（固体力学专业论文）双连拱隧道结构优化设计及施工方案的探讨.pdf

哈尔滨 程大学硕士学位论文 摘要 近年来，我国连拱隧道设计、建造有了很大发展。全国各地高等级公 路和城市道路先后建成了数百座连拱隧道。同时，理论研究和设计建造经 验也取得了丰硕成果。 连拱隧道具有结构合理、最小限度的占用土地、最大限度的保护自然 环境的优势。然而，连拱隧道也存在许多不足，例如，中墙渗漏水、二次 衬砌开裂、施工工序繁杂等。 本文针对对称双连拱隧道结构设计和施工中存在的问题，采用a n s y s 有限元软件对双连拱隧道中墙位置进行模拟比选和相关参数比较，结合常 规模型中拱底处最大应力s 口值与所建立模型( 角度p = - o 。9 0 。) s 口值对应 的应力云图比较，同时考虑减少开挖隧道工作量的工程实际确定出p = 6 0 。 时的对称双连拱隧道模型为最优结构组合设计；通过对双连拱隧道施工方 法的总结、比选和施工过程进行的数值模拟优化研究，从减少施工工序和 因施工爆破对围岩产生的破坏，减轻劳动强度，提高工效，缩短工期，降 低工程造价的目的出发，对施工工序进行了优化，提出了连拱隧道中导洞 扩大开挖法；通过对目前连拱隧道病害原因进行分析，并采用a n s y s 有限 元分析软件对部分钢拱架最大最小主应力工序、各部位位移工序和混凝土 最大最小主应力工序进行了数值模拟，针对连拱隧道结构中出现的主要病 害，提出了对中墙、仰拱和毛杆的改进措施。 本文通过对较多双连拱隧道设计施工资料的收集和整理，结合结构有 限元数值分析，主要对双连拱隧道中墙位置和施工方案进行了优化研究， 并针对有关问题提出了一些新的思路和想法，希望能对今后双连拱隧道的 设计和施工有所裨益。 关键词：双连拱隧道j 优化设计j 施工方案j 有限元法j 数值分析 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ec o n s t r u c t i o no ft h ed o u b l e - a r c ht u n n e li no u rc o u n t r y g e t sg r e a td e v e l o p m e n t al o to fd o u b l e - a r c ht u n n e l sa r e tu ps u c c e s s i v e l yi n t h eh i g hg r a d eh i g h w a ya n dt h ec i t yr o a d sa l lo v g rt h ec o u n t r y a tt h es 锄et i m e ， m a n ye x c e l l e n tr e s u l t so nt h e o r yr e s e a r c ha n dc o n s t r u c t i o ne x p c l i c u c cw e l - e o b t a i n e d d o u b l e a r c ht u n n e l sh a v es p e c i a lm e r i t so fr e a s o n a b l es ；乜 u e t u r e ，t h e m i n i m u mu $ eo ft h el a n da n dt h ep r o t e c t i o no fn a t u r a le n v i r o n m e n t h o w e v e r , t h e r ee x i s ts e v e r a ls h o r t a g e si nd o u b l e - a r c ht u n n e lw h i c hl i m i tt h e i ra d v a n t a g e e x e r t i v e ，s u c ha sw a t e rs e e p i n ga n dl e a k i n gi nm i d d l ew a l l ，c r a c k i n gi nt h e l i n i n ga n dm i s c e l l a n e o u sc o n s t r u c t i o np r o c e d u r e s t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ep r o b l e m so fs y m m e t r i c a ld o u b l e a r c ht u n n e l s i ns t r u c t u r ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n t h ec o m p a r i s o n sw i t hd i f f e r e n tm i d d l e w a l l sp o s i t i o no fd o u b l e - a r c ht u n n e la n dt h ep a r a m e t e r si nd i f f e r e n tm o d e l sa r e m a d eb yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o r w a r ea n s y sa n dt h ec l o u dg r a p ho f m a x i m i z e s t r e s sa bo ft h ea r c hb o t t o mo b t a i n e di nt h i sp a p e ra r ec o m p a r e dw i t ht h eo n ei n n o r m a lm o d e l ac o n c l u s i o ni sd e r i v e d ，t h a ti s ，t h ev a l u eo f 靠i nn o r m a lm o d e l i ss i m i l a rt ot h eo n ei nt h em o d e lg i v e ni n t h i sp a p e rw h e np - - 6 0 t h i s d i s s e r t a t i o nc a r r i e s0 1 1t h es u m m a r yo fc o n s t r u c t i o nm e t h o do ft h ed o u b l e a r c h t u n n e l ，a n dt h e nf r o mt h ep o i n to fv i e wo fr e d u c i n gc o n s t r u c t i o np r o c e d u r ea n d t h ed i s t u r b a n c eo ft h ew a l lr o c k , e a s i n gt h el a b o rs t r e n g t h , i m p r o v i n gt h ew o r k e f f e c t , s h o r t e n i n gt h ew o r kp e r i o da n dl o w e r i n gt h ee n g i n e e r i n ge x p e n s e ，t h e m e t h o do fe n l a r g i n gd i g g i n go fl e a d i n gh o l ei sp u tf o r w a r d b a s e do nt h e a n a l y s i s o ft h e d a m a g e st y p e i nd o u b l e - a r c ht u n n e la n dt h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o no fa n s y s ，a no p t i m i z e dc o m b i n a t i o nd e s i g nw a sc a r r i e do u t a i m i n ga lt h em a i nd i s e a s e s ，t h ei m p r o v e m e n tt ot h em e d i u mw a l l ，a r c h b q l - b c t u r ea n dt h ea n c h o ra r ed i s c u s s e d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho ht h em a t e r i a l sc o l l e c t e da b o u td o u b l e a r c h t u n n e l sa n dt h en u m e r i c a la n a l y s i so fa n s y s t h ed i f f e r e n tm i d d l ew a l l s p o s i t i o no fd o u b l e a r c ht u n n e ia n dc o n s t r u c t i o np l a n s a r ed i s c u s s e di n t h i s d i s s e r t a t i o n a n ds o m en e wi d e a sa r ep u tf o r w a r d , w h i c hc o u l dh a v et h eb e n e f i t s t ot h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n so ft h ed o u b l ea r c ht u n n e l k e yw o r d ：d o u b l e a r c ht u n n e l ；d e s i g no p t i m i z e ；c o n s t r u c t i o np l a n ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；n u m e r i c a la n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：趱 日期：2 0 0 6 年胆月日 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出 随着国民经济建设、旅游以及国防建设的发展、交通运输需求量日益加 大、高速公路在交通运输中的优势越来越明显。由于我国国土三分之二为山 地或重丘，公路隧道作为高速公路的一个重要构造物发挥着极为重要的作用。 同时随着西部大开发战略的实施，地下工程锝到了迅速发展，隧道得到了广 泛的应用，其形式也多种多样，双连拱隧道是其中的一种特殊形式，双连拱 隧道与分离式单洞隧道相比有很多优点：避免了隧道洞口桥隧或路隧分幅； 节省了进出洞口路基和桥梁分幅所占土地面积；有利于路桥隧总体的线形流 畅，提高线形标准；缩小了所占地下空间，提高了地下空间利用率；居民房 屋拆迁和开挖土石方数量都相对较少；有助于减少自然环境破坏和保护城郊 名胜古迹；便于运营管理，有着明显的社会效益和经济效益。正因为连拱隧 道上述独特的优点，我国连拱隧道得以较大的发展。目前，在全国各地高等 级公路和城市道路建设中，先后建成了数以百座的连拱隧道n ，。同时，对连拱 隧道的理论研究和经验总结也取得了丰硕成果，先后有数百篇论文、科研成 果和专著发表，并首次出版了有专门章节论述连拱隧道的公路设计规范n ”。 目前，连拱隧道主要适用于特殊地形和中短规模隧道等。双连拱隧道的 应用解决了分离式单洞隧道所存在的问题“，但是其开挖断面跨度明显增大， 开挖与支护相互交错，施工过程体系需经多次转换，使得围岩应力变化和衬 砌荷载转换变得十分复杂。施工过程中支护体系各部分的受力和变形状况， 以及围岩压力分布不明确，左右隧洞和中隔墙的相互影响难以把握，其复杂 的结构形式给设计和施工带来较大的困难。了解和认识双连拱隧道在施工过 程和运行期间的力学性状是修建此类隧道的前提条件。 我国在已建成的高等级公路中，遇到各类隧道时，主要采用了双洞分离 式方案修建，在此方面已积累了丰富的实践经验”。但在特殊地质及地形条件 哈尔滨j = 程大学硕士学位论文 的地区，从路桥隧衔接方式、总体路线线型、工程造价等因素综合考虑，双 洞分离式方案往往受到较大局限，为获得良好的技术经济效果，连拱及小间 距隧道方案则成为重要的可选方案，尤其对于中短长度的隧道，在许多场合 己成为首选方案。目前在四川、重庆、云南、贵州、江苏、浙江、福建等省 市在建及拟建的高速公路及市政道路的建设中，大量采用了连拱及小问距隧 道o j 。 尽管连拱隧道的研究，近些年已有大量的成果和长足的进展，但与分离 式隧道相比，仍显得年轻，还远未达到经典程度。现国内已建连拱隧道座数 和里程总量，远远不能与分离式隧道相比，连拱隧道的设计和施工方法还不 很成熟，经验也不足，施工方法还不齐全，还有大量的研究工作需要去完成。 其中有不少在施工过程中不同程度地发生了隧道变形过量或失稳问题u ”。 为获得有关双连拱隧道施工过程中，合理的围岩一支护体系力学性状， 有必要对双连拱隧道的支护体系做进一步研究。同时对现有施工方案进行认 真总结比选，得出特定环境下相应的最佳施工方案，从而为双连拱隧道的设 计和施工提供依据和指导，减少各种病害的发生，进一步促进完善适合我国 国情的双连拱隧道设计与施工规范。 1 2 国内外双连拱隧道研究现状 根据我国这些年公路隧道迅猛发展形势的需要，有关建设单位、研究所、 设计院、高校和施工单位抽调专门人员共同组织连合研究体形式，对设计和 施工中存在的一些实际问题，及时进行了研究，解决了施工中存在的一些难 题。 日本及欧美等公路隧道修建技术发达的国家，连拱及小间距隧道出现历 史较我国要长，也已有相当的设计、施工经验。但双连拱隧道因其结构的特 殊性和设计施工技术的复杂性，一直是各国隧道工程领域的重点研究对象t o ，。 1 2 1 双连拱隧道数值模拟研究现状 隧道结构的静动力计算是一项比较困难的课题。在各种静、动载作用下， 地层岩土介质与隧道结构相互作用相当复杂，只有那些具有理想的几何形状 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 和材料性态，且载荷形式与边界条件简单的线弹性体系( 或简化弹塑性体系) ， 我们才能做出较精确的解答m 。但是，对位于非线性岩土体内的连续或不连续 介质和任意几何外形以及实际外载作用与复杂边界条件下的隧道结构，其力 学计算在多数情况下都有必要借助于近似的数值方法。用于隧道开挖、支护 过程的数值分析方法一般有m ：有限单元法( f 跚) 、边界元法( b e m ) 和有限元 边界元耦合法( f e b e m ) 。有限元法的模拟能力强，可以考虑岩土介质的非 均质性、各向异性、非连续性和材料与几何非线性等等，且能适用于各种实 际的边界条件。有限元法的缺点是需要将整个物理系统离散成有限自由度的 计算模型，并进行分片插值，数据量大，耗时长，精度相对较低。边界元的 优越性在于：因为基本未知量只在所关心问题的边界上，如对隧洞计算时，它 只需对分析对象的复连通边界( 此处指沿洞周界面) 作离散，而外围的无限域 则视为无边界。这将有利于自然地模拟和分析区域很大，而洞室界面边界却 又相对较小的隧洞和地下结构。其次，边界元法对应力和位移解的精度很高。 与有限元法相比，边界元的缺点则是对各类问题的适应性和灵活性比较差。 有限元边界元藕合的方法使上述两种方法互为补充，取长补短，实践证明 可以收到很好的计算效果。 在隧道结构计算时，洞室开挖后围岩力学性态的主要变化和计算关键的 区域通常只局限于洞室附近，可用有限元法模拟u 町；而对外部无界区域则应 用边界元按均质、线弹性体模拟即可，这样对衬砌结构的计算可以有很好的 计算精度“。4 。随着计算机的普遍使用及其性能的不断提高，有限元法成为发 展最快的数值方法，多数的大型c a e 软件都是基于有限元法编制的。对于连 拱隧道的理论计算，有人已做了一些工作，如用t j - 3 程序分析山岭隧道，可 以考虑岩土介质和锚喷的相互作用，计算给定应力场下的围岩和支护结构的 受力变形情况，也可考虑岩土体弹塑性的低抗拉及岩体结构面效应。模拟隧 道施工过程：用平面杆系结构有限元程序a r c z 分析金竹桥隧道，根据直接刚 度法原理，将结构简化为若干直杆组成的杆系结构。用矩阵位移法求结构内 力和节点位移：用s p a s 程序分析比较三种不同矢跨比的拱轴线受力，从而确 哈尔滨工程大学硕十学位论文 定最佳的拱轴线等等。采用g e o f b a 2 d 有限元程序分析了某埋深为3 0 米的i i 类围岩连拱隧道。对曲中隔墙双连拱隧道与直中隔墙双连拱隧道围岩受力进 行了对比分析，并探讨了两种中隔墙形式的防排水设计与施工工艺。利用美 国i t a s c a 公司开发的非连续变形数值分析程序u d e c 模拟洞室开挖过程中岩 体和节理的变形及支护的受力，模拟莲花山大跨度双连拱隧道施工过程“”。 莲花山隧道工程是双连拱硬岩隧道采用中隔墙岩柱跳槽式开挖施工的一个成 功的典型实例。借助一些软件程序对双连拱隧道进行三维线性、非线性弹塑 性、粘弹塑性等的数值模拟分析等尝试性研究，尚有待于进一步开展。 1 2 2 双连拱隧道施工研究现状 我国自1 9 9 2 年铁道部第四设计院设计了我国第一座连拱隧道广州 白云山连拱隧道以来，不断出现适合当地实际条件的连拱隧道设计新思路、 新经验和新成果，如福州市象山四连拱大跨度浅埋隧道的设计，半明半暗连 拱隧道设计和公路隧道组合的设计等等。应特别指出的是韩常领“”提出的双 连拱整体式隧道设计，对通用的结构设计模式进行了优化和改动，把整体式 中墙改为复合式中墙，将左右洞二次衬砌和防排水各自独立成环，更好地满 足了结构受力要求和防止中墙渗漏水病害。在施工工艺方面不断改进和优化， 简化了工艺工序，缩短了工期，取得了良好的经济效益和社会效益。如大跨 度浅埋四连拱隧道的施工，中墙顶部混凝土回填和中墙防偏压处理方法，软 弱围岩地段连拱隧道施工“，偏压连拱隧道施工“”，穿越滑坡地层的施工方 法“”。以及在运营道路条件下穿越浅埋大跨三车道连拱隧道的关键技术工艺“” 等等。在施工监控量测方面，对实测数据与理论计算进行了比较和分析，监 控量测获得了成功的预报经验，不对称连拱隧道现场监测的经验等。 根据我国目前施工实际情况。并结合国外经验，按开挖步序不同，把公 路连拱隧道施工，分为六大类九种形式施工方案u = ( 1 ) 三导洞方案，即中导洞先行，进行超前开挖，双侧导洞随后跟进的方案。 有时也可先开挖双侧导洞，后开挖中导洞。据此可再细分为三种形式： 1 ) 三导洞一先墙后拱型； 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 ) 三导洞一全断面二次衬砌型： 3 ) 三导洞一双上导洞型。 ( 2 ) 中导洞方案，即只有中导洞先行超前开挖，而无需侧导洞的方案。根据 主洞开挖方式不同。可再细分为四种形式： 1 ) 中导洞一正台阶型； 2 ) 中导洞一侧壁导洞( c d ) 型； 3 ) 中导洞一双下导洞型； 4 ) 中导洞一双上导洞型。 ( 3 ) 无导洞方案，即直接开挖主洞，而无导洞的方案。按主洞开挖方式不同， 可分为两种形式： 1 ) 正台阶型； 2 ) 全断面型。 ( 4 ) 中导洞一双边洞方案，简称墙洞方案，用于四连拱隧道施工； ( 5 ) 四导洞方案，用于岩质较好，用原岩作中墙，代替钢筋混凝土中墙； ( 6 ) 开天窗明洞方案，建于城市街道中心。 在日本及意大利为中心的澳大利亚、瑞士、法国等欧洲隧道修建技术发 达的国家，连拱及小间距隧道已有相当的设计施工经验。以日本为例，在山 岭重丘区的高等级公路隧道和城市浅埋隧道中大量选用了连拱隧道w 。其施 工方法主要有以下几种：三导洞( 中央+ 侧壁) 半断面施工方法、三导洞全断面 施工方法( 中央+ 侧壁) 、三导洞( 中央+ 侧壁) c d 旌工方法、中央导洞c d 施工 方法、中央导洞配合两拱顶盾构导洞施工方法以及中央盾构导洞施工方法。 现阶段对连拱隧道施工的研究主要集中在以下几方面n j j ：不良地质条件 下的地层处理及开挖方式和方法、导洞形式的选择、有效地配合盾构进行修 建以及超大断面隧道的开挖方式和方法。如日本道路公团近期针对在建中的 第二东( 京) 名( 古屋) 神( 户) 高速公路等重要干线高速公路及中心城市周边公 路中出现的大量连拱隧道，结合各自的特殊地质及地形条件，采用多种新的 研究手段，正在对施工期间的开挖支护方法、监控量测基准、支护参数、衬 哈尔滨工程大学硕十学位论文 砌结构的安全性等多项内容进行大规模技术研究。 1 3 双连拱隧道发展方向 1 3 1 发展前景分析 由于连拱隧道具有不可替代的优点，如最小限度的占用和分割土地，最 大限度的保护自然环境，预计今后会有更大的发展，特别是在山岭重丘地形 区和城市周边的山丘区更会得到广泛采纳。这种发展趋势，现已经在国内外 明显表现出来。分析其原因，最主要的有以下三个方面： 首先，连拱隧道洞口上下行线路是紧密相连的，因此线路所占用和分割 的土地最少，路桥隧相连的线形最为理想。这是分离式隧道无法相比的。尤 其是我国是一个多山的国家，土地资源紧张及其不可再生的特点，更是明显 突出。另外我国大中城市星罗棋布特别是在我国东、中部地区人口稠密，在 城市周边山丘不仅兴建二车道连拱隧道，近些年已发展兴建四连拱隧道和三 车道隧道，以满足日益增长的人流和车流交通需要。 其次，由于连拱隧道洞口连接线路占用和分割土地最少，带来最大限度 的保护自然景观，最大限度的减少人文和生态环境的破坏，符合当今以人为 本和科学发展观的世界潮流w 。 第三，我国属山岭重丘地形发育的国家，特别是东南和西南地区山丘重 重，适宜兴建成群成组的连拱隧道。这样可以减少山丘的深挖和沟谷的高填， 从而最大限度地保护自然生态环境，产生极大的社会效益和经济效益m ，。 1 3 2 目前需要解决的问题 根据以上所阐述的连拱隧道的研究现状，建议在以下几方面继续加强对 连拱隧道的研究： ( 1 ) 继续总结施工工法。在现有的施工工法基础之上，继续总结一些不同 地质条件和要求下接近实际应用的施工工艺和工法，研究不同的围岩级别采 用相适应的隧道结构，供设计和施工单位进行比选。特别是尽可能地减少施 工工序和步骤，使施工工艺不断优化，达到减轻劳动强度，提高工效，缩短 工期。降低工程造价之目的。 6 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 ( 2 ) 拟编出连拱隧道施工规范，供设计和施工中使用。现行的公路隧道 施工技术规范尚未提到连拱隧道内容，需要根据现今已有的施工经验及成果， 进行施工规范的修改和补充。2 0 0 4 年7 月发布1 1 月实施的公路隧道设计 规范，已有连拱隧道的内容，涉及强制性条文的有关规定应当严格执行。同 时在实践中还应注意积累资料，总结经验，及时发现和提出问题，使规范更 加完善，更好地指导设计和施工。 ( 3 ) 洞口选择研究。根据洞口地形，尽可能保护自然环境，少开挖自然 边坡。当连拱隧道长度超过3 0 0 m 时。需要进行专门通风，为使排出的污浊空 气，不致倒流入另一洞内时，是否可设计左右洞口前后错开一定距离。 ( 4 ) 继续进行各种模拟实验，以及进行动态的模拟和计算，得出科学合 理的各种参数的数值范围，供拟订范围、设计和施工中参考。从现有研究成 果看，有的设计部门为了安全保险，采用了过大的保险系数，造成每延米单 价过高，导致一些浪费和工期的延长。因此，进行各种施工动态的现场模拟 实验研究，不仅具有理论意义，而且还有直接的经济意义。 ( 5 ) 总结防止各种病害的措施和经验。如整体式中墙防渗漏水和二次衬 砌开裂处理等措施研究。现有防渗漏水的措施较多，尤其是改进中墙结构形 式后。如变整体式中墙为复合式中墙，左右洞二次衬砌单独成环，防排水效 果大为改观n ”。但要继续研究对施工更方便更安全，效果又好又经济的连拱 隧道防治病害措施。 ( 6 ) 施工中的监控量测研究“一。由于连拱隧道围岩受到多次扰动，部分 初期支护需要拆除，施工中的监控量测工作带来困难，现有研究成果不算多， 需要进一步加强研究，要不断积累数据和经验，建立和健全监控量测体系及 监控基准，指导设计和施工，并研究预测和预报施工中可能发生的事故。 ( 7 ) 从可持续发展理念和科学发展观的角度研究w 。应从最少占用和分 割土地，最大限度地保护自然景观和生态环境角度，尽量避免和减少地质灾 害及交通安全事故，进行线路和隧道位置选择。尤其是对城市中心区及周边 的双连拱隧道建设路线的研究和设计，更为重要。今后我国自驾车将大幅度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 增加，为避免道路拥挤或堵塞，还可能需要在大中城市中心区主要街道下兴 建更多的类似广州市黄埔大道开天窗平顶连拱隧道。 ( 8 ) 进行超前地质预报和围岩位移的智能预测研究。 ( 9 ) 施工技术和研究方法的研究。现有的施工和研究方法较多，如荷载 分析法、复合衬砌结构计算法、典型类比分析法、有限元分析法、长管棚技 术、系统注浆技术和多导洞技术等，但如何综合应用和进行科学合理的选择， 以及积极慎重采用新思路、新技术、新材料、新设备、新方法和新工艺方面， 有待进一步探索。 1 4 国内外针对连拱隧道主要采用的研究方法 1 4 1 理论、经验信息研究 在地下工程的设计计算中，存在荷载一结构模式和共同作用模式。前者 由于其简单易用，是长期以来工程界的主导方法，其缺点是将围岩和结构截 然割裂开来，从而无法真正描述施工中的围岩力学效应，包括隧道周边收敛 和地表及地中位移。共同作用模式主要基于近代连续介质力学的研究进展。 目前隧道的理论解析成果主要集中在单孔隧道方面，对于复杂形状的单孔隧 道和连拱隧道的理论解析是非常困难的。自六十年代开始，在连续介质中的 单孔隧洞弹塑性解的基础上，国内外许多学者对单孔隧道开挖引起的体位 移及地表沉降作了理论研究及经验的公式分析w 。 经验信息研究主要是建立相应的工程信息数据库和试验数据库，分析所 包含的经验和规律。如h i s e t a k e 等( 1 9 8 7 ) 为估算两条平行盾构隧道引起的三 维地表沉降，在综合考虑隧道横截面二维时效沉降分析所采用的方法建议， 对隧道上部地层的运动和纵断面无因次沉降特征曲线提出简单分析方法。 1 4 2 模型试验 模型试验是隧道及地下工程研究中使用较多的一种方法。它的理论基础 是相似理论。模型试验具有直观、全面的优点，并且能够满足用其它方法不 能满足的条件的优点。建立在相似理论基础上的模型试验可以是定性试验， 也可作为结构计算的辅助工具，更重要的是它可作为独立的工具w 。模型试 8 哈尔滨工程大学硕七学位论文 验分析对工程技术人员将成为一种不可缺少的工具，它将和计算机一样为人 们乐意使用。国内外利用模型试验进行结构研究的事例很多。原列宁格勒铁 道学院曾对单跨双层的地铁车站进行结构模型试验。西南交通大学开展了许 多室内大比例尺模型试验w ，如北京地铁西单车站的模型试验研究、南京地 铁三山街车站的模型试验研究、重庆高等级公路大断面低扁平率长隧道修建 技术研究的模型试验研究、深圳地铁重叠隧道模型试验研究、广州地铁2 号 线越秀公园车站模型试验研究、北京地铁五号线盾构隧道管片衬砌模型试验 研究。可以说，用模型试验的方法对隧道及地下工程的研究，国内外已经取 得了不少的成绩w 。其理论与方法已日臻完善。 1 4 3 计算机模拟 自1 9 6 2 年以来，随着计算机的引入，岩土力学的发展取得了长足的进步， 特别是在岩土力学的数值计算和模拟方面尤其突出。各种数值模拟方法：如有 限差分法( f d m ) 、有限元法( f e w 、边界元法( b e m ) 、离散元法( d e m ) 、流形元法 ( 眦m ) 以及无单元法( e l e m e n t f r e em e t h o d ) 等，相继出现。并且在科学研究 和工程应用方面，无论是过去还是现在都发挥着重要的作用。特别是在工程 应用领域，没有数值计算和模拟的参与，几乎是一件无法想象的事情。同样， 在隧道工程领域，这些数值模拟方法也起着重要的辅助和指导作用。国内外 许多隧道工程都依赖计算机模拟作为设计施工的依据。西南交通大学作了一 系列这样的模拟m ，：川藏二朗山公路隧道围岩支护结构计算机模拟、高地应力 对衬砌结构影响的计算机模拟、软岩公路隧道大变形段结构优化设计数值分 析、广州越秀公园暗挖车站的施工监测与分析等。 1 4 4 现场原型试验 现场原位试验是隧道工程研究领域中很好的一种研究方法。现场试验的 研究数据不仅可以为理论研究提供依据，而且可以直接指导实际工程。国内 外的大型工程、新型结构或特殊结构都积极采用现场试验的方法。在隧道工 程研究领域，现场原位试验主要包括以下几方面的内容：地质和支护状态观 察、周边位移和拱顶下沉量测、围岩深部位移量测、锚杆轴力量测、围岩与 9 哈尔滨工程人学硕七学位论文 喷层接触压力量测、钢支撑内力量测、模筑二次衬砌内力量测m ，。对连拱隧 道而言其研究成果主要体现为：通过典型的现场原位试验，取得围岩和支护结 构的力学行为随施工进展的动态特性，判明各次开挖后所引起的围岩松弛范 围及支护结构的实际受力状况，建立连拱隧道新奥法施工的现场监控量测管 理体系和监控基准m 一，并提出及时解决施工过程中出现不良情况时的各种应 急措施。 1 4 5 综合方法 在地下工程和隧道的科学研究中，单纯的运用一种方法是很难得出完整 的结论的，如果分析不当很可能得出错误的结论。如果综合运用以上方法， 就能避免分析中的不足和错误。综合运用以上方法，可以将结果相互映证， 得出完整正确的结论。国内已有很多隧道科研课题就是综合运用理论分析、 模型试验、计算机模拟和现场量测多种分析方法，取得了较为满意的研究成 果。 1 5 本课题研究目的、内容及方法 1 5 1 研究目的 通过本课题研究，为推动公路连拱隧道施工技术的发展，在现有的施工 工法基础之上，继续总结一些不同地质条件和要求下接近实际应用的施工工 艺和工法，对双连拱隧道结构体系进行优化设计，研究不同的围岩级别采用 相适应的隧道结构，供设计和施工单位进行比选。特别是尽可能地减少施工 工序和步骤，使旌工工艺不断优化，达到减轻劳动强度，提高工效，缩短工 期，降低工程造价之目的。 1 5 2 研究内容 根据连拱隧道修建过程中急待解决的重要问题，参照日本及欧美等公路 隧道修建技术发达国家对同类隧道的研究及工程经验，并结合作者参与的相 应科研项目的要求，以及国内大量工程事例的研究分析，针对目前双连拱隧 道建设中存在的不足，本文进行了以下几个方面的研究： 1 0 哈尔滨_ r ：程大学硕十学位论文 1 5 2 1 连拱隧道优化设计的数值模拟研究 因为隧道结构在长度方向上的几何尺寸要远远大于其余两个方向上的几 何尺寸，而且结构上所承受的载荷均平行于横截面并沿着长度方向均匀分布， 这符合弹性力学中对平面应变问题的定义，因此我们可以把该课题研究的双 连拱隧道近似假定为平面应变问题来解决。实践证明这样分析得出的结果在 工程上是可用的。因此利用有限元软件a n s y s 对双连拱隧道模型的应力分布 情况进行了具体的分析，设计出较为合理的中墙位置，最终得出优化了的双 连拱隧道模型。 1 5 2 2 连拱隧道施工方案总结比选研究 通过对目前国内外双连拱隧道施工资料大量收集和整理的基础上，主要 针对其已存在的各种施工方案进行了总结比选。分别对各种施工方案进行了 开挖步骤、支护方式、主要适用范围以及优缺点进行了介绍。并对这些方案 进行了整体对比总结，得出在不同环境条件下优先选择的双连拱隧道施工方 案。以期能为双连拱隧道工程建设者有个较为直接与总体的参照，从而节省 工程时间。根据我国目前施工实际情况，并结合国外经验，按开挖步序不同， 把公路连拱隧道施工，分为六大类九种形式旆工方案。这些施工方案都是在 实际工程中总结出来的。各施工方案有其各自的优缺点，有其各自的使用条 件，每种方案都会在不同的地质条件下有不同的施工工序。 1 5 2 3 连拱隧道施工方案优化研究 由于当前连拱隧道施工方案及其施工工序和步骤都较繁琐，这就不可避 免的多次扰动围岩，势必严重削弱了围岩的稳定性。隧道施工的开挖工序直 接影响着隧道的施工安全、工程费用和工程进度，设计中如何选择适当的施 工工序是每位设计者必须慎重面对的问题。为了减轻劳动强度，提高工效， 缩短工期，降低工程造价等，施工方案的优化处理是至关重要的。为此，通 过a n s y s 有限元软件的分析提出双连拱隧道施工优化工序。 1 5 2 4 提出双连拱隧道结构改进措施 通过数值模拟对连拱隧道结构的分析，针对连拱隧道中出现的主要病害 哈尔滨工程大学硕七学位论文 防治，分析其原因，并对中墙、仰拱和锚杆进行了改进。 1 5 3 研究方法 本文采用a n s y s 有限元分析软件对双连拱隧道的中墙结构进行了数值分 析、方案的优化比选，并结合工程实际获得较为合理的模型设计。在对结构 的数值分析以外，通过大量双连拱隧道施工资料的收集整理，也是通过学习 性研究的方法，对国内外现存施工方案进行对比研究，结合a n s y s 有限元软 件分析，得出结论。因而研究方法大体为理论分析、工程示例研究与数值分 析的综合方式。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章对称双联拱隧道的最优组合设计 2 1a n s y s 程序简介 a n s y s 是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型c a e 通用有限 元分析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能 源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、 水利，以及日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作 系统( 如w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 、i r i x 和h p - u x ) 中运行。从p c 到工作站，直 至巨型计算机，a n s y s 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。a n s y s 是一个包括多物理场分析功能的软件。 2 2 平面问题的有限元分析 因为隧道结构在长度方向上的几何尺寸要远远大于其余两个方向上的几 何尺寸。而且结构上所承受的载荷均平行于横截面并沿着长度方向均匀分布， 这符合弹性力学中对平面应变问题的定义，因此我们可以把该课题研究的对称 双连拱隧道近似假定为平面应变问题来解决，实践证明这样分析得出的结果在 工程上是可用的。 用有限单元法分析弹性力学平面问题，不仅本身具有实际意义，而且还带 有一定的典型性m 。该部分将通过三角形常应变单元，介绍有限元法应用于弹 性应力分析的基本原则和方法。在有限元分析中，三结点三角形单元是最简单 最常用的单元，因这种单元中假设位移是线性变化的，单元内应变和应力都是 常量，所以也称三角形常应变单元。下面就以三节点三角形单元的平面应力问 题的有限元分析为例，说明平面问题的有限元分析过程。 2 2 1 结构离散 将一个受力的连续弹性体离散化，就是将连续体划分为有限个互不重叠， 互不分离的三角形单元，这些三角形在其顶点( 取为结点) 处互相铰接。所有 作用在单元上的载荷，包括集中载荷，表面载荷，体积载荷，都按虚功等效的 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 原则移置到结点上，成为等效结点荷载。在按结构的位移约束情况设置约束支 承。划分单元后，对所有的单元和结点从l 开始按顺序加以编号。这样就得到 了有限单元法的计算模型：( 见图2 1 ) 渺 图2 1 弹性体和有限单元模型 2 2 2 单元分析 2 2 2 1 用单元结点位移表示单元内各点位移位移模式 图2 2 表示了一个典型的三角形单元e ，三个结点为i ，j ，m ，按逆时针方向 排列。每一结点具有两个位移分量，整个单元共有六个结点位移分量。用列阵 表示为 p r = 口彰霸】r ( 2 1 ) 其中予矩阵 e = 白，v ，r ( i ，j ，m ) ( 2 2 ) 上式后面附有记号( i ，j ，m ，) 表示这个公式实际上代表三个公式，其余两个公 式系由其中的下标i ，j ，m ，轮换得来。以后经常采用这种记号。式中u 。v 。是结 点i 在x 轴和y 轴方向的位移。 x 图2 2 三角形单元的节点位移和节点力 如果只知道结点位移，我们并不能直接求出单元内的应变和应力。因此， 为了用结点位移表示单元应变和应力，必须假定单元内部任意一点的位移分量 1 4 哈尔滨f 程大学硕十学位论文 i 甜f = 口l + c 1 2 x t + a 3 y ti e = 口4 + 4 5 x i + a 6 y j 1 甜j = 口l + a 2 x j + a 3 y j v j = 4 4 + a 5 + 口6 y ， ( 2 4 ) q = 去匿三妻f啦= 击5 曼芰f c z s ， 2 肚1 1 x jy ，j 1 yl q 娟 i，l 按解析几何，a 等于三角形i j m 的面积。为使求得面积的值不致成为负值， 结点i ，j ，m 的次序必须是逆时针转向。 同理可以得到a4 ，a5 ，n6 ，在代回( 2 3 ) 式，并稍加整理，得到单元 位移模式( 也称位移函数) 如下： “= 去k t + 6 ，x + c y - ，+ 也+ 6 j x + c j y - ，+ o 。+ k 羔+ ) ，- 。1 v = 击昭，+ 6 f x + q y h + ( a l + q x + 巳y ) l ，+ ( 口。+ x + c m y ) i ，。】 式中 q = e ：羔l = x ，y 。一x 。- y ， c z 一， 岛= - ，y ，j = y j _ 儿 c t ，m ， c 争8 ， 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 q = i 乏l = 一( 】。一x 。) 从( 2 - 8 ) 式不难发现有 b | + bj + b _ = 0 c i 七c j + c 。= 0 由( 2 6 ) 、( 2 8 ) 式可得 4 = 去纯气一q ) 为了简化位移模式( 2 7 ) 的表达式，如令 j 。砑1 、a + b t x + c j y ) ( 2 7 ) 式就可写成 甜= n , u ，+ n ，“，+ n m u m 1 ，= 咋+ n j v ，+ n * v 。 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 式( 2 一1 2 ) 所表示的单元位移，也可改写成矩阵的形式 杪 = ： = i n ：形形】p 。= 【 ( 2 - 1 3 ) l 7 j 式中i 是二阶单位阵，n i ，n j ，n m 是坐标的函数，简称为形函数。矩阵 n 则称为形函数矩阵。 根据( 2 一1 2 ) 式，在单元的边界上位移标的函数，他们反映了单元的位移形 态，称为单元位移的形也是线性变化的，既然两个相邻的单元在其公共结点上 具有相同的结点位移，因此在他们的公共边界上，两个单元将具有相同的位移， 也就是说，所选择的位移模式保证了两个相邻单元之间位移的连续性。 2 2 2 2 用结点位移表示应变 有了单元的位移模式，就可利用平面问题的几何方程 小阱 0 u 缸 加 勿 0 u 加 一j 一 却叙 求得应变分量。将( 2 - 9 ) 式代入上式，就有 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 讲= 盟。 劾 。盟 匆 8 n io n , 勿 缸 】p 2 寺l o 一 生0 盟 o n j 0 0 _ _ _ - _ _ 砂 o n jo n j 磷m 勿 叙 砂 0 b j 0 b m 0 c l 0 c | 0c m b | c fb jc mb m 将( 2 - 1 4 ) 式简写为 斜= 吲p 。 式中 b 可写成分块形式 嘲= 陋，b ，b 。j ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 其子矩阵为 0l 刚2 都；j j m )( 2 _ 1 7 ) 公式( 2 一1 5 ) 是用结点位移表示单元应变的矩阵方程，矩阵 b 称为单元应 变矩阵。由于单元面积a 以及系数b i ，c i 等都是常量，所以矩阵 b 的元素都 是常量，因此应变 占) 的元素也是常量，也就是说，在每一个单元中，应变分 量毛，q ，一都是常量，故通常称这种单元为常应变单元。 2 2 2 3 用结点位移表示应力 在求出单元应变之后，再利用物理方程，便可导出以结点位移表示应力的 关系式。对于平面应力问题，各向同性弹性材料的物理方程为 其中 阱阱毒 jz瑚1 0 e y 制斜 治 1 7 坼u o眠一砂毗i卜 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 【d 】= 上1 - 。2 1 z 1 0o o o 1 一 2 d 称为弹性矩阵。把( 2 - 1 5 ) 式代入( 2 - 1 8 ) 式，得到 p = 【d 】陋】p 。 吲= 【d 】陋】 则( 2 - 2 0 ) 式可写成 = i s lp r ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 这就是单元应力与结点位移的关系式，其中i s 称为应力矩阵。矩阵 s 也 可写成分块形式 s - - o 】旧目吃j = bq 瓯j ( 2 2 2 ) 对于平面应力问题， s 的子矩阵可以写成 b 】= 【d 】慨】= 萄f e 万面 包 曲i 半q ，畅 q 半6 f 2 2 2 ，4 结点力和结点位移的关系 单元e 的实际受力状态，它在等效结点力的作用下处于平衡状态，这些结 点力用列阵表示为 忸 8 = 【r 7 r ，7r m 7 r = h q _ 【，。r ( 2 2 4 ) 单元内任