（地质工程专业论文）港口连拱隧道围岩稳定性分析及开挖模拟研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 港口连拱隧道围岩稳定- 性分析及开挖模拟研究 地质工程 杨兴奉1 1 ( 签名) 盘鐾生! 】 樊怀仁 ( 签名) 垄绝塑匠 摘要 近年来，随着高等级公路建设的不断发展，隧道的数量日益增多。连拱隧道是随我 国公路建设的迅速发展而提出的新型大跨度隧道形式，其具有线形流畅，空间利用率高， 占地面积较少，与洞外线路连接方便等优点，得到了越来越多的应用。 本文结合景德镇一婺源一黄山高速公路港口连拱隧道工程实例，以高速公路隧道围 岩稳定性评价为主线，以保护围岩的自稳和指导施工为目的，以确保围岩稳定性达到高 速公路工程对隧道围岩的具体要求。采用定性评价和定量评价、整体评价和局部评价相 结合的方法，对隧道围岩稳定性开展了系统的研究。 本文从影响隧道围岩稳定性的工程地质因素入手，对围岩的变形破坏机制进行了分 析和探讨。并以港口连拱隧道为研究背景，分析了隧道地质条件、隧道围岩在施工过程 的应力和应变的变化情况及隧道的围岩稳定性等，得出港口连拱隧道围岩总体上趋于稳 定。综合分析了对节理、裂隙发育的全、强风化变质岩系连拱隧道的施工力学响应进行 了监测和数值模拟分析，系统分析了隧道围岩变形特点。结合掩工现场的监控量测和数 值模拟，对现场监控量测，动态设计，信息化施工在节理、裂隙发育的全、强风化变质 岩系连拱隧道中的有效应用进行分析。 在工程试验、现场监测和前期计算分析的基础上，建立了地质与施工的概化模型。 运用有限元数值模拟软件f l a c 引进行了施工过程数值模拟，通过对“中导洞”方案和 “三导洞”方案进行施工过程数值模拟对比分析，得出“中导洞”方案更适合于港口连 拱隧道的初步结论。结合现场监测数据，对比“中导洞”方案的数值模拟结果，对隧道 施工过程中和运行期间的整体稳定性进行了分析，提出了相应的工程措施。 通过上述的围岩稳定性分析，得出该连拱隧道总体上趋于稳定，在进出洞口段围岩 的稳定性差；通过施工过程模拟，得出“中导洞”方案是较优的施工方案。 关键词：连拱隧道；围岩稳定性；施工过程；数值模拟；f l a c 3 d ；高速公路 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：e m u l a t i o no fe x c a v a t i n gp r o c e s sa n ds t a b i l i t ya n a l y s i so f s u r r o u n d i n g r o c kf o rg a n g k o ub i - a r c ht u n n e l s p e c i a l t y：g e o l o g ye n g i n e e r i n g n a m e ：y a n gx i n g l i i n s t r u c t o r ：f a nh u a i r e n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 垮卫江 ( s i g n a t u r e ) 芦必 i nt h el a s tf e wy e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a y , t h en u m b e ro ft u n n e lh a se v i d e n t l y i n c r e a s e d ，t h eb i a r c ht u n n e l sa r en e wt y p eo fg r e a ts p a nt u n n e lm o d a l i t ya d v a n c e dw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t u c ti n o u rc o u n t r y b i a r c ht u n n e l ，w h i c hh a v et h e a d v a n t a g eo fs m o o t hl i n et y p e ，h i g h e rl l s ef a c t o ro fs p a c e ，l o w e rl a n do c c u p a n c y ，a n db e e n c o n v e n i e n tf o rt h et u n n e lt oc o n n e c tw i t i lt h ew a yo u to ft h et u n n e l ，h a v eb e e na d o p t e di nt h e h i g h w a yp r o je c ti n c r e a s i n g l y i nt h i sp a p e r ，o nt h eb a s i so ft h eg a n g k o ub i - a r c ht u n n e lp r a c t i c eo fj i n g d e z h e n w u y u a n - h u a n g s h a nh i g h w a y , t a k et h eh i g h w a yt u n n e la d j a c e n tf o r m a t i o ns t a b i l i t ya p p r a i s a l a st h em a s t e rl i n e ，t a k ep r o t e c t st h es u r r o u n d i n gr o c kf r o mt ob es t e a d ya n dt h ei n s t r u c t i o n c o n s t r u c t i o na st h eg o a l ，g u a r a n t e e st h es u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yt oa c h i e v et h eh i g h w a y p r o j e c tt o t h et u n n e ls u r r o u n d i n gr o c ks p e c i f i cr e q u e s tf o rs a f e u s i n gt h em e t h o do f q u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o no ft h eo v e r a l le v a l u a t i o na n dc o m b i n ep a r t i a l e v a l u a t i o n ，t oc a r r yo u tas y s t e m a t i cs t u d yo f t h es t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c k i nt h i sp a p e r ，s t a r tw i t hg e o l o g i c a le n g i n e e r i n gf a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo ft h e s u r r o u n d i n gr o c k ，a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o nf o rt h em e c h a n i s mo fs u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o n a n df a i l u r e o nt h eb a s i so fo a n g k o ub i - a r c ht u n n e l ，a n a l y s i st h ec h a n g ew i t hg e o l o g i c a l c o n d i t i o n ，s u r r o u n d i n gr o c k o fs t e s sa n ds t r a i na n dt h es t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c k c o m e t o ：t h eg a n g k o ub i a r c ht u n n e l sg e n e r a l l ym o r es t a b l e w i t ht h es i t em o n i t o r i n gd a t a ，t h i s p a p e ra n a l y s e dc o m p r e h e n s i v e l ys t r e s sa n ds t r a i no ft h es u r r o n n d i n gr o c ka n ds t a b i l i t yo f t h e a r c h e dt u n n e l 埘t hj o i n t ，舨c t u r ed e v e l o p e d ，w e a t h e r e dr o c k so fm e t a m o r p h i c ，t h ep r i n c i p l e a n dc h a r a c t e r i s t i co f t h en a t mm o n i t o r i n ga r es u m m a r i z e di nt h ep a p e rt o o b a s e do nt h er e s u l t so ft e s t ，m o n i t o r i n ga n dn u m e r i c a la n a l y s i sw i t hc o n s t r u c t i o n m e c h a n i c a lr e s p o n s eo ft h et u n n e l ，a n a l y s i so fr o c kd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et u n n e l b a s e do nt h et e s t ，m o n i t o r i n ga n dp r e l i m i n a r ya n a l y s i s ，f o u n d i n gam o d e lo fg e o l o g i c a l c o n s t r u c t i o n u s i n g f l a c “s o f t w a r ef o rf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f 血e c o n s t r u c t i o np r o c e s s b y ”o n eg u i d eh o l e s ”p r o g r a ma n d ”t h et h r e eh o l e s ”c o m p a r a t i v e a n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a mf o rc o n s t r u c t i o n ，c o m et o ”g u i d eh o l e s ”p r o g r a mi sm o r es u i t e d t ot h ep r e l i m i n a r yf i n d i n g so ft h eg a n g k o ua r c h e dt u n n e l ，c o m b i n e d 、i t l lm o n i t o r i n gd a t a a s c o m p a r e dw i t h ”o n eg u i d eh o l e s ”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 s ，d u r i n gt h ec o u r s eo ft h e c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no ft h et u n n e lo nt h eo v e r a l ls t a b i l i t y a n a l y s i s t h er e l e v a n t e n g i n e e r i n gm e a s u r e sa r es u g g e s t e d t h r o u g ht h es t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c ka b o v e - m e n t i o n e d ，c o m et o ：t h eg a n g k o u b i a r c ht u n n e lg e n e r a l l ym o r es t a b l e ，b u tt h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ko ft u n n e lo p e n i n g g e n e r a l l yp o o rs t a b l e ；t h r o u g ht h ec o n s t r u c t i o np r o c e s ss i m u l a t i o n ，g u i d e d o n eg u i d eh o l e s ” p r o g r a mi sb e t t e r k e y w o r d s ：b i a r c ht u n n e l s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k c o n s t r u c t i o np r o c e s s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf l a c 3 0 h i g h w a y t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西妥料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 h、 学位论文作者签名：携髟和j 日期：7 棚乡，罗， 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 淞钙 指导教师签名 年rf 日 ， 1 绪论 1 绪论 1 1 论文选题依据 2 1 世纪是我国向中茜部开发的世纪，也是人类将地下空间作为资源开发的世纪。我 国又是多山国家，三分之二的国土由不同类型的山脉、高原组成。隋着铁路和公路工程、 水电工程、南水北调工程、各种矿山工程以及军工防护等工程的大发展，需要修建大量 隧道、隧洞。在2 l 世纪，我国的铁路、公路建设重点将西移，云、贵、川、藏、陕等 省区的铁路修建将成为“重头戏”。而公路也将以高等级公路和中西部公路为主，从而形 成我国贯穿南北、东西的公路干线网，将同样需要修建大量的公路隧道，特别是长大公 路隧道。以西北、西南地区大型水电站，华东、华北、华南和东北等地高水头抽水蓄能 电站为重点的水电工程建设，都将修建大量的深埋长隧洞和高水头隧洞。我国正在实施 的南水北调工程，无论是西线工程还是中线工程，大都位于我国山区，更将修建大量穿 越山岭的长大隧洞，某些缺水城市的供水工程也要开挖很多长大隧洞，如沈阳市饮水工 程，就要开挖全长7 5 k i n 的属于亚洲第一的特长陆上隧洞。 长期以来，隧道围岩稳定性评价和隧道开挖后应力重新分布特征研究一直是工程地 质学者研究的重要课题( z l 3 1 ，伴随着高速公路隧道的发展，对地震断裂带区和软岩复杂地 层隧道围岩稳定性的研究，则是一个更新的课题。对于地质构造发育的山区高速公路隧 道而言，区域地质条件、地质构造则与其围岩稳定性是有着直接关系的重要工程地质问 题。断裂带区域内的隧道围岩意味着围岩中各类结构面较为发育、围岩结构松散、岩体 破碎、裂隙水发育，这些因素导致隧道围岩处于围岩体强度较低的碎裂状态。实践证明。 破碎带区域隧道围岩的稳定性直接影响隧道工程的设计与施工，并事关工程的成败。如 西山隧道施工中，由于地层破碎，围岩稳定性很低，并于1 9 9 8 年1 1 月2 4 日发生了 石方量达2 0 0 0 m 3 的大塌方，从而迫使施工中途中断，转而又投入巨大的人力、物力来 处理，严重地影响了隧道的施工，既拖延工期又造成经济损失 4 1 。类似这种在破碎带区 域修建隧道等有关的工程稳定性问题在许多工程中都存在着，都不同程度地涉及到围岩 的稳定性问题。由此不难看出，在软弱地层、复杂地质条件下对地下工程的围岩稳定性 问题的研究，是一项非常紧迫、重要，并带有学科前沿性质的一项有待于对其展开研究 的重要课题。 大跨度高速公路隧道的开挖，势必引起隧道围岩变形场和应力场的改变，过大的变 形和应力集中都会造成围岩的破坏，对隧道的稳定性产生影响。数值模拟方法在研究隧 道围岩稳定性方面具有十分明显的优势，已经日益成为稳定性定量评价中不可或缺的重 要方法，在模型实验和经验设计方法不能够完成的情况下，数值模拟方法就充分体现了 西安科技大学硕士学住论文 其优越性。因此，对隧道开挖过程的数值模拟计算一直是工程地质学分析方法中的一个 重要组成部分，特别是近十几年来，随着计算机技术和数值计算方法的飞跃性发展，从 二维到三维，从静态到动态，计算精确度、可靠度的不断提高，加之大量工程实例的验 证，更使得数值模拟计算方法日益成为岩体稳定性评价中不可或缺的重要手段，为此， 本文拟以当前最流行的岩土专用数值模拟软件f l a c ”程序来作为计算工具，以景婺黄 ( 常) 高速公路连拱隧道项目为依托，对此隧道建立模型，并模拟其开挖过程，在此基 础上推荐合适的支护方式。 鉴于此，本文以景婺黄( 常) 高速公路连拱隧道项目为依托，通过对隧道围岩分级 及稳定性评价，以指导确定设计和施工过程中对不同地段不同级别围岩的支护加固类 型；通过对隧道施工过程进行数值模拟，指出在隧道施工过程中围岩应力强度关系中的 最薄弱部位，预测和预防围岩的局部失稳破坏和累进式破坏，以确保围岩稳定性达到高 速公路工程对隧道围岩稳定的要求，通过和现场监测资料的对比，得出一套适合现代信 息化施工的隧道围岩稳定性研究方法，从而为隧道围岩稳定性分析适合现代信息化的施 工做出一分力量，将f l a c 3 d 应用于隧道工程围岩稳定性分析中，为后来者借鉴。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 隧道围岩稳定性影响因素分析 隧道工程围岩的稳定性取决于多因素的综合影响，归纳起来主要有以下6 种因素： ( i ) 地质结构 软弱结构面是影响隧道工程围岩稳定的一个重要因素。所谓主要软弱结构面是指相 对发育的软弱结构面，即张开度较大，充填物较差，成组性好。规模较大，有利于滑移 的优势方位的结构面。由于结构面产状不同，与洞轴线的组合关系不同，对隧道工程围 岩稳定的影响程度亦不相同。研究表明：这些结构面正是岩体中的薄弱部位，它们的力 学强度，比如粘聚力或摩擦系数往往只有岩石母体材料强度的几分之一、几十分之一甚 至几百分之一。其变形阻力或刚度也往往比岩石本身要小几个数量级。岩体结构面的强 度包络线要比岩石材料的强度包络线低很多。因此，岩体结构面及裂隙分布状况经常是 围岩稳定与否的控制性因素，特别当围岩应力不大及围岩母体比较坚硬时更是如此。 ( 2 ) 地应力水平 围岩地应力因素对隧道工程围岩稳定性的影响是众所周知的，特别是高初始应力的 存在。岩石强度与初始应力之比( r c o m a x ) 大于一定值时，可以认为对洞室围岩稳定不 起控制作用，当这个比值小于一定值时，再加上洞室周边应力集中结果，对围岩稳定性 或变形破坏的影响表现就显著了，尤其当岩石强度接近初始应力值时，这种现象更为突 出。岩体的天然应力对隧道的影响主要取决于垂直于隧道轴向水平应力的大小与天然应 2 1 绪论 力的比值( ”，它们是围岩内应力重分布状态的主要因素。例如，圆形隧道，当持1 时， 围岩中不会出现拉应力集中，压应力分布也比较均匀，围岩稳定性最好；当九耋1 3 时围 岩出现拉应力，压应力集中也较大，对围岩稳定不利。同时，最大天然主应力的数量级 及其与隧道轴向的关系，对隧道围岩的变形特征有明显的影响，因为最大主应力方向围 岩破坏的概率及严重程度比其他方向大。 ( 3 ) 地层岩性 地层岩性主要通过围岩力学参数来影响围岩的稳定性，是影响围岩稳定性的基本因 素，是反映围岩物理力学性质的依据，主要表现在围岩的强度和变形性质方面。从国内 外工程岩体、围岩稳定性分级的情况来看，目前都沿用单轴抗压强度指标来反映( 沈明 荣，1 9 9 9 ) 。岩石力学性质所表现出的力学特征和属性是围岩本身所固有的性质，它对 围岩稳定性的影响很明显。通常，岩石强度高、变形能力小的围岩，其稳定性好；相反， 其稳定性就差。决定围岩岩石的强度和变形特征的主要因素是岩石的岩性。岩石力学参 数主要包括岩体的容重、内聚力、内摩擦角、完整性程度、岩块的坚硬程度、结构面的 抗剪、抗拉及抗压特性等。 ( 4 ) 施工因素 施工因素主要是指隧道的方位、规模、形态、施工方法、支护形式及其他工程活动 得影响等等。以上这些因素都对洞室稳定有一定的甚至很大的影响，一定条件下可以忽 略它们中的一部分，但在一些场合，则必须对它们进行专门的研究。地下工程的方位设 计，特别是在高地应力区有大的断层破碎带以及有较发育的节理组的情况下十分必要。 上面曾提到，工程主轴接近正交于最大主应力方向是不利的，而当工程区内有大的断层 或软弱地层时则相反，工程主轴与之正交时较为有利。岩洞断面的形态，有夹角的矩形 洞在夹角处易于形成应力集中，而对圆形或椭圆形洞应力分布就要好得多。另外旌工方 法及开挖顺序对围岩稳定也很重要，到底是一次或多次开挖，还是上行或下行开挖，应 依具体情况而定。现代岩石力学研究也表明，开挖岩体具有“记忆”的特性，下一步开挖 岩体对上一步开挖行为存在“记忆”，开挖过程是一个时间与空间不断变化的过程，这一 过程往往是不可逆的非线性演化过程，它的最终状态与该开挖过程相关。 ( 5 ) 地下水因素 隧道调查资料表明，地下水对不同类别隧道围岩的影响程度存在明显差异：对于i 级围岩和由硬岩组成的i i 级围岩，地下水对隧道稳定性影响甚微，一般可忽略不计：而 对于i 类以下围岩，地下水对隧道围岩稳定性的影响较大，地下水的存在将使围岩级别 提高l 2 级。地下水的存在及活动使它在隧道周围产生水利学的、力学的、物理和化 学的作用几乎总是不利于洞室的稳定。这种不利的作用大致体现在4 个方面：( 1 ) 由于 洞室开挖形成了新的自由面，对有一定透水能力的围岩来讲，附近的地下水有了新的排 泄通道，因此在洞周会产生渗压梯度。这属于种指向洞内，而且经常是不对称的附加 西安科技大学硕士学位论文 体积力，增加了周围岩石向洞内运动的推动力；( 2 ) 润滑作用。处于岩体中的地下水， 在岩体的不连续面边界( 如坚硬岩石中的裂隙面、节理面和断层面等结构面) 上产生润 滑作用，使不连续面上的摩阻力减小和作用在不连续面上的剪应力效应增强，结果沿不 连续面诱发岩体的剪切运动。地下水对岩体产生的润滑作用反映在力学上，就是使岩体 的摩擦角减小，即抗剪强度减小；( 3 ) 软化作用。由于地下水的活动，增加了围岩中的 含水量和饱和度，大大降低了某些岩石的变形模量和强度，有时还引起剧烈的膨胀( 如 泥岩) ，使某些岩石屈服点下降，粘性增加，对裂隙面则是摩擦系数降低和粘聚力值减 少，因此加剧了围岩的破坏和变形；( 4 ) 泥化作用。在地下水的通道上，由于溶解、搬 运或某些矿物成分的化学分解以及与其他因素综合引起的物理、化学变化等，围岩的强 度状况通常会进一步恶化。 ( 6 ) 时间因素 时间是研究隧道围岩的稳定性不可忽视的考虑因素。许多围岩失稳和破坏现象往往 要经过一段时间才开始显现，有的是开挖后几天，而有的是几个月甚至几年到几十年后 才发生。围岩应力变形状态随时问的变化主要有两方面的原因：一是岩体的流变性质。 许多岩体，特别是粘土质岩、泥岩等软弱岩石有明显的流变性质。甚至坚硬的火成岩由 于节理裂隙的削弱作用，也会产生流变现象。二是时间的增长加剧了围岩的弱化过程。 如开挖洞后温度、湿度的变化，气流及地下水的风化侵蚀作用，施工爆破的冲击振动作 用或机械振动引起的疲劳作用等都可逐渐或大大地削弱围岩的刚度和强度，从而导致围 岩变形的增加、塑性或松动破裂区的扩大等。 1 2 2 隧道围岩稳定性理论研究现状 ( 1 ) 力学分析方法 从1 9 世纪人类对松散地层( 主要是土层) 围岩稳定和围岩压力理论进行研究开始到 现在，围岩压力理论主要经历了古典压力理论、教体压力理论及现在广泛应用的弹性力 学理论、塑性力学理论【5 】。实际工程中，隧道开挖后由于卸荷作用使围岩应力进行重分 布，并出现应力集中。如果围岩应力处处小于体弹性极限强度，这时围岩处于弹性状态。 反之围岩将部分进入塑性状态，但局部区域进入塑性状态并不意味着围岩将发生坍落或 失稳。因而研究围岩稳定就不能不考虑塑性问题，芬纳( f e n n e r ) 一塔勃( t a l o b r e j ) 和 卡斯特奈( k a s t e r h ) 【6 】等给出了围岩的弹塑性应力图形。随着半解析元法以有限厚条法 的形式提出，林银飞、郑颖人 7 1 将有限厚条和弹塑性分析结合在一起，提出了弹塑性有 限厚法，采用大单元内划分小网格的方法判断塑性区范围，在弹性区及塑性区内采用统 一的解析函数级以修正常刚度增量法为迭代方法，推导出了塑性数矩阵及塑性刚度矩 阵。并将其应用于地下工程三维弹塑性围岩稳定性分析中。 4 l 绪论 对于深埋隧道，因其埋深大，围岩大都表现出强烈的流变特性，而软弱围岩，其本 身就具有明显的流变特性。因此，流变理论逐渐被引用到围岩稳定性分析的研究中。朱 素平【8 】等提出了以对数函数描述岩石蠕变的粘弹性模型进行围岩稳定性的力学分析。日 本学者西原在岩石流变试验资料的基础上，建立了能反映岩石弹一粘弹一粘塑性特性的 西原模型。在此基础上，同济大学孙钧 9 1 通过对围岩一支护系统受力机理的充分阐述， 得出了西原模型在隧道围岩一支护系统中的有限元解。并对层状节理围岩、含软弱断层、 破碎带的围岩分别提出了两个b i n g h a m 串联模型和四元件的粘弹塑性模型。 1 9 5 8 年前苏联学者k a c h a n o v 在研究蠕变断裂时首先提出了损伤的概念，后经法国 学者l e m a i t r e 与c h a b o c h e ( 1 9 7 7 ) 、美国学者k r a j c i n o v a ( 1 9 8 1 ) 等人利用连续介质力 学方法，根据不可逆热力学原理，建立了“损伤力学”这一学科后，国内外许多学者将其 应用于节理岩体的力学分析中。如i t 本学者k a w a m o t o 1 0 】及国内学者孙钧、李术才i n 】等。 学者李术才采用损伤力学方法得到的加锚节理裂隙岩体的本构关系及其损伤演化方程 来评价此类岩体的稳定性和变形行为。长期以来，工程界一般按二维平面应变问题来模 拟隧道的开挖效应。但实际上，在掘进面之后距其大约2 3 倍洞径或洞跨的范围内，围 岩体变形的发展和应力重分布都将受到掘进面本身的制约。因此，工程师们越来越注重 掘进面附近范围内隧道三维空间效应( 包括掘进面推进时效) 的研究。我国同济大学孙 例“1 2 1 3 】及朱合华【1 4 】等对此作了大量的数值模拟和现场实测研究工作，认为隧道掘进面 的空间几何效应在洞轴纵断面方向上表现为“半圆弯”约束，在洞室横断面方向上则表现 为“环形”约束。用“位移释放系数”来反映掘进面对围岩的空间约束程度，提出了广义虚 拟支撑力法，并成功地将其应用于隧道围岩稳定性分析中。 ( 2 ) 数值计算方法 近年来，随着计算机技术的迅猛发展，各种数值计算方法越来越多地被应用到围岩 稳定性的分析中，如有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法等。有限元法是一种 较早、较成熟的岩体数值分析方法，其有限元模型一般有弹性、弹塑性、粘弹性、粘塑 性、粘弹塑性等。为了克服有限元法在无限域问题应用中的限制，b e t t e s s l 9 9 7 年提出无 限单元这一单元形式后。印度的p k m a 9 1 5 1 结合无限单元与有限单元，运用有限元计算 程序，对围岩稳定性问题进行了一系列的计算分析。边界元法是继有限差分法、有限元 法之后发展起来的又数值计算方法，与有限元法相比，它具有降一维的特性及占计算 机内存小、计算时间省等优点。特别是由于边界元法本身适用于无限域和半无限域的特 点而在岩土工程中得到特有的青睐。边界元法分为直接边界元和间接边界元，间接边界 元法是依据求解对象的微分控制方程的基本解与假想的虚拟量在边界上的分布密度的 乘积建立基本积分方程的方法。同济大学的朱合华等对边界元法在隧道等岩土工程中的 应用进行了大量研究。台湾的k j s h o u t l 6 采用模拟地下洞室的虚拟力法和求解不连续面 问题的位移不连续法两者相结合的混合模型，提出了三维混合边界元法。除有限元法和 西安科技大学硕士学位论文 边界元法外，离散元法是用来计算具有不连续变形性质的节理岩层的一种新的数值计算 方法，它不受节理岩体相对微小位移的限制，即使是不稳定的围岩，变形可以计算到围 岩坍落。c h a r l e sf a i r h u r s 0 j 7 等对运用离散元法和有限元法分析节理岩层中洞室围岩稳定 性进行了比较。 ( 3 ) 人工智能方法 隧道围岩岩体工程力学行为及其变形和破坏机理在主、客观两方面相当程度上都是 随机、模糊的，也就是不确定的；且由于获取信息与数据方面的限制和不完全、不充分， 它又是不确知的。因此，尽管力学仍然是求解工程问题必要和不可或缺的手段，但它已 不是唯一的手段。神经网络、遗传算法等人工智能学科的兴起，为我们解决这类不确定 和不确知的工程问题提供了强有力的理论基础1 1 3 】。国内外不少学者正是利用这一理论基 础，提出了围岩稳定性分析的新方法。如北方交通大学的y y a n g a n d q z h a n g 1 9 1 利用b p 神经网络找出了影响围岩稳定性的关键因素，建立了一种等级分析方法。胡建华 2 0 1 等利 用改进的m b p 神经网络进行围岩稳定性的识别，建立了围岩稳定性的神经网络识别模 型。安红刚、冯夏庭【2 l j 将遗传进化算法与有限元相结合，对大型洞室围岩稳定性进行最 优建模和获得全局最优解。冯夏庭、马平波 2 2 1 运用知识发现技术中的数据挖掘环节，对 大量的工程实例数据进行知识发现，找出蕴含于工程实例数据中的内在关系，进而利用 这些关系可对类似条件下的围岩稳定性作出合理的判断。 ( 4 ) 围岩分类法 在实际工程的计算与设计中，因围岩分类法简单、明了而被广泛使用。围岩稳定性 分类方法1 2 j j 主要有s t i n i 法、f r a n k l i n 法、b i e n i a w s k i 的r m r 法和b a r t o n 等人的q 法， 以及a r i l d p a l m s t r o m 2 4 1 于1 9 9 5 年提出的r m i ( r o c km a s si n d e x ) 法。但此分类方法中包含 参数较多，而有些参数难以准确测定，加之岩体工程力学行为及其变形、破坏机理的不 确定性和不确知性。对此情况，不少学者采用模糊数学的方法加以处理。日本的铃木昌 欠【2 鼻冽等提出了采用模糊回归分析进行岩体分类的方法，对花岗岩、粘板岩及片岩地层 中隧道围岩分类基准式进行了推导。中国地质大学的于震平【2 7 】等以渗水结果、r q d 值 及l t c 6 为评定因子，且假定评定因子的隶属函数为正态函数的基础上，对围岩的类别 进行了模糊综合评判。铁二院莫君政1 2 8 j 等对i i ，类围岩的既有1 1 7 座隧道洞口的围岩 分类、洞身的埋置深度及施工安全程度等情况进行统计，求得不同洞身埋置深度对于围 岩稳定性的隶属函数，从而推导出围岩稳定性的隶属函数。同济大学黄宏伟1 2 9 1 等采用模 糊数学及层次分析法，分析了围岩稳定性分类中的不确定因素，提出了工程类比模糊经 验法。武汉科技大学的雷学文 3 0 l 等运用人工神经网络理论，建立了围岩稳定性分类的人 工神经网络识别模型。针对围岩受动压后结构的演化，田敬学【3 i 】等提出了围岩稳定性动 态工程分类法。 ( 5 ) 反分析法 6 1 绪论 自奥地利地质学家l 缪勒提出以充分发挥围岩自承能力为基本原理，以锚喷支护及 复合柔性衬砌为主要特征的新奥法以来，改变了过去设计与施工的一些传统思路。它依 据现场监控量测结果和信息反馈来指导施工和设计。因此，以现场监控信息为依据，通 过反演计算围岩物理力学参数来评价隧道围岩稳定性的反演分析方法目趋完善。印度的 b s i n g h 3 2 1 等认为由于隧洞围岩裂隙传播受到周围岩体约束及初始地应力对岩体的预 应力作用，其强度将会有显著的提高。并通过反分析得出了变化的强度参数及变形模量。 李世辉【矧提出了典型类比分析法隧道位移反分析技术，并编制了反分析程序( b m p 9 0 ) 。 针对用隧道位移量测结果进行反分析中存在的结果可靠度与精度问题，日本的谷河正也 a 4 1 等提出用三维反分析及双重反分析来提高结果的可靠度与精度。 1 2 3 隧道围岩稳定性试验研究现状 理论分析时，往往须对原型进行一定简化和假定，且分析中所用参数的精度和可靠 度也有限，由此导致理论分析结果与工程实际状况往往存在一定偏差。针对理论分析中 的种种缺陷和不足，国内外不少学者开展了大量的模型试验研究工作，得出了许多有益 的结论。岩体作为一种地质材料，经历了长期的地质构造运动，在一定的地质环境中形 成一定的结构，此结构显现出多变的材料响应范围，且岩体多为层面或节理面等弱面切 割。因此，节理、破碎岩体中围岩稳定性的模型试验研究开展得也就最多。中科院武汉 岩土力学研究所的朱维申【3 5 】等及陈卫忠【3 叫等开展了节理围岩变形特性和锚固效应的模 型试验研究，得到了不同初始地应力场条件下。地下工程分步开挖的围岩力学行为的变 化规律。交通部重庆公路科学研究所的黄伦海 3 7 1 通过相似模型试验得到了二车道公路隧 道围岩的位移发展规律。大连理工大学朱玮1 3 剐等通过底面摩擦试验系统，提出了裂碎围 岩按其力学作用规律存在有四种力学介质类型的观念，并初步论述了这四种介质类型所 拥有的力学模型，为碎裂围岩的稳定性分析提供了合理的依据。 1 3 本文采用的技术路线 在对港口连拱隧道围岩进行稳定性分析及开挖模拟研究过程中，主要采用了如下技 术路线： ( 1 ) 广泛收集和查阅当前国内外进行隧道围岩稳定性评价的相关资料。 ( 2 ) 根据港口隧道的工程地质勘察资料，分析研究区的地形地貌、地层结构及岩 性特征、断裂构造、新构造运动、不良地质作用、地震、水文地质条件等工程地质条件。 ( 3 ) 对港口连拱隧道围岩稳定性的工程地质定性评价，主要从隧道围岩变形破坏 机制及影响隧道围岩稳定性主要因素方面来进行。 ( 4 ) 港口连拱隧道围岩稳定性的定量评价，主要采用的是围岩稳定性的数值模拟 方法，即采用f l a c 3 d 进行施工过程的模拟；模拟过程中分别采用“中导洞”方案和“三导 7 西安科技大学硕士学位论文 洞”方案两种方案进行比较，从应力分析和应变分析两方面进行分析，通过对比找出适 合港口连拱隧道的施工方案。 ( 5 ) 对港口隧道现场施工监测数据进行分析，包括拱顶下沉量、隧道洞身收敛、 进出口边坡沉降量及围岩压力值和支护混凝土内应力等。 ( 6 ) 将现场监测数据和数值模拟结果进行对比，分析模拟的可靠性，为以后进行 类似工况的模拟提供参考。 2 工程地质背景 2 工程地质背景 2 1 交通位置及工程概况 景婺黄( 常) 高速公路是交通部确定的全国首批1 2 条典型示范工程之一，是江西 省“十五”期间新建1 0 0 0 k m 高速公路的新增项目之一，建成后的高速呈“v 字形状。包括 两条高速公路段，一是景婺黄高速公路，它是浙江杭州至甘肃兰州国家重点公路江西段， 与九景高速公路相接，全长1 1 6 1 4 4 k m ；二是景婺常高速公路，它是浙江宁波至西藏樟 木国家重点公路江西段，路线全长3 5 1 6 k r n 。 公路沿线沟谷纵横，岩溶地貌、断裂构造发育。不良地质作用及病害主要表现为岩 溶塌陷，顺层滑坡及堆积层滑坡，硬质陡危崖、塌落石、膨胀土、软土等，局部有岩溶 洞。整条公路将修建1 7 座隧道，其中有1 3 座为连拱隧道，港口隧道为其中地质条件较 为典型的一座连拱隧道。 港口隧道位于婺源县江湾镇港口村南侧约2 0 0 m 处，隧道起止桩号为k 1 5 + 1 8 0 k 1 5 + 4 8 7 ，为曲墙连拱隧道，处于直线段，长度为3 0 7 m ；隧道纵坡1 5 6 ，坡长8 9 0 m ， 净宽为2 x 1 0 2 5 m ，建筑限界净高5 0 m ，检修道净高2 5 m ；隧道进洞口采用端墙式，出 洞口采用削竹式。为设计连体中短隧道。 图2 1 景婺黄( 常) 高速公路位置图 9 西安科技大学硕士擘住论文 2 2 研究区的工程地质条件 2 2 1 地形地貌 ( 1 ) 地形地貌：港口隧道沿中元古界双桥山群浅变质岩系组成的低山斜坡展布。 段莘水呈反“s ”形流经研究区北西侧及隧道出口端南西侧，隧道穿越处地面标高在1 4 0 2 2 5 m 之间，最大相对高差大于8 5 m ，研究区山体植被发育，穿越和通视条件差。 ( 2 ) 水文气象：地表径流以段莘水呈不规则带状贯穿全隧道区，水流总体由北东 向南西流向。樟背坞溪于东流村东侧汇入东流水，属乐安河源头溪之一系的次级支流。 研究区属内陆亚热带季风气候，气候温暖潮湿，雨量充沛，四季分明，年平均气温 1 6 7 0 c 。年降水量1 8 2 1 m m ，一般每年4 6 月为梅雨期，8 l o 月为台风阵雨期，两期 降水占全年降水量的7 0 以上，由于乐安河等河流泄水及多处水库的蓄水调节，研究区 一般不会发生大的洪涝灾害，但瀑暴雨时节，局部偶有小的泥石流发生。 ( 3 ) 公路自然区划：依据1 9 8 7 年版公路自然区划标准( j t j 0 0 3 8 6 ) 的划分， 研究区划分为区，即江南丘陵过湿区。 2 2 2 地层结构及岩性特征 经钻孔揭露和地质调绘，研究区的地层由第四系全新统残坡积层和中元古双桥山群 变质岩组成，其自上而下为： 一、第四系上更新统 含碎石亚粘土( q 4 。1 + m ) ：黄褐色为主，主要由粘粒和粉粒夹板岩碎石组成，以粘粒 为主，碎石呈棱角状，稍湿，硬可塑硬塑，欠固结，属残坡积产物，层厚不均，表层 为植物生长层。厚o 8 0 8 4 0 m ，v p = 4 9 6 5 3 6 m s 。呈蠕动状松散结构。 二、中元吉界双桥山群( p t 2 0 ) ( 1 ) 全风化板岩( p t 2 s h c w ) ：黄灰黄色，原岩结构构造已破坏，但尚可辨，岩质 软弱，风化呈土夹碎石状，下部残留少量强风化碎块。坚硬状，手捏易碎敖，遇水易软 化崩解，分布不均，局部层厚5 5 0 1 4 8 0 m 。v p = 8 2 9 9 7 3 m s 。呈易蠕动的松软结构， 主要分布洞身及出洞口段。 ( 2 ) 全风化千枚岩( p t z s h c w l ) ：黄灰色，鳞片状变晶结构，原岩风化呈土夹碎石 状，手捏极易碎散，遇水极易崩解，层厚1 9 0 7 3 0 m ，主要分布在隧道出口端。 ( 3 ) 强风化板岩( p t 2 s i l s w ) ：褐黄灰黄色，粉细粒变晶结构，薄层板状构造，风 化强烈，裂隙极发育且紊乱，微张张开状，冲填粘性土及铁锰质氧化物，岩质软弱。 岩芯以碎块状、碎石状为主，手折易碎。层厚4 9 0 1 6 3 0 m 。v p = 1 7 5 0 1 9 3 2 m s 。里块 ( 石) 碎( 石) 状镶嵌结构。 1 0 2 工程地质背景 ( 4 ) 强风化千枚岩( p t 2 s h s ”) ：黄灰色，鳞片状变晶结构，千枚状构造，风化裂 隙发育，岩质软，手折易碎，层厚1 8 0 7 7 0 m ，主要分布在隧道出洞口段。 ( 5 ) 弱风化板岩( p t 2 s h “) ：灰青灰色，以中细粒变晶结构，板状构造为主， 夹粉细粒变晶结构，薄层板状构造，岩质较致密坚硬，节理( 裂隙) 发育，以轴心夹角 以3 0 4 0 0 微张状张性节理为主，裂面偶见硅质微细脉冲填。岩芯以柱状，短柱状为主， 部分碎块状，t c r = 8 0 。r q d = 5 0 7 2 ，层厚大于2 5 m 。推荐r b = 1 4 0 0 0 k p a 。v p = 3 2 8 9 - 3 3 6 4 m s 。呈大块状砌体、局部碎块状镶嵌结构。 ( 6 ) 弱风化千枚岩( s h ”1 ) ：黄灰色，鳞片状变晶结构，千枚状构造，成分以 泥质及娟云母为主，节理裂隙发育，尤以轴夹角1 5 。及近直立张扭性节理发育，受力易 打开，岩芯以碎块状为主，部分1 0 2 0 e m 柱状，岩质软，轻击易碎，r q d = 3 1 5 8 ， r b = 5 0 0 0 k p a ，层厚