（岩土工程专业论文）高速公路连拱隧道施工时空效应及动态三维反馈分析.pdf

摘要 针对我国连拱隧道施工的技术特点，本文以安徽芜湖龙山连拱隧道为工程背 景，在现场监测、室内流变试验、数值模拟、理论分析及反馈分析的基础上， 研究了连拱隧道施工产生的时间和空间效应，连拱隧道左右隧洞施工的相互影 响，预测连拱隧道开挖产生的空间效应，并对连拱隧道爆破动力产生的空间效 应进行了数值分析，具有重要的理论意义和工程实用价值。 对连拱隧道实施量测的数据进行分析，将连拱隧道的时空效应分离，得出 连拱隧道的时间效应约为空间效应的0 3 倍；将室内流变试验与现场监测数据进行 对比，分析得出流变参数与由现场量测所得结果相近，从而指导施工；根据拱 效应原理和叠加原理推导得出隧道上方围岩的应力场和位移场公式，由此得到 空间效应计算公式及连拱隧道围岩压力计算公式；通过对连拱隧道施工空间效 应分析，得出各施工工序对隧道上方围岩的影响。 通过数值模拟，得到连拱隧道围岩开挖和支护的动态施工对围岩和结构产 生的拱效应，并与现场实测值、数值计算以及规范计算方法所得结果进行比较， 提出了连拱隧道的荷载计算公式。 洞口爆破施工以及距离洞口较远的隧道内进行爆破施工，分别对围岩空间 效应以及对相邻隧道围岩的稳定性影响进行数值模拟分析，得出隧道右洞爆破 施工对左洞的空间效应不会产生破坏影响：隧道洞内的爆破施工对围岩空间效 应的破坏比在隧洞口稍大。 根据现场量测到的隧道拱顶下沉时程曲线，利用函数拟合方法将未量测到 的位移“找回”，得到测点的全部位移，对连拱隧道进行全量位移和增量位移反 演分析，利用反演分析得到的围岩力学参数，对下一施工步施工产生的影响进 行预测，从而可以对隧道进行信息化施工、设计；通过引入随机试验，利用方 差分析法加速收敛速度，得到改进的蚁群算法并应用于优化反演，这一方法是 有效的、可行的，具有较好的全局搜索效果和搜索速度， 关键词：连拱隧道，时空效应，流变试验，拱效应，反馈分析，蚁群算法，爆破测振 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nm a d eap r o f u u n da n de x t e n s i v er e s e a r c ho nm u l t i a r c ht u n n e l c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gt h et i m e - s p a c ee f f e c to fs u r r o u n d i n gr o c k ，t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et w ot u n n e l s ，p r e d i c t i o no ft h es p a c ee f f e c tc a u s e db yt h e c o n s t r u c t i o no ft h em u l t i - a r c h ，a n dt h es p a c ee f f e e tc a u s e db yt h eb l a s tc o n s t r u c t i o n ， b yc o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n gi nt h ef i e l d ，r o c kr h e o l o g yt e s ti nl a b o r a t o r y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h e o r ya n a l y s i sa n db a c ka n a l y s i s ；i ti sv e r yi m p o r t a n tb o t hi nt h e o r ya n d i np r a c t i c e c a r r y i n go na n a l y s i st ot h ed a t ao b t a i n e db ym e a s u r e m e n ti nt h ef i e l d ，d i v i d et h e d a t ai n t ot w op a r t s ，o n ei st i m ee f f e c t ，a n dt h eo t h e ri ss p a c ee f f e c t ，g e tt h et i m ee f f e c t i sa b o u t3 0p e r c e n to fs p a c ee f f e c t ；c o m p a r i n gw i t ht h er e s u l t so ft h et h e o l o g yt e s ti n t h el a b o r a t o r ya n dt h er e s u l t so b t a l n e db yt h ei n - t h e - f i e l dd a t a , f i n dt h a tt h er h e o l o g y p a r a m e t e ro fr o c kki sv e r yc l o s e 。s oi ti sd i r e c t i v et ot h er e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f t h ep r o j e c t ；b a s e do nt h et h e o r yo fa r c he f f e c ta n dt h et h e o r yo fa d d i n g , o b t a i n st h e s t r e s sa n dt h ed 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 a n dt h e no b t a i n st h ef o r m u l a so f t h es p a c ee f f e c t t h ea r c h i n gi nt h es u r r o u n dr o c k 。w h i c hi sc a u s e db yt h ed y n a m i cc o n s t r u c t i o n o ft h em u l t i a r c ht u n n e l ，i sc a l c u l a t e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o m p a r i n gt h e s t r e s sb yc a l c u l a t i o na n dm e a s u r e di nt h ef i e l d ，r e s u l t so b t a i n e db yc r i t e r i o nm e t h o d ， p u tf o r w a r dt h ef o r m u l ao fc a l c u l a t i n gt h em u l t i a r c hs u r r o u n d i n gr o c kp r e s s u r e t h eb l a s t i n gc o n s t r u c t i o nh a st w ot y p i c a lc o n d i t i o n s ，o n ei sn e a rt h ed o o r , t h e o t h e ri sf a ra w a yf r o mt h ed o o r ；t h e yh a v ed i f f e r e n te f f e c t so nt h es p a c ee f f e c to ni t s o w nt u n n e la n di t sa d j a c e n tt u n n e l ；a c c o r d i n gt h er e s u l t so fa n a l y s i s f i n dm a tt h e b l a s tf a ra w a yf r o mt h ed o o ro ft u n n e lc a u s e sm u c hm o r ed a m a g et h a nt h eb l a s tn e a r t h ed o o ro ft h et u n n e l a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n td i s p l a c e m e n tt i m i n gc u r v eo ft h et u n n e ld o m e ， m a k eu s eo ff u n c t i o nt of i tt h em e a s u r e dd a t a ，s ot a k eb a c kt h e l o s t d i s p l a c e m e n ta n d g e tt h ew h o l ed i s p l a c e m e n to fm e a s u r e m e n tp o i n t ；a n d t h e n b a c k - a n a l y s i st h e m u l t i a r c ht u n n e lb yw h o l ed i s p l a c e m e n tb a c k a n a l y s i sa n di n c r e m e n t a ld i s p l a c e m e n t b a c k a n a l y s i s ；u s i n gt h ep a r a m e t e r so ft h er o c kb yt h eb a c k - a n a l y s i s ，f o r e c a s tt h e e f f e c t so ft h en e x tc o n s t r u c t i o n ；s ow ec a nd y n a m i c a l l yc a r r yo nc o n s t r u c t i o na n d r e d e s i g n i n t r o d u c i n go fr a n d o me x p e r i m e n ta n dt h em e t h o do fv a r i a n c ea n a l y s i st o a c c e l e r a t et h ec o n v e r g e n c es p e e d ，g e tt h er a n d o m a n t a l g o r i t h ma n da p p l yi nt h e o p t i m i z a t i o no fb a c k - a n a l y s i s ；t h i sm e t h o di se f f e c t i v ea n df e a s i b l e ，a n di th a st h e b e t t e ro v e r a l ls e a r c h i n ga b i l i t ya n ds p e e d k e y w o r d s ：m u l t i a r c h t u n n e l ，t i m e s p a c ee f f e c t ，r o c kr h e o l o g yt e s t ，a r c h i n g ， b a c k - a n a l y s i s ，a n ta l g o r i t h m ，m e a s u r e m e n to fb l a s t i n g 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。 学位论文作者签名罨、豸私 叼年印月瑶日 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。 学位论文作者签名： 敬诌水 司年。月馏e t 第1 章绪论 第一章绪论 1 1 连拱隧道的应用与发展 由于我国全国范围内大规模的高速公路建设，并且我国7 5 左右的国土是山 地和丘陵，因此为了满足行车的需要，达到克服高差、缩短里程、改善线形指 标以及保护生态环境等方面的要求，隧道的选择和修建日益引起人们的重视， 数量越来越多，跨度也越来越大，往往成为整条线路工期和造价的控制工程。 隧道方案主要有两种方式，一种是双洞分离式隧道，但采用此方案的隧道净距 至少应大于隧道洞径的1 5 - 3 o 倍( 公路隧道设计规范，2 0 0 4 ，铁路隧道设计规 范，1 9 8 6 ，刘洪州等，2 0 0 1 ，马万权等，2 0 0 3 ) ；另一种是连拱隧道，主要用于特殊 地质及地形条件的地区，从总体路线线型、桥隧衔接方式等因素综合考虑，往 往受到较大局限，尤其在山岭重丘区，连拱隧道已成为一种重要的结构形式。 目前在云南、贵州、四川、重庆、广东、江苏、浙江、福建、安徽、上海等省 市己建、在建和拟建的高速公路中大量采用了连拱隧道方案，如四川广元的石 梯沟连拱隧道、万县的金竹林连拱隧道、宜宾的鞋底坡连拱隧道；云南玉元、 大保、昆石、元磨高速公路的练江、砖房、老苍山、水磨房、清水沟、岔河、 南溪河、小曼萨河等2 5 座连拱隧道；广东京珠高速公路五龙岭、猫山大跨连拱 隧道、江鹤高速公路莲花山连拱隧道；金丽温二期高速公路的双港口一号、双 港口二号、太平港、里东等2 0 座连拱隧道；福建相思岭连拱隧道、马宅顶不对 称连拱隧道；安徽芜湖龙山隧道，马( 鞍山) 芜( 湖) 高速公路黄梅山隧道；上海 国际航运中心小洋山隧道等。 日本是采用连拱隧道较多的国家，在山区公路隧道中也有较多应用。自1 9 7 4 年伊祖隧道( 冲绳县) 修建以来，近来有报道记载的连拱隧道已有3 0 余座，如小束 山隧道、御前崎隧道、飞鸟山隧道、福冈隧道等。近年来，随着该国隧道工程 的不断增多，土地利用受到严格限制，在建筑物保护和环境保护等方面的要求 也越来越高，因此，在线路难以展开的地方以及对土地利用要求较严格和线路 通过建筑物及文物古迹的地方，连拱隧道越来越引起设计、施工人员的重视并 有逐渐增加的趋势。如日本道路公团针对在建的第二东( 京) 名( 古屋) 神( 户) 高速 公路等重要干线公路以及中心城市周边公路中出现的大量连拱隧道，结合各自 第1 章绪论 的特殊地质条件，对开挖方式、监控量测标准、支护参数、衬砌结构安全性等 多项内容进行了大量的技术研究。以意大利为中心的奥地利、瑞士、法国等欧 洲国家在连拱及连拱型结构物修建方面已有相当的设计施工经验，但因其结构 的特殊性和设计施工技术的复杂性，一直都是各国隧道工程领域的重点研究对 象。虽然我国在建和拟建的连拱及连拱型结构物的数量居世界第一( 刘洪州 等，2 0 0 1 ，马万权等，2 0 0 3 ，何川等，2 0 0 2 ) ，但是每条隧道的工程概况不尽相同， 缺乏有效的设计施工经验，同时目前国内在建和拟建的连拱和连拱型结构物普 遍存在施工方法单一、总体支护体系普遍过强但局部位置又相对较弱，己修筑 的衬砌产生大面积裂缝、衬砌接头处严重漏水、进出口浅埋段及低类别围岩段 工程造价过高等问题，随着新一轮基础设施建设尤其是西部大开发高潮的到来， 连拱及连拱型结构物必将大量出现，2 0 0 2 年交通部己批准将连拱隧道的修建技 术研究列为西部交通主要科研项目之一，对连拱和连拱型结构物开展综合修建 技术研究具有很强的工程意义和经济意义。 1 2 隧道工程建设研究进展 1 9 7 4 年日本伊祖隧道首次采用了双连拱隧道结构方案，到目前为止包括高 速及城市公路在内，日本已修建- j 3 0 多座双连拱隧道；欧洲各国也基本在同一 时期采用了连拱隧道这种结构形式，但建成的数量较日本少；我国于上世纪9 0 年代陆续开始采用连拱隧道方案，虽然起步较晚，但到目前为止己建和在建的 总数却位居世界之首。自上世纪6 0 年代，奥地利的莱布希维兹等人提出新奥法 ( n a t , ) 的全新设计和施工理论以来，隧道的设计和施工有了较大的发展。新奥 法的特点在于充分利用围岩的自承能力，采用柔性支护，借助现场量测对围岩 和衬砌进行动态监测，并据以指导开挖和支护结构的设计与施工，开创了隧道 “信息化设计和施工”的先河。此外，1 9 7 8 年提出的基于量测的“收敛一约束” 及基于围岩分类的挪威隧道施工法( n t m ) 可以认为是对新奥法的补充和发展，并 己经用于指导实践。随着新奥法的不断发展和完善，隧道设计和施工的研究进 入了新的阶段。隧道力学理论从连续介质力学的弹塑性理论发展到粘弹性、粘 塑性等理论，则将施工过程中的时间因素考虑进去，进而将隧道施工的时空效 应完全地反映出来。此后，考虑岩体非均匀性的损伤力学理论，断裂力学理论 也被应用到隧道施工的分析中来。近些年来，非连续介质力学的块体理论被众 多学者所接受，并被认为是岩体力学区别于其它力学的关键所在。 2 第1 章绪论 在隧道施工方法和分析理论的发展过程中离不开研究方法和手段的不断更 新和进步。由于电子计算机的更新和岩土本构关系的进展，计算方法进入到以 有限元为代表的数值分析方法时代。近年来数值分析方法有了新的进展，无限 单元、边界单元、离散单元、节理单元、流行元等也在隧道的力学分析中得到 广泛应用。由于隧道地质条件和结构等情况的复杂性，采用何种计算模型和方 法应根据具体情况而定，目前还没有统一的模式。但是，应用有限元方法来研 究比较复杂的隧道问题在学术界和工程界己达到了广泛的共识。纵观人们对隧 道的认识和研究，理论不断进步，方法和手段多种多样，但解析方法，数值方 法、室内试验和新奥法施工仍然被认为是当前分析隧道施工状态的主流。 1 2 1 现场施工监测 信息化施工为新奥法施工的核心内容，因此作为信息化施工组成部分的隧 道现场施工监测已称为现代隧道建造过程中的一个重要环节。现场监测的目的： 保证隧道以及隧道邻近的和隧道覆盖表结构及环境的安全；评价及确定隧道支 护的结构形式；评价围岩、支护结构以及承重结构的受力性能。 现场施工监测包括多个项目，有对隧道覆盖表面沉降观测、围岩内部位移 观测、隧道净空收敛观测、三维变形观测、围岩与隧道衬砌压力观测、衬砌混 凝土内部压力观测、初次衬砌与二次衬砌压力观测、衬砌内钢筋应力观测等等， 在隧道的开挖过程中，使用各种量测仪器仪表对隧道围岩变化情况和支护结构 的工作状态进行量测，可以及时提供围岩稳定程度和支护可靠性的安全信息， 预见事故和险情，化解风险，改进施工方法，指导施工。将监测结果反馈于设 计，与计算分析结果相比较，修正及补充计算分析中采用的参数，计算模型及 计算方法，分析设计的合理性，作为调整和修改支护设计的依据。另外，现场 监测可为科学研究提供必要的数据。因此，施工监测可以带来巨大的经济和社 会效益。国内外在隧道现场施工监测及相关研究方面做了大量的工作。 在地表沉降和收敛变形方面，王建秀等( 2 0 0 6 ) 通过对云南元墨高速公路小 曼萨河隧道边坡变形进行三维监测及洞内变形监测，根据监测结果得出边坡变 形规律，应用此规律对隧道边坡稳定性进行分析以及后期治理；王彦武( 1 9 9 9 ) 介绍了陕西省太旧高速公路北茹隧道进行围岩变形监测的手段及监测结果，并 提出了通过收敛变形计算拱顶下沉的公式，通过隧道拱顶下沉量来预测围岩的 失稳和评价支护效果；刘洪州( 1 9 9 3 ) 将工程实测数据与边界元结果进行对比， 第1 章绪论 分析了围岩位移的影响因素：李泳伸等( 1 9 9 9 ) 介绍了应用地表沉降观测和收敛 观测结合，指导隧道施工取得良好效果的实例；王建秀、朱合华等( 2 0 0 5 ) 通过 对隧道地表下沉及收敛变形的观测，分析了隧道产生裂缝的原因，并分别对各 种裂缝提出了相应处理措施。 在围岩的三维变形方面，陈尧中等( 1 9 9 9 ) 利用全站仪进行隧道三维变形非 接触监测的5 种方法：以电子经纬仪机进行的三维解析测量、全站仪的自由三维 工作站、三维近景摄影测量、无线遥感技术、利用光纤检测技术进行隧道三维 变形的量测；宋治等( 2 0 0 0 ) 介绍了运用全站仪自由设站进行隧道三维净空测量 技术及在广州白云隧道三维变形中的成功应用，取得了很高的量测精度。 在围岩衬砌压力与钢筋应力观测方面，王军、夏才初等( 2 0 0 4 ) 根据对马宅 顶连拱隧道的现场监测，详细介绍了围岩与衬砌问压力的实测数据，分析了该 压力随时问和开挖过程产生变化和调整的规律；刘庭金、朱合华( 2 0 0 5 ) 量测了 围岩与衬砌间压力和衬砌混凝土内部压力，分析了压力最大值发生的所在部位 以及压力沿观测断面的分布规律，分析得出隧道支护结构的安全状态；袁勇等“” 针对金竹林双连拱隧道进行了详细的隧道支护体系应力监测，对双连拱隧道的 设计、施工提出了一些建议。 1 2 2 连拱隧道施工时空效应 岩体受到施工的影响，隧道围岩产生一定的变形，而这个变形有一个时间和 空间历程，主要包括两方面：一是开挖面向前推进围岩应力逐步释放的时间效应 实际上为开挖面支撑的空间效应；另一方面围岩一结构等介质固有的流变特性。 在理论解析具有流变效应的较为复杂的隧道开挖问题时，常采用弹一黏塑性有限 单元法( 孙钧，1 9 9 9 ，孙钧，汪炳槛1 9 8 8 ) 。目前，在这方面的平面问题分析比较 多，而在平面分析中必须近似考虑开挖面支撑的空间效应，p a n e t 引入释放系数 来模拟开挖引起的围岩弹性应力变化，此后，按“释放荷载”计算开挖空间效 应的概念已逐渐为人们所接受。j s u l e m 和m p a n e ( 1 9 8 7 ) 提出可以将开挖面约 束效应等效为洞周的虚拟支撑力作用，因为掘进端面的存在仅对有限的局部范 围的围岩产生影响，依圣维南原理可将端面约束用边界附加的支撑力系来等效， 朱合华( 1 9 8 9 ) ，孙钧、朱合华( 1 9 9 4 ) 进而将提出的虚拟支撑力法推广为广义虚拟 支撑力法，将释放系数法向前发展了一步。释放系数法通过不同施工过程的“释 放荷载”的施加，将隧道施工过程的复杂三维问题通过二维平面来反映，使得 4 第1 章绪论 分析过程大为简化。f p c u i 等( 1 9 8 6 ) 和g s w o b o o d a ( 1 9 8 9 ) 等分别采用不同数值 方法模拟了开挖面推进过程中的围岩性态。于学馥等( 1 9 8 3 ) 建议在平面应变法 中采用释放系数模拟隧道施工过程，朱维申和何满潮( 1 9 9 6 ) 利用洞壁径向位移释 放系数反映开挖面径向“虚拟支撑力”的释放，近年来，g s w o b o d a 和a a b u - l 【r i s h a ( 1 9 9 9 ) 用三维有限元模拟了t b m 推进过程中的地层受力和变形情况， f i s h a l a b i ( 2 0 0 5 ) 对盾构隧道进行了两种不同黏弹性模型的三维有限元模拟，分 析了开挖面空间约束效应g g a l l t 等( 2 0 0 4 ) 对隧道三维施工过程进行了数值模 拟，研究了围岩和衬砌随施工推进的相互作用关系。金丰年和钱七虎( 1 9 9 6 ) 应 用黏弹性模型，对全断面开挖隧洞的开挖过程进行了三维有限元模拟，讨论了 开挖面和开挖速度的影响，刘建华等( 2 0 0 5 ) 利用f l a c 3 d 对小浪底地下厂房进行 了三维黏弹性数值模拟，分析了开挖位移和围岩稳定性。张玉军和刘谊平( 2 0 0 2 ) 对锚固正交各项异性层状岩体进行了三维黏弹塑性有限元分析，研究了围岩的 流变动态。模拟隧道开挖过程中围岩与支护结构相互作用的三维计算及施工特 性研究已较多( 晏启祥，何川，姚勇，2 0 0 6 ，吴波，刘维宁，高波等，2 0 0 4 ，王明年， 张建华，1 9 9 8 ) ，由于连拱隧道施工工序复杂，受地质条件和施工因素的影响， 使得连拱隧道开挖过程中支护结构和围岩随着时间和空间的变化而产生的变形 特性极为复杂，而连拱隧道的时空效应对连拱隧道的施工产生较大影响，因此 有必要对连拱隧道开挖产生的时空效应进行研究。但是连拱隧道的时空效应是 施工过程中产生的力学效应，仅通过解析方法很难求出时空效应解，因此本文 对连拱隧道实施量测的数据进行分析，得出连拱隧道的时空效应，从而指导施 工。 1 2 3 连拱隧道施工拱效应研究 连拱隧道开挖使得隧道附近一定范围内岩体产生不均匀变形，围岩内的岩 块以一种能够传递顶部荷载的方式在岩体内部进行链接排列，从而产生拱效应。 拱效应存在于许多地下工程中，却首次在非地下工程环境中发现。拱效应研究 首次由法国工程o $ j a n s s e n 于1 8 9 5 年提出了计算作用在谷仓底部的压力( 谷仓效 应理论) 。在2 0 世纪2 0 年代至3 0 年代，人们认识到了隧道周围拱效应的重要性。 设计师们发现支护荷载远小于上覆分布荷载，如果能够对荷载进行准确预测， 地下工程的安全性将大大提高。于是产生了经验求解支护荷载法，包括t e r z a g h i 等在不同地表情况下的地下结构支护荷载设计值( t e r z a g l l i 。1 9 3 6 ；p r o c t o ra n d 第l 章绪论 w h i t e ，1 9 4 6 ，1 9 7 7 ) 。由于对地下结构支护荷载产生很大兴趣，人们对此开始进行 试验和理论研究( t e r z a g h i1 9 4 3 1 9 6 8 ) 。 1 9 0 7 年俄国学者普氏学说的创立，加深了对松散介质中自然拱研究，1 9 4 3 年，t e r z a g h i 描述了土中压力拱作用问题，他认为：在土力学方面，无论是在 野外，还是在实验室里，压力拱作用都是一种普遍的现象，其著名的活动门试 验证实了土拱的存在( t e r z a g h i ，1 9 3 6 ) ，但未能给出拱迹线方程。一般而言， 压力拱是发挥土体内部抗剪强度而产生应力转移的一种现象，换言之，压力拱 是土中应力从屈服区向非屈服区或者受约束部位应力转移的一种现象( l o wb k e ta l ，1 9 9 4 ) 。在岩土体中，一般认为形成压力拱需具备以下条件：土体之间产生 不均匀位移或者相对位移；作为支撑的拱脚的存在。 自从压力拱概念提出以来，许多学者对其进行研究，主要领域集中在挡土 墙、护坡桩、隧道、加筋土以及地下结构上的土压力等方面。始于2 0 世纪7 0 年代，基于计算机技术被广泛应用于拱效应问题的研究。g e t z l e re t a 1 等应用有 限差分法分析理想弹性土模型中拱压力；( r i c h a r dl h a n d y , 1 9 8 5 ) 基于拱单元以 剪力为零的大主应力面为边界条件，在这种情况下，拱内的力矩平衡条件决定 了拱内应力为常数，从而得出小主应力拱为悬链线方程，继而( k i n g s l e y h a f | o p w i l l i a m s ，1 9 8 9 ) 从理论上验证了小主应力拱为悬链线。( k o u t s a b e l o u l i s ，n c a n dg r i f f i t h sd v ，1 9 8 9 ) 通过有限元模拟了活动门试验中的主动和被动两种模式 拱效应。数值分析可以考虑单个粒子属性和粒子间的关系，s a k a g u c h i 和 o z a k i ( 1 9 9 2 ) 1 1 4 】使用离散元方法( d e m ) 来模拟拱的形成，他们考虑了转动摩擦， 模拟结果和试验结果非常一致。( o n o ，k a n dy a m a d a m ，1 9 9 3 ) 通过砂砾土中隧道 开挖衬砌受力和挡土墙的土压力进行研究，建立平面应变问题解析解，得到隧 道周围土压力分布公式及挡土墙的土压力为抛物线形。( a n d a n c y g i e ra n d d z y a n k e l e v s k y , 1 9 9 6 ) 研究了地下结构上覆软土薄层的土拱效应，研究结果可 用来调节覆土结构所受到的土压力以优化设计。( p i e t e r a e ta l ，2 0 0 1 ) 通过有限 元详细研究了钢桩一锚支护挡土墙，证实了土压力通过水平土拱显著的向桩转 移，减小了桩间土的土压力，提高经济性。( r o b e r t l i a n g a n d s a n p i n g z e n g ，2 0 0 2 ) 研究了抗滑桩中拱作用机理，并分析了桩间距、桩径及形状的影响。 ( c y ( ；h e n ，g r m a r t i n ，2 0 0 2 ) 采用平面有限元系统地研究了被动抗滑桩中压力 拱效应机理，研究了桩间距、界面特性以及排水条件的影响因素。俾a i k h a n d s a l g a d or 2 0 0 3 ) 研究了刚性挡土墙后主动土压力，假设小主应力拱迹线为圆，推 6 第1 章绪论 导出主动土压力公式并研究了影响因素。( y o u s s dm a a n da n d r e w j w h i t t l e ，2 0 0 2 ) 翊i 过数值分析研究了粘土中地下连续墙内支撑开挖中土压力转移 及压力拱效应，并与现场实测对比。( k a r i n s k iy s c ta l ，2 0 0 3 ) 通过解析方法研究 了地下结构上覆填土的土压力，建立了描述正向和负向的压力拱效应模型。国 内近年来也进行了一系列的研究并得到了不少有意义的成果，主要为抗滑桩的 间距以及影响因素分析，研究手段主要为数值分析( 张建勋等，2 0 0 4 张建华 等，2 0 0 4 ；贾海莉等，2 0 0 3 ；朱碧堂，刘一亮，2 0 0 1 ) ，尤昌龙( 1 9 9 6 ) 对加筋土的 受力特性进行研究，绘出了加筋土中的拱形为双曲余弦曲线，梁晓丹等( 2 0 0 5 ) 分析了围岩中水平应力对围岩中压力拱的位置和形状的影响。 石根华，古德曼( 1 9 7 7 ) 提出的块体理论就是针对个性各异岩体中具有切割 体( 结构面) 这一共性，根据集合论拓朴学原理，运用矢量分析和全空间赤平投 影图形方法，构造出可能有的一切块体类型，进而将这些块体和开挖面的关系 分为稳定块体、潜在关键块体、关键块体和不可移动块体，确定了关键块体后 就可进行稳定性分析和支护设计。 1 2 4 连拱隧道施工动力空间效应 目前山岭隧道的掘进方法主要采用钻爆法施工，爆破施工带来的一系列严 重问题中便包括爆破震动空间效应的危害，爆破震动影响控制一直是国内外爆 破安全技术的重大研究课题。自r o c k w e l leh ( 1 9 2 7 ) 首次探讨采石场中爆破对结 构物的影响后，世界各国众多研究者相继开展了这方面的研究，如c r a n d l efj ( 1 9 4 9 ) ，d u v a l l a n dwi 与f o g e l s o nde ( 1 9 6 2 ) 。l o n g e f f o r s ( 1 9 5 8 ) 等分别对爆破地震 波的传播规律、影响震动强度的因素以及爆破震动破坏判据进行了研究，并制 定了一系列不同建( 构) 筑物的破坏标准。自上世纪5 0 年代末开始，中国科学院 地球物理研究所谢毓煮等人在不同岩石和地质条件下进行爆破震动的观测试 验，并于1 9 6 2 年提出了计算爆破地震波传播速度的经验公式，以及不同建筑物 的破坏标准；薛礼宽等( 1 9 9 1 ) 依据岩土介质中爆炸应力波的传播理论，分析了 爆炸地震速度实测波形峰值包络线的基本形态。对分段微差爆破地震效应进行 叠加分析i 宋光明等( 2 0 0 0 ) 根据爆破震动实地监测及质点振速预测方程，结合 现场损伤破坏调查而求得岩土结构爆破震动破坏破坏判据；龙源、冯长根等 ( 2 0 0 0 ) 通过从不同角度对大量的深孔爆破地震动测试数据的分析，得到了岩石 中爆破地震波传播的频率、幅值和持续时间等主要参数的变化规律以及它们的 7 第1 章绪论 影响因素，并通过二元回归法拟合出计算爆破地震波加速度幅值的经验公式； 刘军、吴从师( 1 9 9 8 ) 通过在结构内外对应电视册的多对记录来计算两点间的传 递函数，首先预测结构地基波形，然后利用地基波形与传递函数在频域内乘积 的f o u r i e r 变换来预测结构震动响应；李夕兵、古德生( 1 9 9 4 ) 采用脆性体动态 断裂准则和富氏分析方法，给出了矩形波、钟形波和指数衰减波加载于岩石的 能量耗散差异，并对应力脉冲的形状、延续时间等对岩石破碎效果影响进行了 分析；庄兆铃( 1 9 8 9 ) 提出采用拟动力试验方法解决爆破工程和防护工程中由于 炸药爆炸和核爆炸地震动而引起的安全问题和结构抗震问题，并提出采用该方 法时应解决的爆炸地震动的设计反应谱和爆炸地震动人工模拟的反应谱拟合技 术。 很多学者将爆破影响转化为静荷载作用，分析爆破对围岩空自j 效应影响。 丁桦，郑哲敏1 1 0 1 殖过对试验数据、点源矩理论和等效孔穴理论的分析对比得出松 动爆破的爆破震源等效荷载；d o w d i n gc h a i m o n ec t 及s w o b o d ag a n dz e n g g f l 0 2 1 0 3 】对爆破荷载简化成较简单的荷载公式，这是一种国际上大多采用的半经 验化爆破模型；李宁，g s w o b o d a l l 0 4 】从模拟爆孔壁上裂缝的发展入手，通过爆生 气体的状态方程及爆生气体与孔壁岩体的相互作用分析，对爆破荷载的变化过 程作数值模拟分析；刘国华，王振宇【1 0 5 l 将作用在结构上的爆破荷载简化为具有线 性上升段和下降段的三角形荷载，得到隧道的动态响应历程和频谱特征，为动 静应力场联合分析和安全性判断提供了依据。 1 2 5 岩土工程位移反分析 位移反分析法是七十年代提出的，并日益受到工程界的重视，它为解决岩 土工程棘手的计算参数确定问题，开辟了一个独特而实用的路径，并且为基坑、 隧道等岩土工程施工预测预报，以及稳定性评价起到重要作用。 随着计算机技术在岩土工程中的应用和推广，岩土工程的数值理论和方法 已经日益成熟，并在岩土工程中有不少成功应用。然而，数值方法虽有较合理 的计算模型，但输入参数，诸如岩土初始地应力和相应的力学特性参数等都很 难作合理的估值。无论是室内实验还是现场原位实验，确定的岩土力学参数都 与实际参数有较大偏差，加之岩土的非均质性以及地质构造的影响。使得实验 结果不具有代表性。用这样的参数作为输入参数进行数值计算，所得结果往往 与实际情况有一定的误差，难于在工程实践中应用，以现场量测位移为基础的 第1 章绪论 位移反分析法，是解决这一难题的重要手段之一。 岩土工程的位移反分析法大致可以分为如下三个阶段； ( 1 ) 7 0 年代至8 0 年代中期，为反分析的初期阶段，此阶段的主要工作为计算 方法的建立，这一阶段较多的涉及到逆反分析法，并主要在水电工中得以应用。 k a v a n a g h 和c l o u g h ( 1 9 7 2 ) 发表反演弹性固体的弹性模量的有限元法之后，在 1 9 7 6 年约翰尼斯堡( j o h a n n e s b u r g ) 的岩土工程勘测研讨会上k i r s t e n ( 1 9 7 6 ) 提 出了量测变形反分析法l 随后g m a i e r ( 1 9 7 7 ) 提出了岩石力学中的模型辨识问题； 1 9 8 0 年o i o d a 提出采用单纯形等优化方法求解岩体的弹性及弹塑性力学参数， 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 1 年g i o d a 等人利用 实测位移反算作用在柔性挡土结构上的土压力；1 9 8 3 年a r a i 采用二次梯度法求 解弹性模量e 和泊松比“的方法；k o v a r i ( 1 9 7 7 ) 贝1 提出了反算地层压力参数的方 法：丽s a k u r a i ( 1 9 7 9 ，1 9 8 3 ) 提出了反算隧洞围岩地应力及岩体弹性模量的逆解法。 1 9 8 1 年中国科学院地址研究所杨志法教授等提出了另一种位移反分析方法图 谱法，利用事先建立的图谱反演围岩地应力分量及弹性模量。 ( 2 ) 8 0 年代中期至9 0 年代初，为位移反分析的发展阶段，发展了多种反分析 方法，重点发展了正反分析法，并对不同的优化方法在反分析的应用进行了研 究。杨林德等( 1 9 8 5 ) 考虑初始地应力由构造应力及自重应力组成进行线性和 非线性位移反分析；郑颖人等( 1 9 8 6 ，1 9 8 7 ，1 9 8 7 ) 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或在应力空间及应变空间用边界元法进行弹 塑性位移反分析；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( 王芝银，1 9 8 7 ，1 9 8 7 ，1 9 9 8 ，1 9 9 8 ，刘怀恒，1 9 9 8 ) 针对五种常 用的流变模型( 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8 u r b g e r s 模型) 进行了有限元法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( 1 9 8 9 ) 则考虑时空效应对三个地下巷道或隧道进行了反演 分析；利用空间效应及围岩影响( 王芝银，1 9 8 7 ，1 9 8 8 ) ，但在反算地应力时需 要已知较可靠的空间效应影响系数；弹塑性问题的反分析研究多采用了优化技 术，如黄金分割法( 杨志法，张连弟，1 9 8 5 ) ，单纯形法( 杨志法，张连弟，1 9 8 5 ) ，变量 替换法( 冯紫良，杨志法，1 9 9 0 ) 。p o w e l l 法( 1 9 8 0 ) 和r o s e n b r o k 法( 1 9 8 7 ) 等，亦 有采用逆解法与优化法相耦合的方法( 1 9 9 0 ) 。对于浅埋地下巷道或隧道，围岩 的初始地应力不再是均匀分布，不少文献对初始地应力( 莫海鸿等，1 9 9 0 ，张海 东，刘考学，1 9 8 7 ) 或边界分布荷载的线性或函数分布形式进行拉反演分析的研 第1 章绪论 究，文献( 王芝银，李云鹏，1 9 9 3 ) 把这些成果应用于粘弹性及弹塑性反分析中。 在平面位移反分析的发展过程中，三维反演反分析同样受到人们的重视， 有考虑隧道衬砌所进行的三维弹性反分析( h i s a t a k em ，1 9 8 6 ) ，有弹性、粘弹性地 层初始地应力及力学参数反演计算的有限元法( 李云鹏等，1 9 8 8 ) 和边界元法( 杨 林德朱合华，1 9 9 1 ) ，也有空间轴对称蠕变位移反分析的研究( 王芝银，1 9 9 0 ) 。非 均质岩体( 多介质材料) 的反演分析也有不少研究报导( s a k u r a is ，1 9 8 6 ，1 9 8 7 ，熊 顺成等，1 9 9 1 ) 。考虑量测位移及参数先验信息的随机性和不确定性，b a y e s 法 ( c i v i d i n ia 1 9 9 3 ，g i o d ag s a k u r a is ，1 9 8 7 ，o e n sa ，l e d e s m aa ，c ta l ，1 9 8 8 ) 、最大似 然法等数学方法( 杨林德，1 9 9 0 ，袁勇，1 9 9 1 ) 被用于反演岩体的力学特性参数。 ( 3 ) 9 0 年代初至今，反分析向各个领域推广，特别是基坑、边坡等工程得到 广泛应用，同时引入了考虑施工过程的动态施工反分析技术；神经网络、遗传 算法等新的优化方法在反分析方面得到应用，使得反分析技术得到更广泛的发 展。 邓建辉等( 1 9 9 7 ) 利用优化反分析技术反演多介质边坡的弹性模量。沈振中 等( 1 9 9 8 ) 利用可变容差法进行三维粘弹塑性位移反分析，从而进行大坝施工期 间的安全监测和反馈设计。朱合华等( 1 9 9 8 ) 在动态施工反分析方面做了大量工 作，分别结合上海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，反演得到各层土体的弹性模量，进而预测相继施工阶段的结构 变形及内力，取得了很好效果。 很多学者把系统论、信息论以及模型识别技术应用到岩土工程反分析。文 献( 刘维宁，1 9 9 3 ) 以系统辨识理论和连续介质力学原理为依据，较系统的阐述了 岩土介质系统逆问题的建模、参数优化辨识及目标函数构造的原贝和方法，进 一步完善了概率反分析( b a y e s 反分析，极大似然反分析等) 理论。刘维宁( 1 9 9 3 ) 基于信息论的观点，认为综合考虑被反演参数的观测信息、理论预测信息和经 验性信息，将会给出关于反演参数的更高信息量的信息表达。除随机反分析( 孙 钧等，1 9 9 6 ，朱全景，景诗庭，张清，1 9 9 6 ，黄宏伟，孙钧，1 9 9 6 ) 外，非确定性反 分析还有模糊反分析( 林育梁，樱井春辅，1 9 9 5 ) 、扩张卡尔漫滤器有限元反演法 ( 蒋树屏，1 9 9 6 ) 、神经网络分析法( 孙道恒等，1 9 9 6 ，冯夏庭等，1 9 9 9 ) 及遗传算法 ( 刘勇，康立山，陈毓屏，1 9 9 5 ) 在反分析中得到应用。总之，这些研究考虑了岩体工 程中量测信息的随机性、模糊性和现场量测环境的复杂性，较全面的描述了反 分析法的实质和解释了反分析应用中的一些现象，这些方法既归属于不确定性 1 0 第1 章绪论 反分析法，又包含了确定性反分析，为逆问题的模型辨识、形成统一的反演理