（岩土工程专业论文）高速公路隧道施工阶段围岩动态分级系统研究.pdf

摘要 隧道围岩分级是隧道设计、施工的依据。目前，隧道围岩分级基本上都是针 对设计阶段的，由于勘察手段、经费、时间等客观条件的限制，设计阶段的围岩 分级往往与隧道施工时的围岩实际情况差异较大。在施工阶段，由于隧道开挖， 各种地质问题暴露无遗，可获得更多在设计阶段不能获得的地质资料，并且随着 新奥法在隧道工程中的普遍应用和发展，遂对隧道围岩提出了动态分级的要求， 修正或变更隧道支护设计的参数，进而指导施工。本文根据信息化施工原则，通 过地质调查、测试，理论分析、数值计算和现场地质预报等综合手段，分析了高 速公路隧道围岩稳定性，对施工阶段的高速公路隧道围岩进行了动态分级研究， 提出了具有可靠性的围岩动态分级指标，建立了基于高速公路隧道跨径大、径高 比大、受力条件差等特点的围岩动态分级体系。该体系对高速公路隧道的设计、 施工具有很大的理论价值和实践指导意义。 本文研究的主要内容及所取得的成果有以下几点： ( 1 ) 对高速公路隧道围岩稳定性进行了较全面深入的分析研究； ( 2 ) 确立了围岩动态分级指标，并对各个指标进行了量化。使之与围岩六个 级别一一对应； ( 3 ) 运用可拓学理论建立了高速公路公路隧道围岩动态分级评判系统及对围 岩等级的量化。 ( 4 ) 引入了数理统计回归分析和灰色理论g m ( 1 ，1 ) 模型对监控量测的位 移信息建立了预测分析模型。对围岩动态分级、支护系统工作状态以及合理选择 支护参数和支护时间进行了分析评价。 ( 5 ) 对浙江温州绕城高速公路北线后岗隧道进行了动态分级研究，通过监控 量测对围岩稳定性进行了评价。 关键词：隧道围岩；动态分级；指标体系；可拓理论；监控量测：灰色理论 a b s t r a c t t h et u n n e ls u r r o u n d i n gr o c km a s sc l a s s i f i c a t i o ni st h eb a s i so fi t sd e s i g na n d c o n s t r u c t i o n a tp r e s e n t ，t u n n e ls u r r o u n d i n gr o c km a s sc l a s s i f i c a t i o na i m sa tt h ed e s i g n p h a s eb ya n dl a r g e a n dd u et ot h el i m i to fr e c o n n a i s s a n c em e a n s ，c o s t ，t i m ea n ds oo n ， t h et u n n e ls u r r o u n d i n gr o c km a s sc l a s s i f i c a t i o na td e s i g np h a s ei sv e r yd i f f e r e n tf r o m t h ep r a c t i c a lc o n d i t i o na tc o n s t r u c t i o np h a s e a tc o n s t r u c t i o np h a s e ，v a r i o u sg e o l o g i c a l p r o b l e m se x i s t ，a n dm o r eg e o l o g i c a li n f o r m a t i o nc a nb ea t t a i n e d ，d u et ot u n n e ld i g g i n g w i t ht h eg e n e r a la p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fn e wa u s t r i at u n n e l i n gm e t h o d ，t u n n e l s u r r o u n d i n gr o c km a s si sr e q u i r e dd y n a m i cc l a s s i f i c a t i o n ，m o d i f y i n gt u n n e ls h o r i n g d e s i g ni no r d e rt oi n s t r u c tc o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fi n f o r m a l i z a t i o n c o n s t r u c t i o n ，t h es t a b i l i t yo fh i g h w a yt u n n e ls u r r o u n d i n gr o c km a s si sa n a l y z e d ，a n d t h ed y n a m i cc l a s s i f i c a t i o nr e s e a r c ho ns u r r o u n d i n gr o c km a s sa tc o n s t r u c t i o np h a s ei s c a r r i e do u t ，b yg e o l o g i c a lr e s e a r c h ，t e s t ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a la n a l y s i s ， o n - s i t eg e o l o g i c a l p r e d i c t i o na n ds oo n i nt h i st h e s i s ，t h er e l i a b l ei n d e x e so f s u r r o u n d i n gr o c k m a s sd y n a m i cc l a s s i f i c a t i o na r ep r e s e n t e d ，a n dt h es y s t e mo f d y n a m i cc l a s s i f i c a t i o ni se s t a b l i s h e db a s e do nt h eh i g h w a yc h a r a c t e r i s t i c so fb i gs p a n a n dd i a m e t e r h e i g h tr a t i o ，s e v e r ef o r c ec o n d i t i o nt h es y s t e mi su s e f u lf o rt h ed e s i g n a n dc o n s t r u c t i o no fh i g h w a yt u n n e l t h em a i nc o n t e n ta n dh a r v e s ta r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es t a b i l i t yo fh i g h w a yt u n n e ls u r r o u n d i n gr o c km a s si sa n a l y z e da n d r e s e a r c h e dc o m p l e t e l y ( 2 ) t h et u n n e ls u r r o u n d i n gr o c km a s sd y n a m i cc l a s s i f i c a t i o nt a r g e t sa r ep r e s e n t e d ， a n dt h e ya r eq u a n t i f i e di np a r a l l e lw i t hs i xl e v e l so fs u r r o u n d i n gr o c km a s s ( 3 ) w i t ht h ee x t e n s i o nt h e o r y ，t h es y s t e mo fs u r r o u n d i n gr o c km a s sd y n a m i c c l a s s i f i c a t i o ni se s t a b l i s h e d ，a n dt h es u r r o u n d i n gr o c km a s sg r a d ei sq u a n t i f i e d ， ( 4 ) t h ep r e d i c t i o na n a l y s i sm o d e lo ft h em o n i t o r i n gd i s p l a c e m e n ti n f o r m a t i o ni s e s t a b l i s h e db yu s i n gm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sr e g r e s s i o na n a l y s i sa n dg r e yt h e o r ym o d e l t h es u r r o u n d i n gr o c km a s sd y n a m i cc l a s s i f i c a t i o n ，t h ec o n d i t i o no fs h o r i n gs y s t e m ， r a t i o n a ls e l e c t i o no fs h o r i n gp a r a m e t e r sa n dt i m ea r ea n a l y z e da n da p p r a i s e d ( 5 ) t a k et h eh o u g a n gt u n n e lo ft h en o r t h - r o u t eo fz h e j i a n gw e n z h o ur o u n d c i t y h i g h w a yf o re x a m p l et h ed y n a m i cc l a s s i f i c a t i o nr e s e a r c hi s c a r r i e do u t ，a n dt h e s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c km a s si sa p p r a i s e db ym o n i t o r i n g k e yw o r d s ：s u r r o u n d i n gr o c kt u n n e l ；d y n a m i cc l a s s i f i c a t i o n ；t a r g e t ss y s t e m ； e x t e n s i o nt h e o r y ；m o n i t o r i n g ；t h e o r yo fg r e y m 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 纥缓 j 魄垆，月舢 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名乡夏绎 吼叩年上月乡口日 翩戤：影足醐呷竹月沪 第一章绪论 1 1 建立高速公路隧道围岩动态分级系统的思考 公路隧道是在复杂多变的地层中穿过，设计阶段虽然投人了很多力量，往往 由于经费、时间、勘察手段等原因，使设计阶段的围岩分级与公路隧道实际施工 时的围岩情况差异很大，因此国际上普遍认为隧道施工风险是比较大的。而在我 国，公路工程界却有“金隧道”之说，究其原因，主要是由于我国在隧道勘测设 计阶段，隧道围岩分级常常比较粗糙，而在施工阶段又没有建立一套完整的围岩 分级体系，致使公路隧道施工中，因为围岩地质条件未探明或发生变化，导致的 工程变更较多，从而往往会使承包商能从中获利，造成业主或政府承受较大的经 济损失。在市场经济逐步完善的今天，由于围岩分级给公路隧道施工带来的风险 和过失必须给出一个明确的判断基准，这就迫切需要在高速公路隧道施工阶段建 立一套完整的围岩动态分级体系。 1 1 1 建立公路隧道施工阶段围岩分级体系的必要性 由于设计阶段的围岩分级与公路隧道实际施工时的围岩情况差异很大，如果 按照施工设计图施工，可能会出现两种情况。第一种情况是：实际围岩质量比设 计阶段预计的围岩质量好，因此，设计的支护比实际需要的支护强，如果仍按照 设计支护施工，就会造成巨大浪费；第二种情况是：实际围岩质量比设计阶段预计 的围岩质量差，因此，设计的支护比实际需要的弱，如果仍按照设计支护施工， 就不安全，就可能出现坍方，由此可能造成不同程度的人员伤亡和财产损失，并 影响工期。要避免这两种情况发生，并保证公路隧道安全、经济、快速地施工， 就必须根据公路隧道实际施工时的围岩情况对隧道设计进行必要的完善和变更。 为此，也就必须以公路隧道施工阶段的围岩分级体系作为依据。 公路隧道施工中，围岩的变更直接涉及到隧道工程投资的增加或减少，实际 上，一个变更使隧道投资增减数十万元，乃至数百万元是经常发生的。普遍认为， 正确的变更( 即符合实际的变更) 所增减的投资都应该全部由业主承担，因为这与业 主的隧道选址有关，这也符合风险分担的原则。但是，实际中，由于没有建立公 路隧道施工阶段的围岩分级标准，在隧道变更问题上，业主和承包商往往产生分 歧。对于同一种围岩，业主可能认为是级围岩，而承包商可能认为是级围岩， 由于围岩级和级围岩在开挖方法、支护手段、超欠挖控制和回填、工期要求 等方面都有不同的要求，变更的费用将有很大的差异，因此，业主和承包商为了 维护自己的利益，往往会互相扯皮，甚至诉之法律。为了避免这种情况的发生， 最有效的方法就是建立一套科学的公路隧道施工阶段的围岩分级体系，并使之成 为应该遵循的行业标准或指南。 1 1 2 建立高速公路隧道施工阶段围岩分级体系的方案 公路隧道施工阶段围岩分级体系应该是设计阶段围岩分级的继承与发展，因 为对于同一个公路隧道，施工阶段围岩分级是对设计阶段围岩分级的一种校核。 但是，两种分级方案在地质参数获取的手段上有显著不同。设计阶段围岩分级时 地质参数获取通常采用以下手段： ( 1 ) 搜集已有各类工程资料并进行分析。 ( 2 ) 地表观察分析，推断地下情况。 ( 3 ) 钻探获得某几点的地质情况来推断线和面的情况。 ( 4 ) 各种物探法探测地下情况。 ( 5 ) 航测方法获得图片，分析推断地下情况。 实际中，常常将以上各种手段综合使用，力求较正确地推断地下情况。但是， 这些手段都有局限性，都不能大规模地直接观察到地下情况。因此，推断的围岩 级别肯定与实际情况有差异，这也是不可避免的，特别是对于地质条件复杂的特 长隧道，即使经费非常充足，勘察时间相当地长，要想将其围岩级别搞得很清楚， 往往也是不可能的。而旌工阶段围岩分级时的地质参数获取可以直接通过掌子面 的观察来得到，这样得到的参数才是最可靠、最可信、最客观的，而以此参数所 进行的围岩分级才是最合理的。 目前，隧道施工阶段围岩分类大约有以下几种： ( 1 ) 定性方法一定性方法是根据掌子面的观察资料，整理出掌子面的围岩状 态和动态，然后按经验决定围岩的类别。 ( 2 ) 定量方法一定量方法有评点法和多变量分析法等，其中评点法包括有平 均法、加权平均法、o 值法、r m r 法、r s r 法。而多变量分析法包括数量化理论 预测法和数量化理论判别法。 1 2 研究意义 当今世界，由于社会的快速发展，地面以上能利用的空间越来越狭窄，在有 些地方，造成寸土寸金的局面。人口和汽车的不断增长，造成地面以上的交通也 越来越不能满足人们的需求，因此，上世纪八十年代国际隧道协会( i t a ) 提出。大 力开发地下空间，开始人类新穴居时代”的口号。顺应于时代的潮流，许多国家 将地下开发作为一种国策。现代隧道工程的发展迅速，各种典型工程著名浩瀚， 可以毫不夸张地说，二十一世纪将是隧道工程及其地下工程大发展的一个世纪。 2 高速公路隧道大多在岩体中开挖的，而岩体形成隧道围岩一支护系统的主体， 荷载主要来自岩体，主要的结构材料也是岩体。像隧道工程这样，集结构、荷载 与材料三者浑然一体，难以分开的结构物，多数情况下荷载一结构模型不能应用， 需要用固体力学模型边界条件与力学参数加以描述。但是，围岩一支护系统的力 学机理不甚清楚；初始地应力与岩体力学参数逐点变化，迄今也没有可用的理论 计算方法，经验估计值的误差又无法确定：材料破坏准则也没有公认的纯理论方 法。既需要现场量测，也需要经验判断，因此，隧道岩体力学包含着其它应用力 学领域不必考虑的因素：庙地质条件决定选址和轴线走向，初始地应力与岩体力 学参数的原位测试，对多种破坏模式的分析计算。显然，隧道工程的复杂程度是 地面建筑工程不能比拟的。 、特别是越岭瞪道隧道建筑地段一般山高坡陡，林木茂密，不仅给隧道工程 地质勘测工作带来很大的困难，而且仅凭少数地质人员的野外实地测绘和少量勘 探工作往往很难完全查清全区的地质情况。隧道工程在某种意义上就是地质工程， 隧道的设计、施工、工期、造价无不受地质条件的制约。现在越来越多的隧道建 设者们认识到，不了解地质、不关心地质将使隧道建设事倍功半。了解隧道穿过 地段的地质条件是隧道建设的需要，也是隧道工程地质工作的目的。 施工前的地质工作由于搜集资料的技术手段限制，加上地质体的复杂性，所 取得的资料不能完全满足施工要求，由地表工作为主推断的隧道地质条件与隧道 施工中实际遇到的地质条件相差很远，漏掉的一些不良地质体给施工带来许多预 想不到的困难。不仅中国如此，外国亦是这样。如美国科罗拉多州罗伯特隧道地 面测绘确定的断层和岩脉是隧道开挖中遇到的断层和岩脉的卜。9 ，即使是较大 的断层和岩脉，测绘确定的也仅是开挖遇到的1 2 4 7 。在其它国家隧道建设中 也经常出现由于开挖遇到预料之外的恶劣地质条件而延误工期。地面地质迹象与 地下深部地质条件相差甚远是客观存在的，而且随着地区不同其相差程度不同。 在隧道施工中，不但要了解宏观的地质构造，还要了解岩体的结构，不但要 了解全隧道的地质条件，还要知道其出现的位置及稳定程度，以便确定每一段的 围岩级别和开挖断面的支护设计参数、开挖方法、爆破进尺和装药量等。 以上事实说明，在勘探阶段，由于地质地质条件复杂性和多变性、勘察工作 和勘察手段的有限性和局限性，在勘察阶段很难准确查明隧道的地质条件，一些 地质条件复杂的长大隧道尤其如此。仅仅用地面测绘资料为主作出的地质预报来 指导施工，其精度是不够的。施工前地质工作的重点是查清大的地质构造和工程 区的工程地质条件，而花巨额投资挖众多的探洞钻数千米钻孔，企图弄清细微 的地质条件是不可能的。由于地质的复杂性和施工对地质体的敏感性，地面地质 构造与埋深数百米的隧道地质构造相差很大，有些地质构造很难从地面发现，那 些引不起注意的小断层也常使隧道出现围岩变形、坍塌等地质灾害，给施工带来 预想不到的困难。 在现有的技术条件下，隧道工程设计，在很大程度上就是如何获取合理的设 计参数，设计它的支护系统( h o e ka n db r o w n ，1 9 8 0 ) 。修建隧道主要制约因素是 支护系统设计是否安全合理，即预设计是否与实际围岩相符，否则就会影响到围 岩的稳定性及其隧道的正常运营，或者花费大量不必要的资金。但是，由于岩体 是经受过变形和破坏的地质体的一部分( 孙广中，1 9 8 8 ) ，是技术学科中最复杂、 最难理解的一种材料( m u l l e r l ，1 9 8 1 ) 。在勘察设计阶段不可能较为彻底地查清 岩体的情况，获取符合现场情况的设计参数的条件下，目前隧道建设中推广应用 的新奥法施工，是现代隧道支护理念的典型代表，尤其是现场监控量测的应用， 及其与理论分析的结合，已发展成为一种适应隧道工程特点和当前技术水平的新 的施工方法一一信息化施工法”1 ，这种信息化施工方法要求根据施工中出现的地质 条件的变化情况，随时调整、完善设计，即动态设计。而动态设计基本思路是以 。围岩级别”为纲，以施工中的地质释放的信息技术为主要手段。因此，在施工 过程中变更设计，也首先从变更围岩级别开始的，这就必然要求对隧道的围岩分 级也应根据变化了的地质情况作出相应的修正和调整，即采用动态的围岩分级方 法，而不能一成不变的抱定勘察阶段的隧道围岩分级。而如何对隧道采用动态分 级、依据什么样的指标、这些指标间的相关性如何、按照什么样的方法进行分级 等等，则是目前尚未提出或有的已提出但尚未解决的重要问题，本论文瞄准这一 隧道工程建设中的难题，不仅具有重大的理论和实践意义而且具有显而易见的前 瞻性和创新性。 1 3 国内外研究现状 国内外对隧道围岩分级及围岩质量评价体系的研究经历了一个从简单到复 杂，从定性到定量，从单一指标到综合指标的发展过程。长期以来人们一直在努 力实现岩石分级研究的定量化。尤其是近一百年来，工程的需求促使岩石分级逐 渐发展成为一个独立的学科分支。而岩体稳定性分级则是岩体分级中最重要的部 分。本文拟在勘察设计阶段围岩稳定性分级的基础上，分析研究施工阶段围岩稳 定性分级，即围岩动态分级。分级和分类在研究围岩稳定性问题上常常混用，现 在认为还是用“分级”比较科学。1 现在提到围岩分级一般只是指围岩稳定性分级， 本文亦是如此。 2 0 世纪2 0 年代以来洞室稳定性围岩分类( 级) 有了较大的发展，比较有代表 性的分类( 级) 方法大致可以分为五类( 见表1 1 ) 。2 0 世纪7 0 年代以前的岩体分 类多数为单一因素( 或少数因素) 的定性分类或半定量分类，7 0 年代后，逐渐过 渡到多因素指标、定性描述与定量评价相结合的分类阶段。在7 0 年代后期至9 0 年代，我国在地下洞室围岩稳定性分类研究上有了很大的进展，提出了多种分类 方案。但由于工程地质条件的复杂性和地下工程施工过程及其影响因素的复杂性 和非线性，建立和发展适合隧道工程施工特点的围岩分级具有十分重要的意义。 1 3 1 围岩稳定性分级的历史与发展 以下就历史上有一定影响和目前正在发展中的围岩分级方法作一概述。 ( 1 ) 2 0 世纪中叶日本开始利用岩体的纵波速度v p 和岩块纵波速度v s 来评价 岩体完整性。提出了。龟裂系数”的概念。 ( 2 ) 1 9 6 3 年，加拿大的科茨提出了一种考虑岩石和岩体的五种特征，以定性 为主包含简单定量的岩石分级方法。之后被德国的波顿所引用并作了适当补充。 ( 3 ) t 9 6 7 年，美国伊利诺斯大学的迪尔等根据所得岩芯的完整程度定出岩石 质量指标r q d ，利用r q d 将岩石分成五级。1 9 7 2 年美国的威克汉姆( w i e k h a m ) 根据岩体地质结构、节理状态、含水情况提出s r s 分级法。 ( 4 ) 1 9 7 3 年，南非的宾尼阿乌斯季博士提出了“地质力学分级系统”用七个 方面的指标总得分作为r m r 值来综合确定岩体级别，岩体一共被分成5 级。 3 0 。时，通常是不会出现不利于隧道围岩稳定的不稳定分离体 的。 ( 6 ) 围岩初始应力状态：围岩初始应力对隧道工程围岩稳定性的影响是众所 周知的，特别是高地应力的存在。岩石强度与初始应力之比( 是0 0 ) 大于一定值 时，可以认为对洞室围岩稳定不起控制作用，当这个比值小于一定值时，再加上 洞室周边应力集中结果，对围岩稳定性或变形破坏的影响就表现得显著，尤其岩 石强度接近初始应力值时，这种现象更为突出。此外，空间最大主应力( 仉) 与洞室 轴线夹角的不同，对隧道围岩稳定的影响程度也不相同，当隧道轴线与最大主应 力仉方向垂直时，地应力对隧道稳定性影响最大，因此，隧道轴线通常与水平最 大主应力仉方向平行以改善隧道周边的应力状态，提高隧道围岩的稳定性。 ( 7 ) 软弱结构面特点= 主要软弱结构面是指相对发育的软弱结构面，即张开 度较大，充填物较差，成组性好，规模较大，有利于滑移的优越方位的结构面。 由于结构面产状不同，与洞轴线的组合关系不同。对隧道工程围岩稳定的影响程 度亦不相同。当岩体结构面含有软弱夹层时，岩体强度主要由软弱夹层的抗剪强 度确定，由于软弱夹层的抗剪强度往往很低，因此对隧道围岩稳定性不利。 ( 8 ) 地下水作用特点：地下水对围岩