（交通运输工程专业论文）大跨公路隧道施工的监控技术研究.pdf

摘要 自从新奥法技术问世以来，隧道和地下工程的设计与施工技术已有较大的进展。新奥法构筑隧 道的特点是，借助现场量测对隧道围岩进行动态监测，井据以指导隧道的开挖作业和支护结构的设 计与旎工，其理论是建立在岩体力学特性和岩体变形特性以及莫尔学说的基础上，并考虑到隧道掘 进时的空间效应和时间效应对围岩应力与变形的影响。 国内外已有不少学者对监控技术在某一或若干克面进行了研究，不少研究单位、高等院校和设 计部j 的专家学者在数值分析和理论研究方法上进行了积极探讨。目前对位移量测的数据可以采用 指数函数，对数函数以及取曲线函数通过回归分析，推测出最终变形量与甬岩的稳定状态。由于目 前在现场直接测试岩体力学性质的有关参数和初始应力状态费用较商，比较困难而且难以反映嫠个 工程范围内的真实情况，所以现在更多的是进行围岩变形的龌测，然后用反分析方法来反算岩体的 某些参数及原岩应力再利用正分析对围岩或支护的安全度作出预测并预测隧道嗣岩最终状态是 否稳定。 由于地下工程支护系统工作环境的不同和围岩状况的复杂多变以及理论上的不完善。因而现今 的施工前预设计主要是依靠某些勘探资科及工程类比法进行的在实际施工过程中会发现由于工程 地质、水文地质、施工方式、支护特性等的出入与变化，常常使原设计不尽合理。喷锚支护的采用 和新奥法的实旌，使得有必要在隧道开挖过程中及时对围岩变形进行监测，通过这种监测对围岩稳 定性作出判断，并且使客观地评价支护与围岩的状态和合理地设计成为可能从而使围岩受力状态 达到平衡与稳定。但由于围岩条件的复杂性、施工操作的不致性、支护结构及标准的不均衡性， 以及支护1 勾筑时间的差异性等，使得目前要用某些力学理论来解决这种非线性的多因素关系的实际 问题尚存在相当大的凼难。基于这种情况，对于现场监铡，目前多从隧道开挖时丽岩肉空变位量测 入手，结合现场工程地质状况、开挖施工条件以及支护的工作状态等的考察来研究隧道周岩的变形 规律及其与隧道施j 二、支护类型的关系，找出同岩变形速率与稳定性的关系、变形速率与开挖面距 离的关系、开挖时间与稳定时间的关系，并预测围岩晟终稳定时间以及最终变位量的判断准则等。 因此，新奥法的理论尚待进一步完善。 此隧道集中具备了绝人多数公路隧道施工时可能遇到的闱岩地质情况，因此对此隧道施i ：的监 控技术研究可供于今后同类隧道设计和施工参考。研究成果对以后的工程实际应_ 具有重要参考价 值。通过本文的研究可以得到地表沉降的一般变化规律：拱顶f 沉、周边位移收敛的一般变化规 律：各施f 阶段的变形发展趋势和变形数值的规律：上下台阶的合理长度确定准则；施j 二工法选用 原则：二衬旌作时机选定准则：监控量测项目选用原则。 关键诃：大跨公路隧道；施工；监控技术；研究 a h s t r a c t s i n c e t h ec o m i n g o u to f n e w a u s t r a l i a m e t h o d t e c h n o l o g y , t h e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y o f t u n n e l sa n du n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gh a v ed e v e l o p e dr a p i d l y f e a t u r eo f u s i n gn e w a u s t r a l i am e t h o dt o c o n s t r u c tt u n n e l si st om o n i t o rw a ur o c ko f t u n n e l si n 慨o f m e a s u r e m e n t , b a s e do nt h i st oi n s t r u c t d i g g i n ga n dd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f s h o r i n gs t r u c t u r eo f t u n n e l s i t st h e o r yi sf o u n d e do nc h a r a c t e r i s t i c s o f r o c km e c h a n i c sa n dw a n s f i g u r a t i o na n dm o l lt h e o r y t h ei n f l u e n c e c o m i n gf r o ms p a c ea n dt i m ee f f e c t o nw a l lr o c ks t r e s sa n d t r a n s f i g u r a t i o nd u r i n gd i g g i n gt u n n e l si sa l s ot a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n m a n ys c h o l a r sa th o m ea n da b r o a dh a v er e s e a r c h e dm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi no n eo i t w oa s p e c t s s o m ee x p e r t sa n ds c h o l a r so f r e s e a r c hi n s t i t u t e ，u n i v e r s i t i e sa n dd e s i g nd e p a r t m e n t sh a v ea c t i v e l y p r o b e di n t on u m e r i c a lv a l u ea n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c hm e t h o d n o w a d a y sf i n a lt r a n s f i g u r a t i o nd e g r e ea n ds t a b i l i z a t i o no f w a l lr o c kc a r lb es p e c u l a t e do nb yt h ew a yo f r e g r e s s i o na n a l y s i so nd a t ao f r e p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tt h r o u g he x p o n e n t i a lf u n c t i o n , l o g a r i t h mf u n c t i o n a n dh y p e r b o l a f u n c t i o n b e c a u s e i t i se x p e n s i v ea n d d i f f i c u l t t o d i r e c t l y m e a s u r ep a r a m e t e r so f r o c k m e c h a n i c sa n di n i t i a ls t r e s so nt h es p o ta n da l s oi tc a n n o tr e f l e c tt h er e a lc o n d i t i o no f w h o l ep r o j e c t ， m e a s u r e m e n to f w a l lr o c kt r a n s f i g u r a t i o ni sm o r eo f t e na p p l i e d t h e nt oc a l c u l a t es o m ep a r a m e t e r so f w a l l r o c ka n do r i g i n a lr o c ks t r e s sb ym e a l l so f i n v e r s ea n a l y s i s f o l l o w i n gt h a t , t of o r e c a s tt h ew a l lr o c ko r s h o r i n gs e c u r i t y b ym e a l 丝o f d i r e c ta n a l y s i sa n d j u d g ei f t h ef i n a ls t a t eo f w a l lr o c ki ss t a b l e b e c a u s eo f d i f f e r e n tw o r k i n ge n v i r o n m e n to f u n d e r g r o u n ds h o r i n gs y s t e m , c o m p l e x i t ya n dd i v e r s i t y o f w a l lr o c k a n d i m p e r f e c t t h e o r y , c u r r e n t l y p r e - d e s i g u b e f o r ec o n s t r u c t i o n m a i n l y d e p e n d so ns o m e e x p l o r a t i o nd o c u m e n t sa n de n g i n e e r i n ga n a l o g y d u et od i s c r e p a n c ya n dc h a n g eo f e n g i n e e r i n gg e o l o g y , h y d r o g e o l o g y , c o n s t r u c t i o nm o d ea n ds h o r i n gs p e c i a l i t ya p p e a r i n gi np r a c t i c a lc o n s t r u c t i o n , t h i su s u a l l y c a u s e s t h eo r i g i n a ld e s i g n i n a p p r o p r i a t e t h ea p p l i c a t i o n o f s p r a y - a n c h o rs h o r i n ga n d n e w a u s t r a l i a m e t h o dm a k e si tn e c e s s a r yt ot i m e l ym o n i t o rt r a n s f i g u r a t i o no f w a l lr o c ki nt h ec o u r s eo f d i g g i n gr u n n e l s t h r o u g ht h em o n i t o r i n g ，i ti sp o s s i b l et o j u d g ew a l lr o c ks t a b i l i t y , o b j e c t i v e l ya p p r a i s et h es t a t eo f s h o r i n g a n dw a l lr e c ka n dm a k er e a s o n a b l ed e s i g n t h u st h eb e a r i n g s t r e n g t hs t a t eo f w a l lr o c kc a nr e a c hb a l a n c e a n ds t a b i l i t y o w i n gt ot h ec o m p l e x i t yo f w a l lr o c k , d i s a c c o r do f c o n s t r u c t i o no p e r a t i o n ，i n l b a l a n c eo f s h o r i n gs t r u c t u r ea n ds t a n d a r da n dt i m ed i f f e r e n c eo f s h o r i n gb u i l da n ds oo n ，i ti ss t i l lv e r yd i f f i c u l tf o rn s t os o l v et h en o n l i n e a rm u l t i f a c t o rp r o b l e m sb ym e a r l so f m e c h a i n c st h e o r y b a s e d0 1 1t h ea b o v e c i r c u m s t a n c e ，t os c e n em o m t o n n g ，t ti st oo f t e ns t a r tf r o mm e a s u r e m e n to f s p a c e p o s i t i o n - c h a n g ei n s i d e w a l lr o c kd u r i n gd i g g i n gt u n n e l s c o m b i n i n gw i t he n g i n e e r i n gg e o l o g yo nt h es p o t ，d i g g i n gc o n d i t i o na n d s h o r i n gs t a t e ，t h er u l eo f t r a n s f i g u r a t i o no f t u u n e lw a l lr o c ka n di t sr e l a t i o nw i t ht u n n e lc o n s t r u c t i o na n d s h o r i n gt y p ec a nb es t u d i e d t h e nt of i n do u tt h er e l a t i o nb e t w e e nw a l lr o c kt r a n s f i g u r a t i o ns p e e da n d s t a b i l i t y , t h er e l a t i o nb e t w e e nt r a n s f i g u r a t i o ns p e e da n dd i g g i n gs p a na n dt h er e l a t i o nb e t w e e nd i g g i n gt i m e a n ds t a b i l i z a t i o nt i m ei no r d e rt of o r e c a s t j u d g e m e n tr u l ef o rf i n a ls t a b i l i z a t i o nt i m ea n dp o s i t i o n - c h a n g e d e g r e e t h e r e f o r e ，t h en e wa u s t r a l i am e t h o dn e e d sf u r t h e rp e r f e c t i o n n i st u n n e lh a sm a n yg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sw h i c hm a ya p p e a ri nm o s th i g h w a yt u n n e l sc o n s t r u c t i o n , s ot h es t u d yo nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo ft u n n e lc o n s t r u c t i o nc a nb cu s e da sar e f e r e n c ef o rf u t u r es i m i l a r t u n n e ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o n t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v eg r e a tr e f e r e n c ev a l u ef o rf u t u r ee n g i n e e r i n g f r o m t h es t u d yh e r e ，c o l m n o nc h a n g em l e so ft h ee a r t h ss u r f a c es e d i m e n t a t i o n , v a u l ts i n k i n g ，c i r c u m j a c e n t d i s p l a c e m e n tc o n s t r m g e n c ya n dt r a n s f i g u r a t i o nd e v e l o p m e n tn n da n dn u m e r i c a lv a l u ec a nb ec o n c l u d e d g u i d el i n e so fr e a s o n a b l el e n g t ho fu p - d o w ns t e p ，c o n s t r u c t i o nm e t h o d , t i m es e l e c t i o nf o rt w o - l i n e c o n s t r u c t i o na n di t e ms e l e c t i o nf o rm o n i t o r i n gm e a s u r e m e n tc a l lb ca l s oc o n c l u d e d k e yw o r d s ：b i g - s p a nh i g h w a yt u n n e l ，c o n s t r u c t i o n ，m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , r e s e a r c h 东南大r 学学位论文独创性声明 本人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取得的研究成 果。+ 尽我所知，除了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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 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作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 掣：e t 期：型坐 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：魁导师签名：避日 期：垫丛：丝 第一章概述 第一章概述 1 1 隧道施工基本概念 隧道施工是指修建隧道及地下洞室内的簏工方法、施工技术和施工管理的总称。 l 、隧道旌工方法 隧道施工方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、 隧道的使用功能和工技术水平等因素综合考虑研究确定。根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道 施工方法的发展，隧道施工方法可按以下方式分类。 隧道旅工方法： 1 ) 山岭隧道施工方法：a ) 矿山法( 钻爆法) ：传统矿山法，新奥法：b ) 掘进机法。 2 ) 浅埋及软土隧道施工方法：a ) 地下连续墙法；b ) 盖挖法；c ) 浅埋暗挖法；d ) 盾构法。 3 ) 水底隧道施工方法：a ) 沉埋法：b ) 盾构法。 2 、隧道施工技术研究内容 解决各种隧道施工方法所需的技术方案和措施( 如开挖、掘进、支护和衬砌施工方案和措施) ： 隧道穿越特殊地段时( 如膨胀土、黄土、溶洞、塌方、流沙、高地温，岩爆、瓦斯地层等) 的施工手 段，隧道施工过程中的通风，防尘、防有害气体及照明、风水电作业的方式方法和对围岩变化的量 测监控方法。 3 、隧道施工的要点 归纳起来就是四句话：“爱护围岩”、“内实外美4 、“重视环境”和。动态旌工”。这就是隧道施 工的四大理念。 所谓。爱护围岩有两层含义：一层含义是不损伤或少损伤遗留围岩的同有支护能力，这可以 通过采用机械开挖技术和控制爆破技术予以解决：一层含义是通过各种手段和方法，如采用支护技 术、加固或预加固技术以及各种辅助施工技术增强围岩的自支护能力等。这些技术形成了隧道施工 的核心技术。 所谓“内实外美”，关键是内实。而内实的关键就是要做到“四密实，即混凝土密实、喷混凝 土密实、喷混；疑土与围岩密实、二次衬砌与初期支护密实。这牵涉到混凝土、喷混凝土、回填、支 护接触等技术。 所谓“重视环境4 ，也有两层含义：一层含义是指内部环境即施工作业环境：一层是对外部 环境，即对周边环境的影响。重视环境是时代的要求许多环境技术都是因时代的变迁而得到发展， 许多基准都是因环境的要求而制定的。 1 2 新奥法简介 “新舆法”是“新奥地利隧道修建方法”的简称，其英文为“n e a u s t r i at u n n e l i n gm e t h o d ”， 常简写为“n a t m 。，是本世纪4 0 年代开始发展起来的，它是以喷射混凝土和锚钎为主要支护手段的一 种设计施工方法，这种支护起到加固围岩的作用，在确保坑道稳定的基础上，使设计更加合理、经 济。新奥法与传统的矿山法相比，更能结合实际地质条件。随着隧道理论的日臻完善，己在地下工 程中得到广泛的应用。 新奥法最早的论点由舆地利土木工程师在1 9 4 8 年提出。该理论认为，通过建造一个临时的、薄 壁型的安全支撑结构，允许洞周岩体产生位移，同时设法将洞围的高应力延伸到周围岩体深处去。 从而使作用在最终承重结构上的压力变小，承重结构可做成较薄的结构形式。 1 9 6 3 年奥地利土木工程师又设计了建立在使用新建筑材料前题下的安全及经济的隧道开挖方式 及支护结构型式，并特定为。新奥地利隧道建造法”，简称“新奥法” 初期的新奥法只涉及到开挖及支撑方式，其基本构思为：在岩石被开挖后，先建一个过渡性的， 不再被拆除的安全支撑结构又称。初次支护”，其主要功能为保证开挖后孔洞的稳定性，在经过一 个相对较长的时间后，再建造永久性的承重结构“内层衬砌”新奥法的初次支护通常由喷射混 凝土、钢锚杆和钢格栅拱构成。 新奥法的重要出发点：尽可能的利用围岩整体的白承能力，即在孔洞被开挖后，立即建造一个 l 东南大学工程硕士学位论文 受力合理的支撑结构，以使孔洞周岩原有的自承能力尽可能不被降低地保留下来。作为该方法的另 一个重要组合部为连续的、伴随着建筑过程的、系统的测量围岩整体性态，以控制支护结构的变形 和受力状态。新奥法的理论基础是最大限度地发挥围岩的自承作用。 以喷射混凝土、锚杆加固和量测技术为三大支柱的新奥法，有一套尽可能保护隧道围岩原有强 度、容许围岩变形但又不致出现强烈松弛破坏，及时掌握围岩和支护变形动态的隧道开挖与支护原 则，使隧道围岩变形与限制变形的结构支护抗力保持动态平衡，使施工方法具有很好的适用性和经 济性。 新奥法自产生后，就被实践证明建筑效果好、适应性强，因此较快地被推广，并逐步得以完善， 隧道建造大师l e o p o l dm 0 1 l e r s o i t o b u r g 在1 9 8 7 年从哲学的理论观点山发，重新描述并归纳了新 奥法，被认为是新奥法的实质及理论基础，从而从理论上完善了新奥法，使其在建造方式上更加通 用化。由于新奥法完全改变了传统的隧道施工方法，使隧道建造产生了跳跃性的发展。经过近3 0 年 的实践，新奥法已成为当今世界上主要的隧道建造方法。 m n l l e r 所描述的新奥法为： ( 1 ) 围岩是隧道结构的主要承载部分： ( 2 ) 开挖后需对围岩进行加同，以使嗣岩在开挖卸载后不失去原有的强度； ( 3 ) 隧道围岩支护过程中应尽量减少围岩卸载位移的程度； ( 4 ) 隧道围岩支护过程中，一方面允许围岩有一定的位移，从而产生受力环区；另一方面，又 必须限制围岩位移的程度以避免围岩变形过大而产生严重松弛卸载； ( 5 ) 初次支护主要作用不是用来承担隧道围岩所失去的承载力，而是保持围岩的白承状态。防 止严重的松弛和卸载： ( 6 ) 初次支护的建造应是适时的，延时一定时间使围岩在开挖后来得及变形并形成承力保护区， 以达到较好的支撑效果： ( 7 ) 围岩自稳时间的评定，一方面通过对围岩地质条件的初步调查，另一方面可通过在建造过 程中量测隧道洞周的位移米评定： ( 8 ) 由于喷射混凝土具有可填平凸凹面、与同岩密贴等特点，使围岩不发生严重的应力重分布， 常被用来作为初次支护，必要时还使用锚杆、钢筋网和钢拱架： ( 9 ) 由于喷射混凝士本身具有强度高和可变形的特点，其整体的结构效应通常可视为薄壳，具 有可塑性和可收缩性的能力； ( 1 0 ) 从静力学的角度看，孔洞的受力状态视为圆管时最好隧道开挖后需及时建造仰拱以形 成封闭结构： ( 1 1 ) 初次支护只要没有铍腐蚀破坏，即可视为整体承重结构的一部分； ( 1 2 ) 孔洞从开挖到封闭所需的时间主要取决于施工方法，围岩的变化很难定量解释，可经过施 工前的地质调查资料进行估计，施工过程中通过测量来控制和修改： ( 1 3 ) 从静力学角度来看，隧道横截面为圆形时受力条件晟为有利，因此，设计的横截面应尽可 能接近圆形或椭圆形，严格限制超挖和欠挖； ( 1 4 ) 应特别注意施工过程中工程荷载对隧道受力的影响：为了尽量限制开挖后隧道围岩二次应 力重分布程度和松动圈形成的范围，应尽可能减少开挖次数，或至少拱部采用一次开挖方案； ( 1 5 ) 为了提高隧道结构的安全度及达到密封的效果，可建造薄层内衬砌，使结构内不产生过大 的弯曲应力，内层与外层相互之间只传递压力； ( 1 6 ) 为了增加衬砌的强度，一般不增加其厚度而增加钢筋含量( 即钢拱) ，增大整个结构的刚度 可通过增加锚杆的个数或增大锚杆的氏度以形成围岩受力环区来实现； ( 1 7 ) 对整体结构系统的稳定性和安全度评价及设计结构需要加强的必要性以及设计结构刚度 的减小，均根据建造过程中的应力及变形状态的测量结果来确定； ( 1 8 ) 控制外源水压和静水压力的手段是通过在外壳( 必要时也在内壳) 上设置软管及足够的密 封排水装置米实现。 从新奥法基本原理中，可以看到围岩加i 计设计理念上的重大进步，不再把围岩简单地看作作 2 第一章概述 在支护结构上的荷载而是认识到围岩是隧道结构的主要承载部分。努力保持围岩的原有强度，从 而更有效地发挥围岩的承载能力，是新奥法的另一重要施工要求。隧道开挖过程中，应尽可能保护 围岩的原有强度和变形特性，力求防止围岩松动和大范围变形，避免围岩应力出现单轴或双轴应力 状态实现这一要求的手段是通过现场量测掌握围岩的变形，并通过适时支护达到围岩变形控制的 目标。一方面允许围岩产生变形而发挥围岩的自承能力：另一方面通过即时支护，保障围岩不因过 大变形而出现有害的严重松弛。为了屉大限度地发挥围岩的自承能力，晟终支护不要太早，也不能 太迟。初期支护和永久支护必须是薄壳型柔性结构以减少衬砌受弯变形和挠曲断裂，其必要强度 靠锚杆、钢筋网、钢拱架达到，而不是加厚衬砌或支护截面 总之，新奥法的核心在于充分发挥围岩的自承作用，喷射混凝土、锚杆起加固围岩的作用。把 围岩看作是支护结构的重要组成部分，并通过监控量测，实行信息化设计和施工，有控制地调节围 岩的变形以最大限度地利用围岩自承作用。经过发展，新奥法的内容得以不断丰富和完善，并逐 渐涉及到对岩体的地质评价，结构设计、施工方法等，并使之规范化。 因此新奥法指导思想可总结为：新奥法是最大限度地发挥围岩的自承作用，要求修建隧道过程 中尽可能保持围岩的原始状态，以喷射混凝土、锚杆为代表的初期支护和量测技术为支柱，把隧道 围岩和各种支护结构作为一个共同作用的承载体系，即硬岩隧道用柔性支护、软岩隧道_ 【 ；i 强预支护， 控制围岩变形发展。通过量测手段，及时掌握围岩和支护结构的变形和应力动态确保隧道结构设 计和施工信息化具有极大的适用性和经济性。 我国广泛地应用了新奥法，无论在硬岩隧道还是在软岩( 土) 隧道中应用新奥法都有骄人的、 成功的工程实例，并积累了不少经验，提出了既科学又全面的“管超前、严注浆，短开挖、强支护、 快封闭、勤量测”的十八字诀。充分了解隧道开挖过程中地层发生的变化，采取相应的加| 舌| 方法和相 应的支护措施达到安全、经济的目的，是新奥法的精神实质。 实践证明，新奥法具有开挖造成的松动及下沉小，周围地层扰动小，开挖面易控制、安全度高、 施工进度快、人工控制能力大、适应性强等很多的优点。 1 3 隧道施工原则与监控技术 根据暴露出来的围岩状态采取对策是隧道施工的基本原则。“动态是指隧道施工过程中的地质 条件是不断变化的：其力学动态也是不断变化的，因此，施工过程就不可能是一成不变的。在旌亡 过程中采h j 的各种施工方法和技术都是为了适应这种“动态”变化的。隧道施工的各种决策都要在 施工阶段的地质技术、施工阶段的量测技术和施工阶段的质量控制技术的基础上进行管理这就是 动态施工的基本含义。 新奥法是从岩石力学的观点出发而提出的一种合理的施： 方法，是采朋喷锚技术、施：i ：测试等 并与岩石力学理论构成的一个体系而形成的一种新的工程施工方法。新奥法体现了隧道施工的基本 原则充分利用围岩的自支护能力、支护要及时。在长期的工程实践中，不管是哪种方法，都必 须正确地坚持隧道施工的基本原则。归纳起来： ( 1 ) 因为围岩是隧道的主要承载单元，所以要在施工中充分保护和爱护围岩。避免过度破坏和 损伤遗留围岩的强度，使暴露的围岩尽量保留既有的质量，是最重要最基本的原则。这在任何施工 方法中都是一样的，像古老的黄土窑洞、无衬砌的岩石洞室等的修建就完全遵守了这个原则。 ( 2 ) 为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有可控制的变形。一方面容许变形达到不在围 岩中形成松弛的量级，一方面必须限制它，使围岩不会过度松弛而丧失或大大降低承载能力：而在 浅埋或地表下沉受到控制的条件下，及时控制变形和松弛及其发展是异常重要的。 ( 3 ) 变形的控制主要是通过支护阻力( 即各种支护结构) 的敛应达到的。因此，在施， 中必须合 理地确定支护结构的类型、支护结构参与工作的时间、各种支护手段的相互配合、断面封闭时间、 一次掘进长度等。 ( 4 ) 在施工中，必须进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的餐测信息，以指导旌1 二 和设计。有人认为，量测是“新奥法”的重要组成部分，实际上，在新奥法之前，鼙测监控的技术早 已存在，例如，鼙测木支撑的横梁弯曲( 挠度) ，用锤击法判定支柱的受力状况等。即使从今大的眼 光看，这些技术仍然有其实_ 【 j 价值。 3 东南大学工程硕士学位论文 自从新奥法技术问世以来，隧道和地下工程的设计与施工技术已有较大的进展。新奥法构筑隧 道的特点是，借助现场量测对隧道围岩进行动态监测，并据以指导隧道的开挖作业和支护结构的设 计与施工。其理论是建立在岩体力学特性和岩体变形特性以及莫尔学说的基础上，并考虑到隧道掘 进时的空问效应和时间效应对围岩应力与变形的影响。 国内外已有不少学者对监控技术在某一或若干方面进行了研究，如宿文姬、谭金龙和焦忠仁所 写的监控量测技术在葵岗隧道工程中的应用 j 着重探讨了量测对用岩失稳区域的预报、调整支 护参数及二次衬砌旌作时间匡文龙，古德生，周科平，朱自强，刘新华所写的大湾隧道掌子面 前方岩石结构的t s p 2 0 3 超前预报 j 着重描述了t s p 2 0 3 超前地质探测的原理和方法。申玉生，赵 玉光所写的偏压连拱隧道围岩变形的现场监测与分析研究 j 着重描述了开挖先后洞身围岩变形 的影响。 不少研究单位、高等院校和设计部门的专家学者在数值分析和理论研究方法上进行了积极探讨 汇集了现场施工与实测的诸多经验，应用有限元法( f f 3 1 ) 、边界元法( b e m ) 、离散元法( d e m ) 等开发出 了不同类型的数值分析程序，如西安矿业学院的刘怀恒教授在1 9 7 8 年开发出“岩石力学平面非线性 有限元分析程序s c a p 一2 d ”，同济大学的黄伟、杨林德敦授于8 0 年代初期开发了“锚喷支护地f 洞 室非线性有限元分折程序”，中国人民解放军总参工程兵第四设计研究所的李世辉于1 9 8 5 年开发出 “典型工程类比隧道力学分析边界元程序酬p - 8 4 ”同济大学的朱合华敦授于1 9 9 7 年推出了“地下 工程旌工模拟通用正反分析计算软件”，东北大学的王泳嘉、刘迮峰开发了“3 d 离散元软件t r l d e c ”。 目前对位移量测的数据可以采用指数函数、对数函数以及双曲线函数通过回归分析，推测出最终变 形量与围岩的稳定状态。由于目前在现场直接测试岩体力学性质的有关参数和初始应力状态费用较 高，比较困难而且难以反映整个工程范围内的真实情况，所以现在更多的是进行围岩变形的量测， 然后用反分忻方法来反岸岩体的某些参数及原岩应力，再利_ 【 = i 正分析对围岩或支护的安全度作出预 测，并预测隧道围岩晟终状态是否稳定。 由于地下工程支护系统工作环境的不同和嗣岩状况的复杂多变以及理论上的不完善目前还找 不到一种计算模型能全面、准确地表达各种情况下围岩状况及其与支护系统的相互关系和支护系统 的工作条件通过力学计算来设计也是困难的。因而现今的施i ：前预设计主要是依靠某些勘探资料 及工程类比法进行的，在实际施工过程中会发现由于工程地质、水文地质、旌工方式、支护特性等 的出入与变化，常常使原设计不尽合理。喷锚支护的采用和新奥法的实施，使得有必要在隧道开挖 过程中及时对围岩变形进行监测，通过这种监测对隔岩稳定性作出判断并且使客观地评价支护与 围岩的状态和合理地设计成为可能，从而使围岩受力状态达到平衡与稳定。但由于围岩条件的复杂 性，施工操作的不一致性、支护结构及标准的不均衡性，以及支护构筑时间的差异性等，使得目前 要用某些力学理论来解决这种非线性的多因素关系的实际问题尚存在相当大的凼难。基于这种情况， 对于现场监测目前多从隧道开挖时围岩内空变位量测入手，结合现场工程地质状况、开挖旌工条 件以及支护的工作状态等的考察来研究隧道用岩的变形规律及其与隧道旌工、支护类型的关系，找 出围岩变形速率与稳定性的关系、变形速率与开挖面距离的关系、开挖时间与稳定时间的关系，并 预测围岩最终稳定时间以及晟终变位量的判断准则等。因此新奥法的理论尚待进一步完善。 新奥法鼙测工作是伴随着施工过程同时进行的，是新奥法构筑隧道中十分重要的部分，它既监 视围岩是否安全稳定，又检验支护结构是否合理。因此量测工作是监视工程设计与施工是否正确的 指针。大量工程实践证明，量测手段配合其他量测工作。能使设计、施工达到更满意的效果，对提 高工效、降低成本保证安全均有非常重要的作用。 量测1 ：作可分为施工前与施工中两个阶段。施f 前的量测是通过地质调奇、取样试验、现场实 验等手段以取得隧道通过地段的地质构造及围岩的物理力学指标。施 中的鼙测是新奥法鼙测_ 作的重点，其目的主要是为了掌握围岩动态和支护结构的工作状态，利川越测结果修故设计、指导 施工保证隧道既稳定又经济：预见事故险情以便及时采取措施，防患于朱然；积累资料，为以 后设计提供类比依据：使监测数据真实可信，在处理j ：程质耸问题时提供相关的证据，防止承包商 采川虚假的资料和数据隐瞒一 程质封真相：为确保隧道安全提供可靠信息，为二次村砌提供合理的 支护时机，并为进一步深化理论研究提供原始数据。 4 第一章概述 1 4 本文研究内容 本文研究方向为隧道工程。老山公路隧道集中具备了绝大多数公路隧道施工时可能遇到的围岩 地质情况因此对此隧道施工的监控技术研究可供于今后同类隧道设计和施工参考。在进一步研究 整理老山隧道施工监控观测资料基础上，深入进行相应预测方法的技术考证。 基于以上认识，本文作了以下几个方面的研究： ( i ) 洞口地表沉降观测数据分析 ( 2 ) 超前地质预报数据分析 ( 3 ) 围岩变形和围岩压力数据分析。 ( 4 ) 二衬应力数据分析。 5 东南人学工程硕士学位论文 第二章工程背景 2 1 工程简介 本论文研究国家重点建设工程宁淮高速公路老山隧道建设工程为工程背景。 宁淮高速公路老山隧道为国内已建成的最氏双向6 车道公路隧道。软弱围岩占5 0 以上，不良地 质现象较多，隧道洞口段埋深较浅，以软弱泥岩为主开挖跨度大，围岩自稳能力差。隧道按照新 奥法原理设计，采用复合式衬砌以锚杆、喷混凝土或钢筋网喷混凝土、钢拱架为初期支护模筑 混凝土或钢筋混凝土为二次支护，根据隧道埋深及荷载类型的不同共设计了八种衬砌型式。支护参 数是根据围岩类别、地质条件、地形及埋置深度、结构跨度及施工方法等以工程类比为主拟定，然 后应用平面及二维有限元综合程序对施工过程进行模拟分析确定。 老山隧道是江苏最长、跨度最大、地质复杂难度最高的氏大隧道。隧道主要施工特点是： ( 1 ) 、地质条件差，隧道穿越多处断层和小溶洞，洞口段残坡积层和j 洪冲积层的岩性为碎石土、 粘眭土、砂性士，自稳能力极差，开挖后极易坍塌，属i i 类松软地层。 ( 2 ) ，开挖断面大，开挖跨度1 6 8 m 紧急停车带开挖跨度达1 9 m ，形状扁平对结构受力不利。 ( 3 ) 、埋深浅，洞口段覆土厚8 2 0 m ，为浅埋隧道地段。 此隧道集中具备了绝大多数公路隧道施工时可能遇剑的嗣岩地质情况，因此对此隧道施工的监 控技术研究可供于今后同类隧道设计和施工参考。 2 2 地质简介 老山公路隧道分为一号、二号隧道位于南京市浦口区老山林场境内，为上、下行分离式三车 道高速公路长隧道，呈近南j 匕向展布。其中老山一号隧道左线臣1 7 8 5 m ：右线长1 8 0 5 m 隧道净高 j m ，净宽1 4 m ，毋大埋深约2 5 1 m ：老山二号隧道左线长1 4 2 5 m ；右线长1 8 0 0 m 隧道净高5 m 净宽 1 4 m ，采用三心圆曲墙式衬砌，净空面积9 8 2 m ：，最大埋深约1 3 8 m 。 一、二号隧道又各分为进口、出口两段。出口段隧道地层为罐口系上统幻影组碳酸盐岩，地层 走向与隧道走向呈斜交关系。隧道处发育五条断层，其中断层f l 为白垩系和震口系接触带。隧道处 上部为残坡积层和洪冲积层，岩性为碎石七、粘性土、砂性土。下伏基岩为：白坚系地层，岩性 为紫红色砂岩、泥岩，属软质岩石；震且系地层，岩性为白云质灰岩、灰岩、白云岩( 石英岩) ， 岩质坚硬，微晶、细品结掏，块状构造：进口段隧道为白垩系砂泥岩。 隧道处大地构造属下扬子准地台的江浦小区。隧道区属构造剥蚀低山丘陵地貌类型，地表岩溶 较发育，常见小溶i 同、溶槽、石芽等岩溶微地貌形态。所处路线段内不良地质现象土要为岩溶和断 层。部分地段为灰岩、白云质灰岩、自云岩，地表溶蚀较严重，可见溶孔、溶隙和小溶洞。其深部 岩溶裂隙发育，存在较大的岩溶发育区，在断层破碎带附近甚至有岩溶管道存在。区内大气降水主 要以漫流形式汇入沟谷溪流或周围水库中，部分入渗形成地下水。地下水土要为第四系松散层中的 孔隙潜水、基岩裂隙水和岩溶水。 2 3 施工方案介绍 老山隧道的主要施工过程包括：钻爆开挖、装碴运输、临时或初期支护、模筑衬砌等，并与相 应的施工条件相配合，在隧道有效的横断面内合理方便地布置动力线、运输线、风水管路，保证施 工安全及提高施工速度以取得最佳技术经济效益。因此选择合理的旋工方案，在修建大跨隧道的过 程中具有重要意义，而施工方案中最重要的是施t 方法的确定、开挖步骤及与之相适应的支护方法。 三车道丈跨隧道与双车道隧道相比，由丁跨度加大而高度变化不大使结构形状变得更扁平， 因而开挖后应力重分布变差，底脚处戍力集中大，拱顶不稳定，较人的松驰地压等。从目前的旌j = 技术水平出发，适合大跨隧道的施工方法主要有：台阶法、烈侧鼙导坑法( 眼镜法) ，中隔肇法( c d 法) 1 、台阶法施r 工序；采刚台阶分步法施j ：方案，施。i ：步骤见| 垄i2 - 1 。 6 第二章工程背景 施工要点： ( 1 ) n i 类围岩亦应先护后挖，采用3 5 m 巾2 2 超前锚杆，环向间距5 0 c m 布置，外插角1 4 。j ( 2 ) 开挖采用人工风枪钻眼，微震光面爆破，循环进尺1 0 1 5 m 上台阶施工须保证钢架底 脚锁脚锚杆质量，以策安全，下台阶两侧边墙部宜交错开挖： ( 3 ) 初期支护紧跟开挖面；整体模筑二次衬砌在初期支护基本稳定后施做，二衬段与台阶距离 不大于4 0 m 。 注：l 为超前支护，2 为上台阶开挖，3 为拱部初期支护，4 为下台阶墒部开挖，5 为边墙初期 支护，6 为下台阶核心土开挖7 为浇筑仰拱、填充层及二衬基础，8 为铺挂环向排水盲沟、e v a 复 合防水扳，9 为拱墙整体模筑二次衬砌 图2 一l台阶分步法施工步骤幽 2 、眼镜法施工工序：采用眼镜工法的旌工步骤见图2 2 ： 施工要点： ( 1 ) 超前支护辅助施工措施是保证i i 类围岩开挖作业安全的前提，主洞超前支护采用超前氏管 棚或超前小导管导坑采用由2 2 m m 超前锚杆，关键是布设范围、角度，深度应满足设计要求；其次 是要确保和钢架、系统锚杆的联合支护效果。 ( 2 ) 洞口段i i 类围岩开挖坚持短进尺、多循环原则，根据地质条件、施工水平及铜架支护间距 确定掘进循环进尺，一般为0 5 0 7 5 m ：可分台阶进行开挖导坑、正洞，台阶长度3 5 m ：两侧导 坑、正洞三者间相互错开5 l o m 向前推进。开挖采用挖掘机和人工配合无爆破施工，局部需爆破施 工时。采用弱爆旌工，尽量减少扰动地层。爆破密打眼、少装药，药量按松动爆破计