（岩土工程专业论文）隧道洞口段施工弹塑性数值模拟及变形监测的数据分析.pdf

摘要 本文首先系统论述了国内外有限元数值模拟及监控量测技术在公路隧道建 设中的应用，并对目前广泛采用的新奥法加以详细概述。针对隧道洞口段围岩埋 深浅、稳定性差、地质构造条件复杂等特点，对隧道洞口进洞施工进行二维弹塑 性数值模拟研究，采用平面应变模型，在“反转应力释放法”的基础上，结合 a n s y s 软件以载荷步模拟隧道连续施工的特点、以“生”、“死”单元法模拟隧 道开挖过程，同时考虑地应力的逐步释放，并对隧道围岩的位移场及应力场作了 分析，得到了隧道洞口浅埋段采用上下台阶法施工时围岩的受力变形规律。根据 隧道施工过程中现场监控量测的数据，对隧道洞口段围岩的变形及其稳定性进行 详细分析，通过对实测数据的统计整理，得到了隧道洞口段施工时地表沉降、拱 顶沉降、洞内水平收敛随时间变化的规律，并在回归分析的基础上对围岩的稳定 性加以判定，同时为二次衬砌的施作时间提供判据。为了更深入地了解与掌握围 岩随隧道开挖的变形情况，将数值模拟的结果与实测数据的分析结果相对比，一 些共同的规律得到了验证。 目前，隧道建设在公路、铁路建设中占有很重要的地位，而隧道洞口浅埋段 的开挖施工更是隧道建设施工的一个关键环节，本文在现场监测结果的基础上对 隧道洞口段施工进行数值模拟，对隧道的设计施工无疑具有指导意义，并可为日 后类似工程的设计、施工及研究提供有益的借鉴与参考。 关键词：公路隧道隧道洞口弹塑性数值模拟上下台阶法现场监测 围岩变形回归分析 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rw ed i s s e r t a t et h ef e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt i mm o n i t o r i n g t e c h n o l o g yh o m ea n da b r o a di nh i g h w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o n , t h e ns u m m a r i z ot h e n a t mi nd e t a i l i nt h ec o n s i d e r a t i o no fs h a l l o w - d e p t h ，p o o rs t a b i l i t ya n dc o m p l e x g e o l o g yc o n d i t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ki nt h et u n n e lp o r t a l ，w em a k es t u d i e sb y2 - d e l a s t o p l a s t i cn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt u n n e lp o r t a lc o n s t r u c t i o n b a s e do nt h em e t h o d o fr e v e r s i n ga n dr e l e a s i n gt h es t r e s s ，w eu s ep l a n es l r a i nm o d e l ，t h e nc o m b i n e d 谢t 1 1 t h ea n s y sp r o g r a m , w es i m u l a t ec o n t i n u o u sc o n s t r u c t i o nb yl o a ds t e p sa n dt u n n e l e x c a v a t i o nt h r o u g h b i r t h a n d d e a t h m e t h o di nt h et h o u g h to f r e l e a s i n gt h es t r e s s s t e pb ys t e p ，a f t e rt h ea n a l y s i so f d i s p l a c e m e n ts p a c ea n ds t r e s ss p a c eo fs u r r o u n d i n g r o c k , w eg e tt h ed e v e l o p m e n tr e g u l a r i t yo f s t r e s sa n dd e f o r m a t i o nd u r i n gt u n n e lp o r t a l e x c a v a t i o nb yb e n c hc u tm e t h o d t h e nw ea n a l y z et h ed e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c ki nd e t a i la n dg e tt h ed e v e l o p m e n tr e g u l a r i t ya c c o r d i n gt ot i m eo f g r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n t , v a u l tc r o w ns e t t l e m e n ta n dh o r i z o n t a lc o n v e r g e n c eb y u s i n gs i t em o n i t o r i n gd a t a o nt h eb a s i so fr e g r e s s i o na n a l y s i sw ec a nm a k ec c l t 8 i n t h es u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t ya n dt h eo p t i m u mt i m ef o rp e r m a n e n ts u p p o r t h lo r d e r t ou n d e r s t a n dt h ed e f o r m a t i o nc o n d i t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ki ne x c a v a t i o np r o c e s s d e e p l y , w em a k e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sc o m p a r e dw i t ht h ea n a l y s i sr e s u l t s o f i n - t i mt e s t i n gd a t a , t h e ng e ts o m ec o m m o u r e g u l a r i t i e s a tp r e s e n t , t u n n e lc o n s t r u c t i o nh a sav e r yi m p o r t a n tp o r ti nh i g h w a ya n dr a i l w a y c o n s t r u c t i o n , a n dt h ee x c a v a t i o nc o n s t r u c t i o ni nt h et u n n e lp o r t a li sak e y - l i n ko f t u n n e lc o n s t r u c t i o n i nt h i sp a p e rw em a k en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft u n n e lp o r t a l c o n s t r u c t i o no nt h eb a s i so fa n a l y s i si ns i t em o n i t o r i n gr e s u l t s i th a si m p o r t a n tg u i d e f u n c t i o n st ot h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft u n n e lo b v i o u s l y , a n di tc a na l s ob e r e f e r r e di nt h ed e s i g n , c o n s t r u c t i o na n dr e s e a r c ho fs i m i l a rt u n n e li nf u t u r e n k e y w o r d s ：h i g h w a yt u n n e l ，t u n n e lp o r t a l ，e l a s t o p l a s t i cn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， b e n c hc u tm e t h o d ，s i t em o n i t o r i n g , s u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o n ， r e g r e s s i o na n a l y s i s i 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 人类在原始时期就利用天然洞穴作为群居及活动场所。随着生产力的发展， 地下空问利用的范围也越益扩大，古代帝王常为自己修造地下墓室。例如埃及金 字塔下通向各墓室的甬道，汉代武则天为其儿女所修建的墓室都具有较长的地下 通道。隧道的发展有着悠久的历史，在公元前1 0 0 0 年，犹太国王就建造了给耶 路撒冷供水的隧道。公元前6 0 0 年在巴比伦和阿西里奥为了灌溉和排水建造了连 通幼发拉底河和底格里斯河之间的隧道。在中国有文字记载用于交通的隧道为 “石门”隧道，位于今陕西省汉中县，建于东汉明帝永平九年( 公元6 7 年) 。 随着铁路成为新的运输工具，1 8 9 5 1 9 0 6 年出现了穿越阿尔卑斯山的大铁 路隧道。1 9 0 7 年中国在京包线上建造了八达岭隧道。 1 5 5 6 年乔治包尔( g e o r yb a u e r ) 的采矿冶金手册( d er em e t a l l i c a ) 开创了隧道工程论著的先河。从此随着采矿和隧道工程的发展，地层压力理论研 究相继开始活跃。 1 9 世纪中期开始的第二次工业革命，促使蒸气机、铁路和炼钢工业的出现 并快速发展。英国工程师勃召奈尔于1 8 2 3 年主持修建泰晤士河下的水底公路隧 道，由于隧道进水迫使工程停工1 1 次。之后，勃召奈尔研制了盾构，经过1 8 年 的工期修建了世界上第一条在软土层里的隧道。到了2 0 世纪5 0 年代，人们才逐 步总结出各种类型隧道及地下工程的规划、设计和施工的基本原理，在土木工程 中逐渐形成了一个独立的工程领域。 在隧道施工中，通过近两个世纪的探索，形成以下几种施工方法：明挖法、 盾构法、地下连续墙法、矿山法、沉管法、顶管法、沉井法。其中矿山法又可分 为：乳钻眼爆破法；b 新奥法；c 掘进机开挖法。新奥法是2 0 世纪5 0 年代由奥 地利l v r a b c e w i c z 等人根据多年的矿山工程经验开创并发展起来的一种实用的 隧道工程的设计、施工的理论与方法。它摒弃了原来隧道工程中应用厚壁混凝土 衬砌结构支护松动围岩的理论，适时地采用薄壁柔性支护结构，调动了围岩的天 然承载能力，变围岩为重要的支护结构组成部分，因而安全可靠，比较经济，尤 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 其对在松软岩层中构筑隧道是一种有效的效果。新奥法作为修建隧道与地下工程 的一项新技术，2 0 世纪6 0 年代后在欧溯各国和日本等国得到了广泛应用。2 0 世纪8 0 年代，我国应用新奥法成功修建了大瑶山铁路隧道( 全长1 4 2 9 5 k m ) 和 军都山隧道( 全长8 4 6 k m ) 以及南岭隧道( 全长6 0 8 0 k m ) 等，同时还以新奥法 原理为指导，结合北京的地质条件、施工条件等开发的浅埋暗挖法在北京城区第 四纪浅地层中修建地下铁隧道取得成功，这标志着我国隧道与地下工程施工技术 达到了国际先进水平m 。 目前我国的公路、铁路多分布在东部较发达的地区，随着我国国民经济的发 展，特别是随着西部大开发战略的实施，公路铁路网必定逐步向西南等山区延伸， 公路、铁路等交通建设工程势必日益增多重要的是，隧道建设不仅投资大而且 是控制建设工期的关键。在隧道开挖过程中，一对于i 、i i 类围岩和稳定性较差的 l n 类围岩，尤其在隧道洞口段，若选择开挖支护方案不合理，局部围岩的坍塌 是不可避免的，且围岩的破坏还可能从局部开始逐渐扩展。 鉴于隧道建设在公路、铁路中的重要性及隧道洞口浅埋段施工的特殊性，本 文以杭州市滨江区冠山隧道的现场监测数据为依据，介绍公路隧道的监测手段及 施工模拟方法，基于监测结果和有限元模拟计算结果，对隧道洞口浅埋段施工过 程中围岩和支护体系的变形和受力特点进行了分析，为支护体系的优化提供了依 据，并进而指导施工，所得数据和结论可望为日后类似工程的设计、施工和研究 提供有益的借鉴和参考。 1 2 隧道工程研究现状 随着隧道施工新奥法的推广应用，人们逐渐认识到保持原岩结构，防止围岩 松弛塌落和避免产生松弛压力的重要性。 隧道结构的计算方法有经典的解析方法和数值计算方法两种。隧道解析方法 由于数学上处理的困难，研究相对少一些，而随着计算机的飞速发展，当前的隧 道设计一般都采用数值方法进行研究。这里主要介绍有限元在隧道工程应用的研 究发展历史和现状。从c o u r a n t 在1 9 4 3 年有限元基本思想的提出，经过t u r n e r ， c l o u g h ，b e s s e l i n g ，m e i o s h 和j o n e s 等人的发展完善，很快被o c z i e n k i e w i c z 、 j h a r g y f i s 等人迅速地从航空、结构力学方面推广到岩土工程领域【1 3 , 1 4 。 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 二维有限元在隧道工程中的应用方面，1 9 7 4 年p a n e t 引入释放系数来模拟开 挖引起弹性介质围岩应力变化；w w i d 汜最早于1 9 7 6 年提出递推分析法或称多 重单元法的思想；1 9 7 8 年e e g g e r 则将隧道开挖面附近简化成球形对称形状，使 之与开挖面后方的轴对称假设一致，从而可以考虑相同岩石动态变化，尤其是破 裂后动态、逐步或脆性破裂、部分或完全破坏及膨胀等。岩石动态可以用相继的 一系列稳定状态来模拟，应可检验各种支护方式以恰当地确定出最佳支护形式； c u n h a ( 1 9 8 1 ) 采用逐步分析法研究了弹性地层中无支护隧道多步掘进时的力学 响应，计算时的适当阶段通过删除或增加一些岩体单元来模拟开挖或支护；维特 克教授8 0 年代初对隧道施工力学进行研究，他对西班牙一座抽水电站地下厂房 进行施工控制设计咨询工作卓有成效；朱合华在1 9 8 9 年提出可以将开挖面约束 效应等效地视为对洞周的虚拟支撑力作用，因为掘进面的存在仅对有限局部范围 的围岩产生影响，以圣维南原理将端面约束用边界附加的支撑力系来等效，进而 将j s u l e m 和m p e n e t ( 1 9 8 1 ) 提出的虚拟支撑力法推广为“广义虚拟支撑力法” 【4 刀。张有天嘲在1 9 9 2 年为确定天生桥一级水电站的合理施工方法，对递推分析 法作了适用性的改进，提出用于模拟隧道开挖过程的二维半分析方法，它避开了 完全平面问题所要求的苛刻条件而具有计算工作量小、应用方便的优点，其实质 是将空气单元依次置换为相应的岩体单元来实现开挖的模拟；2 0 0 5 年王刚靳1 等 利用a n s y s 提供的单元生死功能和隐式蠕变方程，就隧道上下台阶法施工作业 方式进行了二维弹一粘塑性分析，并进行了模拟，对模拟结果在应力和应变方面 进行了分析比较，指出选择合理施工顺序对洞室的稳定、安全具有一定的作用： 2 0 0 6 年王显春等【删以重庆武隆隧道穿越厂房基础引起地表变形为工程背景，简 化为平面应变模型，采用两种不同的计算方法( 有限元法和有限差分法) 对隧道 施工进行了数值模拟分析，研究了不同软岩隧道开挖方式对地表变形及围岩受力 情况的影响。目前二维有限元方法仍被一些学者所应用，其可以考虑开挖过程， 但实际上只能反映开挖断面的分步开挖施工时隧道支护结构产生的位移及内力， 不能反映沿隧道长度方向的施工过程。 在隧道施工的三维有限元施工模拟分析方面，埃及的m o u s s a 和澳大利亚的 w a g e r 两位学者用三维有限元分析主要从变形的角度研究新奥法隧道中施工速 度( 主要是开挖及衬砌施作速度) 的影响嘲。我国的金丰年、钱七虎嘲应用菲 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 线性粘弹性模型，对隧道全断面开挖过程进行三维有限元分析，开挖结果表明开 挖面的影响范围大约为洞室直径的2 倍。1 9 9 4 年朱合华1 2 0 】对天荒坪抽水蓄能电 站试验洞的掘进面空间效应进行了分析：1 9 9 8 年又对隧道新奥法技术及隧道结 构计算方法进行了分析研究。孙钧、朱合华 8 2 1 在1 9 9 4 年着重对软弱围岩旋工中 的力学性态进行了计算机模拟和分析，不仅提出了考虑隧道开挖面的时空效应的 三维分析模型，还计入岩体流变的时效，进行了弹一粘塑性数值计算；张玉军田1 等在1 9 9 9 年用平面粘弹塑性有限元分析方法，对京一珠国道粤境沿线近距离双 隧道开挖与支护问题进行了研究；王明年】在2 0 0 2 年通过有限单元法和模型试 验对软岩3 孔小间距平行隧道浅埋隧道施工力学行为进行了深入研究，指出：不 同的预加固强度、开挖进尺，对隧道的地表沉降、围岩压力、洞周位移都有很大 影响；2 0 0 4 年靳晓光 s 4 1 等以京一福高速公路三明福州段的小间距隧道为工程背 景，对u 类围岩隧道的不同施工过程进行了弹塑性数值仿真研究，给出了不同 施工方法及支护措施对围岩变形规律的影响；2 0 0 5 年张顶立1 2 4 1 等通过对深圳地 铁一期工程区间隧道拱顶下沉的回归分析，指出隧道拱顶下沉遵循指数函数关 系，通过数值分析( f l a c 3 d ) 验证了该分析结果的可靠性，并且开挖面前方的 超前拱顶下沉量较大，最后分析了不同地层条件下拱顶下沉和地表沉降的关系； 2 0 0 6 年余健、何川【2 2 】以渝黔二期工程笔架山隧道埋深最大的软弱围岩段实体建 模，应用有限元程序对其施工全过程进行三维弹塑性数值模拟，得出该段某一指 定横断面上各点围岩沉降及水平位移随开挖过程的变化规律和数值大小。 在隧道的构筑理论方面，1 9 9 2 年王桂芳 6 1 利用共同变形理论研究了地基应力 和变形的相互关系，分析了地下坑道孔周变形规律，得到了简单截面位移的解析 解，同时对隧道衬砌内力作了粘弹性分析计算，推动了隧道计算理论的发展。魏 新江唧1 针对浅埋软弱围岩隧道通过地表锚固试验全面论述了浅埋软弱围岩的构 筑方法及构筑过程中的一些关键技术问题，同时对锚杆的作用机理作了深入分析 研究。 在新奥法推广应用的发展过程中，隧道工程监测技术的研究也是至关重要 的。隧道工程监测技术的研究包括量测项目的规划、测试手段和工具、测试方法、 量测数据处理以及量测信息反馈等多方面的内容，既要作理论研究工作，同时也 要进行现场试验，是一项理论联系实际的应用型研究。2 0 世纪5 0 年代以来，国 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 内外学者对于隧道及地下工程安全监测项目的确定、仪器的选型、仪器的布置、 仪器的埋设技术与观测方法、观测资料的整理与分析等的研究工作正在逐步加 深。对于现场监测，目前多从隧道开挖时围岩内空变位量测入手，结合现场工程 地质状况、开挖施工条件以及支护的工作状态等的考察来研究隧道围岩的变形规 律以及与隧道施工、支护类型的关系，找出围岩变形速率与稳定性的关系、变形 速率与开挖面距离的关系、开挖时间与稳定时间的关系，并预测围岩最终稳定时 间以及最终变位量的判断准则等。 在隧道及地下工程安全监测资料整理分析的发展历史中，新奥法的推广应用 起到了重要的促进作用。1 9 5 5 年，意大利的f a n e l i 和葡萄牙的r o c h a 开始应用 统计回归方法定量分析大坝变形资料【2 5 】。1 9 7 7 年后，f a n e l i 等人又提出了将有 限元理论计算值与安全监测数据相互印证的确定性模型和混合性模型，并运用这 两类模型，分析大坝变形资料，监控大坝运行。2 0 世纪7 0 年代后期，日本的樱 井春辅( s s a k u r a i ) 2 6 ，2 7 2 s 、意大利的g i o d a 和中国的杨林德等，先后提出了反 分析方法的研究成果。该方法从严谨的岩石力学理论出发，根据监测资料，修改 调整岩体物理力学参数和岩土介质物理力学模型，使之更加符合地下工程实际。 s s a k u r a i 2 9 】在2 0 世纪8 0 年代提出了反演地层初始应力及变形模量的数值解公 式，并通过微机将这一方法运用于隧道工程的施工现场，进行监控设计，同时， 他还提出用量测位移和反算结果的配合，以地层材料的允许应变 s 】为判据，估 计隧道周围塑性区半径大小的方法。陈子荫【3 0 】1 9 8 8 年提出了时间序列分析法在 监测位移预测中的应用。吴凯华【3 1 1 9 8 8 年提出应用灰色预测法对监测位移进行 分析。李海斯【3 2 】在1 9 8 9 年发表的文章中，对隧道施工监测所得到的水平位移和 围岩内部位移量测数据采用三种围岩变形回归函数：对数函数u = a + b l n ( t 4 - 1 ) ， 指数函数u = a e x p ( - b t ) ，双曲函数甜= f ( a t 4 - 口) ，采用预报误差最小的函数 对变形规律作了分析，并对围岩稳定性作了评价。杨子文1 3 3 1 1 9 9 0 年收集分析了 国内外己建9 0 项地下工程的1 3 6 例实测资料后提出了一项预测地下洞室围岩变 形值的经验公式，在进行了一定的地质工作和试验工作的基础上，且确定了地下 洞室的尺寸、埋深之后，可由该式算出地下洞室围岩的变形值。高效伟【3 4 l 等人 1 9 9 1 年提出了运用一种合理的方法对量测位移进行回归分析的模型。孙建华【3 5 l 等入1 9 9 2 年提出实测数据的l o g s t i c e 曲线拟合方法。杨林德【3 6 等1 9 9 5 年提出了 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 有较强理论基础的位移量测仪表布置方案，克服了以前测点布置主要依靠经验的 做法。干昆蓉、于晓蓉1 37 】1 9 9 7 年提出了基于统计理论的二维沉降预测方法及回 归模型。顾廷元、魏波 3 s 1 1 9 9 7 年对北菇隧道开挖过程中的围岩稳定监测作了论 述，介绍了监控仪器与量测方法，量测断面的布置及测点配置原则。日本神户大 学的樱井 3 9 1 对基于现场量测的地下开挖工程反分析作了论述。周洪文t 4 0 1 1 9 9 8 年 对地下洞室稳定情况下的位移预测作了研究，并对失稳情况下的失稳时间作了预 测。吕建红【4 l 】等1 9 9 9 年讨论了边坡监测系统建立的目的、设计原则及关键技术 问题，研究了用于边坡监测信息快速反馈分析的信息获取技术、信息管理技术、 快速分析技术和快速反馈技术。郝鑫 4 2 1 在盘道岭隧洞围岩变形观测中，根据实 际情况和锚杆喷射混凝土支护技术规范，运用最小二乘法，参照铁道部科学 研究院西南研究所“非线性函数迭代回归程序”，编写出“盘道蛉隧洞回归分析 程序”，该程序能够求得回归函数和曲线，并计算出任何一天的围岩收敛变形理 论值。邵乃辰 4 3 1 2 0 0 0 年讨论了统计理论在围岩变形量测分析中的应用，介绍了 多元回归和逐步回归的基本方法、因子的选取、统计模型的确定等。崔天麟 1 4 4 1 2 0 0 1 年对超浅埋隧道围岩压力的变化规律作了研究，并将实测值与计算值比 较，分析了结构的稳定性。董勇”5 1 2 0 0 2 年对孤山隧道信息啦测中的测点布置、 回归分析、信息反馈等作了论述。刘占魁、刘宝许 4 6 1 2 0 0 2 年针对位移量测系统 的有效性展开优化研究，根据使量测误差达到最小的原则，确定出最佳的位移测 点布置方案。2 0 0 3 年李德宏口5 】对云南省元江至磨黑高速公路岔河隧道的施工监 测结果进行了分析，通过与理论计算的对比，对连拱隧道的结构设计作了一些讨 论。这些学者的研究进一步促进了监测资料的分析预测与反馈工作的发展。 总之，鉴于隧道及地下工程的受力特点及其复杂性，自2 0 世纪5 0 年代以来， 国际上就开始对隧道结构计算方法的优化、隧道构筑理论的完善、隧道施工过程 的数值模拟以及隧道的监控量测逐步加以深入的研究，尤其是近年来，数值模拟 分析方法更是结合了现场量测技术、计算机技术及岩土、岩石力学理论，进一步 适应了隧道及地下工程的特点，在领域内得到了广泛应用。 1 3 本文的研究工作 本文针对新奥法的实际施工过程，以杭州市滨江区冠山隧道洞口( 东线b 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 洞) 浅埋段为工程背景，拟对以下问题进行研究： l 。通过对有限元法模拟隧道施工全过程的思路及方法的研究，采用二维弹 塑性有限元模拟隧道洞口浅埋段围岩采用上下台阶法旆工的过程，模拟过程中用 平面单元模拟隧道围岩体，梁单元模拟初次村砌砼结构，杆单元模拟锚杆，以生 死单元法来模拟隧道的开挖与支护，进而分析施工过程中隧道围岩的变形及受力 规律； 2 在深入了解新奥法施工方法及其原理的基础上，根据现场监测所得数据， 对隧道洞口段及典型围岩段施工过程中所产生的地表沉降、拱顶沉降、水平收敛 进行深入分析，并在监测数据回归分析的基础上对隧道二次衬砌的施作时间加以 判定，以指导施工； 3 ，通过有限元模拟分析德到隧道洞口段花工过程中的围岩的变形规律，结 合冠山隧道监测数据的分析结果，对计算结果和监测结果进行比较分析。 7 浙江大学硕士学位论文第二章隧道施工新奥法概述及冠山隧道工程概况 第二章隧道施工新奥法概述及冠山隧道工程概况 2 1 新奥法概述 新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是n e wa u s t r i a nt u n n e l l i n g m e t h o d 简称n a t m ，新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹( l v 黜c z ) 教授于5 0 年代提出的，它是以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆 和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法，经过一些国家的许 多实践和理论研究，于6 0 年代取得专利权并正式命名。之后这个方法在西欧、 北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速发展，已成为现代隧道工程新 技术标志之一。六十年代n a t m 被介绍到我国，七十年代末八十年代初得到迅 速发展。至今，可以说在所有重点难点的地下工程中都离不开n a t m 。新奥法几 乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法。 2 1 1 新奥法施工特点 1 及时性 新奥法施工采用喷锚支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面施 工，因此可以利用开挖施工面的时空效应，以限制支护前的变形发展，阻止围岩 进入松动的状态，在必要的情况下可以进行超前支护，加之喷射混凝土的早强和 全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。 在巷道爆破后立即施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展，并 控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载，增强了岩层的稳定性。 2 封闭性 由于喷锚支护能及时施工，而且是全面密粘的支护，因此能及时有效地防止 因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨胀，保护原有 岩体强度。 巷道开挖后，围岩由于爆破作用产生新的裂缝，加上原有地质构造上的裂缝， 随时都有可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面，很好 的充填围岩的裂隙，节理和凹穴，大大提高了围岩的强度，( 提高围岩的粘聚力 8 浙江大学硕士学位论文第二章隧道施工新奥法概述及最山隧道工程概况 c 和内摩擦角庐) ，同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用，隔绝了水和空气同岩 层的接触，使裂隙充填物不致软化、解体而使裂隙张开，导致围岩失去稳定。 3 粘结性 喷锚支护同围岩能全面粘结，这种粘结作用可以产生三种作用： ( 1 ) 联锁作用，即将被裂隙分割的岩块粘结在一起，若围岩的某块危岩活 石发生滑移坠落，则引起临近岩块的联锁反应，相继丧失稳定，从而造成较大范 围的冒顶。开巷后如能及时进行喷锚支护，喷锚支护的粘结力和抗剪强度是可以 抵抗围岩的局部破坏，防止个别围岩活石滑移和坠落，从而保持围岩的稳定性。 ( 2 ) 复合作用，即围岩与支护构成一个复合体( 受力体系) 共同支护围岩。 喷锚支护可以提高围岩的稳定性和自身的支撑能力，同时与围岩形成了一个共同 工作的力学系统，具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用，从根本上改交了 支架消极承担的弱点。 ( 3 ) 增加作用，开巷后及时进行喷锚支护，一方面将围岩表面的凹凸不平处 填平，消除因岩面不平引起的应力集中现象，避免过大的应力集中所造成的围岩 破坏；另一方面，使巷道周边围岩变为双方向受力状态，提高了围岩的粘结力c 和内摩擦角毋，也就是提高了围岩的强度。 4 柔性 喷锚支护属于柔性薄性支护，能够和围岩紧粘在一起共同作用，由于喷锚支 护具有一定柔性，可以和围岩共同产生变形，在围岩中形成一定范围的非弹性变 形区，并能有效控制允许围岩塑性区有适度的发展，使围岩的自承能力得以充分 发挥。另一方面，喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生越来越大 的支护反力，能够抑制围岩产生过大变形，防止围岩发生松动破坏蚓。 2 1 2 新奥法理论要点及旖工要点 1 新奥法与传统施工方法的区别 传统方法认为巷道围岩是一种荷载，应用厚壁混凝土加以支护松动围岩。而 新奥法认为围岩是一种承载机构，与构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构( 以 喷射混凝土、锚杆为主要手段) 共同形成支撑环，来承受压力，并最大限度地保 持围岩稳定，而不致松动破坏。 9 浙江大学硕士学位论文第二章隧道施工新奥法概述及冠山隧道工程概况 新奥法将围岩视为巷道承载构件的一部分，因此，施工时应尽可能全断面掘 进，以减少巷道周边围岩应力的扰动，并采用光面爆破、微差爆破等措施，减少 对围岩的震动，以保全其整体性。同时注意巷道表面尽可能平滑，避免局部应力 集中 新奥法将锚杆、喷射混凝土适当进行组合，形成比较薄的衬砌层，即用锚杆 和喷射混凝土来支护围岩，使喷射层与围岩紧密结合，形成围岩支护系统，保 持两者的共同变形，故而可以最大限度地利用围岩本身的承载力。 2 保护巷道围岩自身的承载能力 新奥法施工在巷道开挖后采取了一系列综合性措施：构筑防水层、围岩巷道 排水；选择合理的断面形状尺寸；给支护留变形余量；开巷后及时做好支护、封 闭围岩等，都是为保护巷道围岩的自身承载能力，使围岩的扰动影响控制在最小 范围内，并加固围岩，提高围岩强度。使其与人工支护结构共同承受巷道压力。 3 允许围岩有一定量的变形 允许围岩有一定量的变形，以利于发挥围岩的固有强度，同时巷道的支护结 构，也应具有预定的可缩量，以缓和巷道压力。 围岩的变形是控制在一定范围内的，必须避免围岩变形过大，从而导致围岩 强度的削弱以致引起垮落、失稳。支护结构具有一定的变形量，允许巷道围岩产 生一定的变形，以缓和来自巷道的巨大压力，更进一步减轻支护荷载。 4 新奥法施工过程中量测工作的特殊性 由于岩体生成条件与地质作用的复杂性，施工条件的复杂性，以及对工程设 计参数的精确要求，需要通过多种量测手段，在施工过程中对围岩动态和支护结 构工作状态和支护结构工作状态进行监测。并用监测结果修改初步设计，指导施 工。 量测的结果可以作为施工现场分析参数和修改设计的依据，因而能够预见事 故和险情，以便及时采取措施，防患于未然提高施工的安全程度。 由上所述，新奥法的支护原则是：围岩不仅是载物体，而且是承载结构；围 岩承载圈和支护体组成巷道的统一体，是一个力学体系；巷道的开挖和支护都是 为保持改善与提高围岩的自身支撑能力服务i 州。 浙江大学硕士学位论文第二章隧道施工新奥法概述及冠山隧道工程概况 2 1 3 新奥法的主要支护手段和旖工顺序 新奥法是以喷射混凝土、锚杆支护为主要支护手段，因锚杆喷射混凝土支护 能够形成柔性薄层，与围岩紧密粘结的可缩性支护结构，允许围岩有一定的协调 变形，而不使支护结构承受过大的压力。 施工顺序可以概括为：开挖一一次支护一二次支护。 i 开挖 开挖作业的内容依次包括：钻孔、装药、爆破、通风、出渣等。开挖作业与 一次支护作业同时交叉进行，为保护围岩的自身支撑能力，第一次支护工作应尽 快进行。为了充分利用围岩的自身支撑能力开挖应采用光面爆破( 控制爆破) 或 机械开挖，并尽量采用全断面开挖，地质条件较差时可以采用分块多次开挖。一 次开挖长度应根据岩质条件和开挖方式确定。岩质条件好时，长度可大一些，岩 质条件差时长度可小一些，在同等岩质条件下，分块多次开挖长度可大一些，全 断面开挖长度就要小一些。一般在中硬岩中长度约为2 2 5 米，在膨胀性地层 中大约为o 8 1 米。 2 一次支护 第一次支护作业包括：一次喷射混凝土、打锚杆、联网、立钢拱架、复喷混 凝土 在巷道开挖后，应尽快地喷一层薄层混凝土( 3 5 m m ) ，为争取时间在较松 散的围岩掘进中第一次支护作业是在开挖的渣堆上进行的，待把未被渣堆覆盖的 开挖面的一次喷射混凝土完成后再出渣。 按一定系统布置锚杆，加固深度围岩，在围岩内形成承载拱，由喷层、锚杆 及岩面承载拱构成外拱，起临时支护作用，同时又是永久支护的一部分。复喷后 应达到设计厚度( 一般为l o 1 5 m m ) ，并要求将锚杆、金属网、钢拱架等覆裹在 喷射混凝土内。 完成第一次支护的时间非常重要，一般情况应在开挖后围岩自稳时间的二分 之一时间内完成。目前的施工经验是松散围岩应在爆破后三小时内完成，主要由 施工条件决定。 在地质条件非常差的破碎带或膨胀性地层( 如风化花岗岩) 中开挖巷道，为 了延长围岩的自稳时间，为了给一次支护争取时间，安全的作业，需要在开挖工 浙江大学硕士学位论文第二章隧道施工新奥法概述及冠山隧道工程概况 作面的前方围岩进行超前支护( 预支护) ，然后再开挖。 在安装锚杼的回时，在围岩和支护中埋设仪器或测点，进行围岩位移和应力 的现场测量；依据测量得到的信息来了解围岩的动态，以及支护抗力与围岩的相 适应程度。 3 二次支护 一次支护后，在围岩变形趋于稳定时，进行第二次支护和封底，即永久性的 支护( 或是补喷射混凝土，或是浇注混凝土内拱) ，起到提高安全度和整个支护 承载能力增强的作用，支护时机可以由监测结果得到。 对于底板不稳，底鼓变形严重，必然牵动侧墙及顶部支护不稳，所以应尽快 封底，形成封闭式的支护，以谋求围岩的稳定1 9 0 。 2 1 4 新奥法适用范围 1 一般情况下，新奥法可应用于下列场合： ( 1 ) 具有较长自稳时间的中等岩体； ( 2 ) 弱胶结的砂和石砾以及不稳定的砾岩； ( 3 ) 强风化的岩石； ( 4 ) 刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩； ( 5 ) 坚硬粘土，也有带坚硬夹层的粘土； ( 6 ) 微裂隙的，但很少粘土的岩体； ( 7 ) 在很高的初应力场条件下，坚硬的和可变坚硬的岩石； 2 在下述条件下应用新奥法必须与一些辅助方法相配合： ( 1 ) 有强烈地压显现的岩体； ( 2 ) 膨胀性岩体( 要与仰拱与底部锚杆相配合) ； ( 3 ) 在一些松散岩体中，要与钢背板与之配合； ( 4 ) 在蠕动性岩体中，要与冻结法或预加固法等配合； 3 在下列场合中应用应慎重： ( 1 ) 大量涌水的岩体； ( 2 ) 由于涌水会产生流砂现象的围岩； ( 3 ) 极为破碎，锚杆钻孔、安装都极为困难的岩体； 浙江大学硕士学位论文第二章隧道施工新奥法概述及冠山隧道工程概况 ( 4 ) 开挖面完全不能自稳的岩体等。 2 1 5 新奥法的缺点 1 实施不仅要求有良好的施工组织和管理，也要求技术人员和量测人员都 十分熟练，没有这一点就易于发生错误：作业质量与每一个人的仔细操作有关： 2 开挖暴露出的地质会立即改变其状态，因此要求施工地质人员要亲临现 场，以便发现问题； 3 施工量测往往给施工带来不便； 4 干喷射带来的灰尘以及由于易受化学药品的损害必须加强防护，尤其是 对眼睛的防护，湿喷虽然可以避免此缺点，但在同样条件下，不如干喷那样有效 的支护岩体。 新奥法施工是从实际经验中总结出来的，又在不断实践经验中得以丰富其内 容和进一步发展，新奥法施工在我国推广以来，经过几十年的发展，通过科研、 设计、施工三结合，在修建下坑、西坪、大瑶山、军都山等铁路隧道以及中梁山、 二郎山、西山坪等多座公路隧道中，应用新奥法原理及其相应的技术，取得了较 大的成就删。 2 2 冠山隧道工程概况 2 2 1 工程地质及水文地质概况 冠山隧道位于杭州市滨江区长河镇冠山，属低山丘陵区，地形起伏较大，为 剥蚀、残蚀地貌；地表径流条件较好：东线隧道洞口一处地表为陡坡地形，成陡 立临空面，上部覆盖坡残积层，下部为强风化、中风化基岩，另北洞口附近有断 裂带通过，围岩破碎。隧道洞口属i i i 类围岩。隧道沿线附近围岩主要为中风 化中细粒岩屑砂岩，局部强风化，分类为西湖组石英岩砂岩、唐家坞组岩屑砂岩 与朝川组凝灰质粉细砂岩，裂隙发育，岩体破碎较破碎，呈碎石状压碎结构 块碎状镶嵌结构，属i i i i i 类围岩 4 1 。 浙江大学硕士学位论文第二章隧道施工新奥法概述及冠山隧道工程概况 2 2 2 隧道设计概况 冠山隧道位于杭州市滨江区长河镇冠山，冠山隧道及接线工程项目包括公 路、隧道和桥梁，是杭州市滨江区四季大道的组成部分，四季大道位于杭州市钱 塘江南岸滨江区境内的中部，呈南北走向，贯穿整个滨江区，北接复兴大桥( 四 桥) ，向南延伸接闻浦公路( 0 3 ) 省道后与绕城高速公路南线相交，是一条具有 疏解、组织南北向的中河高架路一复兴大桥一滨江区以及南部地区的大量交通流 的城市快速路。隧道外设计车速8 0 k m h ，隧道内车速为6 0 k m h 。隧道为上下行 分离式双向六车道，单洞净跨径1 3 7 5 m ，净高7 3 m 。西线隧道长为8 1 3 m ，设计 纵坡0 7 1 2 ，起始里程为a k 0 + 9 0 2 ；东线隧道长为7 3 1 m ，设计纵坡0 7 7 7 ， 起始里程为b k 0 + 9 3 2 ，且为使隧道布置更为合理，两条隧道不平行布置，隧道 净间距为4 0 7 0 m 。隧道内设一转弯点，东线隧道转弯半径1 2 0 0 m ，西线隧道转 弯半径1 5 0 0 m 。本隧道工程由华东勘测设计研究院设计，中铁隧道集团三处有限 公司负责施i t 】。 设计技术标准： 1 道路性质：城市快速路； 2 设计车速度：隧道外行车速8 0 k m h ，隧道内车速为6 0 k m h ； 3 隧道净空：净高5 m ，净宽o 7 5 m ( 检修道) + 1 2 2 5 m ( 车行道) + o 7 5 m ( 检修道) ； 4 防水等级：二级； 5 荷载标准：城- - a 级。 ( 1 ) 隧道防排水设计 本隧道按照以排为主，排堵相结合的原则进行防排水设计。主要措施有： 随机排水孔、设纵向横向软式透水管沟作排水通道、在初期支护和二次衬砌 之间挂设e v a 复合防水板( 由1 2 m m 塑料防水板和4 0 0 9 m 2 无布复合而成) 隔水以及在建筑混凝土( 顶、边、仰拱) 中掺加液防水剂提高抗渗指标等。 明洞外采用聚氨酯防水涂料。 在隧道围岩分界处设置结构缝，结构缝采用中埋橡胶钢板止水带，施工 缝采用遇水膨胀止水带。 隧道洞内、洞外都设置排水沟。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章隧道旖工新奥法概述及冠山隧道工程概况 ( 2 ) 隧道的衬砌设计 衬砌设计分为洞口抗震段整体式衬砌和洞身段复合式衬砌两类，按不同的 围岩类别设计。隧道区地震烈度为度，对洞门段衬砌结构抗震按v i i 度设 防。 根据地质岩性的不同，隧道洞身段的初期支护结构按新奥法原理，采用复 合式支护体系的结构形式，初期支护以锚杆、喷钢纤维混凝土等组成联合支护 体系。二次衬砌采用模筑钢筋混凝土结构，初期支护与二次支护之间设“防水 + 排水”夹层。 ( 3 ) 隧道明洞和洞门设计 隧道各洞口均设置拱形明洞，设计采用喇叭口式明洞。 隧道的两个南洞门、东线北洞门均采用直线端墙式洞门，西线北洞门采用 弧形端墙式洞门。 ( 4 ) 隧道路面设计 隧道洞内路面采用复合式路面，上面层为沥青路面，下面层为水泥混凝土 路面。在隧道进出口处设置胀缝及临近胀缝的3 条横向伸缩缝处加设传力杆， 洞口端内三块板设防裂钢筋网。 ( 5 ) 附属构筑物设计 隧道通风采用纵向机械通风；隧道内设消火栓箱：隧道设置交通控制、通 风与照明控制、火灾报警和中央控制管理等设施；隧道内壁装饰采用速调专用防 火涂料【1 。 2 2 3 施工条件 1 场地条件 本工程施工场地分为两期进行，先期先进行东、西线进口段的施工，后期进 行出口段的施工。 先期进口工区场地：进口厂区生活场地位于洞口前方约2 5 0 r n ，生产场地分 为4 块，两块分别位于上下线洞口边缘，作为临时弃渣场用，其中西侧为3 5 0 0 r n 2 ， 东侧为4 5 0 0 m 2 ，另两块地位于两洞口正前方，一块作为加工场地及机械设备停 放场，用地面积为4 0 0 m 2 ，一块作为砂石料堆放场，用地面积4 2 0 m 2 。 1 5 浙江大学硕士学位论文第二章隧道施工新奥法概述及冠山隧道工程概况 2 交通条件 本工程系杭州市规划骨架路网“一环、三纵、五横”之一纵，工程所在处紧 邻滨文路，该路为双向六车道主干道。车流量、人流量均较少，进口工区横穿长 河镇，该路段为村民进出必经路段，施工期间由于施工便道的修建需要进行简单 的交通疏解。 3 人文条件 滨文路南侧主要为长河中学及长河树居民住宅楼，临近迸洞洞口位置住宅楼 较为集中，人文条件较为复杂，且周边道路绿化较好，环境优劐”】。 根据该隧道的结构特点、施工工艺以及地质情况，各监测断面所采用的仪器