（岩土工程专业论文）沪—瑞高速公路安龙铺隧道开挖过程动态数值模拟分析.pdf

摘要 隧道和地下工程的开挖过程是一个在时间和空间上不断变化的过程，是一个 动态过程。对开挖过程进行力学行为的数值模拟和分析，对下一步施工对象的稳 定性进行预测和预报在工程中是非常必要的，也一直是科技工作者探索的重要课 题。 本文以沪瑞国道主干线( 贵州境) 镇宁一胜境关高速公路安龙铺隧道为工程 背景，在查阅与分析了国内外有关隧道技术资料的基础上，通过地质勘察确定了 隧道围岩的类剐及一些必要的物理参数，利用a n s y s 8 o 有限元分析程序，对隧道 围岩稳定性影响较大的开挖方式：上断面超前开挖法和中壁c r d 开挖法进行数值 模拟，对开挖过程中隧道围岩应力场和位移场进行分析研究。结果显示两种篪工 方法对围岩的扰动和初期支护承受荷载属于同一数量级，各项评价指标的数值相 差不大。对于地质条件较好的地段，建议采用上半断面超前法，以减小扰动次数， 提高工效。松散岩体中，建议采用中壁c r d 法，分次开挖以减小扰动强度。论文 建立的模型及分析方法可以为其它隧道的结构设计和工程施工提供参考。 关键词：安龙铺隧道、开挖与支护、围岩稳定性、a n s y s 、数值模拟 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no ft h et u n n e la n dt h eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gi sa d y n a m i cp r o c e s s ，w h i c hi sc o n t i n u o u s l yc h a n g i n gi nt i m ea n ds p a c e i ti s e s s e n t i a lt oa n t i c i p a t ea n df o r e c a s tt h es t a b i l i t yo ft h en e x tc o n s t r u c t i o n o b j e c ti nt h ep r o c e s so ft h ec o n s t r u c t i o n i ti sa l s oa ni m p o r t a n tq u e s t i o n t ot e c h n o l o g i c a la n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h e rf o ra l lt i m e s b a s e do nt h ea n l o n g p ut u n n e le n g i n e e r i n go ft h eh u r u in a t i o n a l h i g h w a yt r u n k - l i n ei ng u i z h o up r o v i n c ez h e n n i n gt os h e n g i i n g g u a n h i g h w a y ，t h et h e s i sc o n s u l t e dw i t ht e c h n i c a lt u n n e l sd a t aa n da n a l y z e d s o m et u n n e l sa b r o a d o nt h ef o u n d a t i o no ft h ea b o v e m e n t i o n e d ，t h i s t h e s i sh a sd e f i n e ds o m ee s s e n t i a lp h y s i c sp a r a m e t e r sa n dc l a s s i f i c a t i o no f s u r r o u n d i n gr o c ko ft u n n e l t h ep a p e r s i m u l a t e st h et w od i g g i n g m e t h o d s ( s t e pe x c a v a t i o na n dc r de x c a v a t i o n ) t h a ta f f e c tt h et u n n e l s t a b i l i t yb yu s i n ga n y s y s 8 0f ；m i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n da n a l y s e st h e t u n n e lr o c ks t r e s sf i e l da n dd i s p l a c e m e n tf i e l di nt h ep r o c e s so f d i g g i n g t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea d j a c e n tr o c k s p e r t u r b a t i o nm o t i o na n dt h e l o a d si n i t i a ls u p p o r t e db e l o n gt ot h ei d e n t i c a lm a g n i t u d ea n dt h e r ew a s n o ts om u c hd i f f e r e n c ei nb o t ht w od i g g i n gm e t h o d s i ft h eg e o l o g i c a l c o n d i t i o ni sb e t t e r , is u g g e s tt h a tw es h o u l du s et h es t e pm e t h o d ，o rw ec a l l a d o p tt h ec r de x c a v a t i o nm e t h o d t h em o d e la n dt h ea n a l y s e sm e t h o d t h a tt h ep a p e rs e t su pc a np r o v i d ear e f e r e n c ef o r t h es t r u c t u r ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o no fo t h e rg e o l o g i c a lc o n d i t i o nt u n n e l s k e yw o r d s ：a n l o n g p ut u n n e l ，e x c a v a t i o na n ds u p p o r t ，t h es t a b i l i t y o f a d j a c e n tr o c k , a n s y s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 第一章绪论 1 1 引言 隧道一地下人工建筑，是人类社会发展的产物，人类智慧的结晶。最早的 人工坑道可以追溯到古代战争时代，作为转移通道，庇护场所和引水设施等。在 近代，人工坑道被广泛应用于探矿、交通、水利及军事设施等广大领域，随着现 代交通的不断发展，隧道在交通中的地位和重要性不断提高。用于交通运输的隧 道几乎遍及各大城市及山区，青函海底隧道及英法海底隧道的修建，更是人类隧 道建设史上的伟大创举。 隧道工程经常穿越各种复杂地质条件地带，软弱围岩是隧道常见的穿越区， 在工程施工和设计中，由于对隧道软弱围岩稳定性研究的不足，常常影响工程施 工进度和施工安全，造成工程隐患，甚至酿成工程事故，所以软弱围岩隧道稳定 性研究成为越来越多的学者关注的课题，以便于在隧道工程施工及设计中采用最 优的施工方案、选择合理的初期支护和最终的隧道结构支护形式。现将隧道围岩 及支护稳定研究的现状、研究方法、存在的问题及本论文研究的内容归纳如下。 1 2 隧道围岩及支护稳定性分析的研究现状 2 0 世纪初发展起来的以h a i m 和r a l l k i n e 等人为代表的古典地压理论认为，作 用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量。但是随着开挖深度的增加，人们发 现古典地压理论在许多方面都有不符合实际的地方，于是坍落拱理论应运而生， 其代表人物有t 蚴g h i 等人，坍落拱理论认为：坍落拱的高度与地下工程的跨度和 围岩性质有关。2 0 世纪5 0 年代以来，人们开始用弹塑性理论来解决隧道支护问题， 其中最著名的是f e r m e r 公式和k a s t e r 公式进入2 0 世纪6 0 年代，奥地利工程师l v r ab c e w i c z 在总结前人经验的基础上提出了一种新的隧道设计施工的方法，称为 新奥地利隧道施工方法( n e wa u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ) ，简称新奥法( n a t m ) a 1 9 7 8 年，隧道建造大师l e o p o l dm u l l e r - s o i t o b u r g 从哲学的理论观点出发，重新描 述了新奥法，并归纳为2 2 条基本原则【i 】，被认为是新奥法的实质及理论基础， 从理论上完善了新奥法，使其在建造方式上更加通用化由于新奥法完全改变了 传统的隧道施工方法，使隧道建造产生了跳跃性的发展。经过近3 0 年的实践，新 奥法己成为当今世界上主要的隧道建造方法 2 日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论该理论认为，隧道 围岩的应变随支护结构的增加而减小，而容许应变则随支护结构的增加而增大。 因此，通过增加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在容许应变范围之内。支 护结构的设计则是在由工程测量结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数 后确定的。 、2 0 世纪7 0 年代，m d s a l a m o n 等人又提出了能量支护理论。该理论认为，支 护结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护 结构吸收一部分能量，但总的能量没有变化。因而主张利用支护结构的特点，使 支护自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余 能量的功能。 于学馥教授等人提出了“轴变论”理论，认为隧道坍落可以自行稳定，可以用 弹性理论进行分析。围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的，坍落改变隧 道轴比，导致应力重分布，应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并向 无拉力和均匀分布发展，直到稳定为止应力均匀分布的轴比是隧道最稳定的轴 比，其形状为椭圆形近年来他们运用系统论、热力学等理论提出开挖系统控制 理论，该理论认为：开挖扰动破坏了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功 能。 孙钧等提出的锚喷一弧板支护理论是对联合支护理论的发展，其理论要点主 要为：对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住。即采用高 标号，高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚的刚性支护形式，坚决 顶住和限制围岩向中空位移 松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是嚷硬 围岩的裸体隧道，其围岩松动圈都近乎于零，此时围岩的弹塑性变形虽然存在， 但并不需要支护，松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此支护的目 的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形 主次承载区支护理论是由方祖烈教授提出的，认为隧道开挖后，在围岩中形 成拉压域，压缩域在围岩的深部，体现了围岩的自承能力，是维护隧道稳定的主 承载区，张拉区位于隧道的周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但与主 承载区相比，只起辅助作用，故称为次承载区主次承载区的协调作用决定了隧 道的最终稳定支护对象为张拉域，支护结构和支护参数要根据主次承载区相互 作用过程中呈现的动态特征来决定，支护强度原则上要一步到位。 应力控制理论，也称为围岩弱化法、卸压法，该方法起源于前苏联，其基本 原理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应 力及能量分布，人为降低支承压力区围岩的承载能力，使支承压力向围岩内部转 移，以此来提高围岩稳定。 何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法提出的软岩工 程力学支护理论，是通过分析围岩变形力学机制，以转化复合型变形力学机制为 核心的一种新的软岩隧道支护理论它涵盖了从软岩的定义、软岩的基本属性到 软岩变形力学机制的确定、软岩支护承载的确定等内容。 目前数值计算方法的发展日趋成熟，如有限单元法、边界元法、离散元法等， 以此为基础的计算软件大量涌现，如a d i n a , n o l m ，f i n a l ，u d e c ，s a p ，f l a c 等程序都为广大用户所熟知，这些软件和一些支护理论相结合在地下工程支护中 得到广泛的应用。数值模拟研究是在计算机及试验技术不断发展的基础上而诞生 的，经过一系列发展过程，数值模拟可以对复杂岩体工程问题进行定量分析。实 际上运用数值计算及物理模型解决岩土工程问题已经为工程实践所证实，成为工 程设计稳定性分析的主要依据。目前岩土工程中应用的数值模拟方法主要有以下 几种： ( 1 ) 有限元法有限元法自2 0 世纪7 0 年代提出发展至今，已经相当成熟，是 目前最广泛使用的一种数值方法【n 1 1 3 5 1 1 4 i ，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑 性、粘塑性等问题，是地下工程岩体应力应变分析最常用的方法其优点是部分 地考虑了地下结构岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、变形大小和 分布，并可近似地依据应力、应变规律去分析地下结构的变形破坏机制。但有限 元在本质上是一种连续介质的数值分析方法，为了模拟岩体中存在的断层、节理、 裂隙等结构面，考虑其非连续性，可按结构面的特征采用不同的处理方法f 2 】。 ( 2 ) 边界元法( b e m ) 边界元法将偏微分方程变换成求解对象边界上的积分方程式并将其离散化 求解在计算机发展初期，边界元法由于考虑边界单元的离散化，能够节省计算 机内存而得到发展，但由于边界元法在求解非均质非线性问题时失去了其自身的 4 许多优越性，因此目前更多的是与其它数值方法如离散元耦合应用。 ( 3 ) 离散元法( d e i v l ) 离散单元法自从c u n d a l l 首次提出离散单元d e m ( d i s t i n e te l e m e n tm e t l l o d ) 模 型以来，这一方法己在岩土工程问题中得到越来越多的应用。其基本思想是岩块 之间的相互作用，同时受表征位移一力的物理方程和反映力加速度( 速度、位 移) 的运动方程的支配，通过迭代求解显示岩体的动态破坏过程【2 6 1 。离散单元法 的一个突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同 时，又能计算岩块内部的变形与应力分布并且，它利用显式时间差分法( 动态 松弛法) 求解动力平衡方程，求解非线性大位移与动力稳定问题较为容易。该法 主要用于分析节理岩体及其与锚杆( 索) 的相互作用【1 1 2 0 1 存在的主要问题是阻 尼系数的选取和迭代计算的收敛性。 ( 4 ) 拉格朗日元法 该方法是一种适合于求解非线性大变形问题的数值方法，用拖带坐标系法， 按照流体力学中的拉格朗日法求解，在本质上仍属于求解连续介质的方法，求解 方法与离散元法相似。 ( 5 ) 不连续分析法( d d a ) 、数值流形方法( n m m ) 这两种方法都是由我国留美学者石根华首创，不连续分析法( d i s e o m i n u o u s d e f o r m a t i o n a n a l y s i s ) 是基于岩体介质非连续性发展起来的一种新的数值分析 方法【1 6 1 。d d a 模型建立了一套完整的块体系统运动学理论，较好地模拟具有非 连续面的岩体的运动与变形特性【4 2 】，可以用以计算不连续面的错位、滑移、开 裂、旋转等大位移静力、动力问题；数值流形方法是应用现代数学“流形” ( m a n i f o l d ) 的物理覆盖和数学覆盖的有限覆盖技术所建立起来的一种新的数值方 法嗍，这种方法以拓扑学中的拓扑流形和微分流形为基础，在分析域内建立可相 互重叠、相交的数学覆盖和覆盖材料全域的物理覆盖，在每一个物理覆盖上建立 独立的位移函数( 覆盖函数) ，将所有覆盖上的独立覆盖函数加权求和，即可得到 总体位移函数，然后，根据总势能最小原理，建立用于处理非连续和连续介质的 藕合问题、小变形、大位移、大变形等多种问题的求解格式p 1 1 4 6 1 。它是一种具有 一般形式的通用数值分析方法，有限元法和不连续变形分析法d a ) 都可看作是 它的特例。 ( 6 ) 块体单元法任青文等提出的块体单元法，是以块体单元的冈体位移为 基本未知量，根据它们在外力作用下的平衡条件、变形协调条件及块体之间夹层 材料的本构关系，建立起块体单元法的支配方程，用于确定块体位移及夹层材料 的应力状态【”1 1 4 4 1 。该法特别适用于具有地质结构面岩体的稳定分析，与有限单 元法相比，可减少未知量个数。提高计算精度和速度。 块体弹簧元分析法。k a w a i 于1 9 8 7 年提出了采用简化的刚性块体来模拟 不连续介质的刚体弹簧元数值模型它以单元形心的刚体位移为基本未知量，仅 考虑单元之间缝面的变形协调和本构关系来建立求解的支配方程，确定缝面的相 对位移和应力 2 9 1 。该模型在分析节理岩体的稳定性时具有一定的优点，可以反映 围岩不连续的变形和运动规律。参考文献【刎根据节理岩体的特性，按弹簧块体理 论模拟节理岩体中大型地下铜室开挖与锚杆支护的变形特征 对于隧道围岩稳定性及支护研究，许多学者利用以上不同数值计算方法已作 了大量的深入研究。另外还有解析法等其它方法研究地下工程围岩的稳定性，具 体方法见图1 1 。 围 岩 稳 定 性 分 析 方 法 f 有限单元法 ，解析法j f l a c ii 边界元法 i 数值分析法 d d a 方法 ii 离散元法 ji 块体单元法 弋l 块体一弹簧分析方法 i ir 模糊数学方法 l不确定性方法t 可靠度方法 l 、 ir 灰色关联方法 。 ii 其它方法 断裂损伤力学方法 i 反分析方法， 图1 - 1 围岩稳定性分析方法 1 3 问题的提出 我国是一个多山的国家，山地、丘陵和高原面积约占国土面积的6 9 山区 6 公路建设对隧道技术既是挑战又是机遇。在过去，由于公路建设资金严重不足， 多以盘山公路为主，不仅等级低、里程长、占地多，而且耗能大，生态破坏严重， 运营成本和运营质量都不能满足社会发展的需要。随着我国经济的迅速发展，公 路交通建设规模日益扩大，我国的隧道建设己进入了一个快速发展的时期截止 2 0 0 0 年底，我国公路隧道通车里程己达6 2 8 k n d l 6 8 4 座，隧道平均长度达3 4 3 m ，其 中特长隧道5 4 k m 1 4 座，中、长隧道4 6 2 k m 6 4 9 座，公路隧道通车总里程比1 9 7 9 年增长了1 2 倍多，比1 9 9 3 年增长了4 倍多与此同时，一批城市隧道、跨河跨江 隧道也相继建成。【2 卯。 大量公路隧道的建成，促进了我国公路隧道建设技术的进步，许多工程难题 得到突破。新奥法旄工技术的推广，使我国山区公路隧道施工技术的进步上了一 个台阶大跨度、双联拱隧道的开挖都不再是难题；成渝高速公路中梁山隧道的 建成，使我国长大隧道通风技术得到突破，1 8 1 0 n 的秦岭一终南山公路隧道通风 难题也得到了解决。然而在取得巨大成就的同时。也应该清醒看到，隧道建设技 术中还有许多关键的问题没有得到解决，其中对隧道与地下结构的稳定性以及围 岩与支护相互作用机理的理论分析就是一项极其困难的工作，本文在总结前人的 软弱围岩应力位移的计算理论的基础上，模拟隧道开挖过程，分析开挖过程中遇 到的力学问题，确定开挖前后的应力和位移的变化，以便为设计和施工提供可靠 的定量和准定量依据 1 4 主要研究内容 从隧道力学的角度来看，在隧道围岩条件理想，如v 类以上围岩时，隧道不 会出现大的修建技术问题，但公路隧道在线路总体走向的限制下，选址只能在局 部范围进行，且隧道为带状地下结构物，沿隧道纵向往往要遭遇各类断层、软弱 围岩等各种不良地质情况，在此背景下，进行大断面隧道的修建会出现力学方面 的问题本文拟开展的研究内容如下： 1 隧道区工程地质条件研究 重点对隧道区的区域地质与区域稳定性、地形地貌条件、地层岩性及工程地 质岩组、地质构造及其应力场演化，水文地质条件等方面进行分析研究。 2 隧道围岩的应力分析 地下结构位于地层之中，因原始地层中存在初始应力场，地下洞室开挖在力 7 学原理上就成为在存在初始应力场的地层中开孔洞室开挖后，毛洞周边及附近 地层中将产生应力重分布现象。地层的原始应力场称为一次应力状态，经应力重 分布后洞室周围的应力状态称为二次应力状态，衬砌修筑后洞室周围地层的应力 状态称为三次应力状态； 3 围岩稳定性数值模拟及分析 选取典型断面建立力学模型，模拟隧道开挖过程，对比常用的两种隧道施工 方法对隧道结构及围岩稳定性的影响，以决定不同围岩条件下隧道的开挖程序和 方法。 8 第二章安龙铺隧道工程概况 2 1 工程地质概况 安龙铺隧道位于沪( 上海) 瑞( 瑞丽) 高速公路贵州境内镇宁至胜境关 段关岭县内，上接安龙铺特大桥，距关岭县城1 0 公里，属长距离隧道安龙铺 隧道地理位置如图2 - 1 图2 - 1 安龙铺隧道地理位置图 9 安龙铺隧道是一座上下行分离的双洞越岭长距离隧道，隧道山体最高海拔高 程约为1 5 8 0 m ，谷底最低海拔高程为1 3 2 0 m ，隧道最大埋深约2 2 6 m 。左线隧道 起讫桩号z 0 5 + 2 4 0 z k 3 6 + 7 9 0 ，隧道长1 5 5 0 m ，右线隧道起讫桩号y 硒5 + 2 4 6 y k 3 6 + 8 4 2 ，全长1 5 9 6 m 。隧道进口洞门为削竹式，出口洞门为端墙式 左线隧道位于圆曲线上，曲线半径r - - - 2 6 0 0 m ；右线隧道位于圆曲线上，曲线 半径r = 2 7 0 0 m 。左右线隧道纵断面线形均为单向上坡，左线纵坡为2 5 ，右线 纵坡为3 2 1 1 地形地貌 隧道处于中山区，为构造剥蚀、溶蚀峰丛槽谷地貌类型，峰丛基座相连， 山顶呈大致齐平的剥夷面山体间发育有中等强烈发育的冲沟，地势陡峻，最 大坡角约为4 0 。，隧道连续穿越过几座山体、山脊或山峰，海拔高程为1 3 2 0 1 5 8 0 米，相对最大切割深度约4 0 0 米。最高山峰为五香林，海拔1 5 8 4 6 m 。隧道进口 接安龙铺大桥，出1 2 1 接小河特大桥，隧道出口植被较发育 2 1 2 工程地质条件 2 1 2 1 区域地质概况 隧道处于永宁背斜东翼近核部位，该背斜轴走向北西，两翼呈较舒缓的圆弧 状。背斜核部为上二叠统龙潭二段( p 2 1 2 ) 煤系地层，受构造破坏，产状变化大， 倾向北东北北西，倾角1 5 0 2 5 。，局部陡倾。东翼出露下三叠统永宁镇组 ( t l y 一1 ) 、夜郎组( t i y 3 4 ) 地层，倾向北东东，倾角一般在3 0 0 5 0 。，近核 部及西翼地层均倾向北东，倾角一般在3 0 0 4 0 0 之间。 区域性安龙大断裂从隧道k 3 6 + 3 2 0 处穿过，该断裂性质属正断层，断层走 向北西，倾向北东，倾角约为5 0 。，断裂带宽度2 0 - 3 0 m ， 2 1 2 2 岩土层结构特征 根据勘探资料隧道段的岩体除山坡及坡脚部位有较薄的残坡积土层外， 其下伏基岩为三叠系下统夜郎组第二段( t i y 2 ) 灰岩、泥灰岩夹薄层泥岩及夜郎 组第一段( t r y l ) 砂岩、灰岩、泥岩、泥灰岩夹及煤层现对隧道各岩土体特征 分类叙述如下： ( 1 ) 第四系残坡积土层：该层主要沿山坡及低凹地带分布，厚3 肚1 5 0 m ， 黄、褐黄色由高液限粘士、粉土质砂及含细粒土质砾、全强风化泥岩、砂岩及灰 l o 岩碎块等组成该层主要分布在隧道进出口段及其山坡部位。黄褐、土黄色，以 高液限粘土为主，湿、硬塑状，含大量风化砂页岩碎石块，局部相对富集，含量 大于5 0 ，构成细粒土质砾，碎块直径1 0 4 0 m m ，棱角状，分布不均结构松 散，强度低。纵波速度为v p = 0 3 2 0 k m s 。 ( 2 ) 基岩：隧道围岩为三叠系下统夜朗组第二段( t l y 2 ) 灰岩、泥灰岩夹薄 层泥岩及夜郎组第一段( t l y l ) 砂岩、灰岩、泥岩、泥灰岩夹及煤层，风化程度 不均，风化分带明显泥灰岩、灰岩风化带不发育。隧道围岩按分化程度不同可 分为强、弱二个风化带，其分布特征如下： 强风化带：岩性为砂岩夹泥岩及煤层：该层主要沿山坡地带分布，厚度 2 肛1 6 0 米，褐黄色，结构松散，风化严重，强度低，在隧道出口地段厚度较大， 该层纵波速度为v p = 0 5 1 8 k m s 。 弱风化灰岩夹泥岩、砂岩；灰、青灰色，具晶质、泥质结构，块状构造， 岩质软硬相间，风化节理、裂隙发育，主要矿物成分为方解石、石英、长石等。 该层纵波速度为v p = 3 o “2 k m s 。 弱风化泥岩、砂岩夹灰岩：灰、灰青色，具粉砂质、泥质结构，块状构 造，岩质软硬相间，风化节理、裂隙发育该层纵波速度为v p = 3 o 4 2 k m s 。 弱风化砂岩、粉砂岩夹泥岩及煤层：灰、灰青色，具粉砂质、泥质结构， 块状构造，岩质软，风化节理、裂隙发育，主要矿物成分为石英、长石等。该层 纵波速度为v p = 3 o 3 5 k m s 。 2 1 3 水文地质条件 隧道通过地段地表水不发育，大气降水主要以面流形式汇集于沟谷溪流内， 部分入渗形成地下水。设计隧道底板高程高于当地最高洪水位，受地表水影响较 小 一 该地段地下水主要为上覆岩层中的孔隙潜水、基岩裂隙水和岩溶水三种类 型其中孔隙水主要受大气降水控制，水量贫乏；基岩裂隙水主要赋存于灰岩和 砂岩中，由于地层产状陡，垂直裂隙发育，且连通性较好，故岩层渗透性较好， 隧道洞身处于构造变形较强烈处，次级构造和裂隙发育，岩体渗透性强：局部岩 溶强烈发育，岩溶水丰富，部分地段可能形成岩溶管道。上述地段在隧道施工时 可能出现涌水现象，水文地质条件较差。 2 1 4 新构造运动及地震 本区位于我国二级阶地一云贵高原的东缘，晚白垩纪以后构造运动主要表现 为断块活动和阶段性不均衡隆升，抬升幅度自西向东减弱呈掀斜式，继承性和差 异性明显。， 据中国地震动参数区划分图( g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 ) 关岭一永宁间沿线地震动峰 值加速度a = 0 0 5 9 ，地震动反应谱特征周期为0 3 5 s 。根据地震动峰值加速度分 区与地震基本烈度对照表，本区地震基本烈度为度。 2 1 5 不良地质问题 隧道处不良地质现象主要为岩溶和构造破碎带。 ( 1 ) 岩溶 隧道进口至k 3 6 + 3 0 0 段属碳酸盐分布区，受可溶岩岩性和构造裂隙的制约 隧道段内岩溶较发育。 ( 2 ) 构造破碎带 隧道段z k 3 5 + 5 7 0 y 1 【3 5 + 5 2 0 z k 3 5 + 5 9 雠3 5 + 5 4 6 、z k 3 5 + 7 3 0 y k 3 5 + 6 9 0 z k 3 5 + 7 6 0 ，y k 3 5 + 7 2 4 、z k 3 6 + 2 7 0 厂y k 3 6 + 2 6 6 忍k 3 6 + 3 l o m ( 3 6 + 3 1 0 、 z k 3 6 + 4 8 6 厂y k 3 6 + 4 5 4 z k 3 6 + 5 0 6 y k 3 6 + 4 9 0 ，构造破碎带内岩石里碎块状， 具压碎结构，稳定性差，且富水性强，开挖时易产生大面积坍塌、掉块、涌水， 对隧道稳定性会产生影响。 ( 3 ) 洞口煤系地层边坡的浅层滑坡 隧道出口段处于软弱的煤系地层中，上部强风化岩层及坡积厚度达1 0 m 左 右，岩层受太坪庄断裂带影响发育3 1 0 0 2 5 6 0 、1 4 5 。l 8 0 0 、2 8 0 0 2 6 2 。三组节理， 节理密度1 0 条，i n ，将岩层切割成大小不等的菱形块体，降低了岩体完整性和结 构强度，该地段的剥蚀陡坡在重力作用下发育滑坡、坍塌，在线路两侧4 0 0 m 宽 度范围内即发育十余个滑坡体，单体宽l 3 m ，长3 8 m 。因此该隧道出口段成 洞难度较大，需采取工程措施加以克服。 2 1 6 岩体物理力学性质 室内岩石物理力学性质试验的试样主要采集于钻孔岩芯，岩土体物理力学参 数见表2 - l ，2 - 2 ： 幛 蜘 掣 * 粤誉 砘翠 2 车 呈 2 器 盆 昌 畏避骥l 嘏e ” 京 $ 颦榔ru 萎 1 v 、 幽婚鄹一 盘 皇 n 一 掣 撩 幽 幽婚1 i ；巅 气 舟 叟 。d 一 州刊 狮瓶 坤 据冀 熙 h 州 聪 孽舞摇篁 刊 瞪醛区瞪醛窿 璐蜓 删 臻蜒 枷 耀恒刊恒幄 州 嚣麓 蜓趔餐籁 一 i 竹 臣 删掣斑籁 jj 品 嘛 龆 n 隰 鄹醛 毒寥 牮 夏 禽 凛 硬醛 毒 零 霉罢倒 8 口 南美 州 器器夏交 i 碍逝丑 gg 萎 i “一 d 蛔栅 舞譬 oi “ 一 “ 键 h -臻 ti 芸简袋 。 一 一 龆 k i 袋 - 二 卜 l 钿* 嘲 琴 g 拿 蜀 皇 8 8 g 穹 并棼鹾避 荟 r 暑2 叶 “ = 盏 盆 6 昌 “n 一 q n ，墨棼骠咿 一一一 22 =鞘篇= 颦鬲骡妒 88 盈 g 8 僻账镁翻憾h卅_文僻 髻 掣 趣 槲 k 姐 越 捌 隶 捌制 邻 置 趟 搿搿 k 嘏 电扭 螺螺魁 甾 k 甾 馨遂涮 铽 榭旃捌 t 酃 枉 缸 姆奄甾 越 藿 艇越嫠虹-搿群 辚邻链t 枉剧 蕾 剧刚碟钕辎 趟 悼 噬啦求毽蓬 匠 生 碴 在箍矗群螽埒椒 筮 套 j 磐 蒌右r u t ： 妻 l 盎 嚣 裔 爿( 搿 趟 eo 鼎 京 蝠u 量 彝 盘 昏 0 硭 皇 器 趔 g美薯 甚 甜 一 拿 v 叶 魁 喇彝 出悄 端 蜊 i k 捌 盆 ：垂一 鬲是 器嚣l 冥 癌 。o 8 2雩鲁 嚣琶 t 2吣 罱高 一一 “ 装运翕 a 匿 糕 杂 永 弛和永 采 霆萋 熙 糕 糕 铽赠 会 蒜 基 暮 蜡 薯s簟 蜓 船 医 噻 基 医 匿 医 赠 却 磷 瞧 匠 离 饔噻 瞎 鋈笪 罨 8宥8 。 t 宝 竺 2 ： 是 二焉 苫 墨 请 一 霜 “ j叶叠 h 一 善 岬 g 苫 器 毫j葛磷 = 丧 苫 n竣 = n 蟠棼骣巾g，； ， 宝 一 q ， 鐾 景8是 8 撂醇礤中 盆卜 日一目n目=铸 琳眯链铆婚博永冥f型哔n碟 贵州大学2 0 0 6 届研究生硕士学位论文 2 2 隧道基本参数 2 2 1 隧道内衬砌轮廓及净空断面尺寸 根据公路建筑限界的规定，并结合隧道本身照明、消防等的需要，本隧道内 轮廓圆心位置及净空断面图见图2 - 2 ，2 3 ，2 - 4 。 ， ，、 ， 行 、 生 鼍 噜| ：2 寰 n 1 j 5 0 5 0 l ： 7 1| 0 ”7 57 卯 7 57 5 。 1 0 5 0 图2 2 建筑限界 图2 - 3 净空断面图 1 6 贵州大学2 0 0 6 届研究生硕士学位论文 1 ， 抓 萋 萋 触 l 一 a ， 厂迫 菩| 鱼 凌z “ 洌 瀛 醇号 _ ，一， 4 臻14 1 mj 图2 - 4 内轮廓圆心位置关系图 2 2 2 隧道主要支护及衬砌参数 根据隧道埋深及荷载类型的不同，共设计了八种衬砌形式( 表2 - 3 ) ： 明洞衬砌：s l 复合衬砌：s 2 a 、s 2 b 、s 2 e 、s 3 a 、s 3 b 、s 4 、s t a 初期支护：对于i i i 类围岩由工字钢拱架( 或钢筋格栅) ，径向锚杆，钢筋 网喷射混凝土组成，而对于1 v v 贝4 由径向锚杆，钢筋网及喷射混凝土组成。工 字钢拱架具有刚度大，发挥作用快的特点，这一点对于岩体自稳能力差，跨度较 大的隧道特别重要。每榀工字钢拱架之间用q ) 2 2 的钢筋连接，并与径向锚杆及 钢筋网焊为一体，与围岩密贴，形成承载结构。当地应力较大，围岩很差，导致 周边位移量很大时，初期支护应在环向设置伸缩缝，以控制作用在初期支护上的 变形荷载。 二次衬砌：为方便施工，一般情况下采用素混凝土。当设计荷载较大时则采 用钢筋混凝土，确保隧道结构的安全二次衬砌施作的合理时间应根据施工监测 1 7 贵州大学2 0 0 6 届研究生硕士学位论文 数据确定，尽可能发挥初期支护的承载能力，但又不能超过及承载能力。 表2 3复合衬砌各类支护参数 衬砌围岩 初期支护辅助旌 类型类别 二次衬砌 锚杆钢筋网喷射混凝土 钢拱架工 i i d 2 5 中空注浆双层m 8 钢筋c 2 0 喷射砼厚1 8 工字钢同拱部4 5 超前 s 2 a 浅埋 锚杆l 1 3 m 甩2 0 x 2 0 c m2 6 c m距7 5 c n 仰拱4 5 c m小导管 d 2 5 中空注浆单层0 b 钢筋c 2 0 喷射砼厚1 8 工字钢问 拱部4 5 c r n 超前 s 2 bn 锚杆l = 3 m弼2 0 x 2 0 c m 2 6 c m距7 5 仰拱4 5 c m小导管 l i i ) 2 5 中空注浆双层q , 8 钢筋c 2 0 喷射砼厚1 8 工字钢问拱部4 5 c m超前 $ 2 c 煤系地层锚杆【m同2 0 x 2 0 c m2 6 c m距5 0 c n仰拱4 5 e r a小导管 口2 2 药卷锚杆0 8 钢筋网c 2 0 喷射砼犀0 2 2 格栅同拱郝4 0 c m超前 s 3 am l = 3 m2 0 x 2 0 c m2 2 c r a距1 0 0 c n仰拱4 0 e r a 锚杆 0 2 2 药卷锚杆0 8 钢筋嘲c 2 0 喷射砼厚0 2 2 格栅间 超前 s 3 bm 拱部4 0 c m l = 3 m2 0 x 2 0 c m2 2 c m距1 2 0 c n 锚杆 m 2 2 砂浆锚杆0 6 钢筋同c 2 0 喷射砼厚 s 4 拱部3 0 c m l = 25 m2 0 x 2 0 c m1 0 c m 0 2 2 药卷锚杆嘶钢筋网c 2 0 喷射砼厚 s t | 拱部4 0 c m l = 3 m2 0 x 2 0 c m1 5 c m 1 8 贵州大学2 0 0 6 届研究生硕士学位论文 第三章隧道围岩应力分析 3 1 地下结构和地面结构的差异 地下结构和地面结构( 如房屋、桥梁、水坝等) 在赋存环境、力学作用机理等 方面都存在着明显的差异。地面结构一般都是由上部结构和地基所组成，地基只 在结构底部起约束作用，除自重外，荷载都是来自外部，如人群、列车、水压力 等。而地下结构则埋设于地层中，四周都受到地层的约束。地层不仅对结构施加 荷载，即所谓地层压力或称围岩压力，同时地层又帮助结构承受荷载，减少支护 结构的内力。这种结构与地层共同作用机理与地面结构完全不同。理论研究和工 程实践都证明，这种共同作用的效果主要取决于地层条件以及支护结构与地层的 相对刚度。在稳固的地层中，结构的刚度比地层的剐度小，地层对结构变形的约 束作用大，产生的地层压力则小：反之，在松软不稳定地层中，结构的刚度比地 层的刚度大，地层的约束作用小，甚至可以忽略不计，地层压力则很大 由此可见，在进行隧道支护结构的静力计算时，必须很好地考虑结构与围岩 共同作用，才能得到比较符合实际的结果。然而，影响结构与地层共同作用的因 素很多，而且变化很大，有些因素可能甚至无法完全搞清楚；加之地下结构的受 力特性在很大程度上还与地下工程的施工方法及施工步骤直接相关，这些问题的 存在使得一些地下结构的计算结果，无论在精度上或可靠程度上都达不到设计要 求，很难作为确切的设计依据。所以，目前在进行地下结构设计时，广泛采用 结构计算、经验判断和实测相结合的所谓信息化设计方法。同时，还要研究发展 更完善的用于地下结构计算的力学模型，以便能更好地考虑结构与地层共同作 用，逐步减少信息化设计中的反馈修改工作量。 3 2 地下结构设计模型 地下隧道结构与地面结构的赋存环境、力学作用机理等方面都存在着明显的 差异，四周都受到地层的约束，地层不仅对结构施加荷载，而且又与结构共同承 受荷载。因此，在进行隧道结构计算时必须考虑结构与地层的共同作用，国际隧 道协会( i t a ) 结构设计模型研究组收集和汇总了各会员国采用的地下结构设 计方法如表3 1 。 1 9 贵州大学2 0 0 6 届研究生硕士学位论文 表3 - i 隧道结构设计方法 鬈 盾构开挖的 明挖旄工的框 锚赜、钢拱支护软士隧道中硬石质深埋隧道 软土隧道架结构 弹性介质中全支撑初期支护p r o c t o r - w h i t e 法： 初期支护；p r o 出口州h 沁 澳大圆环：m u i r w o o d 法、二次支护；弹性介质中全支撑箱形框架弯矩 法：m u i rw o o d 法，c u r t i s 利亚c u n i s 法；或假定隧圆环；m u i rw o o d 法、c u r t i s分配 法；或假定隧道变形法 道变形法法；或假定隧道变形法 奥地弹性地基四环；f e m ；收 弹性地基哩环 经验法 弹性地基框架 利 敛渤柬法 覆盖 3 d 全支承的全支承的弹性地基圆环；介质或收敛约束法 简化) 弹性地基圆环；f e mf e m 法孱弹性地基圆环；f e mf e m ：作用坂作用模型 连续介质模型；收敛约束法 局部支承圆环的弹性地 弹性地基框架；f e m ；特性前 弹性地基框架； 日本局部支承圆环基圆环；经验法加测试； 线法f e m f e m 初期支护；经验法、永久支护； 弹性地基圆环；经验初期支护：收敛哟束法： 箱形框絮弯矩 中国 作用反作用力模型；大型洞 法二次支护；弹性地基四环 分配 室；f e m 弹性地基圆环：m u i r 箱形框架弯矩 英国收敛一约束法；经验法 f e m ：经验法：收敛约束法 w o o d 法 分配 弹性地基圆环；p r o c t o r - w h i t e弹性地基法连 美屠弹性地基圆环 击；f e m ；经验法l 锚杆法 续框架 可见，用于理论计算的力学模型可归纳为四种： 1 以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法； 2 以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法； 3 作用一反作用模型( a c t i o n - r e a c t i o nm o d e l ) ，如弹性地基圆环计算和弹性地 贵州大学2 0 0 6 届研究生硕士学位论文 基框架等计算法：这种模型以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载同时考虑其 对支护结构的变形约束作用的模型，称为传统的结构力学模型。它将支护结构和 围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性 支承，故也称为荷载一结构模型 4 连续介质模型( c o n t i n u u mm o d e l ) ，包括解析法和数值分析法两种，解析法 中有封闭解，也有近似解，目前它已逐渐被数值法所取代。数值分析法中以有限 元法( f e m ) 为主。这种模型亦可称为地层一结构模型，或简称连续介质力学方法 下面着重介绍解析法和数值分析法 3 3 解析法 3 3 1 围岩应力状态的弹性解i s | 用解析法分析应力时，通常假设围岩体为弹性、均质各向同性的材料，如果 考虑岩体的非线性特征，方程将变得非常复杂，给求解带来困难。在力学分析模 型上，取l i n 厚度为研究对象。围岩体视为无限大的弹性或弹塑性连续的带孔平 面，并满足弹性力学的假设条件： ， a 外荷载在中心面上； b 变形后仍为平面； c 岩体为等温、匀质弹性体，并服从虎克定律。 在对围岩体进行以上假设后，则可根据不同的力学模型建立弹性力学方程， 从而求解应力分布。以下以圆孔洞室为例分析洞室周围地层在不同施工阶段的应 力状态 。 在极坐标下，静力平衡方程为 等+ 吾斋+ 半+ 驯l 。， 吾等+ 誓i 争竭= dj 2 l = 等 如寺+ 等 ，；三堕+ 堕一生 5 ；葡+ 言一彳 平面应变问题的物理方程为 铲譬( 矿寺) = 孚( 一寺t ) = 掣钿 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 1 ) 一次应力状态 地层中的原始应力状态称为一次应力场，假设地表为水平面，则任一地层中 任一点的应力为： 垂直应力仃，= 皿 水平应力o r h2 若用 式中h 埋深，一地层的容重，- 地层的泊松比。 以极坐标表示一次应力场，则有 = 喜瓴+ ) 一i 1 ( q c r h 脚目 = 丢( 吒+ ) + 丢帆一c r a ) c o s 2 口 = 圭p ，一c r h ) s 破口 ( 3 - 4 ) 如果地层中存在构造应力场，应通过实测确定初始地应力的大小、方向及分 布规律 ( 2 ) 二次应力状态 。经应力重新分布后洞室周围的应力状态称为二次应力状态。地下洞室的开挖 是在存在初始应力场的地层中进行的，理论计算时可认为毛洞围岩的二次应力场 贵州大学2 0 0 6 届研究生硬士学位论文 是围岩初始应力场与由开挖引起的附加应力场的迭加。图3 一l ( a ) 为围岩初始应力 场示意图。实际上初始应力场即为次应力状态，由开挖引起的附加应力场称为 开挖效应沿毛洞周围施加释放荷载，即得计算开挖效应的计算简图3 - l 。释 放荷载是洞室中被开挖岩体对原岩地层作用力的反向平衡力，其量值可由围岩初 、始应力场求得。 6 e 乏写i 吲竺1 1 ，- - o h ) 嘞m s ， 厶f m ；一百p 伽口 l 口r = 告+ 2 b + ( - 2 c 一6 e r 。一4 n 。v o