（地质工程专业论文）连拱隧道关键技术问题的模型试验及三维仿真模拟.pdf

摘要 摘要 我国在高等级公路的建设中，在特殊地质及地形条件的地区，为获得良好 的技术经济效果，大量选择了连拱隧道方案。但我国已建成的连拱隧道的数量 较少，缺乏可借鉴的设计施工经验。日本及欧美等公路隧道修建技术发达的国 家，连拱隧道出现的历史较我国要长，已有相当的设计施工经验。 本文在综合分析当前连拱隧道发展的基础上，依托地下系在研的重大科研 项目连拱隧道关键技术问题的研究，以云南省思- 4 高速公路工程两座在建 的连拱隧道为实际背景，进行了室内的平面模型试验。平面模型试验采用了1 ：1 0 0 的大几何比例尺模型，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，实现了在弹 性范围内控制各物理力学参数的全相似性。本文根据工程背景的主要地质条件， 确定采用水平岩层的岩体结构，模拟导洞和连拱隧道的开挖工况，考虑地形的 偏压作用等条件，并分别采用无结构衬砌和有结构衬砌两种模型进行了8 次试 验。以模型试验相似比理论为基础，本文针对8 3 0 和9 5 两次试验，详细分析 了模型试验所得到的量测数据。同时与模型试验相对应，本文进行了隧道开挖 的计算机三维数值仿真模拟，并对计算结果进行了详细地分析。同时，与模型 试验的量测结果进行对比验证，表明结果的可信性。 最后，在以下几个方面进行总结和归纳，得出了一些有价值的结论： ( 1 ) 由于开挖而引起的连拱隧道周围围岩应力变化规律； ( 2 ) 偏压作用下连拱隧道周围围岩应力变化规律； ( 3 ) 由于地面超载而引起的连拱隧道周围围岩应力变化规律； ( 4 ) 确定围岩压力的大小以及分布规律； ( 5 ) 根据摄影测量所得的位移场的基本规律。 关键词：连拱隧道模型试验围岩压力仿真模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t w h e nc o n s t r u c t i n gs e n i o rh i g h w a y si nc h i n a ，t h ep r o je c to fm u l t i p l e a r c ht u n n e l s o f t e na d o p t e di ns p e c i a lg e o l o g i ca n dt o p o g r a p h yd i s t r i c t si no r d e rt og e tb e t t e r t e c h n o l o g i c a la n de c o n o m i c a lp u r p o s e b u tt h e r ea r ef e wm u l t i p l e a r c ht u n n e l si n c o n s t r u c t e dh i g h w a y s ，s ot h ee x p e r i e n c et h a tw ec a r lm a k ef o rr e f e r e n c ei ss c a r c e i n t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yc o u n t r i e ss u c ha sj a p a n e s ea n de u r o p ec o u n t r i e s ，t h e r ei s m o r ee x p e r i e n c et h a tw ec a l lm a k ef o ri n m u l t i p l e - a r c hd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n b e c a u s eo ft h el o n gt h e o r yo fm u l t i p l e - a r c ht u n n e lc o n s t r u c t i o n t h et h e s i si sb a s e do nt h ea n a l y s i so ft o d a y sm u l t i p l e a r c ht u n n e lr e s e a r c h r e s u l t s c o m b i n e dw i t ht h eg r e a ts c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c tw h i c hn a m ei st h e r e s e a r c ho ft h ek e y t e c h n o l o g i e si nt h em o d e lt e s to ft h em u l t i p l e a r c ht u n n e l ，t h e 2 dm o d e l i n gt e s t sa r ee x p e r i m e n t e di nl a bo ng r o u n do ft h et w ob e i n gc o n s t r u c t e d t u n n e l st h a ta r ei nt h es i x i a oh i g h w a yr o a d ag e o m e t r i cs c a l eo f1 ：10 0i sa d o p t e d o nt h em o d e li nt h e s et e s t s o nt h eb a s eo fg e o m e t r i cs c a l ea n dg r a v i t ys c a l e ，t h e c o m p a r a b i l i t yt h a tc o n t r o l sa l lp h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r si ne l a s t i c c o n d i t i o ni sr e a l i z e d t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h a ta c c o r d i n gt ot h em a i n l ye n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lc o n d i t i o n st h em o d e lt e s to fm u l t i p l e a r c ht u n n e la d o p t e dr o c km a s so f s t r a t al e v e l ，s i m u l a t i n gt h ee x c a v a t i o np r o c e s so fc e n t r a lp i l o ta n df u l l f a c eo ft h e m u l t i p l e a r c ht u n n e l ，c o n s i d e r i n ge c c e n t r i cl o a do ft h el a n d f o r mi n c l u d eh a v i n gl i n i n g s t r u c t u r ea n dn ol i n i n gs t r u c t u r ea n ds oo n e i g h tt e s t sh a v eb e e nd o n e a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo fs i m i l i t u d eo ft h em o d e lt e s t ，i na l l u s i o nt ot h et w ot e s t so f8 3 0a n d 9 5t h er e s u l to ft h em o d e lt e s t sh a v eb e e na n a l y z ec a r e f u l l y c o m p a r i n gw i t ht h e m o d e lt e s tt h et h e s i sm a k e st h ec o m p u t e r3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h enu m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea d o p t e dt ov e r i f yt h et e s tr e s u l t s t h r o u g hs u m m a r i z i n ga n di n d u c i n gt ot h e s eb e l o wa s p e c t sw eg a i ns o m ev a l u e c o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t h ec h a n g i n gl a wo fs t r e s si nt h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h em u l t i p l e a r c h t u n n e ld u et ot h ee x c a v a t i o n ； l l a b s t r a c t ( 2 ) t h ec h a n g i n gl a wo fs t r e s si nt h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h em u l t i p l e - a r c h t u n n e ld u et ot h ee c c e n t r i cl o a d ； ( 3 ) t h ec h a n g i n gl a wo fs t r e s si nt h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h em u l t i p l e a r c h t u n n e ld u et oo v e r l o a d i n go nt h ee a r t h ss u r f a c e ； ( 4 ) e n s u r i n gt h em a g n i t u d ea n dd i s t r i b u t i n go ft h es t r e s si nt h es u r r o u n d i n g r o c k ； ( 5 ) t h eb a s i cl a wo ft h ed i s p l a c e m e n tf i e l da c c o r d i n gt ot h ep h o t o g r a p h y k e yw o r d s ：m u l t i p l e a r c ht u n n e l ，m o d e l i n gt e s t ，t h es t r e s so fs u r r o u n d i n gr o c k ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：却翰 d 叨年3 月? 弓日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 绷炙 学位论文作者签名： 却磅 埘| 年朋一 d 屹年；月j j 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：翻冶 签名：训溯 朋，年弓月i 弓日 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 近年来，随着我国交通基础设施建设规模的逐步扩大，公路隧道修建的数 量也日益增多，新的隧道结构型式和相应的施工方法也不断涌现，连拱隧道即 是其中之一。但与双线分修隧道相比，在全国范围来说，其数量仍然不多，目 前这类隧道工程集中在福建、四川、广东、云南等省区，如近年来完成和在建 的福建相思岭连拱隧道、马宅顶不对称连拱隧道；广东的京珠高速公路五龙岭 大跨连拱隧道，四川广元石梯沟连拱隧道，云南玉元、大保、昆石、元磨高速 公路的练江、砖房、水磨房、清水沟、岔河、南溪河等2 5 座连拱隧道等，特别 是在云南地区，由于受地形条件的限制，连拱隧道成为高速公路隧道的主体， 其中目前在建的元磨高速公路全线2 3 座隧道中，连拱隧道数量有1 6 座，占7 0 ， 这在我国高速公路隧道建设史上是极为少见的。从目前已经建设的和今后规划 的线路来看，云南省内的连拱隧道无论是在数量上还是在规模上均列全国之最； 由于云南地质条件的多样性和复杂性，其修建的难度也是可想而知的。因此， 极有必要在云南地区开展连拱隧道建设的关键技术研究。 与传统的分幅修建单体隧道相比，连拱隧道在线路平面、洞口位置等的选择 上均较分幅修建隧道优越，而且自由度较大；同时，其综合造价较单跨结构低( 考 虑到隧道分修的双洞进出口各有较长的连接引线，引起的土地征用增多、前后段 桥路工程增加、洞身附属工程增加等一系列问题，连拱结构则有明显的优势) 。 但由于隧道跨度大，结构复杂，不利因素多，加上可供类比的工程很少，设计和 施工难度因而很大。尽管连拱隧道在我国的修建已有一段实践时问，并取得了不 少设计与施工的经验，但有许多问题仍待优化、完善和改进。 今后一个时期，连拱隧道在我国特别是云南地区仍然将大量采用。本课题通 过对大跨径连拱隧道设计与施工技术的研究，目的在于探明隧道围岩与结构的力 学转换机制，攻克设计与施工中的技术难点，保证工程的顺利进行与圆满完成， 获得一套系统完善的研究成果，对今后类似工程的修建将有积极的参考价值；对 丰富和发展我国公路隧道的设计与施工方法，亦具有十分重要的意义。 本课题主要通过模型试验，模拟连拱隧道的施工工况，同时进行了计算机三 维仿真模拟，了解开挖后围岩的变形和应力分布状态，为今后的设计与施工提供 相关的资料。本课题组在现场踏勘的基础上，以麻地河2 号隧道、南岛河隧道等 第1 章绪论 作为工程背景，并考虑地形的偏压进行相关的模型试验及计算机三维仿真模拟。 1 2 研究背景： 拟将建设的思茅小勐养高速公路全长9 7 2 2 公里，全线将有1 4 座连拱隧 道投入设计、施工，本课题将以该工程项目为研究背景。 ( 1 ) 麻地河2 号隧道： 隧道位于构造剥蚀低中山地形地貌区。此段属自然森林保护区，森林茂密。 岩性顶部为：褐红色、紫红色碎石土、亚粘土。亚粘土呈可硬塑状，仅分布于 隧道进口处，厚约4 7 米；碎石土呈稍密中密状，稍湿潮湿，整个隧道均有 分布，厚度4 1 3 8 米。下部围岩为白垩系褐红色、灰褐色泥岩、泥质粉砂岩、 砂岩不等厚互层，岩层产状9 0 0 8 4 0 ，隧道左侧稳定性较差。岩石节理很发育， 岩层破碎，该段有一组产状为2 3 8 0 2 2 4 0 的裂隙最为发育。据物探资料，全强 风化岩层v s = 3 5 0 8 0 0 m s ，v p = 1 0 0 0 - 1 8 0 0 m s ；弱风化岩层v s _ 8 0 0 r n s ， v p = 2 3 0 0 2 9 0 0 m s 。隧道围岩主要位于强风化和强弱风化基岩中，岩石具角 ( 砾) 碎( 石) 状松散结构，局部具块( 石) 碎( 石) 状结构。隧道地下水类型 为基岩裂隙水，富水性中等，砂岩、泥质粉砂岩为主要含水层，岩石中发育的裂 隙，为裂隙水的存在和运移提供了良好的条件。地下水的补给主要是大气降水， 随着季节的变化，在隧道开挖后，局部可出现季节性的滴水或涌水。岩石的主要 物理力学性质根据k 5 0 + 4 0 0 的钻孔资料可知，岩石的含水量为1 7 3 、风干容 重2 3 5g e m 3 、饱和容重2 3 8g e m 3 、干燥容重2 3 1g c m 3 、普通吸水性2 0 2 、 饱和吸水性3 1 9 、风干抗压强度2 8 0 ( m p a ) ( 轴向) 、饱和抗压强度2 4 0 ( m p a ) ( 轴向) 、软化系数o 8 6 、抗拉强度o 8 8 ( a ) ( k 干、轴向) 。 麻地河2 号隧道的轴线走向为北东东南西西方向。根据勘察报道所提供的地 质资料，并利用图切的方法获得了隧道埋深最大处的地形和隧道的横切面剖面 图，岩层分布特征采用了地质平面图上钻孔z k l 3 8 ( k 5 0 + 4 0 0 ) 中的资料绘制而成。 麻地河2 号隧道结构的最大尺寸为2 5 1 x 1 0 7 m ( 长高) 的组合双圆形连拱隧道。 此剖面图如图1 1 所示。 另外，从提供的地质资料组合分析，沿隧道方向的剖面图上z k l 3 8 ( 虽i k 5 0 + 4 0 0 ) 点的标高( 1 0 6 8 7 4 m ) 与从地质平面图上的到的该点处的标高 ( 1 0 8 1 8 m ) 存在较大差异。 ( 2 ) 南岛河隧道： 隧道位于构造剥蚀低山地形地貌区。岩性组成为：上部黄褐色残坡积碎石土， 厚度1 - - 4 米稍密，稍湿，据物探：v s = 1 2 0 - - 一4 0 0 m s ，出口端为褐红、紫红、灰 2 第1 章绪论 白色亚粘土含碎石，呈可硬塑状，厚度3 - 6 米。下伏基岩为紫红、褐红色泥岩、 泥质粉砂岩互层夹泥灰岩分布。隧道围岩以全强风化基岩为主，v s = 3 0 0 1 5 0 0 m s ，v p = 8 0 0 - 一2 5 0 0 m s ：在隧道中段设计线以上有薄层弱风化基岩发育， v s 1 5 0 0 m s ，v r , = 3 5 0 0 4 1 0 0 m s 。隧道区岩层产状紊乱，褶皱发育。岩石节理 裂隙很发育，岩层破碎，围岩开挖后易坍塌，进口端k 2 2 + 1 9 0 - - - , + 2 5 0 段，路中 线右侧斜坡陡，右侧保护土层薄，洞室开挖时，此段会出现偏压，导致洞室破坏、 【1 0 0 t 0 9 0 、心一一 、一一 o s o 一弋一? 0 7 0 o 、 一 白， 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 图卜1 双圆连拱隧道剖面图 冒顶。在隧道出口处左侧，有一大滑坡发育，该滑坡主滑方向与路线方向基本一 致，长约1 6 0 米，宽约1 1 0 米，滑坡右侧周界距离路中线约2 5 米，滑体厚9 1 3 米，岩性由亚粘土、碎石土组成。隧道地下水类型为基岩裂隙水，富水性中 等，主要受季节性补给，随着季节的变化，在隧道开挖后，局部可出现季节性的 滴水或涌水。岩石的物理力学性质采用钻孔k 4 0 9 2 4 的资料，其中岩石的含水量 2 0 2 、风干容重2 5 9g e m 3 、饱和容重2 6 1g e m 3 、干燥容重2 5 4g e m 3 、普通 吸水性2 5 6 、饱和吸水性2 8 6 、抗拉强度0 6 6 ( m p a ) ( 风干、轴向) 。 南岛河隧道的轴线的主要走向为南东东北西西方向。剖面图采用与麻地河2 号隧道相同的方法，并参考了地质平面图上的钻孔z k 3 1 ( i 即k 2 2 + 3 7 1 ) 的地质资 料，绘制该剖面图。如图1 2 所示。本隧道的结构的最大截面尺寸为 第1 章绪论 2 4 8 m 1 0 3 m ( 长高) 的直墙圆拱形的连拱隧道。 根据上述工程的背景资料，结合研究的主要目的，本课题组决定采用水平岩 层的地质条件，简化结构面对岩体的影响，考虑斜坡的偏压为试验的基本模型。 1 0 9 5 l ：t - - 一- j | ，i i i 图卜2 直墙连拱隧道剖面图 1 3 国外连拱隧道工程的发展现状 在以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，连拱及小间距隧道己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。其施工方法主要有 以下几种：三导洞( 中央十侧壁) 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 施工方法、中央导洞c d 施工方法、中央 导洞配合两拱项盾构导洞施工方法以及中央盾构导洞施工方法。现阶段对连拱的 研究主要集中在以下几方面：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。 4 第1 章绪论 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， 国外许多学者对单孔隧道开挖引起的土体位移及地表沉降作了理论研究及经验 的公式分析。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 模型试验作为岩体工程、水利工程、隧道及地下工程研究等物理模拟的主要 研究手段，近几年被广泛地应用，并获得了很大的发展。作为研究岩体工程建设 中，由于地质条件的复杂性而可能形成的未知问题( 尤其是突发事件) ，尽可能 在设计阶段加以考虑，并提出相应的处理预案，使得岩体工程的建设更为安全、 经济所必须进行的研究方法之一。它的理论基础是相似理论。模型试验具有直观、 全面的优点，并且能够满足用其他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。模型试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、清华大学、同济大学开展了许多室内大比例尺模型试验，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、溪洛渡水电站 地下厂房洞室群模型试验研究，上海中环隧道模型试验研究等。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。其理论与 方法己日臻完善。 1 4 3 计算机模拟 第1 章绪论 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 m ) 、边界元法( b e m ) 、离散元法( d e m ) ，流形元法 ( m e 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。同济大学作了一系 列这样的模拟：盾构及地层相似模拟方法和试验研究、巨型地下洞室群开挖及围 岩稳定研究等。 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。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，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，可以将结果相互映正，得出完整正确 的结论。同济大学的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，取得了满意的研究成果。 1 5 研究的目的、方法、内容及要求 1 5 1 试验的目的 6 第1 章绪论 本次模型试验的主要目的是研究i i 、i i i 类围岩( 老的分类，若转换为新的 分类应为、v 类，下文相同) 地质条件下，高速公路连拱隧道开挖的可行性， 分析掌握连拱隧道开挖时围岩与结构的整体力学性质，变形趋势以及稳定性特 点。与此同时，物理模型所得的结果可与后期的数值模拟所得的结果进行对比分 析，在一定程度上进行相互的验证。 1 5 2 本文的研究方法 本文采用室内相似模型试验为主体并配合计算机三维仿真模拟的方法进行 相应研究。模型试验中采用1 ：1 0 0 的大比例相似比，对模型材料进行组合遴选， 按相似理论对围岩特征和物性、原始地应力场、开挖步骤进行严格的相似模拟。 根据已有的工程地质资料，参考比较典型的剖面位置，对南岛河隧道与麻地 河2 号隧道的地形特征，按一定的缩比进行模型试验，并选择了连拱隧道常用的 直墙连拱隧道和双圆连拱隧道，各进行了四组模型试验。 整个试验过程基本上按连拱隧道分阶段施工的工况进行。模拟开挖的步骤 为：1 先分段开挖中导洞；2 分段开挖左洞；3 分段开挖右洞。在模型中埋设 了土压力盒、微型沉降标等量测元件。 在模型试验以外，应用数字摄像技术和计算机三维仿真计算的结果，对其进 行整理后，与模型试验的结果进行比较分析，印证模型试验的正确性与可信性。 1 5 3 本文的研究内容和要求 根据连拱隧道修建过程中亟待解决的重要问题，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，本文进行了以下三个方面的研究。 1 连拱隧道的开挖对围岩的影响 通过在模型材料中预埋的土压力盒，沉降板，以及百分表和数字照相技术对 隧道开挖过程中隧道围岩的应力的释放，围岩的位移进行观测。 2 在偏应力状态下连拱隧道围岩机理的研究 模拟连拱隧道在偏压状态下由于隧道的开挖，隧道围岩的应力，应变以及位 移的情况。 3 连拱隧道支护结构参数的研究 通过连拱隧道的相似模型试验和计算机数值计算，配合现场试验及监控反馈 结果，为连拱隧道衬砌的设计，新奥法施工等提供必要的依据。 要求获得连拱隧道模拟开挖过程中，围岩与结构的变化情况的基本工程力学 7 第1 章绪论 参数，并对所得的参数进行分析比较，给出连拱隧道开挖可行性与稳定性的综合 评价。 1 6 拟解决的关键技术及试验的实际应用价值 1 6 1 拟解决的关键技术 在本次试验中，有待解决的关键技术问题包括，围岩相似材料的遴选、结构 衬砌相似模拟、以及试验中相似理论的具体应用、试验中数据的采集以及试验中 数字照相技术的应用都存在相当的难度。需要我们在试验过程中根据具体情况， 本着与实际情况最为接近的原则，根据相似理论的有关原则，以极为科学严紧的 态度来解决以上问题。 1 6 2 试验的实际应用价值 通过本次试验得到结果进行理论分析，对以后在i i ，i i i 类围岩条件下建设 类似的隧道提供有价值的理论参考。 第2 章模型试验理论及试验设计 第2 章模型试验的理论及设计 2 1 相似关系的建立 本次试验按弹性阶段相似的原则进行，具体的相似关系按相似理论进行推导。 2 1 1 相似第一定理 如果表征一个系统中的物理现象的全部量( 如线性尺寸、力、位移等) 的数 值，可由第二个系统中的相对应的诸量乘以不变的无量纲数得到，这两个系统的 物理现象就是相似。 若两个弹性力学问题是力学相似的，以p 和m 分别表示原型和模型的物理量， c 表示相似比，则原形和模型都应满足弹性力学的基本方程( 平衡方程、相容方 程、物理方程和几何方程) 和边界条件。将各物理量之间的相似比定义为如下关 系： 几何相似比 c l ：立：生：u t , ：! ：l _ 。l ( 2 1 ) x _ y mu _ v t m 应力相似比g = 杀= 器= 器= 詈 旺2 ， 应变枞匕c = 筹= 法= 器= 詈 晓3 ) 弹性模量 ， e p l e 。 - 丘m 泊松比相似比巳2 告 边界力相似比d ：三= 三 x x 囊 y “ 体锄枞g 专专 位移相似比 g = 鲁 9 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 第2 章模型试验理论及试验设计 容重相似比c ，= 2 将以上各个相似比代入弹性力学的基本方程， 其关系如下： c ，= c l c x c ，= c 。c e c ；= c ， 巳= 1 e = 1 2 1 2 相似第二定垂( r l 定理) ( 2 9 ) 可求出各相似比之间的关系。 ( 2 1 0 ) 弹性力学模型相关参数表达式： 厂b ，s ，e ，x ，孔万，1 ，) = 0 ( 2 1 1 ) 上式中参数p 的值为8 ，基本量纲，的值为2 ，选出体积力x 和长度，作为 基本量纲的物理量，他们的量纲分别为兕。和三，根据量纲至少出现一次的原则， - j 伺： 乃：尝：要 ( 2 1 2 ) 乃2 而2 面弦 娌 要使此成为无量纲参数，则必须： 口= 1 ；一3 0 r + = - 2 ，解得：伊1 。故 有准则( 或相似判据) ： 7 l ：三 ( 2 1 3 ) = 一 i = z 1 j l l x l 、。 同理可得： 石22 占 e 乃2 瓦 万42 x 2 瓦 万 死2 z 根据两个力学现象相似则相似判据相等， l o ( 2 1 4 ) 第2 章模型试验理论及试验设计 有： o p仃m _ - _ - - 一= _ - _ _ - 一 工p z p x ，m s p 。咻 一e p ：旦 x p lp x m l m j p2 m x p ：生 x j 口，p x 册，m 6 p6 m lp l m 2 2 试验设计 2 2 1 相似条件设计 ( 2 1 5 ) 或 c ， 二二一= 1 c x c l e = 1 c 二o = 1 c x c l c 口= l c i 。一21 c x c l 鱼：1 c i ( 2 1 6 ) 以下用下标p 代表原型，下标玩代表模型，大写字母c 代表相似比。下标中 ，为长度，u 为位移，e 为弹性模量，) ，为容重，仃为应力，为应变，1 ，为泊松比， 驴为内摩擦角，c 为内聚力，尺为强度。 按本次试验的实际情况，确定如下的相似比： 1 几何相似l t c l = 1 0 0 ； 2 容重相似比：即1 ； 3 泊松比、应变、摩擦角相似比：c v = c ：- c q , = i ： 4 强度、应力、粘聚力、弹性模量相似比： c r = c , ：- - c 。= c e = 1 0 0 。 2 2 2 模型范围及模型尺寸 由两种不同形式的隧道截面，即直墙拱和圆拱形式，试验人员制作了两个模 型箱，分别进行不同截面的模型形式试验。实际工程隧道截面如图2 1 ，图2 2 所示。 第2 章模型试验理论及试验设计 ：；= = = 二= 7 ，一之 图2 一l 直墙连拱隧道截面图( 直墙拱) 彩；蕊孓，多主慕 j 、l 譬可固邓 。三三三；三三乡 图2 - 2 双圆连拱隧道截面图( 圆拱) 根据现场的地质资料以及试验确定的相似比例，确定模型采用 1 6 m x l 2 m x o 4 m 的模型箱。具体截取范围如图2 3 与图2 4 。 ，磊， - - - - w - - 图2 3 直墙连拱隧道地质剖面图及模氆截取范围( 单位：m ) 1 2 第2 章模型试验理论及试验设计 塞，。 轴 一置 三一二二。o = - 二、 _ 、一 一： 一：一一： 一。、 二一一i 、 、 c 1 2 ，表明 离中导洞距离越近受开挖影响越大。另外由于c i o ，c 2 3 测点的土压力盒产生了 顺时针转动，使得测得的数值变小，且两者的数值很接近，尤其是中导洞贯通后 两个值几乎相等。 ( 2 ) 右边测点( 见图3 1 1 - 2 ) 总体上压力也呈增大趋势，但增幅略小于左边。c 2 4 到中导洞完成与左侧的 c 2 3 压力差不多，显示出对称荷载的特点。c 1 1 与c 1 3 在开挖至测点设置截面处 开始有下降，表明掌子面过了测点布置界面之后，应力分布有新的变化。右侧由 于c 1 1 ，c 1 3 土压力盒转向而使压力值减小了一些。而靠近洞壁的值很大，严格 2 7 第3 章模型试验结论及分析 意义上说c l l 与c 1 3 测得的可能是在自重应力作用下中导洞开挖面产生的压力 变化的稳定值。 ( 3 ) 拱底测点( 见图3 1 1 3 ) 三个压力盒都呈现先降后增的变化趋势。左洞下方的c 2 0 变化幅度大于右 洞下方的c 2 2 ，并且两者都在1 0 8 点左右受压增加，迅速回弹。中墙下方的c 2 1 有一个较清晰的应力释放过程，后期与前两个相反，应力释放加剧，这个是由于 开挖过程中此压力盒外露引起的。试验后，试验人员对此压力盒进行了修补。在 中隔墙插入后c 2 1 的应力开始明显增加。而c 2 0 ，c 2 2 的应力开始明显下降，应 力进行了重分布，其规律符合常规的力学变化。 ( 4 ) 拱顶测点( 见图3 1 1 - - 4 ) 总体趋势与拱底测点相似，都在1 0 8 点之后开始回弹，其中c 1 6 相对来说 变化较小，但三个测点总体变化幅度远小于拱底。在插入中墙之后，回弹加快， 压力迅速增加，表明中墙开始承受荷载。 洞室开挖( 2 2 0 - - 4 8 9 ) ( 1 ) 左边测点( 见图3 1 1 5 ) 变化趋势都差不多，掌子面越靠近中截面变化越明显。在开挖至左边1 5 c m 附近，c 2 3 与c i o 有一个明显的突降后回弹过程，应力释放之后又重新受压，使 得压力值又有所增加。c 1 2 由于距离洞壁最远，受的影响明显小。 ( 2 ) 右边测点( 见图3 1 1 - - 6 ) c l l 与c 1 3 变化不明显。c 2 4 与左边的c 2 3 规律相同，转折点稍微延后， 并且4 5 0 点左右有一个起伏，这是由于最后一段5 c m 是先从背后开挖引起的。 其中的转折点延后是由于开挖过程中先挖左后挖右的开挖方法引起的，表明右边 的变化稍迟于左边。 ( 3 ) 拱底测点( 见图3 1 1 7 ) c 2 0 与c 2 2 在3 0 0 点前后压力发生突降，其原因是开挖至1 5 c m 处引起应力 的大幅释放。c 2 2 在开挖时外露，后在全贯通之后进行了修补，其曲线最后有一 段大幅度释放，是由于这个原因引起的。在开挖阶段c 2 0 ，c 2 2 的变化规律基本 一致。c 2 1 在中墙插入前进行了修补，洞室开挖后开始受力，曲线反弹，并在开 挖至中截面附近开始趋于稳定。 ( 4 ) 拱顶测点( 见图3 1 1 - - 8 ) 三者总体趋势都差不多，c 1 4 与c 1 5 数值很接近，开挖过程中产生的压力降 大于c 1 6 ( 中隔墙顶上，距洞壁稍远处) 。c1 4 与c 1 5 在3 0 0 点附近有明显突降， 且c 1 4 先于c 1 5 ，同样表明开挖步骤先挖左后挖右对应力分布的影响。突降的量 值相对较大，但在全贯通之后趋于稳定，后略有回弹。 第3 章模型试验结论及分析 c 1 6 变化幅度比较小，突降不明显。 第一天稳定阶段( 4 8 9 - - 7 7 5 ) ( 见图3 1 1 - - 5 8 后半阶段) 测点数据基本都趋于稳定，拱壁两侧的c 2 3 于c 2 4 一直在比较快的回弹压 紧，拱底测点略有下降( 应力继续释放) ，拱项测点略有回弹( 应力增加) 。 结构的插入 结构插入后，对拱壁的c 2 3 于c 2 4 影响最明显，结构推进后，侧壁材料与 结构接触应力增加，压力盒显示增压回弹；拱底测点先压紧后松弛，并趋于稳定； 拱顶测点在较大的应力松弛之后也开始回弹，并趋于稳定；左右两侧远端四个压 力盒所受影响比较小。 入夜稳定阶段( 当天结束至第二天加载前) 经过一定时间后各测点测量值基本趋于稳定。 加载阶段( 2 9 4 0 - - 3 4 8 0 ) ( 1 ) 左边测点( 见图3 1 1 - 9 ) 变化一致，应力上升明显，c 2 3 上升幅度最大。 ( 2 ) 右边测点( 见图3 1 1 一1 0 ) c 2 4 上升明显，且幅度最大，c 1 3 最小。c l l 由于本身已经翻转的缘故，已 经失效，此处变化8 1 曼d , 。 ( 3 ) 拱底测点( 见图3 1 1 一1 1 ) c 2 0 有松弛现象，压力减小，推测与结构的作用减弱引起的。c 2 1 基本保持 不变，c 2 2 小幅增加。 ( 4 ) 拱顶测点( 见图3 1 1 1 2 ) 三个测点应力增加明显，c 1 4 增幅最大，c 1 5 与c 1 6 稍小。加载的影响可以 分成三个阶段：上凹，直线，下凹表现为应力传递的过程且理论上讲两边的应力 增加快于中间的。 全过程拱顶沉降情况( 见图3 1 1 一1 3 ) c 3 1 在一般情况下都稍大于c 3 0 与c 3 2 。在入夜稳定阶段，c 3 1 有一定的回 弹，显示为该点的隆起，分析推测与压力圈的形成有关。 加载时，c 3 0 增幅最大，与对应位置的压力盒表现一致。因此分析推测可能 在加载时候因为人为的失误使得试验中形成了一定程度上的偏压。 第3 章模型试验结论及分析 ， 一一j 一 h 广- 。i - 一 一 图31 1 1 中导桐开挖左边测点应力变化 w _ j j - _ 1 ) 【= 瓯 图311 2 中导洞开挖右边铡点应力变化 园 & z v s w r 口 第3 章模型试验结论及分析 图31l 一3 中导洞开挖拱底测点应力变化 趸e 圈皿 图3l1 4 中导洞开挖拱顶铡点应力变化 3 l 圄 - j j 3，hl 一一 hj 吣r， ! 一， 飞纠球广 1n ， 一 。 t j v s m r 一 区 ， 一 ，r 、 、l，一 一 l _h+ l 一， c y _ = 1 j 、 、j i = v $ m r 髓龃 m 。 00 0 0 0 4 n 0 0 3 墨o 0 0 2 三o l 喜 o - 0 0 。i 0 2 - 0 0 - 仉0 0 4 第3 章模型试验结论及分析 2 0 0啪0枷 * t e 图3 a i - - 5 开挖试验左边涮点应力变化 1 0 02 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 * a 图31 1 6 开挖试验右边测点应力变化 圄 厂 t j；翻 一r 。 _ 厂一 厂 1， 。，。， o 妒睁西悖翱毫 。f e = v s m r q 第3 章模型试验蜡论及分析 瑚棚5 自8 开挖试验拱底测点麻力变化 嗤31i 一8 开挖试验拱顺洲点麻力变化 圄 。一 ，乡，v 。 1 静。沁 v j 一1 ”u 3 、 i i p 一 - ， 啪 m 帅 ；a=一#hi 习 厂、，1 、 ，弋 二一一， vj 嘲 瞻k m 。n ，一 ： 寸 1 一， k 一1 ， l 一 。 一 一 一 删 ，$ w o 啪删雌 第3 章模型试验结论及分析 oo l o0 0 9 o0 0 8 sm 0 0 6 目00 0 5 o0 “ n 3 o 咖 o0 0 4 h r ， _ j 岍- _ j 广 )3l*帅33 t 女自 图3ll 一9 加载试验左边测点应力变化 图3 1 1 一1 0 加载试验右边测点向力变化 第3 章模型试验结论担分析 一l 1 - l 1 i 吐 r ii 月 l ；_ 刀， ii l j 妇 圈311 1 l 加载试验擞底测点应力变化 j j 一 ， j 。一，j 一r p ，f = 二 图3l1 1 2 加载试验拱项测点麻力变化