（岩土工程专业论文）四车道公路隧道的施工力学研究.pdf

中文摘要 中文摘要 近年来，随着材料、工艺、设备机具的不断进步和对岩石力学机理的深入认 识与不断提高，以及现实生活的迫切需求，修建大跨度隧道及地下工程逐渐增多， 大跨度隧道施工技术也有了较大发展，但是仍然处于探索和尝试阶段。而从严格意 义上讲，现行的规范只能指导跨度不超过1 5 m 的隧道及地下工程的设计与施工， 无法指导四车道公路隧道的设计与施工，而且忽略了围岩本身也是结构这一重要 特征。因此，针对四车道公路隧道的设计与施工问题进行系统深入的研究具有重 要的意义。 本论文的选题密切结合国家大型重点工程建设，在岩石力学基本原理和新奥 法的基本思想的指导下，利用椭圆形洞室围岩应力分布特征对大跨度公路隧道分 部开挖的施工力学效应进行理论分析，建立了大跨度公路隧道围岩稳定基本判据； 利用大型有限元分析软件a n s y s 对几种常用的施工方法的施工过程在不同的围岩 条件、不同埋深条件下，进行了有限元数值模拟分析，较好的分析、解决了四车 道公路隧道的施工开挖、支护过程中围岩与支护结构的稳定性问题。同时，使隧 道设计由传统的基于经验设计方法的“荷载一结构”模式转变为从理论上更为完 善、合理的“岩体一结构”模式，考虑围岩不仅仅是荷载，而且也是结构，分析 过程中重视围岩与结构的共同作用，充分考虑了围岩自身的自承能力，体现了n a t m 法的精髓和理念。论文计算结果与相似模型实验结果比较吻合，所得有关结论， 可以为采用弹塑性有限元计算分析大跨度隧道与地下工程的施工力学效应及公路 隧道( 大跨度) 施工方法优选、旋工技术规范的修订提供参考。 关键词：四车道公路隧道，大跨度，施工力学，椭圆，数值模拟 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a l ，t e c h n o l o g y , e q u i p m e n ta n dr o c k m e c h a n i c st h e o r ya n dt h eu r g e n td e m a n df o ra c t u a ll i f e ，t h el a r g es p a nt u n n e la n d u n d e r g r o u n dp r o j e c ti n c r e a s e sg r a d u a l l y a l t h o u g ht h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h e l a r g es p a nt u n n e lh a sb e e ng r e a t l yd e v e l o p e d ，i ti ss t i l la ti n i t i a ls t a g e s t r i c t l ys p e a k i n g ， t h ec u r r e n tc o d ec a no n l yg u i d et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h et u n n e lu n d e r 15 m s p a na n du n d e r g r o u n dp r o j e c t ，w h i l ec a n td ot h o s ef o rf o u r - l a n er o a dh i g h w a y t u n n e la n dt h ei m p o r t a n tf a c t o r t h es u r r o u n d i n gr o c ki ss t r u c t u r ei sn e g l e c t e d i na w o r d ，i ti si m p o r t a n tt oc a r t yo nt h es y s t e m a t i ca d v a n c e dr e s e a r c ho nt h ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o no f t h ef o u r - l a n eh i g h w a yt u n n e l t h i st h e s i sc l o s e l yc o m b i n e sc o n s t r u c t i o no fn a t i o n a ll a r g e s c a l ek e ye n g i n e e r i n g u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h eb a s i cp r i n c i p l eo fr o c km e c h a n i c sa n dn a t m ，c o n s t r u c t i o n m e c h a n i c se f f e c to fs u b s e c t i o ne x c a v a t eo fl a r g es p a nh i g h w a ym a n e lw i l lb ea n a l y z e d b yu t i l i z i n gs u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sd i s t r i b u t ec h a r a c t e r i s t i co fo v a lc a v e r n t h e r e f o r e t h es u r r o u n d i n gr o c ks t e a d yb a s i cc r i t e r i o no fl a r g es p a nh i g h w a yt u n n e lc a nb e e s t a b l i s h e d c o n s t r u c t i o np r o c e s so fs o m ec o m m o nc o n s t r u c t i o nm e t h o d sa td i f f e r e n t s u r r o u n d i n gr o c kt e r m si sa n a l y z e db ya n s y s a n dt h er e s u l t ss h o w si th a sw e l ls e r l e d t h es t a b i l i t yp r o b l e m so ft h ec o n s t r u c t i o n se x c a v a t ea n ds u p p o r ts t r u c t u r e a tt h es a m e t i m e ，t h el o a d s t r u c t u r e m o d eb a s e do n e x p e r i e n c e i st r a n s f o r m e di n t ot h e r o c k n e s s s t r u c t u r em o d ew h i c hi sb e t t e ra n dm o r er e a s o n a b l et h a nt h ef o r m e rm o d ei n t u n n e ld e s i g n t h et h e s i sp a y sa t t e n t i o nt oi n t e r a c t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ka n ds t r u c t u r e c o n s i d e r i n gt h es u r r o u n d i n gr o c ki sn o to n l yl o a d sb u ta l s oi ss t r u c t u r ea n di tr e f l e c t st h e s o u lo ft h en a t m t h er e s u l t so fc a l c u l a t i o no ft h et h e s i sa r er e l a t i v e l yi d e n t i c a lw i t h s i m i l a rm o d e le x p e r i m e n t a lr e s u l t n er e l e v a n tc o n c l u s i o n so f t h et h e s i sc a nb er e f e r r e d b ya d o p t i n ge l a s t o p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tt oa n a l y z ec o n s t r u c t i o nm e c h a n i c se f f e c to f l a r g es p a nt u r m e la n dc o n s t r u c t i o nm e t h o do p t i m u ms e e k i n ga n dh i g h w a yt u n n e l ( 1 a r g e s p a n ) c o n s t r u c t i o nr e v i s i o no f t h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n k e y w o r d s ：f o u r - l a n eh i g h w a yt u n n e l ，l a r g e - s p a n ，c o n s t r u c t i o nm e c h a n i & ，o v a l ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 1 绪论 1绪论 1 1 问题的提出 2 0 世纪8 0 年代以来，我国的交通隧道建设事业取得了迅猛增长。据最新统计 资料表明，我国目前铁路隧道已达6 8 7 6 座，总长度3 6 7 0 公里，建成的公路隧道 总数达到1 7 8 2 座，总长度7 0 4 公里【l 】。2 0 1 0 年前，中国将有总长1 5 5 公里以上的 公路隧道将投入建设。目前，国内外在进行中等跨度及以下的隧道和其他地下洞 室工程的建设中，设计计算理论和施工方法工艺都已经比较成熟。近年来，随着 材料、工艺、设备机具的不断进步和对岩石力学机理的深入认识与不断提高，以 及现实生活的迫切需求，修建大跨度地下结构逐渐增多。 随着国家“八五”、“九五”、“十五”重点公路建设项目的陆续建成和启动， 以前薄弱的公路隧道特别是大跨度扁坦公路隧道勘察、设计、建筑、营运等一系 列技术问题日益突出。近几年我国己建成( 含部分规划、在建) 的三车道隧道主要有： 北京张家口高速公路的石佛寺l 号一2 号一3 号、潭峪沟、八达岭、昆玉高速 公路的山心坡、沪宁高速公路的南京市中山门、京珠高速公路广东省的大宝山、 靠椅山、长涪高速公路的铁山坪、渝黔高速公路的重庆市铁山坪、蚌壳山、义学 大山、真武山、三王岗、香港的西营盘至西九龙的双洞三车道海底隧道，以及广 东省的白云山、虎背山、白花山等，此外还建成了如小浪底试验洞、城市过街通 道、地下运输廊道等数目众多的扁坦地下洞室【2 】。刚刚建成的辽宁沈( 阳) 大( 连) 高速公路韩家岭隧道，为单向四车道公路隧道，净宽1 9 2 4 m ，高1 0 3 9 m ，其开挖 宽度达2 1 2 4 2 m ，中轴线处开挖高度达1 5 5 2 m ，为我国目前断面尺寸最大的公路 隧道之一。国内近期规划的和正在建设的4 车道公路隧道，为适应1 4 0 k m h 高速 行车速度的要求，其断面积甚至达1 7 0 一2 0 0 m 2 ，局部断面达2 3 0 m 2 的超大断面， 开挖宽度达2 3 m 以上。于1 9 9 0 年建成通车的沈大高速公路全长3 7 5 公里，为双向 四车道高速公路。它的建设开创了我国高速公路建设的新纪元，素有“神州第一 路”的美誉。随着时间的推移和车流量的逐渐加大，沈大高速公路己不堪重负， 2 0 0 3 年3 月2 1 日，沈大高速公路全线封闭进行改扩建。经过专家的反复论证，沈 大高速公路将由双向四车道改扩建为双向八车道。这也就带来了韩家岭四车道公 路隧道的设计与施工问题。该工程已经被国务院批准为“十五”期间重点改扩建 项目，也是交通部确定的高速公路改扩建示范工程。沈大高速公路改扩建工程方 案吸取了我国高速公路由于缺乏超前意识而带来的教训。它告诉我们，不能用静 止的观点规划高速公路，眼光要长远，重复投资，重复建设是一种更大的浪费。 因此，四车道公路隧道的出现是时代的要求。 重庆大学硕士学位论文 对于四车道的大断面公路隧道，从经济上讲，横断面与双车道公路隧道相比， 其跨度增大了1 倍，如果仍然按照双车道公路隧道的扁平率( 高跨比) 来设计， 则开挖断面积将大幅度增加，而隧道内空间的有效利用率将会显著降低，其工程 造价也会大幅度上升，而为了解决这一问题，只能通过降低扁平率来实现，而降 低隧道的扁平率将会对围岩稳定及隧道结构的稳定性产生极大的影响，特别是在 以自重应力场为主的情况下，对这种扁平结构的影响将会更大，随之也就会不课 避免的带来新的技术问题：如对于围岩开挖后拱部岩体在自重应力场作用下向洞 内移动，并导致两侧岩体受压，反应在洞周位移上，拱顶下沉位移要远大于水平 收敛，由此而导致支护结构体系的破坏，与高跨比较大的单洞双线隧道有所不同。 综上所述，对于四车道公路隧道，如果仍然采用双车道隧道的理论进行设计与施 工显然是不合适的，为此研究四车道公路隧道围岩稳定及隧道支护体系显得尤为 重要。同时，为了适应我国的设计和施工水平，并使四车道公路隧道安全、快速、 经济、合理的施工，针对这一问题进行大规模的、系统深入的研究也将具有深远 的意义。 1 2 四车道公路隧道在国内外研究现状 国外一些发达国家非常重视公路隧道建设，尤其是北欧的瑞典、挪威、奥地 利p 5 1 和我国的邻国韩国陋l 、日本【7 1 在发展公路隧道技术方面处于领先地位，在过 去三十多年里，在大跨度扁坦公路隧道建设中积累了丰富的经验。新奥法设计与 施工技术、围岩动态分析技术、中隔壁法、双侧壁导坑超前法、t b m 法等得到广 泛应用。 根据目前的资料，韩国在大跨度隧道的建设方面已经走在世界前列i ”，在上世 纪八十年代后期，韩国进行了大规模的以韩城为中心的四车道高速公路改扩建为 八车道高速公路，于是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5 0 0 m ，开挖断面面积达到18 6 4 2 m 2 ，按 隧道内衬砌轮廓线计算，净宽为1 7 9 4 m ，拱高为9 8 7 5 m ，采用三心圆扁平拱式断 面。现在，韩国在建和已建成的四车道大跨度公路隧道已经有1 1 座，均采用n a t m 法施工。在设计方面，根据隧道所处的地质情况，采用土力学和岩石力学中的数 值分析方法进行计算，在旌工期，结合n a t m 法基本原理和要求，在洞室内部进 行严格的监控测量，主要内容有：拱顶下沉监测、拱周边变形监测、锚杆轴力和 锚固力测定、喷射混凝土与围岩间接触应力的测定以及围岩变形监测。 国内在近十年里也很重视公路隧道的建设技术的提高，在二车道公路隧道的 建设上积累了一些经验，也先后建成了一些三车道公路隧道，但总体上落后于国 外，主要表现在：由于岩石的物理力学特性及隧道工程地质条件相当复杂，再由 2 1 绪论 于国内在勘察设计上无统一规范，因此在大跨度扁坦公路隧道的施工上千差万别， 而国内到目前极少关于大跨度扁坦公路隧道施工力学、断面结构、施工方法、支 护衬砌工艺等的研究。在8 0 年代，同济大学曾经用平面应力模型研究了大跨度矮 墙洞室的开挖方法对洞室稳定性的影响；1 9 9 5 年，西南交通大学王明年、何j i i 等 人作了三车道隧道模型试验研究及有限元分析【8 】；1 9 9 8 年，西南交通大学王明年 通过大比例尺模型试验和有限元方法对三车道公路隧道在不同构造应力作用下的 力学行为进行了深入研究【9 j 。研究结果表明，构造应力对三车道公路隧道的承载能 力、破坏形态、位移规律都有很大影响。而对于四车道的研究还未见有过文章发 表。可以说我国在四车道公路隧道围岩稳定性分析和施工开挖方法、支护衬砌工 艺研究上尚处于起步阶段。我国目前建成的四车道公路隧道有贵州凯里市大阁山 隧道，全长4 9 6 m ，为单洞双向四车道，其最大开挖宽度达2 1 0 4 m ，高度1 1 5 m ，净跨1 8 m ，为国内尤其是在市区目前罕见的大跨度隧道i 1 0 1 。施工方法( 如图 1 1 所示) 采用侧壁导坑先墙后拱法，这种方法又称顺作法，它通常是在隧道开挖 成形后，再由下至上施作模筑混凝土衬砌。先墙后拱法施工速度快，施工各工序 及各工作面之间相互干扰较小，衬砌结构的整体性较好，受力状态也比较好。还 有刚建成的沈大高速公路韩家岭隧道，采用了“新奥法”施工。还有一些四车道 公路隧道正在规划、设计和施工中。 i ，p 季瑕 = ；1 r fi j 媾? ? j j 磊谨搬 嘉，上都拱乖、纛 ；i i ( 窘辘；蔑 厂，- 、 j 签 ? 、 醚 ， i 、 遂 盎导境 。 中 _ j f 誊导琉) 嶷 ve 下部) i 。o ?礁( 口啜) j 三r 图1 1 贵州省凯里市大阁山隧道 f i g 1 1t h ed a g e s h a nt u n n e li nk a i l io f g u i z h o up r o v i n c e 1 3 现行隧道工程设计与施工方法 在修建隧道和地下工程的实践中，人们已经普遍认识到，隧道及地下工程的 核心问题是开挖和支护两个关键工序。即应该如何开挖，才能更有利于围岩的稳 定性和便于支护；若需要支护时，又如何支护才能更有效的保证坑道稳定和便于 3 重庆大学硕士学位论文 开挖。这是隧道及地下工程设计与施工中两个相互促进又相互制约的问题。 在国内外公( 铁) 路隧道及地下工程的设计与施工中，针对上述核心问题， 经过实践和研究，人们提出了两大理论体系，每一种理论体系都包含和解决( 或 正在研究解决) 了从工程认识( 概念认识) 、力学原理、工程措施到施工方法( 工 艺流程) 等一系列地下工程建筑问题。一种理论是2 0 世纪2 0 年代提出的传统的 “松弛荷载理论”，其核心内容是：稳定的岩体有自稳能力，对隧道不产生荷载； 而不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支承岩体荷载。这样作用 在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩( 土) 体重 力。这是一种传统的理论，其代表人物是美国的泰沙基( k t e r z a g h i ) 和俄国的普 洛托季雅可诺夫( m m p q 日慨h k o h o b ) 等专家。它类似于地面建筑工程考虑问题 的思路，至今仍被广泛的应用。 另一种理论是2 0 世纪5 0 年代提出的现代支护理论，或称为“岩承理论”。其 核心内容是：隧道围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力；不稳定围岩丧失稳 定性是具有一个时间过程的，如果在这个过程中提供必要的支护措施或限制，则 围岩仍然能够保持稳定状态。这种理论体系的代表人物有腊布希维兹 ( k v r a b c e w i e z ) 、米勒一菲切尔( m i l l e r - f e c h e r ) 、芬纳塔罗勃( f e n n e r - t a l o b r e ) 和卡斯特奈( h k a s t n e r ) 等学者。这是一种比较现代的理论，它已经脱离了地面 建筑工程考虑问题的思路，而更加接近于地下工程建设的实际情况，近半个世纪 以来已经被广泛认可、接受及推广应用，并且表现出了十分广阔的发展前景。 显然，“松弛荷载理论”更着重注意结果和对结果的处理；而“岩承理论”更 加注重过程和对过程的控制，即对围岩自承能力的充分利用。因此，两大理论在 原理和方法上各自表现出不同的特点【l l 】叫1 3 j 。 1 4 隧道工程数值分析方法 隧道围岩不仅为一般材料，更重要的是一种地质结构体，它具有非均质、非 连续、非线性以及复杂的加卸载条件和边界条件，这使得隧道工程力学问题通常 无法用解析方法简单的求解。相比之下， 不仅能够模拟岩体复杂的力学结构特征， 过程，并对工程进行预测和预报。因此， 题的有效工具之一【1 4 】。 数值分析方法具有较广泛的适用性。它 也可很方便的分析各种边值问题和施工 数值分析方法是解决隧道及地下工程问 岩石力学数值分析方法主要用于研究岩土工程和自然环境变化过程中岩体及 其加固结构的力学行为和工程活动对周围环境的影响。目前较为常用的方法有： 有限单元法、边界单元法、有限差分法、加权余量法、离散单元法、刚体元法、 不连续变形分析法、流形方法等。其中前四种方法是基于连续介质力学的方法， 4 1 绪论 随后的三种方法是基于非连续介质力学的方法，而最后一种方法具有这两大类方 法的共性。 有限单元法基于最小总势能变分原理，它能够方便的处理各种非线性问题， 并能够灵活的模拟岩土工程中复杂的施工过程，因而成为岩石力学领域中应用最 广泛的数值分析方法。 边界单元法是以表述b e t t i 互等定理的积分方程为基础i l ”，建立了直接法的 基本方程，而基于叠加原理建立了间接法的总体方程；因而前处理工作量少、能 有效模拟远场效应而普遍应用于无界域或半无界域问题的求解。 有限差分法是将问题的基本方程和边界条件以简单、直观的差分形式来表述， 使得其更易于在工程实际中应用，尤其是近年来f l a c 程序在国内外的广泛应用， 使得有限差分法在解决岩石力学问题时又获得了新生。 离散单元法c u n d a l l ( 1 9 7 1 年) 【l6 】以刚性离散单元为基本单元，根据牛顿第 二定律，提出的一种动态分析方法。随后又将其发展为变形离散单元( 简单变形 离散单元和充分变形离散单元) ，使之既能模拟块体受力后的运动，又能模拟块体 本身受力变形状态。自2 0 世纪8 0 年代中期引入我国后，在隧道工程、边坡工程、 采矿工程及基础工程等方面都有重要应用。 流形方法是由石根华等人近期( 1 9 9 2 ，1 9 9 6 年) 发展的一种新的数值分析方 法【”。这种方法以拓扑学中的拓扑流形和微分流形为基础，在分析域内建立可相 互重叠、相交的数学覆盖和覆盖材料全域的物理覆盖，在每一物理覆盖上建立独 立的位移函数( 覆盖函数) ，将所有覆盖上的独立覆盖函数加权求和，即可得到总 体位移函数。然后根据总势能最小原理，建立可以用于处理包括非连续和连续介 质的耦合问题、小变形、大变形、大位移等多种问题的求解格式。它是一种具有 一般形式的通用数值分析方法，有限元法和不连续变形分析方法( d d a ) 都可看作 是它的特例。 还有不少的数值分析方法和各种数值方法的耦合方法。同时，由于实际岩土 体具有模糊性、随机性和各种不确定性，因此，非确定性数值分析方法也有长足 的进展。 所有这些数值方法的共同特点是：将带有边值条件的常微分方程或偏微分方 程离散为线性代数方程组，采用适当的求解方法解方程组，获得基本未知量，进 而根据几何方程和物理方程，求出研究范围内的其他未知量。 对于隧道及地下工程问题，还应重视随工程活动和时间变化，岩土体及加固结 构中的节理、裂隙等各种不连续面及其扩展过程和自然环境变化过程的数值仿真模 拟。与此同时，应根据实际岩体的赋存环境和工程因素影响情况，确定用于数值分 析的围岩力学参数，将仍是数值分析获得比较符合实际结果的有效方法之一【1 8 】 1 9 】。 5 重庆大学硕士学位论文 1 5 四车道公路隧道应解决的关键技术问题 四车道公路隧道与一般的公路、铁路隧道相比，有许多相同之处，但是由于 跨度大，扁平率小，因此也存在一些其独有的特点，在修建过程期问需重点研究 和解决以下几个关键技术问题： 1 5 1 现场特征调查和收集 古人打仗讲天时、地利、人和，修建大型工程同样也是一样的道理。现场特 征的调查和收集包括当地的地形、地质条件、气象条件、水文条件的调查；地震 灾害的资料；施工条件调查以及与工程有关的法令调查；影响四车道公路隧道设 计和施工的其它因素的调查；环境影响评价的数据收集等。这些资料的收集情况 对工程的建设和使用将起到积极的作用。 1 5 2 设计标准与荷载条件研究 由于四车道公路隧道在我国尚处于起步研究阶段，因此在设计理论与施工工 艺上只是借鉴三车道公路隧道的建设方法，目前没有统一的标准执行。 四车道公路隧道由于车道数的增加，宽度加大了，而高度变化不大，因此一 般情况下，将断面开挖成扁平的拱形洞室，因而使开挖应力的重分布变差，底脚 处的应力集中过大，要求较大的地基承载力，防止拱顶不稳定和出现较大的松弛 地压等。降低高跨比会带来直接的经济效益，但对结构的设计和施工会出现新的 技术问题：对于围岩开挖后拱部岩体在自重应力场作用下向洞内移动，并导致两 侧岩体受压，反应在洞周位移上，拱顶下沉位移要远大于水平收敛，由此而导致 支护结构体系的破坏，与高跨比较大的单线隧道、双线隧道有所不同。因此，四 车道公路隧道的荷载条件是相当复杂的。 荷载条件的确定 1 2 】 1 3 】包括围岩压力、弹性抗力、地下水静水压力、功能性荷 载、交通荷载、施工荷载、环境荷载、偶然荷载等。我国铁路、公路隧道围岩分 类是以围岩稳定性为基础的，但是在隧道结构设计中，往往把隧道围岩的稳定性 转化为对支护结构的荷载围岩压力来处理，也就是说，在结构设计中，所关 注的往往是围岩压力的大小及其性质( 分布情况、围岩压力方向、分布形状等) 。 围岩类别不同，围岩稳定性也就不同，相应的围岩压力也不同。围岩压力相当复 杂，有垂直压力、侧压力、底压力，因此确定围岩压力也比较复杂。 目前常用的山岩压力的确定有直接荷载法、普氏地压理论、泰沙基理论等几 种方法，这些理论的应用在很多方面都有这样或那样的限制条件和一定的使用范 围。还有一种方法是实测法。但是，由于直接量测压力时，在同一测点至今仍无 法既测量切向压力又测量法向压力；测得的压力值为围岩与衬砌间的接触压力， 包含了主动压力和弹性抗力，从测得的接触应力中来确定围岩压力值往往不能办 到；由支护结构测得变形或内力来反推围岩压力值，则仍需要假定压力分布形状、 6 1 绪论 分布范围等，这也就难于达到正确确定围岩压力问题的预期目的：加上测量技术 本身来说，在精确度及稳定性方面还存在问题，有待于进一步的提高：量测元件 的设置、仪表的操作等对测量的结果会产生影响，这与操作人员的技术水平及熟 练程度有很大的关系。因此，在围岩压力实测方面还有待于深入研究、改进、提 高。而对四车道( 大跨度) 公路隧道围岩压力的确定，应该进行更深入的研究。 探讨更合理的理论和测试方法。 1 5 3 四车道公路隧道的衬砌截面形状和主要构筑物研究 综观国内外修建的三车道和四车道大断面公路隧道，目前大多数采用三心圆、 四心圆断面形式，也有个别的采用五心圆断面形式。这些断面对于大断面公路隧 道而言，在保证满足建筑界限的基础上，适当降低高跨比能大大减少断面开挖面 积，并减少工程建设造价，从而节约大量的投资，但与此同时，高跨比的降低则 对大跨度扁坦隧道支护衬砌结构体系的受力状况产生不利的影响，严重时可直接 危及隧道围岩和支护结构的稳定性与安全，因而在设计中需兼顾到多方面的综合 效应。截面形状应根据运营目标、设计荷载、交通流量等，综合考虑防灾和耐久 性，优化确定。 隧道是地下工程建筑物，为保持隧道岩体的稳定性，保证通车运营安全，通 常需要修建主体建筑物和附属建筑物。前者包括洞身衬砌和洞门，后者包括通风、 照明、防排水、安全设备等。 1 5 4 围岩稳定性分析和衬砌受力特征的研究 由于岩体是一种天然形成的复杂的地质介质，而非一种性质单一的工程材料， 所以影响围岩稳定性的因素很多，主要有地质及地质结构的影响、地应力的影响、 岩体力学性质的影响、工程因素的影响、地下水的影响、时间的影响等。四车道 公路隧道由于开挖面积大，岩体结构面交叉组合形成不稳定结构体的机会将会大 大增加，这对围岩稳定性是一个很不利的因素。 衬砌结构设计应根据结构可靠度理论对包括正常使用极限状态、强度极限状 态、渐进破坏极限状态等工况下受力和变形进行分析验算。由于灾难事件( 如特 大交通事故、地震、爆炸等) 引发的偶然条件及某些主要构件的恶化或坍塌导致 的一些损坏条件均应进行相应的研究和安全性分析，提出相应的对策和防护措施。 ( 防护措旖主要有火灾预警预报和扑灭、通风、远程通讯、紧急逃生系统、监控 系统、防火、防爆、抗震等措施) 。国外对隧道火灾对策研究很早，除对已有长大 隧道( 铁路、公路隧道与地下铁道) 设有消防、报警和救灾设施系统外，一般还成 立了专门的研究机构，深入开展火灾温度对隧道结构影响分析以及火灾烧损检定 和修复等研究工作。围岩稳定性分析可以利用有限元技术，有限元方法是进行围 岩稳定性分析的一个很好的工具，必要时应结合模型试验和理论分析对比研究。 7 重庆大学硕士学位论文 1 5 5 四车道公路隧道的力学问题 一般的岩体工程特别是大型开挖工程从开始施工到结束都要经过段较长 的时间，少则几个月，多达几年、十几年、几十年、甚至上百年之久。这些工程 的施工一般都要破坏岩体原有的物理和力学平衡，要达到新的平衡和稳定状态， 岩体内的物理力学因素要有一个调整转换的过程，而这些内部因素往往是互为耦 合、互为因果的。施工过程是一个时间和空间不断变化的过程【2 0 j 。 对于四车道公路隧道，由于车道数的增加，宽度加大了，而高度变化不大， 使建筑限界变得扁平，因此，隧道就不得不做成具有扁平的拱形结构。施工时， 不可能全断面一次成洞，实际上是根据出渣运输洞布置、旌工机械类型和岩石的 特性等条件，选择开挖方式，这就决定了必须分层分块开挖、逐步形成隧道设计 体形的特点。在开挖时间上就有分期开挖过程，在分期开挖过程中，每一个旋工 分期对应不同的开挖顺序，就将意味着围岩对应一种暂时加载方式。由于在施工 期间不断变化着的洞形和加载方式，不仅影响了旌工期内围岩的应力、破坏区、 洞周位移，而且影响洞体成型后的应力分布、破损区大小以及洞周位移情况。 1 5 6 四车道公路隧道的施工关键工艺和程序的研究 开挖是造成应力重分布的基本原因，因此，地下洞室的开挖方式已经引起了 人们的广泛关注。根据不同的围岩地质条件、建筑要求、机具设备、技术条件、 施工经验等实际情况，有许多施工方法，在选择施工方法时，主要影响因素是围 岩的地质情况，还要考虑安全、经济等因素。四车道公路隧道断面开挖和支护的 力学响应问题是一个关键的问题。 1 6 本文的研究方法和研究途径 针对四车道公路隧道的特点，对国内相同规模的公路隧道施工方法进行调研， 对其在不同的围岩和地质条件下的基本施工方法( 全断面法、c d 中隔壁法、双侧 壁导坑法、下导坑超前台阶法) 开展研究。 本文以沈( 阳) 大( 连) 高速公路韩家岭隧道为依托工程，通过理论探讨、 数值分析并对比模型试验结果的方法，针对四车道公路隧道的特点及某些关键 技术问题展开研究。本文将利用美国大型商业有限元分析软件a n s y s 5 6 1 对各种 施工方法进行有限元数值模拟研究。主要探讨不同地质( 围岩) 条件下、不同开 挖和支护方式下的围岩稳定性规律。通过上述内容的研究，以求丰富和发展我 国大跨度扁平公路隧道设计理论和施工力学理论体系。 8 1 绪论 本论文的研究流程图如图1 2 所示。 韩家岭隧道工程资料 l l 工程岩体力学参数的研究与选取、 i 大跨度公路隧道围岩稳定判据研究 建立有限元模型并划分网格 图1 2 研究流程图 f i g 1 2 f l o w c h a r t o f r e s e a r c h 9 2 工程概况及岩体力学参数研究 2 工程概况及岩体力学参数研究 2 1 工程概况介绍 2 1 1 引言 辽宁沈( 阳) 大( 连) 高速公路韩家岭隧道，为单向四车道公路隧道，隧道 断面近为五心圆，净宽1 9 2 4 m ，高1 0 3 9 m ，其开挖宽度达2 1 2 4 2 m ，中轴线处开 挖高度达1 5 5 2 m ，为我国目前断面尺寸最大的公路隧道。隧道位于大连市金洲区 北部约6 5 k i n 处，原沈( 阳) 大( 连) 高速公路西侧，隧道轴线方向进口2 1 8 0 ， 出口2 1 0 。，横穿韩家岭山体。隧道自桩号3 4 4 + 6 7 0 m 开始至桩号3 4 5 + 1 3 0 m 结束， 全长4 6 0 m 。 2 1 2 工程地质概况 隧道区地形较复杂，冲沟发育，以强烈风化剥蚀作用为主，绝对高度 1 0 5 m 1 8 9 m ，相对高度8 4 m ，属于丘陵地貌类型。韩家岭山体呈近东西向延伸， 北侧自然斜坡2 2 。- 2 5 。；南侧自然斜坡约1 2 。隧道区位于复州湾向斜南翼，岩层 总体倾向北东东南东东，倾角4 0 。- 8 5 。，未发现较大规模的摺皱，为一单斜构造， 有揉皱现象，产状变化很大。存在次级小断层，节理裂隙非常发育。 1 、断层 地表未发现有断层分布。仅在s z s z k l 2 钻孔中有小规模断层。在钻孑l s z k 6 1 7 3 5 1 7 7 0 和1 8 4 1 9 1 0 m 灰岩中断层角砾岩垂直厚度o 3 5 0 7 m ，其规模很 小，具压性特征，破碎带宽度不足o 3 5 0 7 m ，规模很小。破碎带已经被钙质、铁 质所胶结。在钻孔s z k l 2 3 9 6 8 m 的灰岩中，断层角砾岩垂直厚度2 9 m ，具压性 特征，破碎带已经被钙质及铁质所胶结。断层规模不大。另根据公路路堑边坡揭 示，该区分布有两组断层，即近东西向断层和北东向断层。 近东西向断层面产状：倾向1 7 0 。，倾角7 0 。，断层带由角砾岩及糜棱岩组成， 糜棱岩厚6 - 7 c m ，断层面平直、粗糙有钙质薄膜，断层带宽6 0 7 0 c m 。 北东向断层面产状：倾向3 1 5 。，倾角5 0 。，逆断层，具垂直擦痕，面波状，光 滑，断层泥厚度1 0 5 0 c m 。 2 、节理 隧道区发育有3 4 组节理。节理多平直闭合，页岩及泥灰岩中一般无充填物，灰 岩中一般充填有方解石脉。 2 1 3 水文地质概况 隧道区属中温带海洋性季风气候，四季分明，最高气温3 5 度，最低气温2 5 度，年平均降水量6 4 8 8 m m ，主要集中于7 - 9 月份，平均蒸发量1 9 2 3 8 m m 。最大 重庆大学硕士学位论文 冻土深度1 1 5 m 。 隧道区无大的河流，冲沟内在大雨时有短时间流水，雨后干涸。隧道围岩未 发现有地下水及裂隙水溢出，地下水位埋藏较深，低于洞底高程。所以本文在进 行研究的时候没有考虑地下水的影响。 2 1 4 地震及不良地质条件 根据普兰店地震局小区规划报告及1 9 9 3 年9 月国家地震局工程力学研究所资 料，金洲断裂中南段有发生6 级以上地震的可能。根据国家地震局编制的中国 地震烈度区划分图( 1 9 9 0 年版) 隧道场地区地震基本设防烈度为度。 因隧道区地形属缓坡型，山体以基岩为主，地表松散堆积层厚度不大，所以 未发现有不稳定体等不良物理地质现象存在。仅在钻孔中发现灰岩、泥灰岩有溶 蚀现象及发育有小规模溶洞、溶隙。 2 2 工程岩体力学参数研究 2 2 1 研究方法评述【2 l j 在岩石力学分析中，由于计算机技术的应用，数值方法取得了很大的进步。 由于数值方法所得出结论的可靠性很大程度上依赖于岩体力学参数的选取，不同 力学参数的选取将会造成不同的计算结果，不当的力学参数还会对工程实践起误 导作用，因此，如何选择节理岩体的力学模型，是一个值得研究的问题。然而， 由于岩体材料的复杂性，因此目前在力学参数选取方面还存在不少问题。以l 米 勒( m u l l e r l ) 教授为代表的奥地利学派认为，完全不依靠昂贵的现场实验，就目 前而言，由于岩体的复杂性十分难以计算，要描述岩体性质几乎是不可能的，只 有通过现场实验结果才可能正确地判断岩体的强度和变形性质；但是以k w 约翰 ( j o h n k w ) 为代表的更多学者则相信，通过室内小试件实验得出的岩石材料性 质与现场观测到的岩体结构结合起来，通过一定的理论研究和实践检验，就可以 应用经验法或分析分解法确定不同条件下岩体强度和变形性质m 】，所得到的结果 可以满足工程要求。 2 2 1 1 现场原位试验方法 用原位试验的方法确定岩体强度及变形参数，能较好地反映岩体的自然特性， 大尺寸的原位试验首次由萨尔茨堡的英特菲尔斯( i n t e r f e l s ) 在日本进行的，并由 约翰( j o h n ，1 9 6 1 年) 和诺斯( n o s e ，1 9 6 4 年) 加以阐述。但是原位试验周期长、 费用高，而且由于尺寸效应，试验结果具有很大的离散性，因此受到限制。如 g o o d m a n 千斤顶获得值是平板试验的1 2 1 3 ( b i e n i a w s k i ) ，钻孔千斤顶和膨胀仪 的试验结果是平板载荷试验的1 2 1 3 ( s h u r i ) ，由单轴试验获的得值比膨胀仪值 大2 5 倍，而由地震方法确定的值比膨胀仪值大2 倍( k a n e s h i r o j y 等) 。可见， 2 工程概况及岩体力学参数研究 不同的试验方法得出的试验结果也具有很大的差异。据日本学者o d a m ( 1 9 8 8 年) 的研究，当岩石试样尺寸大于3 倍节理迹长时，其试验相对误差才可接受。实践 中，这样大的原位试验简直是不可能的。 2 2 1 2 分析分解方法 这是从岩体的等效连续体与其具有相同的属性的角度研究岩体强度及变形属 性的一种方法。y o s h i n a k a 和y u m a b e l 9 8 6 年运用节理刚度概念，视岩体的变形是 岩块和节理两者之和，得到两组节理的岩体等效模量和等效刚度；k u l a t i l a k e 和朱 维申等根据节理几何参数模型，应用m o n t e c a r i l o 模拟得出不同尺寸岩体试件，然 后应用有限元解出岩体的强度值和变形参数，该方法较好地解决了节理岩体的介 质模型，且从统计学的观点出发，研究思路完整，但是计算工作量太大；k a w a m o t o 和周维垣等则运用损伤力学理论，分析了岩体的强度和变形特性，并易于纳入到 有限元分析中：刘东燕1 9 9 3 年应用断裂力学原理推求了断续节理岩体的初裂和峰 值强度公式，并与h o e k b r o w n 强度准则结合，建立了强度参数m 、s 与断续节理 结构特征之间的内在关系，并通过与试验对比，发现二者在强度规律及数量上保 持一致】。但是该方法尚未运用于实际工程中，具体使用效果有待于进一步验证。 2 2 1 _ 3 经验方法 在原位试验大量成果的基础上，b i e n i a w s k i 建立了岩体变形模量与地质力学得 分值r m r ( r o c km a s sr a t i n g ) 之间的关系式；h o e k 根据b i e n i a w s k i 提供的数据 建立了岩体变形模量与r m r 之间的关系式；s e r a f m 和p e r e i a ( 1 9 8 3 ) 建立了工程 岩体质量r m r 与变形模量之间的预测方程：b a r t o n 研究了q 分类系统得分值与变 形模量之间的变化范围；h o e k 和b r o w n 将h o e k b r o w n 经验准则中的m 、s 和 b i e n i a w s k i 的岩石分类指标r m r 相联系起来，建立了根据r m r 指标确定m 、s 的计算公式，并推导出了m 、s 与岩体抗剪强度参数之间的关系式；我国的公路 隧道设计规范( j t j 0 2 6 9 0 ) 给出了由岩体质量级别来估算岩体强度参数和变形模 量1 2 4 j ；( i n - 程岩体分级标准( g b 5 0 2 1 8 9 4 ) 也给出了由岩体基本质量指标( b q ) 来估算岩体的强度参数和变形模量1 2 习；岩土工程勘察规范( g b j 9 5 ) 确定了由 岩体质量级别来估算岩体变形模量1 2 6 】。这些方法不但使大量的原位试验成果得到 了科学的归纳，而且也解决了许多工程实际问题，工程人员也极易掌握，因此该 方法得到了岩土工程工作人员的普遍欢迎。 笔者以为，当原位试验比较困难，分析分解法又难以应用时，经验法不失为 一种十分有效的方法。因此，本文将拟用b i e n i a s l d 的岩体分类指数r m r 、工程 岩体分级标准( g b 5 0 2 1 8 9 4 ) 两种方法探讨岩体等效连续体的力学参数，并结合 工程地质勘察规范和重庆大学以张永兴教授为首的科研小组的工程经验确定出计 算用工程岩体力学参数。 重庆大学硕士学位论文 2 2 2 用b i e n i a w s k i 的岩体分类指数r m r 估算岩体参数 2 2 2 1 用岩体地质力学( c s i r ) 分类体系确定岩体分类指数r m 由南非科学和工业研究委员会( c o u n c i lf o rs c i e n t i f i ca n di n d u s t r i a lr e s e a r c h ) 提出的c r i s 分类指标值r m r 值是衡量岩体工程质量的“综合特征值”【1 ”。它随 着岩体质量而从0 递增到1 0 0 ，它取决于五个通用参数和一个修正参数，这五个通 用参数取决于岩石抗压强度( r 1 ) 、岩石质量指标r q d 值( r 2 ) 、节理间距( r 3 ) 、 节理状态( r 4 ) 和地下水状态( r 5 ) ，修正参数( r 6 ) 取决于节理方向对工程的影 响。把上述各个参数的岩体评分值相加起来就得到岩体的r m r 值：