较大的围岩作用力( 压力) ；反之，柔性较好的支护结 构所承受的围岩压力要小很多。所以，我们在工程中强调采用柔性支护以节约成 本，但它也应有必要的刚度，以便有效地控制围岩变形，而达到稳定。图中，锚 杆的支护补给曲线没有能和围岩的支护需求曲线相交，说明了锚杆的刚度太 小，它所能提供的约束阻力满足不了围岩稳定的需要，这种供不应求的状况最终 将导致围岩失稳。当然，增加支护结构的刚度并不总是意味着要增加支护结构的 尺寸和数量，重要的是支护结构及早地形成闭合断面。 ( 2 ) 同样刚度的支护结构，架设的时间不同，最后达成平衡的状态也不同 如图中曲线和。支护结构架设得越早，它所承受的围岩压力就越大。但 这不等于说支护结构参与相互作用的时间愈迟愈好。因为初始变形不加控制会导 致围岩迅速松弛而崩坍。因此，原则上要尽早地架设初次支护，以控制围岩的初 始变形在适当的范围内。当然，这个范围的大小视岩体的特性和埋置深度而变。 例如埋置较深的塑性岩体，即使变形已达到o 2 o 3 m ，岩体还在应力释放过程中， 此时只要求能够逐步控制它的变形速度就可以了。过早地架设刚度较大的支护， 反而有可能因受力过大而破坏。 一“ 然而塑性区的存在并不意味着洞室失稳、破坏，在洞室是稳定的前提下，适 当推迟支护使洞周塑性区有一定发展，以充分发挥围岩的自承能力，减少支护能 力，从而减薄支护厚度达到既保证洞室稳定性又降低工程造价的目的。但围岩 塑性区的发展切忌进入松动破坏，一旦围岩出现松动破坏，围岩压力将大大增加， 并有可能危及洞室稳定。 2 3 支护结构与围岩稳定性的协调关系 隧道的支护体系是 嗍岩、初期支护、二次衬砌构成的，在某些条件下( 如 软岩中) 还包括超前支护在内。其中初期支护有：喷混凝土、锚杆和钢支撑或格 栅。根据围岩条件的不同，选取4 ij i 司的支护形式和方法。在软岩条件下，需要超 1 2 长安大学硕+ 学位论文 前支护保证开挖的稳定，需要锚杆和注浆来加固围岩，需要足够强度的衬砌来稳 定洞室，各个方面一起来维持围岩的稳定性。 2 3 1 超前支护与稳定性的关系 超前支护是开挖前预先构筑的支护体系，即我们通常所说的先支后挖的支护 技术。根据不同的形状，不同的材料，不同的施工方法，可以在极为广泛的范围 内使用。超前支护一般用来稳定掌子面和控制地层下沉，它呈拱形薄壳结构，不 仅沿隧道纵向具有梁结构的作用，在横断面方向还具有拱形结构支护效果。 超前支护由于构筑方法的不同，有的是以横向刚性大的拱形结构为主，有的 是以纵向连续性强的梁结构为主，也有两者兼并的。其分类见表2 1 表2 1 超前支护方法分类 超前支护的分类 预计的功能 混凝十拱壳方式隧道横向刚度大( 拱结构) 水平喷射注浆方式 隧道纵向刚度大( 梁结构) 长钢管注浆方式 混凝土拱壳方式是开挖前沿掌子面的隧道外围开挖厚约1 5 5 0 c m 的拱形 槽，开挖后立即用混凝土或砂浆填充，形成一个拱形壳体。由于该方法能在隧道 横断面方向形成连续的刚性大的拱形结构，故一般在一下条件下使用：土砂强 度极低的场合；埋深浅，需控制地表下沉的场合；紧接重要结构物会受到开 挖影响的场合。 水平喷射注浆方式是在开挖前于掌子面前方的隧道外周形成长约l o m 左右 的管状拱形结构体。结构体的形成，是在钻孔的同时用高压喷射搅拌水泥砂浆等 形成的，可以形成一个沿隧道横向的拱形连续的结构。但是它的横向联系不如混 凝土拱壳方式的连续性好，不过它却有很大的纵向刚度，可以使用在缺乏纵向刚 度的围岩中，如断层等。 长钢管注浆方式是开挖前在掌子面前方沿隧道外周配置长l o 1 5 m 的钢管， 以形成拱形结构。为使钢管和围岩问形成一个整体，应在其问填充水泥浆或者j e 注水泥浆和其它压注材料。 采j 1 】超前支护时，要考虑在丁l ：挖产：l i 的通常荷载上，加上约束掌子而前方的 荷载，而且在隧道的脚部都会产生比通常大的荷载。如果没有足够的支撑力，隧 道的脚部就会产乍很大的下沉，如果脚部的f 沉继续发展，就会使作用在超前支 13 第二章隧道围岩与支护结构力学特性分析 护上的荷载平衡崩溃，从而损害了隧道的稳定性。这样就事与愿违了，所以一定 要确保脚部的承载力，必要时要进行加强。 综合来看，超前支护对控制洞室围岩稳定有很大的作用，特别是在开挖初期。 超前支护中，隧道横断面方向的连续性是主要的结构，对约束前方围岩位移的效 果是很大的。在隧道纵向连续性为主的工程中，拱效果很小，会产生一点下沉。 但因可能施工的长度较大，同时可采用高强度钢材，对防止掌子面崩塌是有效的。 2 3 2 初期支护与围岩稳定性的关系 初期支护的主要作用就在于协调围岩变形，要么控制改善围岩，提高围岩的 承载能力；要么限制围岩变形，控制围岩塑性区的扩大。最终要是围岩与支护结 构协调成为一个整体，共同承载。初期支护包括喷混凝土、锚杆、钢架和格栅等， 下表就是初期支护的具体作用。 表2 2 围岩与初期支护 围岩支护的目的主要的初期支护 弹性位移收敛的防止围岩风化；喷混凝土； 良好的围岩饰面；砂浆； 有少许掉块松弛的支持可能掉落岩块的重量；喷混凝士； 围岩 阻止岩块滑移； 局部锚杆； 产生较大松弛和一控制围岩松弛；喷混凝土： 部分塑性化的围岩形成内压，提供支护阻力；系统锚杆； 控制塑性区的发展：局部格栅； 提高围岩的承载能力； 围岩强度不足产生形成内压，提供强大的支护阻力；喷混凝土； 形变土压的围岩控制塑性区的扩大；系统锚杆； 提高围岩的承载能力； 系统钢支撑或格栅 1 喷混凝土 随着新奥法在世界上的普及，喷混凝土在隧道中的地位和作用己众所周知。 它直接摔制围岩的松弛，用其强度抵抗发生位移的围岩，通过围岩的糕结把轴力 传递到h 司岩。这说明喷混凝土在直接防止围岩松弛的增大和不稳定岩块掉落的同 时，给予围岩内，k ，使围彳成为一体。除了衬砌以外，喷混凝土与其他支护手段 牛h 比，是内压力最高的支护方式。 1 4 长安大学硕j j 学位论文 在隧道开挖后，需要喷混凝土尽早地提供支护强度，因此它需要早强。喷混 凝土与围岩表面是密封的，这一点与其他支护不同，是一个重要特征，也是喷混 凝土发挥作用的关键。此外，喷混凝土还可以把压力传递到锚杆和钢支撑上，反 过来看，喷混凝土也可以提高锚杆和钢支撑的支护效果。因此，在支护组成上， 任何情况下都不能缺少喷混凝土。 能充分发挥效用的喷混凝土，必须要达到一下几点要求：对作用荷载有足 够的强度；具有足够的早期强度；与围岩充分粘附、填充和密实；确保开 挖面平滑；耐久性好。在达到了这些要求之后，喷混凝土就能很好地控制围岩 压力的释放和围岩的变形。 2 锚杆 锚杆是唯一从内部补强围岩的手段。它可以提高裂隙围岩的抗剪强度，也可 以改善围岩的物性指标，更可以将一些不连续的岩块联系在一起。在硬岩中，锚 杆能确保岩块的咬合，抑制不稳定岩块的崩落，控制沿裂隙的位移等，从而确保 松弛围岩的一体化。在软岩中，开挖引起围岩强度降低，松弛范围增大。锚杆可 以一边追随围岩的变形，一边约束围岩防止其崩落，确保围岩的一体化。 锚杆的作用机理也随着锚杆支护的发展而不断深入，目前已能较完满地解释 锚杆对围岩的稳定功能，如锚固在层状顶板中的锚杆具有将“叠合梁”转化为“组 合梁 的功能，软弱围岩中锚杆的“压缩拱 功能等，但尚存在诸如锚固力对围 岩成梁、成拱的作用，梁与拱自身的承载力等难题。锚杆的锚固作用体现为径向 合切向锚固力的作用。径向锚固力与普通框式支护所提供的支护力相似，都是对 围岩施加围压，将围岩由单向、双向受力状态转化为双向、三向受力状态，提高 围岩稳定性。锚杆贯串围岩中的弱面，切向锚固力改善弱面的力学性质，从而改 善了围岩的力学性质。因此，锚杆是兼有支护和加固两种作用的较完美的支护形 式。径向锚固力主要起着支护作用，切向锚固力主要起着加固的作用。 锚杆与围岩的相互作用是通过锚同力来发生的，其特点如图2 6 所示：1 为 无支护洞室围岩压力与位移关系曲线：2 为由于切向锚固力的作用，使围岩得到 加嗣后的围岩压力与位移关系曲线：3 为锚杆径向锚阎力与圈岩位移关系曲线； 2 为径向锚固力丧失后，仅切向锚同力作用时的围岩j k 力亏位移关系曲线；u 为 锚杆安设之前的围岩变形量；b 为锚l l f 4 削岩的平衡点；s 为围岩松动坍塌点；只 1 5 第二章隧道围岩与支护结构力学特性分析 为围岩压力；只为支护力；u 为围岩变形量；最为原岩应力。锚杆的支护和加 固作用分别由曲线2 、3 表达。2 是切向锚固力的作用曲线，切向锚固力对围岩 性质的加固作用只有在围岩受载变形时才出现。3 是径向锚固力的作用曲线，它 随围岩变形而逐渐增大，最终与曲线2 相交与占点，这时锚固围岩便达到平衡。 若径向锚固力未达到b 点就丧失，那么曲线2 就转变为曲线2 ，可能在s 点围岩 失稳，或在曰点稳定。曲线l 与曲线2 在a 点分离，在a 点前未安设锚杆，a 点 后锚杆的切向锚固力随围岩的变形而逐渐发挥作用。 色 f 山 o 图2 6 锚杆与围岩的关系曲线 2 3 3 二次衬砌与围岩稳定性的关系 二次衬砌是拱部、边墙及仰拱的总称。它是基于这样的目的而设置的：考 虑围岩的不均匀性、支护材料质量的离散、锚杆的腐蚀等不确定因素，要增加作 为结构物的安全系数；考虑使用后外力的变化和材料的劣化，需要提高作为结 构物的耐久性；衬砌施工后，因土压、水压、上覆荷载等外力发生时，需要加 以支持；在隧道变形没有收敛时构筑衬砌的场合，需要给予必要的约束力让随 大稳定。因此，在一般场合下，原则上都要设置衬砌。 般说来，在二次衬砌修筑前，由于应力再分配，隧道已经稳定，因此，二 次衬砌不承受开挖所产生的t 压的作用。但在软弱围岩和不稳定的偏压地形的围 岩场合，以及要考虑附加荷载的场合，还是需要考虑上压作用的。 二次衬砌在原则j ：是在初期支护的位移收敛后设施，由于初期支护能够和围 岩形成一体，成为稳定的结构支护体，所以有时候在构筑的初期，它并不承受压 力。根据初期支护的应力状态，来判断二次衬砌需要的功能，也就是说，二次衬 1 6 长安人学硕士学位论文 砌在构造上是以提高初期支护的安全性为目的的。一般而言二次衬砌所担当的是 一个长远的功能，在初期控制围岩稳定性方面，并不起太多的作用。但是也有例 外的情况，在下列情况下，二次衬砌对控制围岩的稳定性也起着相当的作用： 土砂围岩等埋深小，不能形成平衡拱的场合； 因地下水变动，有很大地下水压的作用，初期支护无法维持围岩的稳定的 场合； 近接其他结构物施工，有荷载作用的场合，这种情况下是几乎不允许围岩 有多大变形的。 地形有偏压作用的场合； 膨胀性围岩、塑性变形大、初期支护位移不收敛，不得不用衬砌来抵抗土 压的场合。这种情况下围压的变形很大，形变压力难以抵御，故在适当的条件下 ( 就是二衬提供的支护阻力能限制围岩的形变压力) ，需早做二次衬砌来维持围 岩的稳定。本文所研究的色尔古水电站引水隧道就属这种情况； 初期支护位移收敛，可以确保周边围岩稳定，但是初期支护的承载力接近 极限的场合。这种情况下，初期支护是不安全的，一旦有外力的变动，便会导致 失稳和坍方。所以需要尽早构筑二次衬砌来承担围岩的压力。 2 4 本章小结 本章首先概要叙述了隧道开挖支护时围岩的应力分布变化过程。 接着本章从围岩的支护需求曲线和支护结构的支护补给曲线来分析隧道围 岩和支护结构如何在相互作用的过程中达到平衡状态。 最后本章重点分析了各种支护结构与围岩稳定性的协调关系。超前支护对 控制洞室围岩稳定有很大的作用，它既可以稳定掌子面，又可以帮助开挖出去较 差的围岩，控制地层下沉，有些在丌挖之后还可以继续作为初期支护的一部分而 被充分利用。初期支护的主要作用就在于控制和协调围岩变形，其中又以锚杆 和注浆显得尤为重要，它们可以直接改善围岩力学性质，增强其抵抗变形的能力。 喷混凝土几乎是所有隧道的必选，它直接控制围岩的松弛，用其强度抵抗发生位 移的围岩，通过【翻岩的粘结把轴力传递剑阐岩，使【嗣岩成为一体。二衬一般都 是隧道维持长久稳定的最终保障，仃时在较蔗等级隧道叶1 ，它也常被提前施做， 分担一部分初期支护所无法完成的仟务。 17 第三章隧道施工控制量测技术 第三章隧道施工控制量测技术 3 1 隧道监控量测的目的及意义 早期的隧道与地下工程的建设完全依赖于经验，1 9 世纪初才逐渐形成自己 的理论，开始用于指导隧道与地下结构物的设计与施工，但由于理论的理想化， 使得理论上的结构模型和计算方法不可能与现场完全相吻合。于是在重大或长大 隧道中，及时掌握现场的第一手资料，然后进行动态分析，也就成了施工控制的 重骂项目之一! 在隧道与地下工程中己成为一个不可缺少的组成部分，因此施工 现场量测项目就显出其重要地位了。特别是随着新奥法在地下工程中的推广与普 及，量测地位更显得关键。 在隧道开挖的过程中，可以使用各种类型的仪表和工具，对围岩和支护系统 的力学行为以及它们之间的力学关系进行量测。这类量测常被称为“现场量测 ， 亦称“原位观测” 地面结构工程的修建一般采用较单纯的“调查一设计一施工”流程。设计的 主要手段是从“荷载一结构物 模型出发进行力学计算。由于围岩具有非均质、 不连续等特性，并受施工方法、地应力、岩体结构等多种因素的影响，使岩体变 形具有明显的突变性、时空性及非线性，而且支护系统与围岩之间呈现着错综复 杂的关系，这种复杂的力学关系可以总结为以下两个特点： ( 1 ) 隧道与地下工程如果作为一种工程结构物看待，它的受力特点和地面 工程有很大的不同。由于隧道与地下工程是处于千变万化的岩体之中，其所受外 力是不明确的。讫今为止，国内外学术界和工程界对外荷体系的分布和量值还处 于研究阶段，这就决定了隧道与地下工程设计是建立在若干假定条件下进行的。 ( 2 ) 隧道与地下工程的成形过程，自始至终都存在着受力状态变化这一特 性。换言之，隧道从开挖起，一直到受力平衡和体系稳定，或者到结构受损，围 岩内部结构一直在变动，支护和衬砌的内力和外形也在变动之中。 所以这种关系并不总是能用“荷载一结构物”这样的力学模型加以概括。特 别足在采用与围岩紧密结合的锚喷支护，按照新奥法原则修建隧道，这种模型显 然一i 能正确地描述围岩与支护系统之间的相吒关系。国际隧协( i t a ) 隧道结构设 计模型工作组所归纳的“荷载一反力”、“连续体”、“收敛一约束”三种设计计算 1 8 长安大学硕士学位论文 模型都有一定的局限性和特定的适用条件。 对于隧道工程，要想如同地面工程结构那样，主要通过力学计算来进行设计 是困难的。在很多情况下，要确定采取哪一种模型较为合适并不容易。一旦计算 模型得以确定，计算所需的各项信息( 例如岩体本构关系及特征参数、初始地应 力、支护特征参数