（岩土工程专业论文）双连拱隧道施工过程分析及变形监测研究.pdf

论文题目：双连拱隧道施工过程分析及变形监测研究 专业：岩土工程 硕士生：李金华 指导老师：谷拴成 摘要 ( 签名) 壅丝 ( 签名) 笠丝丛 随着我国公路建设的迅速发展，双连拱隧道作为一种新型大跨度隧道形式，以其线 形流畅、占地面积少、空间利用率高等特点而被广泛应用；但目前我国尚缺乏有关双连 拱隧道的设计与施工规范和章程，大跨度连拱隧道施工己成为公路隧道施工中的难点之 一。因此，开展大跨度连拱隧道施工方法及变形规律研究可以为隧道的设计和施工提供 科学依据和技术指导，具有重要的工程价值。 ( 1 ) 本文以景德镇一婺源一黄山高速公路相思亭双连拱隧道为工程背景，利用有限差 分法建立三维弹塑性模型，对“中导洞+ 左洞先施作”与“中导洞+ 右洞先施作”两种施工 方案进行了对比分析，研究了不同旖工方案下的围岩、初期支护、中墙、衬砌的应力与 位移。结果表明，“中导洞+ 先左洞施作”方案在围岩、初期支护、中墙、衬砌等方面的 应力与位移要小于“中导洞+ 先右洞施作”方案，建议在施工中采取“中导洞+ 先左洞施 作”方案，以保证施工的顺利进行。 ( 2 ) 本文完成了相思亭双连拱隧道围岩变形监测方案设计，对监测数据进行了分析。 结果表明，相思亭隧道在施工过程中围岩变形趋势平缓，与数值模拟的结果基本吻合， 说明数值模型是合理的，计算结果是正确的。 ( 3 ) 本文对相思亭双连拱隧道右线k 5 9 + 8 0 0 断面拱顶下沉监测数据进行了回归分析， 预测了围岩的最终位移量，预测结果表明设计中的预留变形偏大，隧道的支护设计偏于 保守。根据对拱顶下沉速率的分析，确定了隧道二次支护的最佳时间。 关键词：双连拱隧道；施工方案；有限差分法；变形监测 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：c o n s t r u c t i o np r o c e s sa n a l y s i sa n dd e f o r m a f i o nm o n i t o r i n g s t u d yo fd o u b l e a r c ht u n n e l s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i q u e n a m e：l ij i n h u a ( s i g n a t u l l e 厶 五 鳖 i n s t r u c t o r ：g us h u a n c h e n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o f h i g h w a y , d o u b l e - a r c ht u n n e l ，a sa n e ww i d es p a nt u n n e l ，i s u s e dw i d e l yb e c a u s eo fb e a n t f dl i n es h a p e , l e s sa r e a - o c c u p i e da n dh i g l ls p a c e u s a g e b u ti n o u rc o u n t r yi ti ss t i l ll a c ki nt h ed e s i g na n dt h ec o n s t r u c t i o nc o d ea n dt h er e g u l a t i o no f d o u b l e - a r c ht u n n e l ，a n dt h e 丽d e - s p a nt u n n e lc o n s t r u c t i o ni sb e c o m i n gi m p o r t a n ta n dd i f f i c u l t i nt h ep r o c e s so fh i g h w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o n s ot h es t u d yo ft h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d sa n d t h ed e f o r m a t i o nr e g u l a t i o no fw i d e - s p a nm u l t i p l e - a r c h 啪p r o v i d es c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a l g u i d ef o rt u n n e ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o n , a n di ti so f a c t u a le n g i n e e r i n gv a l u e ( 1 ) t h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h ex i a n g s it e r r a c e sd o u b l e - 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 uy u a n - h u a n gs h a hh i g h w a y , f o u n d sa3 de l a s t i cp l a s t i cm o d e lu s i n gf l a c 3 d s o f t w a r e ，c o m p a r e sa n da n a l y z e st w op r e l i m i n a r yc o n s t r u c t i o np r o g r a m s ，t h a ti s ， o n eg u i d e h o l e sa n df i r s t l yc o n s t r u c t i o nl e f th o l e s p r o 伊a ma n d o n e g u i d ch o l e sa n df i r s t l y c o n s t r u c t i o nr i g h th o l e s p r o g r a m , s t u d i e st h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to ft h et u n n e l s u r r o u n d i n gr o c k , t h ep r e l i m i n a r ys u p p o r t , t h em i d d l ew a l l ，a n dt h el i n i n gf t o mt w op r o g r a m s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es 吮s sa n dd i s p l a c e m e n to ft h es u r r o u n d i n gr o c k , t h ep r e l i m i n a r y s u p p o r t , a n dt h em i d d l ew a l la n dt h el i n i n gf r o m m i d d l eg u i d eh o l 船a n df i r s t l yc o n s t r u c t i o n l e f th o l e s p r o g r a mi sl e s st h a n o n eg u i d eh o l e sa n d f k r s t l yc o n s t r u c t i o nr i g h th o l e s p r o g r a m ( 2 ) t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gp r o g r a mf o rx i a n g s it c 哟c c s d o u b l e - a r c ht u n n e ls u r r o u n d i n gr o c k , a n da n a l y z e dm o n i t o r i n gd a t a t h er e s u l t ss h o wt h e d e f o r m a t i o nt e n d e n c yo fs u r r o u n d i n gr o c ki sg e n t l ei nt h ec o n s t r u c t i o np m c e s so fx i a n g s i t e i t r c c st u n n e l ，i ti sg o o dm a t c ht ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ( 3 ) t h i sp a p e rd i dr e g r e s s i o na n a l y s i sf o rt h em o n i t o r i n gd a t eo fv a u l ts u b s i d e n c eo ft h e k 5 9 + 8 0 0s e c t i o no f x i a n g s it e n a e e sd o u b l e a r c ht u n n e l ，f o r e c a s t e dt h ef i n a ld l s p l a c e m e n to f t h es u r r o u n d i n gr o c k , f o r e c a s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tp r e f o r m e dd e f o r m a t i o ni ss l i g h t l yb i g g e r , t u n n e ls u p p o r td e s i g ni s s l i g h t l yc o n s e r v a t i v e a c c o r d i n gt ot h es u b s i d e n c ev e l o c i t y , t h e o p t i m a lt i m eo f t h es e c o n ds u p p o r ti sd e f i n e d k e yw o r d s ：d o u b l e - a r c ht u n n e l t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 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 其他人或集体已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。 学位论文作者签名：碴仓绊日期：2 棚7 - 牛芯 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： 套铋 指导教师签名：乞诃 矽年垆月万日 1 绪论 l 绪论 1 1 选题的背景 随着我国经济的快速增长，我国高速公路建设发展异常迅猛。当高速公路进入山岭 时，由于高等级公路线型标准高，为了保证高速公路线型的要求，缩短路线长度，提高 运营效益和行车成本，一般采用隧道的方式穿过，因此隧道已经成为高速公路一个不可 缺少的组成部分。 对于高速公路隧道修建，我国行业标准公路隧道设计规范( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) t q 第 4 3 2 要求：高速公路、一级公路一般应设计为上、下行分离的独立双洞。两相邻隧道最 小净距视围岩类别、断面尺寸、施工方法、爆破震动影响等因素决定，一般情况可按表 1 】的规定选用。在桥隧相连、隧道相连、地形条件限制等特殊地段隧道净距不能满足 要求时，可采取小净距隧道或连拱隧道形式。 表1 1 分离式双滑问的曩小闻距 注：& 隧道开挖断面的宽度。 双连拱隧道与分离式隧道、小净距隧道相比有很多优点，主要有：避免了洞口分幅 路基，减少了占地，与洞外线路连接方便；在傍山或垭口地形有利于洞口位置的选择， 并可减少隧道长度；避免了隧道洞口特大桥分幅，特别是跨河大桥；可保持路线线形流 畅，且断面造型美观；城市中双连拱隧道可以大大减少拆迁，降低工程费用。为克服地 形、地物的制约，隧道越来越多的采用连拱结构型式。一般来说，高速公路或一级公路 5 0 0 m 以下的公路隧道若地质条件允许，应选取连拱方案为宜；5 0 0 7 5 0 m 的隧道，应 结合通风问题同分修方案作比较；而7 5 0 m 以上的隧道分修双洞为宜。鉴于以上原因， 在我国高速公路的建设中，连拱隧道得到越来越多的应用 2 1 3 1 1 4 1 。 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，连拱隧道开挖跨度 明显增大，施工工序繁多，开挖和支护相互交错，围岩应力变化和衬砌荷载转换十分复 杂，尤其中隔墙受力，压、拉，弯、扭、剪均有。另外，旄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，左右洞施工对中墙的影响难以把握，增加 了隧道施工变形和稳定控制的难度，稍有不慎，就会造成塌方等工程事故。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必须。但从目前掌握的 西安科技大学硕士学位论文 资料看，铁路车站连拱隧道设计和施工技术应该说已比较成熟，公路连拱隧道的工程实 例则相对较少，可供借鉴的施工经验教少，我国尚缺乏有关公路连拱隧道的设计与施工 规范和章程。近年来，随着连拱隧道工程实例的增多，虽取得了一些经验，但还没有形 成一套完整的设计与施工方法以及相应的配套技术。有关隧道断面形状的优化，施工方 法的确定尤其是大型机械化施工方法的选择以及中墙项防排水的处理仍处于探索、积累 经验的阶段【5 】 6 1 7 1 。 鉴于此，本文将以景婺黄( 常) 高速公路相思亭连拱隧道工程为依托，采用数值分 析方法对连拱隧道施工全过程进行模拟，对连拱隧道的开挖和支护过程进行理论研究， 并对旖工现场的围岩变形进行监测，旨在了解双连拱隧道的施工特点，认识连拱隧道在 施工过程中围岩的应力、应变分布规律以及位移表现特点，研究连拱隧道施工过程中中 隔墙、初期支护、二次衬砌的受力性状，从而为连拱隧道的设计和施工提供科学依据和 技术指导| b i 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外双连拱隧道发展现状 9 - 1 7 】 在日本及欧美等国家，连拱隧道出现较早，经过长期的探索和实践，但由于连拱隧 道结构的特殊性和施工的复杂性，连拱隧道一直是各国隧道工程领域的研究重点。日本 自1 9 7 4 年在伊祖隧道首次施工连拱隧道，到2 0 0 1 年为止，已建成约有3 0 座左右，平 均施工长度约2 2 0 m ，不满3 0 0 m 的约占7 0 0 4 以上，都是在短区问采用的。尽管日本已 修建了许多连拱隧道，但许多设计、施工的标准还没有确定，只是针对连拱隧道特有的 问题加以解决。 我国最早成型的公路连拱隧道是1 9 9 3 年修建的广州市白云山隧道。近年来由于城 市地下工程的增加和土地使用上的限制及文物和环境保护等问题的需要，连拱隧道大大 增加。据不完全统计全国己建和在建的连拱公路隧道有2 0 0 余座( 表1 2 ) ，是世界上连 拱隧道最多的国家。 2 1 绪论 表1 2 部分公路连拱隧道表 日本等国家采用的连拱隧道断面形状与国内稍有不同，从二次衬砌的支持结构和中 隔墙的关系着眼，又可将对称断面分为上部支持型、脚部支持型和仰拱支持型。各种支 持结构没有很大的差别，从2 0 世纪8 0 年代后半期，特别是最近几年仰拱支持型采用更 多。中隔墙是临时结构还是永久结构是设计上的重要特征，上部支持型是把它作为永久 结构设计的，而仰拱支持型则是按i 临时结构设计的。目前国外相关实践认为：如果线形 有富余，中隔墙最好按临时结构设计；但线形没有富余时，必须按永久结构设计。连拱 隧道边墙处常采用扩大基脚( 三导洞法施工) 或两翼加强肋( 中导正洞台阶法施工) 型式， 以达到控制沉降的目的。 1 2 2 双连拱隧道常见衬砌断面型式 目前，我国公路隧道常采用的形式主要为直墙连拱隧道和曲墙连拱隧道两类，具体 到中墙型式又可分为整体直中墙、分层直中墙、整浇曲中墙、分层曲中墙型式，边墙分 直边墙、曲边墙两类。断面的型式不同，其受力特性不同f 1 睨”。 3 西安科技大学硕士学位论文 c 分层曲i 萄磐埘g 数芭d 整体曲墙连拱隧道 图2 t常见衬砌断面型式 表2 5各类型式衬砌特点 连拱隧道中墙设计是关键环节，而浅埋偏压连拱隧道受到不均衡作用力的影响，施 工、运营过程中中堵变形较大，边墙应力集中明显，甚至由于拉剪应力超许可值而出现 拉剪破坏。因此公路隧道设计规范( j t gd 7 0 - 2 0 0 4 ) 规定：连拱隧道有偏压时，其支 护参数、施工方法、开挖顺序宜进行特殊设计。 4 1 绪论 1 2 3 双连拱隧道常用施工方法 ( 1 ) - - 导洞超前旌工方法： 其主要施工工序为：中导洞 开挖、支护中隔墙浇筑右侧导 洞开挖、支护左侧导洞开挖、支 护右洞拱部开挖、支护左洞拱 部开挖、支护右洞核心士开挖、 浇筑仰拱左洞核心土开挖、浇筑 仰拱对称浇筑二次衬砌 ( 2 ) 中导洞超前半断面施工方法： 其主要施工工序为：中导洞开 挖、支护中隔墙浇筑右洞拱部开 挖、支护左洞拱部开挖、支护右 洞落底开挖、支护、浇筑仰拱左洞 落底开挖、支护、浇筑仰拱浇筑二 次衬砌。 ( 3 ) 中导洞超前全断面施工方法： 其主要施工工序为：中导洞开 挖、支护中隔墙浇筑右洞全断面 开挖、支护左洞全断面开挖、支护 左右洞浇筑仰拱、二次衬砌。 我国目前出现的大量连拱隧道主 要为单侧双车道形式。采用的施工方 法是综合考虑连拱隧道的埋深比较 图2 2 三导洞超前施工主要工序图 图2 3 中导洞超前半断面施工主要工序图 图2 4 中导洞超前全断面施工主要工序图 浅、围岩条件差等特点，在普通分离式隧道施工方法的基础上，在不同的部位增加一个 或多个导洞，然后再对余下的部分选择合适的施工方法( 全断面法、台阶法、分部开挖 法) 进行施工。主要施工方法有三导洞法、中导正洞台阶法、中导正洞分部开挖法等。 我国绝大多数连拱隧道的修建方法都采用三导洞法施工。三导洞法具有安全可靠的 优点，但是其工序复杂，直接影响到连拱隧道的工期和造价。因此，在确保安全的前提 下，选择经济、合理的施工方法特别重要。目前广大工程技术人员通过理论分析、相似 试验、类比分析等手段对连拱隧道施工步骤进行了系统的研究。主要成果可以归为以下 几点：0 8 1 1 1 9 1 1 2 0 l 1 ) 在单一围岩的地层中修建连拱隧道，从安全经济多方面综合考虑所采用的修建方 西安科技大学硕士学位论文 法应遵循如下原则：类以下的围岩，应采用三导洞法；i 类围岩条件下应采用中导洞 半断面施工法；i i 类以上围岩应采用中导洞全断面施工法。( 注：本文围岩类别均按现 行2 0 0 4 版公路隧道设计规范围岩分类标准分类。) 2 ) 在包含多种类别围岩的地层中修建连拱隧道，全长隧道施工方法的确定应遵循如 下原则：以m 类围岩中导洞半断面旌工法为基础，当围岩向着好的方向发展时，局部可 以转化为中导洞全断面施工法，当围岩向着差的方向发展时，局部可以转化为三导洞施 工法；在类以下围岩为主的隧道中，应选用三导洞施工方法；在类以上围岩为主的 隧道中，应选用中导洞全断面施工法。 公路隧道设计规范( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) 规定：两车道连拱隧道v 、级围岩，宜采 用配合超前支护的三导洞施工方法，i 、i i 、级围岩，采用中导洞施工方法。三 车道连拱隧道、v 、级围岩，多采用配合超前支护的三导洞施工方法，i 、 级围岩，可采用中导洞施工方法。施工时两主洞宜保持1 2 倍洞径以上的距离。 连拱隧道由于受到偏压作用，两侧衬砌受力大小差别较大，两洞施工先后顺序对衬 砌及围岩的稳定有较大影响，因此除了要选择合理施工方法，还必须考虑偏压对旌工顺 序的影响，采用合理的开挖方式。 1 2 4 数值分析方法的现状分析阱删 虽然各个力学分支理论都比较成熟，但地下工程中用解析法解决实际问题还不成 熟，它受到很多限制，只有在极少数的特殊情况下才会有封闭形式的解析解，对一些比 较简单的结构才能找到近似解，对大多数的工程问题，必须使用数值解法。 数值分析方法是隧道设计与施工的有效方法，借助于计算机仿真模拟技术，以低成 本来实现较大范围内的结构、施工方案选择和参数选取。如断面形状及尺寸大小、前后 工作面的距离、预加固方案的可行性、地层变化对结构及施工的影响、地下水影响、地 面构筑物的影响以及施工方法的设计、开挖后和支护前后的围岩稳定程度等。目前，伴 随着岩土力学的发展，各种数值模拟方法相继出现，如有限差分法( f l a c ) 、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 e m e t h o d ) 等，并且随着计算机性能的提高，越来越发挥出重要的作用。其中，有限差分 法( f l a c ) 和有限元法( f e m ) 成为发展最迅速的用于岩土和结构分析的数值计算方法。 有限元分析软件具有代表性的有威尔逊( e l w i l s o n ) 教授开发的s a p 系列软件；美 国国家航空和航天管理局开发的n a s t r a n 软件；美国a n s y s 公司开发的a n s y s 系 列软件；日本软脑株式会社( s o f l b r a i nc o ) 开发成功的应用程序2 d o 、3 d o 软件 包；拜赛张j b a t h e ) 开发的a d i a n 等。国内众多科研机构和学者也在这一方面作了大 量的工作，如大连理工大学开发的j i g f e x 和d d j 软件：航空工业部研制的x a j e f 软 件；西安科技大学刘怀恒教授开发的n c a p - 2 d 软件：李世辉高工开发的b m p 系列软 6 l 绪论 件；同济大学开发的g e o f b a 2 d 程序等。其中以a n s y s 运用最为广泛，但a n s y s 软 件应用于土木工程设计、分析，有其先天不足之处，如隧道施工中应力释放率必须采取 等效办法来处理、对锚杆等加固措施的模拟效果不甚理想等。 有限差分法最具有代表性的软件是由美国i t a s c a 公司开发出的f l a c ( f a s t l a g m g i a aa n a l y s i so f c o n t i n u a ，连续介质快速拉格朗日分析1 以及f l a c 3 d 。f l a c 3 d 是 国外近十几年兴起并发展起来的一种工程力学计算的显式有限差分程序，该程序可模拟 土、岩石等材料的力学行为，适应与多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续介质 求解问题。在求解过程中，f l a c 3 d 采用动力松弛法，不需要形成刚度矩阵，避免了直 接求解大型联立方程组，便于在微机上求解较大规模的工程问题，与有限元法相比，在 处理几何非线性和大变形问题上具有明显优势。另外，该套软件在模拟支护体方面提供 了梁、桩、锚杆、壳体等多种结构单元。非常适合于研究隧道开挖等岩土工程问题。 1 2 5 施工的监控量测 随着新奥法施工在全世界范围的推广，监控量测已成为我国隧道施工建设中不可缺 少的重要组成部分。从目前掌握的资料看。除铁路车站、地铁连接道的连拱隧道设计和 施工技术较成熟外，公路连拱隧道的工程实例还比较少。更因为连拱隧道与分离式隧道 在施工方案的诸多方面有较大差异，诸如开挖跨度大，施工工序繁多，开挖支护相互交 错，且所处地段又多为低等级围岩段，所以施工过程中围岩的应力应变状况常常不像分 体式长大隧道那么明了。尽管近年来连拱隧道的工程实例逐渐增加，并取得了一定的经 验，但仍然没有形成一套较为完备的施工方案。因此对双连拱的监控量测结果仍然是评 判建筑过程中开挖方法、支护参数、支护时机以及中隔墙状态最有力的参考依据。 监控量测包括以下几方面内容：地质与支护状况观察、周边位移拱顶下沉量测、围岩 深部位移量测、锚杆轴力测试、围岩与喷层接触压力量测、钢支撑内力量测、二次衬砌 的应变应力量测。其对连拱隧道的研究成果体现为：通过现场量测，取得围岩和支护结构 的力学行为随施工进展的动态特征，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状况时的各种应急措施。 中华人民共和国公路隧道施工技术规范( r r j 0 4 2 9 4 ) 规定：监控量测计划必须 写入施工组织设计，量测经费列入概预算。最终监控量测资料编入竣工文件，为类似工 程设计和施工提供依据，并为运营管理服务。随着工程界人士对监控工作重视程度的增 加，新奥法连拱隧道的施工开始步入一个新的阶段，监控工作针对的对象也越来越明晰， 在连拱隧道中易出问题以及具有进一步探讨研究的环节上，如连拱隧道的开挖方法、中 隔墙的施工工艺及防排水、边墙角隅及中隔墙基都拐角应力的变化等都开展了更有深度 更具创新意义的现场原位试验。目前在我国己建成双连拱隧道中，如广环高速路上的白 西安科技大学硕士学位论文 云山连拱隧道、沪荣公路万县金竹林双连拱隧道、云南玉元高速公路的练江双连拱隧道、 福州象山双连拱隧道的监控量测工作都取得了一定的成绩。 1 3 存在的问题 自日本修建伊祖隧道开始，双连拱隧道的设计施工和研究已经有3 0 多年的历史， 国内外已有相当的成果，但在以下几方面还有待作进一步的研究 2 9 - 3 2 1 ： ( 1 ) 施工方法和步骤 虽然我国连拱隧道的总量居世界第一，但施工方法单一，绝大多数采用三导洞施工 和中导洞施工方法。三导洞施工方法在类及以上较高类别围岩具有安全可靠的优点， 但工序复杂：一个完整的施工循环一般达2 2 步之多，即使经过优化也还有1 5 步之多。 这样繁琐的工序，直接影响着工期和造价。如何在确保安全稳定的前提下选择安全、经 济、合理的施工方法和顺序正是本文的研究内容之一。 ( 2 ) 结构支护参数与时机 由于连拱隧道结构复杂，开挖、支护相互交错，使围岩应力变化和衬砌载荷转换变 得十分复杂，在隧道开挖过程中，围岩应力分布、树砌各部分的应力和变形难以获得准 确解答，设计中存在一定的盲目性：总体支护体系普遍过强，但局部位置又相对较弱，并 且施作时机也不尽合理。因此在确保安全的前提下，确定合理的支护体系及支护施作原 则为连拱隧道施工提供必要的依据也有待作进一步的研究。 ( 3 ) 结构长期安全性评价 我国的隧道设计基本以新奥法作为理论指导，反映在实际工作中未将初期支护按使 用年限进行耐久性设计，在施工方法及质量控制中仅将其作为施工期间的临时支护结 构。隧道长期运营后，由于地下水的侵蚀、围岩内部应力和外部荷载的变化等因素，初 期支护体系中的钢筋会锈蚀，锚杆、钢支撑等将部分失效，结构体系内部载荷会重新调 整，从原来由初期支护体系占主导地位的承载状态逐步转变为部分或大部分由二次衬砌 承载的状态，在这种情况下对连拱隧道这类特殊结构而言，对二次衬砌结构进行研究就 尤为重要。 ( 4 ) 现场监控量测体系和基准 现阶段我国连拱隧道基本都采用浅埋暗挖法设计施工。我国对单洞隧道制定了相对 成熟的现场监控量测管理体系和监控基准，但我国现行公路隧道设计和施工规范中尚无 针对连拱隧道浅埋暗挖法旌工的现场监控量测管理体系和监控基准，故有必要制定针对 连拱隧道施工的现场监控量测管理体系和监控基准以及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。 ( 5 ) 结构防捧水 隧道结构的防排水一直是隧道建设的一大难题，据统计在既有的隧道中大约有 8 l 绪论 1 3 1 ，4 存在不同程度的渗漏水，对于结构和施工复杂的连拱隧道就更加严重，特别是 整体式中墙断面形式中隧道中墙顶部的防排水问题尤为突出。虽然国内外的学者和工程 师在这方面作了较大的努力，也取得了很多成就，但由于国内对连拱隧道的防排水技术 尚未进行过系统的研究，目前还没有十分完善的设计、施工措施，有必要在现有技术的 基础上，从构造设计、防排水材料和施工工艺三个方面作系统、全面的研究，解决好连 拱隧道的渗漏问题。 1 4 本文研究内容 本文以景婺黄( 常) 高速公路相思亭连拱隧道为工程背景，把连拱隧道施工方式选 择作为研究对象，以合理控制围岩、地表位移和防止衬砌失效为重点，通过f l a c 3 d 数 值模拟研究其围岩的变形破坏力学机制和连拱隧道支护对策，选择最优开挖方案。本文 主要研究工作如下： ( 1 ) 根据相思亭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： ( 2 ) 对相思亭连拱隧道旌工过程数值模拟，分析不同施工方案下的围岩、中墙、支 护的位移与应力的变化规律，确定合适的施工方案； ( 3 ) 对现场监控量测的资料进行分析研究，了解连拱隧道在施工过程中围岩、洞室 的位移表现特点，为隧道的预留变形提供依据； ( 4 ) 将现场监测数据和数值模拟结果进行对比，验证和分析数值模拟的可靠性，为 以后进行类似工况的设计提供参考。 隧道的失稳直接导致工程工期拖延，影响隧道的安全施工，导致工程成本的增加。 如何在工程实践中避免隧道失稳，寻求最优的施工方案是本文研究的主要目的。研究成 果对类似工程具有普遍性的指导意义和实际参考价值。 9 西安科技大学硕士学位论丈 2 隧道计算理论 早期地下工程的建设完全依靠经验，十九世纪初才逐渐形成自己的计算理论，开 始用于指导地下结构的设计与施工。在地下结构计算理论形成的初期，人们仿照地面结 构的计算方法进行地下结构的计算，经过较长时期的实践，地下结构受力变形的特点才 逐渐被认识，形成以考虑地层对结构受力变形约束为特点的地下结构计算理论。隧道设 计理论作为地下结构设计理论的一部分，其发展也经历了一个相似的过程。其中隧道的 荷载确定与结构的计算方法是隧道计算理论的重要部分。 隧道荷载与围岩性质和计算理论的选择有关。当岩石坚硬完整时，由开挖引起的 围岩应力重分布在岩石的弹性极限以内，围岩的弹性变形在开挖过程中即已完成，因此 作用在隧道上的荷载很小。当岩石较破碎，其力学性能与无粘结力的松散地层相似，开 挖后作用在隧道上的荷载主要表现为松动的压力。在浅埋的地下洞室，开挖后洞室顶部 岩体往往会产生较大的沉降，有的岩体甚至会出现塌落、冒顶等现象。基于这样一种破 坏形式，建立了以应力传递、太沙基理论等不同的荷载计算理论。而在深埋地下洞室， 开挖后往往仅发生洞室部分岩体的塌落，在塌落过程中。上部岩体由于应力重新分布而 形成自然平衡拱，应采用普氏理论计算荷载。 隧道作为一种古老的建筑结构，其计算理论随着建筑材料、施工技术、测量技术 的发展而逐步前进。最初隧道衬砌使用砖石材料，结构形式为拱形。由于砖石材料的抗 拉强度远低于抗压强度，采用的截面厚度常常很大，使得结构变形很小，计算时将衬砌 结构按刚性体处理；当混凝土材料广泛使用于建筑领域时，由于其整体性好，可在现场 根据需要进行模注的特点，使得计算时将隧道衬砌按超静定弹性拱计算；二十世纪初， 通过长期观测发现围岩在对衬砌结构施加压力的同时还约束衬砌的变形。衬砌变形使得 一部分结构离开围岩形成“脱离区”，另一部分压紧围岩形成“抗力区”。在抗力区相应产 生被动抵抗力，在隧道计算理论中应考虑这种“弹性抗力”的影响，对弹性抗力作用方式 的不同理解，即形成局部变形计算方法和共同变形计算方法 2 0 1 ；当人们逐渐认识到隧道 衬砌结构与地层是一个共同受力整体，而不仅仅附加某种被动的弹性抗力，于是形成了 将衬砌与地层作为整体考虑的连续介质计算方法；一般隧道结构是采用假定处于弹性受 力阶段的计算方法，结构某些截面发生破坏并不代表整个结构破坏，而极限状态计算方 法反映实际结构最终破坏时的极限承载力，与弹性受力阶段的计算方法相比具有更加经 济的设计效益。 2 1 隧道荷载的确定 影响隧道结构荷载的因素众多，既与围岩力学特性有关，也与地下结构形状尺寸有 i 0 2 隧道计算理论 关，并且还与施工方法有关。隧道结构的设计计算中，隧道荷载作为设计荷载，必须采 取一些简化与假定。以下简要介绍几种常用的隧道荷载计算方法。 2 2 1 应力传递原理计算隧道荷载 对于埋置深度极浅的隧道，或采用明挖法施工时，作用于隧道上的荷载即为上覆岩 层的全部重量。当埋置深度稍大时必须考虑上覆岩层的应力传递。应力传递本质属于开 挖洞室后原岩应力的转移，即在松散岩体中开挖洞室时，洞顶上部岩柱下沉，由于下沉 岩柱两侧摩擦力的存在，使得岩柱重量向两侧转移。应力传递原理计算隧道荷载简图如 图2 1 所示。计算中假定产生破裂面o a b ，在距离地面深度为z 处岩柱两侧的竖向剪力 和水平压力分别为t 和e ，其中e 按朗肯公式由( 2 1 ) 式计算，岩柱两侧总的竖向剪力t 由( 2 2 ) 式计算，则隧道荷载即为顶部岩柱重量g 减去岩柱两侧的竖向剪力t1 1 ( 2 3 ) 式计 算。 图2 1 应力传递原理计算隧道荷载简图 e = y z t a a 2 ( 4 5 。一妒2 ) 一2 c t a n ( 4 5 - # 2 ) ( 2 1 ) r = r 砘= r p + p u a n 矿) d e = 丢，日2 毛+ c h ( i 一2 k 2 ) ( 2 2 ) 盯；g - 2 t ：忌，h( 2 3 ) 。 2 q 上式中，c 为岩石内聚力；为岩石内摩擦角；，为岩石容重；a 为洞室宽度之半；q 为 洞顶塌落宽度之半，q = a + h t a n ( 4 5 。一，2 ) ；h 为洞室高度；( 2 2 ) 式中 毛= t a l l 2 ( 4 5 - # 2 ) t a n 妒，屯= t a n ( 4 5 。- # 2 ) m a # ；k 为竖向围岩压力折减系数， i = l 一鲁南一专( 1 2 屯) 。可以看出隧道荷载为埋深h 的二次函数，当 西安科技大学硕士学位论文 日一2 詈【1 一专l 一2 屯) 】时有最大值，胃e 一时开始减小，甚至小于零，与实 际情况不符，因此按应力传递原理计算隧道荷载适用于h s 日一的浅埋情况。 2 2 2 太沙基理论计算隧道荷载 太沙基理论假定岩体为散体，但具有一定的内聚力，这种理论适用于一般的土体压 力计算。对于岩体结构较破碎、裂隙较发育，在施工的影响下围岩不可能为完整而连续 的整体，也可采用太沙基理论计算围岩压力( 松动围岩压力) 。太沙基理论是从应力传 递原理出发推导竖向围岩压力，考虑了洞室尺寸、埋深、岩石粘结力和内摩擦角对岩体 稳定性的影响。太沙基理论计算隧道荷载简图( 如图2 2 ) 中假定洞室上方岩体因开挖 洞室变形而下沉，产生错动面o a b 。作用在隧道顶部的荷载等于滑动岩体的重量减去 滑动面上摩擦力的垂直分量。为推导简单，太沙基进一步假定岩体沿垂直面a c 滑动， 且假定滑动体中任意水平面上的垂直压力为均匀分布，并且记相应的水平应力盯。与 的比值为鬈，即足= o b 。 q 广1 图2 2 太沙基原理计算隧道荷载简图 在距离地面深度为z 处，取厚度为d z 的薄层单元作为分析对象，建立其平衡方程 为( 2 - 4 ) 式，将极限状态剪力方程( 2 5 ) 式代入( 2 4 ) 式，取边界条件捌时p ，对( 2 4 ) 式求解。令z - = h ，即得到作用在隧道结构上竖向荷载计算公式( 2 6 ) 式。 2 9 a t d z = 2 a t d o b + 2 r d z ( 2 4 ) f 皇c + 仃t a n # = c + k c r a t a n ( 2 5 ) 2 隧道计算理论 = 量嚣【1 _ e x p ( 砌t a n 纠+ p e x p ( 一b l t a l l 矿) ( 2 6 ) 上式中，p 为地面荷载；l l 为相对埋深系数；n = 日珥；h 为洞室埋深。当围岩为完全 松散体，地面无附加荷载，且洞室埋置很深，近似认为以0 ，则有= ：竺也_ ；其 t a n 尹 它符号含义与图2 1 中相同。 与应力传递原理的计算方法相比，太沙基理论的计算方法可以计算埋深较大的情 况。实践表明，当隧道处于深埋状态下，上覆岩体的破裂面不再沿着整个岩柱的侧面， 而是形成一个封闭的拱形，这时采用太沙基理论计算隧道荷载误差较大。 2 2 3 普氏理论计算隧道荷载 作用一种常用的地压力理论，普氏理论假定可将整个围岩在一定程度上视为松散 体，采用加大颗粒间摩擦系数的办法补偿被忽略的粘结力，这个被加大的摩擦系数称为 “似摩擦系数”，或称为岩石坚固性系数。另外还假定隧道开挖后，由于围岩应力重分布， 在隧道上方形成曲线状的压力拱，拱内土石的重量就是作用在隧道衬砌上的荷载。 普氏理论计算隧道荷载简图如图2 3 a 所示，为确定拱形取a o 段为脱离体，计算简 图如图2 3 b 所示，其中p 为隧道上部均布荷载，玩为拱圈顶部水平推力，由于岩石材 料不能承受拉力，由此假设压力拱截面的力矩应处处为零，可以得出压力拱曲线为二次 抛物线( 2 7 ) 式。拱圈左侧水平分布的剪应力f ，是为了使计算体系具有一定的安全储备 而假想的。根据使得安全储备f 值为最大的原则按( 2 8 ) 式计算拱高 ，隧道荷载由( 2 9 ) 式计算。 压力羲一 、 汇飞掣柏 il i o io l t o 图2 3 普氏理论计算隧道荷载简图 y = p x 2 2 h o = q f ( 2 7 ) ( 2 8 ) 西安科技大学硕士擘住论文 i i g = ，嚏 i e q = ，磊t a n 2 ( 4 5 。一矿2 ) ( 2 9 ) 【e 2 = “啊+ h ) t a n 2 ( 4 5 。一妒。2 ) 上式中，厂为岩石坚固性系数，厂= t a n c + c a ；c 为岩石内聚力；为岩石内摩擦角； 为岩石计算内摩擦角，= a m a n f ；盯为作用于剪切面上的正应力；q 为隧道竖向均 布荷载，e l ，e 2 分别为隧道拱项和墙底处的水平压力；其它符号含义与图2 1 中相同。 对不能形成压力拱的松软地层或离地表太浅的岩层中修建的地下结构，不能采用普 氏理论计算隧道荷载。 3 3 1 2 2 4 现行公路隧道规范计算隧道荷载 现行规范公路隧道设计规范( j t gd 7 0 _ - 2 0 0 4 ) 【l 】中将围岩按基本质量指标从高到 低分为l 级v i 级，分析各种隧道荷载计算方法的适用条件，提供了在围岩级别、埋深 情况、隧道偏压等不同条件下隧道荷载的计算方法。 1 ) i ，级围岩中的深埋隧道，围岩压力为形变压力时，其值应按释放荷载计算。 隧道衬砌将在同围岩共同变形的过程中对围岩提供支护抗力，使围岩变形得到控制，从 而使围岩保持稳定。与此同时，衬砌将受到来自围岩的挤压力。这种挤压力由围岩变形 引起，常称作“形变压力”。围岩一般呈现塑性和流变特性，隧道开挖后变形的发展往往 会持续较久的时间。隧道衬砌顶替原有临时支护时，衬砌同围岩不密贴可招致松散压力， 而当坍落发展到一定程度时，衬砌将与围岩密贴，并随围岩变形的继续发展，衬砌也将 受到挤压，从而经受形变压力。可见围岩与支护间形变压力的传递，是一个随时间的推 进而逐渐发展的过程，这类现象称为时阃效应。 形变压力直接计算困难，在有限元分析中，形变压力常在计算过程中同时确定，而 作为开挖效应的模拟，直接施加的荷载是在开挖边界上施加的释放荷载。释放荷载可由 已知初始地应力或与前一步开挖相应的应力场确定。先求得预计开挖边界上各结点的应 力，并假定各结点间应力呈线性分布，然后反转开挖边界上各结点应力的方向( 改变其 符号) ，据以求得释放荷载。 2 ) i v v i 级围岩中的深埋隧道，围岩压力为松驰荷载时，其垂直均布荷载及水平均 布荷载可按下列计算： 垂直均布荷载按( 2 1 0 ) 式计算。 ? 2 r h。 ( 2 1 0 ) 1 _ j i = 0 4 5 魈1 国 屹w 式中，q 为垂直均布荷载( k n 缅2 ) ；s 为围岩级别；，为围岩重度；f - o 为宽度影确系数， = l + f ( 口一5 ) ；b 为隧道宽度( m ) ：i 为b 每增减l l 时的围岩压力增减率，以b = s m 的 1 4 2 隧道计算理论 围岩垂直均布压力为准，当b d ， ( 2 4 7 ) 式中，l 为施工步数；【k i 为第i 施工步岩土体和结构总刚度矩阵；【k 1 0 为岩土体和结 构( 施工开始前存在) 的初始总刚度矩阵；【k l 为施工过程中第五施工步的岩土体和结 构刚度的增量或减量，用以体现岩土体单元的挖除、填筑及结构单元的施作或拆除； c ，为第i 施工步开挖边界上的释放荷载的等效结点力； 。为第i 施工步新增自 重等的等效结点力；