（岩土工程专业论文）大跨公路隧道围岩力学参数反演及动态施工力学数值模拟研究.pdf

摘要 我国经济的迅猛增长和城市的高速发展对长大隧道的需求越来 越大，含有喇叭口的大跨公路隧道也相继在城市交通中出现。但因其 跨度较大引发的相关工程问题支护型式、支护参数、施工方法、 围岩稳定等，目前还没有一个较为明确实用的规范作为指导。荷载的 准确计算和合理设计要以力学参数的准确选取为前提，因此需要采取 适当的方式得出隧道围岩的力学参数。对于含有喇叭口的大跨公路隧 道的施工问题，国内可借鉴的经验和方法较少，特别是对扩帮段的动 态施工力学值得进行深入研究。本文通过现场试验、理论分析及数值 模拟计算，对深圳横龙山北隧道右线喇叭口扩帮段的围岩力学参数和 动态施工力学进行了深入研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 对扩挖修帮段布设了两个监测断面对围岩进行深部位移监 测，由此得到了反挖修帮造成的拱顶下沉和洞周水平收敛的实测数 据，并基于神经网络b p 模型反演了隧道围岩力学参数。 ( 2 ) 采用a n s y s 有限元软件对横龙山北隧道右线喇叭口扩帮 段建立了三维有限元模型，按照实际中采用的施工方法对其动态施工 力学进行数值模拟。 ( 3 ) 基于动态施工力学数值模拟结果，分析了隧道各开挖阶段 对地表沉降的影响。 ( 4 ) 基于动态施工力学数值模拟结果，研究了隧道各开挖阶段 对隧道拱项、拱脚和竖墙脚各点应力的影响。 关键词：大跨公路隧道，力学参数反演，b p 神经网络， 动态施工力学，数值模拟 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i d e c o n o m i c g r o w t ha n du r b a nd e v e l o p m e n t ， r e q u i r e m e n t so nl o n ga n dl a r g et u n n e l sa r ei n c r e a s i n gw i t he a c hp a s s i n g d a y b e l l m o u t h e dr o a dt u n n e l sw i t hl a r g e - s p a na p p e a rc o n s t a n t l yi nt h e u r b a nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m i t s c h a r a c t e r i s t i c s ，e s p e c i a l l yl a r g e - s p a n ， h a v ec a u s e das e r i e so fe n g i n e e r i n gp r o b l e m s ，s u c ha ss u p p o r tm o d e s ， s u p p o r tp a r a m e t e r , c o n s t r u c t i o nm e t h o d s ，s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k s a n ds oo n t h u ss of a rt h e r eh a sb e e nn oc l e a ra n dp r a c t i c a lc o d et og u i d e t h ed e s i g no f l a r g e s p a nr o a dt u n n e l t h ea c c u r a t ec a l c u l a t i o na n dr a t i o n a l d e s i g no fl o a ds h o u l db eb a s e do nt h ea c c u r a t ec h o i c eo fm e c h a n i c a l p a r a m e t e r s oi ti sn e c e s s a r yt oa c q u i r et h em e c h a n i c a lp a r a m e t e ro ft h e t u n n e l ss u r r o u n d i n gr o c k sb yp r o p e rm e t h o d s a sf o rt h ec o n s t r u c t i o no f b e l l m o u t h e dr o a dt u n n e l sw i t hl a r g e s p a n ，d o m e s t i c a l l yt h e r ei s o n l y l i m i t e de x p e r i e n c ef o rr e f e r e n c e s oi ti sp a r t i c u l a r l yn e c e s s a r yt oc o n d u c t f u r t h e rs t u d i e so nt h ed y n a m i cc o n s t r u c t i o nm e c h a n i c so ft h eb r o a d e n e d s e g m e n t i nt h i st h e s i s ，t h em e c h a n i c a lp a r a m e t e ro ft h et u n n e l s s u r r o u n d i n gr o c k sa n dd y n a m i cc o n s t r u c t i o nm e c h a n i c sa r es t u d i e db y t h e o r i e sa n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df i e l dm e a s u r e m e n ti nt h e b r o a d e n e ds e g m e n to ft h er i g h t - w a yb e l l - - m o u t ho fh e n g l o n g s h a nn o r t h t u n n e l i ns h e n z h e n t h em a i nr e s e a r c hi sa sf o l l o w s ： ( 1 ) s e t t i n gt w om o n i t o r i n gc r o s s - s e c t i o n sa tb r o a d e n e ds e g m e n tt o m o n i t o rt h ed e e pd i s p l a c e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c k s s oa st oa c q u i r et h e n u m e r i c a lv a l u ef o rt h es e t t l e m e n to fv a u l ta n dt h eh o d z o n t a l c o n v e r g e n c eo ft h et u n n e ld u et oo n e - s i d e de x c a v a t i o n b a s e do nt h eb p m o d e lo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，t h em e c h a n i c a lp a r a m e t e ro ft h e t u n n e l ss u r r o u n d i n gr o c k si sb a c k - a n a l y z e d ( 2 ) u s i n gt h ea n s y ss o f t w a r et oe s t a b l i s ha3 dm o d e lo ft h e b r o a d e n e ds e g m e n to ft h er i g h t - w a yb e l l - - m o u t ho fh e n g l o n g s h a nn o r t h t u n n e l b a s e do ni t sr e a lc o n s t r u c t i o nm e t h o d ，t h ed y n a m i cc o n s t r u c t i o n m e c h a n i c si sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d ( 3 ) d u r i n gt h ee x c a v a t i o n ，b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l m i o no f d y n a m i cc o n s t r u c t i o nm e c h a n i c s ，e a c hs t e p si n f l u e n c eo n t h es e t t l e m e n t o ft h ee a r t h ss u r f a c ei sa n a l y s e d ( 4 ) d u r i n gt h ee x c a v a t i o n ，b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f d y n a m i cc o n s t r u c t i o nm e c h a n i c s ，e a c hs t e p si n f l u e n c eo ns t r e s s e so ft h e t u n n e l sv a u l t ，a r c hf o o ta n db a s e m e n ti ss t u d i e d k e yw o r d s ：l a r g e - s p a nr o a dt u n n e l ，b a c k - a n a l y s i so fm e c h a n i c a l p a r a m e t e r , b p a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ，d y n a m i c c o n s t r u c t i o n m e c h a n i c s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：墨垒毪日期：j 2 盟年舅日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储签名进堡翩虢立丝扣期：婶旦( 日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究意义和选题依据 第一章绪论 交通设施在国家建设和经济发展中发挥着不容忽视的作用。而隧道在缩短线 路长度，穿越不良地质地段，提高道路的可靠性和安全性及国防上的隐蔽性等多 方面的优点使得社会对隧道的需求愈发强烈。我国已经设计并修筑了大量的铁 路、公路隧道。近年来随着经济的高速发展和城市化进程的加快，各种城市道路 隧道的建设越来越多，跨度越来越大，特别是含有喇叭口的大跨隧道也相继在城 市交通道路中出现。 大跨度公路隧道在形式上的鲜明特点引发了一系列的相关工程问题支 护型式、支护参数、施工方法、围岩稳定等，这使得大跨度隧道设计没有一个较 为明确、实用的规范作指导。常规的隧道设计方法需要知道荷载的大小，荷载的 大小一般由实测获得，但实测方法会消耗大量的人力、财力和时间，因此人们提 出和发展了荷载的反分析方法。此方法中力学参数的合理取得是荷载准确计算的 关键因素，因此力学参数的合理取得是制定指导性规范的重要前提。 岩土力学参数的合理取得是促进岩土工程发展的一个重要因素。由于岩土工 程建设规模和复杂程度的与日俱增，岩土工程面临的荷载历史、岩土体性质和边 界条件也愈加复杂，仅仅依靠古典土力学理论已不足以解决今后的问题【l 】，这就 促进了数值方法在岩土工程中的应用。从上世纪6 0 年代至今，数值分析方法在 岩土工程领域得到了相当的发展，并已理所当然地成为2 l 世纪土力学学科的“重 要支柱”，但是其计算参数的确定一直是十分棘手的问题。参数确定不准确将直 接影响计算结果的精确度和可靠性，因此必须采取合理的方法取得岩土力学参 数。 通常，岩土体力学参数的确定方法有三种：理论解析法、实测法及二者相结 合的方法1 2 j 。理论解析法通常要作出一些假设，而假设的情况与工程实际往往不 相符，因此计算出的数据与实际有很大偏差。实测法包括室内试验和原位测试， 但试验结果只能反应取样点附近的岩体特性，取样的扰动使参数变化更加复杂。 此外，室内试验还存在“尺寸效应”及室内与现场条件不符的缺陷，原位测试也 存在数据离散性大、代表性不强及成本昂贵等缺点。将实测与理论方法相结合的 方法即为反分析方法。随着新奥法的问世和其在工程中的应用，以及监控量测技 术和现代控制技术的发展，实测反分析方法为岩土体力学参数的获取提供了新的 途径，而电子计算机技术的普及也为反分析法的发展提供了重要条件【3 1 。 反分析得到的计算参数是等效参数，它综合反映岩土的性质和工程施工的各 硕士学位论文 第一章绪论 种影响因素。采用反分析得到的参数作为在同一模型下正分析的输入参数大大提 高了分析结果的可靠性。反分析方法在为数值计算提供实用参数的同时，也为工 程预报技术提供了理论基础。在施工过程中，根据施工期间的实测资料进行反分 析，将反分析的结果反馈到设计、施工和管理中，为改进设计、优化施工、进行 工程预报提供依据，能使设计、施工达到更满意的结果，对提高工效、降低成本、 保证安全均有非常重要的作用。 对于隧道开挖造成的围岩应力和变形，理论解只能对断面比较规则、边界条 件比较简单的情况作出解答，且需做较多的假设，而有限单元法能够较容易地处 理分析域的复杂形状及边界条件、材料的物理非线性和几何非线性，所以有限单 元法在岩土工程中能够得到广泛的应用。对于一边反扩修帮的特大跨隧道，断面 在不断的变化，其受力更为复杂，隧道开挖后围岩的受力和变形不仅和断面形状 有关，还和施工方法、支护时序等有关，再加上时空效应，运用理论解是无法给 出解答的，而有限元法就能够很好地解决该问题。对于一边反扩修帮的特大跨隧 道，在理论研究和施工方法等方面国内外可借鉴的经验很少，因此有必要对渐扩 断面大垮隧道的动态施工力学进行数值模拟。 1 - 2 岩土工程反演理论国内外发展状况 所谓反分析法，即以现场量测到的、反映系统力学行为的某些物理信息量( 如 位移、应变、应力或荷载等) 为基础，通过反演模型( 系统的物理性质模型及其 数学描述，如应力与应变关系式等) 推算得到该系统的各项或某些初始参数( 如 初始地应力、本构模型参数和几何参数等) 的方测4 1 。其目的是建立接近现场实 测结果的理论预测模型，能较正确地反映或预测岩土结构的某些力学行为。根据 现场量测信息的不同，岩土工程反分析可以分为应力反分析法、位移反分析法及 应力( 荷载) 与位移的混合反分析法。由于位移特别是相对位移的测定相对比较 容易、便宜的多，因此位移反分析法的应用最为广泛。 2 0 世纪7 0 年代初人们开始注意由现场量测信息确定各类计算参数的研究。 至今，经过众多学者3 0 多年的不懈努力，反分析方法得到了较快的发展及应用， 为解决岩土工程中由于材料的非均质性、非线性和不连续性造成的本构模型及力 学参数等问题提供了确实可行和有效的方法。目前，有关反分析问题的应用研究 涉及到隧道工程施工和水电地下工程、大坝安全性监控、坑道工程预报、边坡工 程等各个岩土工程领域，反分析方法已经成为目前解决复杂岩土问题的主要方法 之一【5 1 。 2 硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 岩土工程反演理论国外发展状况 岩土工程位移反分析的基本思想是由k a r a n a g h l 6 1 在1 9 7 1 年提出来的，随后， k i r s t e n i t j 在1 9 7 6 年于约翰内斯4 曝( j o h a n n e s b u r g ) 举行的岩土工程勘测研讨会上提 出了量测变形反分析法；m a i e r j1 9 7 7 提出了岩石力学中的模型辨识问题；k o v a r i 9 11 9 7 7 则提出了反算地层压力参数的方法；位移反分析早期的重要研究者之一， 日本学者s a k a l m _ _ i 等人【lo 】在1 9 7 9 年德国a a c h e n 召开的第三届岩土工程数值法估 计研讨会上发表的论文，不仅提出了平面应变问题的弹性位移反分析和弹塑性问 题位移反分析，而且将之作为地下工程辅助设计的一种技术，他们的研究多数涉 及到地下工程【l l 】，但也有边坡工程方面的位移反分析问题 1 2 1 3 1 。1 9 8 0 年意大利 的g - i o d a t l 4 1 6 开始了弹塑性位移反分析的研究，他根据位移的实测值，使用了单 纯形法和变量轮换法等优化方法来计算岩体的凝聚力、内摩擦角及初始地应力， 并讨论了不同优化方法在岩土工程反分析中的适用性。1 9 8 3 年a r a i 1 。7 】采用二次 梯度法求解弹性模量和泊松比；而s a k u r a i t8 2 6 在1 9 8 3 提出了反算隧道围岩地应 力及岩体弹性模量的逆解法，根据粘弹性山体中隧道周边蠕变位移变化的量测 值，提出了反求山体初始应力及粘弹性系数的一种解析法。 1 2 2 岩土工程反演理论国内发展状况 我国关于反分析的研究始于2 0 世纪7 0 年代末，几乎与国际同步。3 0 多年 来国内许多学者在反演理论和工程应用方面做了大量的工作，极大地推动了反分 析方法和理论的发展。 中国科学院地质研究所于1 9 7 8 年开始了位移反分析的研究，1 9 7 9 年取得了 很有实用价值的研究成果。1 9 8 1 年杨志法等【2 l 2 2 蝗出了另一种位移反分析方法 有限元图谱法( 图解位移反分析法) ，利用事先建立的图谱反演围岩地应力 分量及弹性模量；同济大学冯紫良、杨林德【2 3 2 4 】将地应力分为均布构造应力和 自重应力，进行线性和非线性位移反分析，反算岩体的初始应力场；王芝银瞄j 利用少量实测位移由拉格朗日插值法反算粘弹性地层初始地应力；郑颖人 2 6 1 7 j 在应力空间及应变空间中用边界元法进行弹塑性位移反分析，根据围岩位移反算 初始地应力和弹性模量，可用于解决二维和三维问题。 在初始地应力的分布更加符合现场实际条件的同时，不少反分析法开始注重 现场实测条件。在考虑时间相关性、空间效应、消除量测前丢失位移的影响等方 面，文献【2 8 3 0 】针对五种常用流变模型( m a x w e l l ，k e l v i n , p o y t i n g t h o m s o n ，广义 k e l v i n 及b u r b g e r s 模型) 进行了有限元和边界元法位移反分析的系统研究，提出 了逆解回归法和逆解优化法；朱维申【3 i 】则考虑时空效应对三个地下巷道或隧道进 3 硕士学位论文第一章绪论 行了反演分析；王芝银【3 2 】利用空间效应及围岩与支护相互作用的增量位移直接反 算支护荷载和初始地应力，虽然避开了许多未知因素的影响，但在反算地应力时 需要己知较可靠的空间效应影响系数。 然而，反分析并非仅仅是对工程范围内的岩体初始地应力和力学特性参数作 出估计，更重要的是利用反分析结果对工程的可靠度作出合理的评价和符合实际 的预测，在s a l ( u r a i 【3 3 】于1 9 8 8 年提出一种现场量测辅助设计技术( 即用现场量测 位移反算岩体弹性模量和初始地应力，然后应用这些参数进行正分析或设计初次 支护的参数) 之后，国内外不少研究者即已注意到了反分析结果的应用问题，从 围岩、支护的弹性、弹塑性变形预测，到利用考虑时空效应的流变反分析结果， 进行粘弹性、粘弹塑性分析、预测围岩或支护后期变形及安全度【3 4 1 ，对工程给出 事先的预测；刘怀恒( 1 9 8 8 ) 提出了一种基于粘弹性位移反分析的监测分析一 一工程预测系统。 9 0 年代初至今，岩土体的模型识别问题、考虑岩土体本身随机性的非确定 性反分析得到了迅速的发展，系统论、信息论等也被应用到位移反分析研究中， 同时提出了考虑施工过程的仿真反分析及动态施工反分析技术。 李素华等【”】应用四种优化方法进行了弹性横观各向同性及弹塑性互层岩体 的优化反演分析；袁勇等【3 6 l 以系统辨识理论和连续介质力学原理为根据，研究了 岩体本构模型的反演识别理论；文献【37 1 研究了直接利用隧道施工监测的位移量测 信息来判别隧道力学计算模型的原理和方法；刘维宁【3 8 】将信息论引入到位移反分 析，建立了岩土工程逆问题的信息论基本框架；蒋树屏1 3 9 】认为围岩体的变形及各 物理力学参数随开挖的变化是处于一种随机动态过程，应采用非确定性方法来研 究，并提出了扩张卡尔曼滤波器与有限元分析相耦合的方法；黄宏伟h o 将系统论 引入反分析，进而基于数理统计的贝叶斯原理，提出了广义参数反分析，1 9 9 5 年， 黄宏伟【4 1 l 又提出了基于随机有限元和特征函数法分析的随机逆反分析法；朱永全 等 4 2 删采用m o n t e c a r l o 有限元反分析进行围岩参数及支护结构荷载的反演。 1 9 9 6 年李宁等 4 5 4 6 】首次提出了考虑施工过程、施工方法影响的仿真反分析 的思路，并将其应用于漫湾水电站边坡及华盛顿地铁的位移反分析中；朱合华等 4 7 4 9 在动态施工反分析方面做了大量工作，他结合深基坑工程进行动态施工增 量反分析，利用某一施工阶段的增量位移信息，反演得到弹性模量，进而预测相 继施工阶段的结构变形及内力。 另外，在反分析的理论研究与探讨方面，杨志、法【5 0 】提出了有关考虑松动圈影 响的位移反分析法及反演正算综合预测方法；吕爱钟【5 1 l 对位移反分析中测点( 线) 的最优布置和洞形优化等理论问题做了系统的研究；张路青等1 5 2 j 探讨了弹性位移 反分析中地应力、弹模的反演唯一性；杨林德等【5 3 】研究了反演分析中量测误差的 4 硕士学何论文 第一章绪论 传递与仪表选择的研究。 孙均等1 5 4 1 采用s a k u r a i 的逆反分析思路，推导了随机有限元的逆过程，提出 了基于量测位移的随机逆反分析方法，并基于特征函数法得到了函数的方差和高 阶矩。然而，目前的随机逆反分析研究还只能就弹性有限元来进行，深入到弹塑 性粘弹塑性等复杂非线性计算模型的随机逆反分析则有待进一步研究。 1 2 3 基于人工神经网络方法岩土力学反问题研究进展 人工神经网络是在现代神经科学研究成果的基础上，根据人脑的基本功能， 试图模仿生物神经系统的功能或结构而发展起来的_ 种新型信息处理系统或计 算体系。它不是生物真实神经系统的拷贝，而仅是其数学抽象及粗略的逼近和模 仿。从本质上讲，这是一类由大量的基本信息处理单元通过广泛连接而构成的动 态信息处理系统。神经网络主要是用于体现学习和信息处理的计算模型，自学习 是它的一个重要的功能特征，它可以通过例子也可以通过和周围环境的相互作用 来学习，能从大量数据中学到复杂的非线性关系。近几年，神经网络、遗传算法 等现代优化方法在岩土工程中也开始应用。 近期，利用基于神经网络的智能反演方法，李立新等【5 5 1 基于多层前馈神经网 络模型( b a c k - p r o p a g a t i o n ，简称b p 网络) ，反演得到岩体粘弹性力学参数：樊棍 等1 5 6 】则基于b p 网络模型反求岩土工程计算中的邓肯参数，得到了满意的结果： 李瑞有等1 5 7 1 基于b p 网络建立了边坡位移反分析方法，得到了三峡永久船闸边坡 多介质岩体的宏观等效弹性模量，并利用该弹性模量进行了有限元正分析计算， 预测了三峡永久船闸开挖边坡下一开挖阶段的应力及变形发展趋势；高强等1 5 8 】 应用遗传算法进行粘弹性位移反分析。 l e e c l 5 9 1 采用神经网络方法识别地下工程开挖时可能的断裂模式；梁艳春唧1 研究了采用神经网络识别围岩的力学参数的方法，并且提出了对观测数据进行预 处理的方法；冯夏庭等【6 l 】提出了基于人工神经网络学习的岩体分类方法，采用人 工神经网络方法识别岩体夹层的残余强度，建立了岩石力学参数识别的智能化方 法：李守巨1 6 2 1 通过对迭代步长的搜索，分别研究了混凝土大坝弹性参数识别、混 凝土结构损伤识别、坝基岩体渗透系数识别和岩土边坡力学参数识别方法；c a o 6 3 1 采用人工神经网络识别作用在结构上的荷载；m e u l e n k a m p t 删采用 l e v e n b e r g m a r q u a r d t 神经网络识别( 估计) 岩体的抗压强度；周保生( 1 9 9 9 ) 采用b p 神经网络识别巷道围岩的力学参数：s a n k a i l 6 5 】对于地震波参数反演问题分别对比 了遗传算法、神经网络和模拟退火算法的特性；h u a n g 删采用神经网络方法预测 岩土的材料参数；n a j j a r l 6 7 j 建立了基于神经网络的评估勃土渗透系数的数值方法； h u a n 9 1 6 8 1 研究了建筑物结构在地震作用下进行参数识别和诊断的神经网络方法； 5 硕士学位论文第一章绪论 l i g h t b o d y 和j a m i a l a h m a d i t 6 9 q o 】建立了人工神经网络预测土体的渗透系数与空隙 率和深度关系的方法；c h a n g t 7 卜例建立了基于神经网络的专家系统用于岩土材料 的力学参数反演；l i a n g l 7 3 】将模糊神经网络和自适应学 - j 算法应用到岩体参数反 演；w a s z c z y n ( 2 0 0 1 ) 将神经网络方法应用到岩体结构力学特性反演，并且对其应 用前景进行了预测分析。 此外，为解决传统的各种优化方法易于陷入局部最优值和映射关系难以确定 的问题，冯夏庭掣6 1 j 根据g a 和a n n 的特点，将两者有机地结合起来，提出一 种用于位移反分析的进化神经网络方法。 1 3 大跨公路隧道国内外研究现状 随着交通需求的急剧增加，国内外修建的大跨度( 净宽大于1 5 m ) 隧道的数量 越来越多。目前，公路隧道建设走在世界前列的国家有：北欧的瑞典、挪威、奥 地利 7 4 - 7 5 和邻国韩国、日本。在上个世纪八十年代后期，韩国进行了大规模的 以首尔为中心的四车道高速公路改扩建为八车道高速公路，于是不可避免地出现 了四车道高速公路大跨度隧道，其中最早完工的是1 9 9 2 年开始建设的清溪隧道， 左右线平均长度为5 0 0 m ，挖掘断面积1 8 6 4 2m 2 ，净宽为1 7 9 4 m ，拱高为9 7 8 5 m ， 采用三心圆扁平拱式断面1 7 6 1 。日本早期修建的第二东名公路三车道隧道，断面积 1 1 3 1 7 0 m 2 。近期为适应1 4 0 k m h 高速度的要求设计的名神高速公路三车道公路 隧道，其断面面积达1 7 0 - 2 3 0 m 2 。日本横滨市帷子河隧道开挖断面积达2 2 5 m 2 ， 为日本泥土隧道中断面最大的。再如美国贝克山单孔隧道，断面积高达4 6 7 m 2 。 我国也在二车道建设过程中积累了一些经验，利用这些经验去指导建设三车道隧 道，但是我国的大跨度隧道建设经验与技术相对要落后于上述几个国家。从6 0 年代开始修建断面面积超过1 0 0 m 2 的大断面铁路隧道以来，其中断面面积在 2 0 0 m 2 以上的已经出现多座。8 0 年代以后随着隧道技术的发展，以及公路标准和 运量的增大，大跨度公路隧道的数目急剧增多，如四川的铁山坪三车道隧道，最 大开挖断面达1 2 0 m 2 ；大梅沙三车道隧道，洞口段开挖断面达1 7 0 m 2 ，贵州省凯 里市的大阁山隧道，市政道路四车道隧道，长4 9 6 m ，最大开挖宽度为2 1 0 4 m ， 最大开挖高度为1 1 4 5 m t r l ；杭州市的三车道高速公路黄鹤山隧道，最大开挖宽 度为1 6 3 6 8 m ，最大开挖高度为1 1 6 4 m 。铁路隧道方面，目前跨度较大的是位于 云南省大关县的内昆线三线铁路车站隧道曾家坪一号隧道【7 8 i ，长2 5 6 3 m ，其 中有2 6 9 米为三线隧道，最大开挖宽度为2 0 6 8 m ，最大开挖高度为1 3 8 3 m 。 硕士学位论文第一章绪论 1 4 隧道施工力学理论国内外研究现状 对隧道或地下洞室的设计和运行性能进行可靠性评价以及最终确定某隧道 工程的开挖或施工方法等必须弄清开挖引起的围岩应力和位移场分布。一般情况 下，围岩体在开挖后出现的弹性、塑性变形范围必须借助于现场实测或弹塑性理 论分析才能确定。对静水应力场下，均质各向异性岩体中圆形或椭圆形隧道的弹 塑性应力分布借助于k i r s c h 和i n g l i s 解可以求出。1 8 9 8 年k i t s c h 基于弹性理论 解出了静水应力场下均质各向同性弹性岩体中圆形隧道周边的径向应力和切向 应力1 7 9 | ；1 9 1 9 年木斯海里什维里用复变函数解法解出了椭圆孔口周边的径向应 力和切向应力。对其它孔形的各向异性平面问题的解目前只有基于一系列椭圆孔 口的精确解来求，同样也要将孔外域映射到单位圆外去讨论【踟】。但是，对非静水 应力场下非均质各向异性岩体的弹塑性域目前还只有借助于有限元法、边界元法 等数值方法或物理模拟才能求出。 由于隧道开挖的三维性及各个隧道地质条件的悬殊差异，使得真实掌握围岩 动态变化极为困难，因此关于开挖面围岩动态变化的二维研究较为活跃。1 9 7 4 年p a n e t 引入释放系数来模拟开挖引起的弹性介质围岩的应力变化；1 9 7 8 年e g g e r 则将隧道开挖面附近简化成球形对称状，使之与开挖面后方的轴对称假设一致， 从而可以考虑相同的岩石动态变化，尤其是破裂后动态、逐步或脆性破裂、部分 或完全破坏及膨胀性等。岩石动态的变化可以用相应的一系列稳定状态来模拟， 并可检验各种支护方式以恰当地确定出最佳支护形式。 1 9 8 1 年c u n h a 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，即在计算的适当阶段通过删除一些岩体单元或增加支护单元来模拟开 挖或支护，由此产生的几何非线性问题采用g h a b o u s s i 和r a n k e n 提出的方法解 决，即在每一阶段不平衡力加上增量荷载计算出本阶段的位移增量，而对材料非 线性问题用叠代法及应力转移法求解。在横观各向同性和非均质性地层中开挖隧 道时，每个开挖阶段均显示径向位移及工作面纵向位移取决于所处围岩的变形特 性，因而无法通过紧邻开挖面的变形量来预测前方岩体的突然恶化。而且不同介 质界面类似于刚性墙，会抑制纵向位移的发展。 1 9 9 2 年张有天【3 l 】为确定天生桥一级水电站试验洞的合理施工方法而作了实 用性改进，提出了用于模拟隧洞开挖过程的二维半分析方法，即称为递推分析法 或多重单元法。它避开了完全平面问题所要求的苛刻条件而具有工作量小、应用 方便的优点，其实质是用完全单元依次置换相应的岩体单元以实现开挖的模拟。 张有天认为影响围岩变形过程的最关键因素是施工程序和支护参数，而递推分析 法可以很容易地实现模拟开挖步骤和锚喷支护的时间效应和空间效应。当然，岩 7 硕士学位论文 第一章绪论 石力学参数选择适当与否决定着分析结果与实际的吻合程度，此法不足之处是模 拟分部开挖尚不充分。 p a nx d & h u d s o n ，j a ( 1 9 8 8 ) 和p a ny w & d o n gj j ( 1 9 9 0 ) 分别采用弹粘塑性 模型、线性粘弹性模型研究了开挖面和开挖速度的影响。由于岩层在开挖前都存 在一定的原始应力，开挖导致储存应变能的释放，显然能量的释放速度对开挖后 岩体的特性有重要影响。基于此，j e c a r t e r , j r b o o k e r ( 1 9 9 0 ) 用岩体表面的脉冲 作用力来模拟开挖过程效应，脉冲荷载作用于弹性体，将会产生弹性膨胀波从开 挖壁面向无穷远传播，在壁面导致高于最终静态应力的瞬态应力出现。无疑，如 果瞬态应力过大将会使围岩体破坏，通过建立平面应变轴对称情况下的线弹性体 的动力特性控制方程，利用l a p l a c e 的场量变换及逆变换，推出了弹性地层中快 速开挖圆筒形洞室时的瞬态应力分布解，结果表明快速开挖的动力效应会导致短 期和长期应力分布间的显著差异。 1 9 9 4 年，孙均、朱合华【8 2 8 3 】同时提出了用广义虚拟支撑力法来模拟隧道开 挖面空间效应的二维弹粘性模型，探讨了工作面推进过程中洞室围岩与锚喷支护 的相互作用及设置整筑式二次衬砌的影响，运用平面应变弹塑性有限元分析程 序，选用d r u c k e r - p r a g e r 屈服准则，采用增量应变法模拟了几种隧道施工作业方 式，用三维边界元法分析了上下台阶开挖、全断面开挖时的洞身位移释放系数与 开挖方式、泊松比、埋深及断面形状系数( 高宽l l ) 间的影响关系。1 9 9 5 年，孙均 采用粘性增值初应变法对某水电站大断面地下厂房的分部开挖过程进行了粘弹 塑性有限元分析。 于学馥在1 9 9 2 年出版的“采矿岩石力学新论”中提出了岩石力学研究的新 概念，即系统思维、反馈思维、不确定性思维和全方位思维，又在1 9 9 7 年发表 论文认为岩石力学的动态过程是复杂的非线性、多层次、多子系统、时间不可逆、 非对称的高技术问题，过程本身是不确定的，过程不结束信息就不全，它是具有 自组织的演化过程，是承前启后的随机过程。隧道开挖力学行为的研究属于岩石 力学动态过程研究领域，而开挖过程既有材料因素的影响，更有开挖行为，即开 挖和支护工艺、支护方法、破碎方式甚至工人操作技能等的影响。开挖过程的空 间力学问题既指应力空间路径在地层空间卸载步距和顺序上的变化，后续开挖均 对前次开挖造成影响，又指开挖工艺方案在地层内空间变化，都是应力空间路径 与应变增量和历史记忆的研究问题。利用记忆理论可以进行开挖方案优化选择， 进行开挖技术决策、设计和施工。同时提出了用“计算实验技术”的概念来说明 直觉感知的必要性。于学馥认为直觉感知的经验是非确定性研究中对预报起关键 作用的因素。开挖系统是属于自组织机能的地层系统( 被干扰系统) 与受到开挖( 破 坏地层行为) 干扰系统的相互作用下的运动系统。当干扰只在一定范围内时，系 8 硕士学位论文 第一章绪论 统总是向稳定趋势发展的，此时只是量变而无质变，因此可以用确定性方法进行 数学描述。当干扰达到一定范围，系统进入非平衡状态，即是随机过程的发展阶 段，当干扰达到临界点，系统发生质变而达到下次的动态平衡。 1 9 9 6 年，朱维申、何满潮i 删对大断面地下厂房的阶段性施工顺序进行了优 化计算，提出了围岩体动态施工力学的概念。金丰年、钱七虎瞵5 j 应用非线性粘弹 模型对全断面开挖过程进行的三维有限元计算表明开挖面的影响范围约为隧道 直径的2 倍，开挖速度在短时间内影响较大，随时间的延长而减弱。刘新宇等【8 6 1 应用摩尔一库仑弹塑性模型来考虑开挖面的三维效应，对某超浅埋连拱隧道的开 挖方法进行了二维弹塑性有限元分析，结果表明覆盖层厚度与开挖宽度之比越大 越有可能借助锚杆使围岩自稳，否则仅仅借助于锚喷不足以控制围岩位移、地层 沉降、塑性区的扩展，并建议先开挖中间拱。1 9 9 9 年朱合华、丁文划9 7 j 对埋深 1 9 m ，净高6 2 3 m ，净宽6 m 的马蹄形隧道进行了动态施工力学模拟。2 0 0 0 年白 明洲、黄国明i 髓】使用三维有限元数值分析方法，研究了埋深8 5 m 的某大型水电 工程大跨度、高边墙地下厂房围岩应力场的分布规律。2 0 0 2 年胡学兵、乔玉英眇】 对最大埋深1 1 5 m ，净高5 m ，净宽1 3 m 的小团山大断面公路隧道施工围岩和支 护结构力学性态通过有限元结构计算判断隧道结构稳定性。2 0 0 4 年蒋树屏、胡 学兵即】对埋深1 4 1 m ，净高5 m ，净宽1 3 7 5 m 的阳宗隧道进行二维物理或数值模 拟，考察了几种不同工况条件下应力场、位移场、破坏接近度等定量指标随开挖 步骤的变化关系。2 0 0 5 年任国雷、蒋中贵等【9 l 】结合某大跨度城市交通隧道，对 净高5 2 m ，净宽1 4 2 5 m ，埋深3 5 m 的三车道隧道通过有限元数值模拟，提出了 单侧壁导坑法隧道施工方法，对隧道围岩一支护体屈服接近度、位移和应力特征 进行了研究。 总之，大断面公路隧道的施工过程是一个极为复杂的动态加卸载力学系统过 程，国内外对大断面隧道施工力学性态研究已经取得了一定的成绩，但对于埋深 较大，一边扩帮的特大跨度公路隧道，无论是理论分析方面还是数值模拟手段方 面，对隧道施工过程中逐次工况进行不同的施工力学性态演化规律的研究还需进 一步深化和探索。 1 5 本文研究思路、内容和方法 本文通过现场试验、理论分析及数值模拟计算，对一边扩帮的特大跨公路隧 道的围岩力学参数和动态施工力学进行了深入研究，主要研究思路、内容和方法 如下： ( 1 ) 对深圳福龙路横龙山北隧道右线喇叭口扩挖段进行监控量测和深部位 9 硕七学位论文第一章绪论 移监测，得到了反挖修帮造成的拱顶下沉和洞周水平收敛。 ( 2 ) 建立二维有限元模型，在自重和构造应力作用下计算不同弹性参数( 弹 性模量和泊松比) 时的拱顶下沉和洞周水平收敛值，以此为样本，采用神经网络 b p 模型对样本进行训练，得出仿真网络，再以实测的拱顶下沉和洞周水平收敛 对网络进行仿真，反演出隧道围岩力学参数。 ( 3 ) 根据岩土工程勘察报告和隧道设计图纸建立喇叭口扩挖段三维有限元 模型，按照其右线主导洞上下台阶开挖、修帮全断面开挖的施工方法进行动态施 工力学数值模拟。 ( 4 ) 基于动态施工力学数值模拟结果，分析了隧道各开挖阶段对地表沉降 的影响。 ( 5 ) 基于动态施工力学数值模拟结果，研究了各开挖阶段对隧道拱顶、拱 脚和竖墙脚各点应力的影响。 1 0 硕士学位论文第二章工程概况和监测方案设计 第二章工程概况和监测方案设计 深圳市福龙路横龙山隧道由南向北，起于香环立交，穿过横龙山与南坪立交 相连，横龙山隧道为上下行双管六车道隧道，行车道中线间距5 2 2 5 m ，左线隧 道长2 3 3 0 m ，右线隧道长2 2 7 5 m ：最大埋深约1 8 0 m 。在左线进口和右线出口段 分别有南坪立交e 、f 匝道隧道进出左、右隧道。5 标左线隧道长1 1 3 0 m ，右线 隧道长11 3 5 m 。其平面布置图如图2 1 所示。 2 1 地质概况 2 1 1 地形地貌 图2 1 横龙山北隧道总平面布置图 本工程沿线呈近南北走向，福龙路隧道沿线所经地区为低山、低山间冲沟、 山麓等地貌。地势呈南高北低的趋势。现地面标高约在9 6 0 3 0 0 o m 之间。地 形起伏大，微地貌单元较发育。隧道洞口处地形如图2 2 所示。 硕士学位论文第二章工程概况和监测方案设计 2 1 2 地层岩性 图2 2 隧道地形情况 根据钻探揭露，拟建工程线路内分布的土( 岩) 为第四系人工填土、植物层、 冲洪积粘土、砾砂、卵石、坡积粘土、残积砾质粘土及不同风化程度的燕山期粗 粒花岗岩及震旦纪花岗片麻岩。反挖修帮段地层岩性如图2 3 所示。 图2 - 3 反扩挖修帮段地层岩性 1 2 硕士学位论文第二章工程概况和监测方案设计 2 1 3 地质构造 ( 一) 断裂构造 根据区域地质资料，并结合钻孔及浅层地震测试资料，推测出本场地发育 f l 、f 2 、f 3 三条断层( 或断层破碎带) 。f 1 断层在微风化花岗岩中，为碎裂岩， 呈黄褐、灰褐色，局部具糜棱岩化，z k 5 7 中，3 0 5 3 8 0 m 为糜棱岩。强度相当 于弱风化岩，为压扭性，产状为：倾向2 0 0 。 2 1 0 0 ，倾角。7 0 0 - - 7 5 。；f 2 断层在 震旦纪花岗片麻岩与燕山期花岗岩接触带，为碎裂岩，呈黄褐，灰褐色，局部具 糜棱岩化，强度相当于弱风化岩。为压扭性，产状为：倾向1 9 5 。2 0 5 。，倾角 7 0 0 - 、- 8 0 0 ；f 2 断层微风化花岗片麻岩中，为碎裂岩，呈黄褐、灰褐色，局部具糜 棱岩化，强度相当于弱风化岩。为压扭性，产状为：倾向2 3 4 。2 4 5 。，倾角7 0 0 7 5 0 。 钻孔及浅层地震测试资料反映，f l 、f 2 、f 3 三条断层均为压扭性断层，断 层岩性由破碎岩及糜棱岩组成，f 2 断层为震旦系花岗片麻岩和燕山期花岗岩两 种岩性构造接触带部位。 ( 二) 节理裂隙 详勘地质测绘地质点裂隙调查资料表明，隧道线路出露的基岩裂隙发育情况 如下所述： ( 1 ) 花岗片麻岩分布区中主要发育二组节理裂隙，其产状为： a 组：倾向2 0 0 0 2 0 5 0 ，倾角7 5 0 8 0 0 ； b 组：倾向3 2 0 0 3 2 5 。，倾角8 0 0 8 5 。 ( 2 ) 花岗岩分布区中主要发育二组节理裂隙，其产状为： c 组：倾向2 5 0 。 2 6 0 0 ，倾角6 0 0 7 0 。； d 组：倾向3 2 5 0 - 3 3 5 0 ，倾角7 5 0 8 5 0 。 四组节理裂隙面均较平直，闭合或微张，延伸2 3 m ，无充填或少量泥，硅 质胶结。据裂隙性质与隧道关系分析，