（岩土工程专业论文）佛岭隧道洞口浅埋软弱围岩段施工方法研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：高速公路隧道洞口段多属于强风化带，围岩一般比较破碎，而且通常 夹有土层，覆盖层一般也比较薄，那么对于这种不利于土体成拱的条件下，怎样 合理利用好各种施工方法，在确保安全的前提下，降低工程投入，提高工作效率， 同时加强对岩层的破坏机理研究、各种支护方法和围岩之间的相互作用的研究， 这些工作是目前急需解决的。 本文总结了山岭隧道洞口段主要的支护方法机理以及开挖方法，分析各种施 工方法的优劣及适用条件，结合佛岭隧道的实际工程情况，定性的提出了施工建 议。针对佛岭长大隧道洞口段埋深浅、围岩自稳能力差的特点，采用a n s y s ，依 据实际地形建立模型，采用岩土地下工程专用结构分析f l a c “，对洞口段软弱围岩 分别采用预留核心土法、c d 法、中隔壁法( c r d ) 、双侧导坑法四种施工方法，进行 三维数值模拟。从施工过程中的围岩的变形、塑性区分布形态和发展规律、围岩 应力特征、初期支护应力变化规律等方面，研究佛岭隧道进洞施工方案对软弱围 岩洞口稳定性的影响机制，结合隧道开挖技术经济的考虑，经比较后，得出了双 侧壁导坑法是佛岭隧道洞口段较优施工方法的结论。 在采用双侧壁导坑法施工条件下，针对双侧壁导坑法施工工序复杂的特点， 设计出合理的施工方案，并对施工关键技术进行了设计和研究。 最后分析了佛岭隧道绩溪端洞口塌方事故的成因，对事故提出相应合理的处 理措施。 本文所得结论对佛岭隧道洞口浅埋软弱围岩段施工提供一定的指导和技术依 据，同时对类似软弱围岩公路隧道施工方法的选择提供借鉴和参考作用，对确保 安全施工和科学地指导类似长大隧道软弱围岩洞口施工具有一定的意义。 关键词：佛岭隧道；洞口段；浅埋；软弱围岩；施工；数值模拟 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ：m u c hc n t r a n c 圮o fh i g h w a yt u n n e li ss t r o n gw e a t h e r i n gz o n e ，w h e r et h e r o c ki sg e n e r a l l yb r o k e n ，a n du s u a l l yh a v el a y e r s f o l d e r , c o v e r i n gm o r eg e n e r a lt h i n l a y e r u n d e rt h ec o n s t r u c t i o n ，h o wt om a k er a t i o n a lu s eo fg o o dv a r i e t yo fc o n s t r u c t i o n m e t h o d s ，r e d u c ee n g i n e e r i n gi n v e s t m e n t , i m p r o v ee f f i c i e n c y , a n da tt h es a n l et i m et o s t r e n g t h e nt h em e c h a n i s mo ff o r m a t i o nd a m a g e ，av a r i e t yo fs u p p o r tm e t h o d sa n dt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h er o c ko ft h es t u d y , w h i c hi sn e e dt ob ea d d r e s s e du r g e n t l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e sav a r i e t yo fs u p p o r ta n de x c a v a t i o nm e t h o d si nt h ee n t r a n c e o fm o u n t a i nt u n n e l ，s u m m e du pt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s em e t h o d sa n dt h ea p p l i c a t i o n o f s t r a t i g r a p h y , a sw e l la st h em e c h a n i s mo ft h e s em e t h o d sa n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s ， a n dc o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s u n d e rt h ec o n s t r u c t i o no ff o l i n g t u n n e li na n h u ip r o v i n c e ，b e n c hr e s e r v a t i o nc o 坞s o i l 。w i t ht h eu s eo fc o m m o n i n t e r n a t i o n a lp r o c e d u r e sf o rt h ef i n i t ed e m e n tm e t h o d - a n s y sf i n i t ee l e m e n tm o d e lt o e s t a b l i s ht h eb a s i so ft h ea c t u a lt e r r a i nm o d e l ，b e n c hr e s e r v a t i o nc o r es o i l ，c dm e t h o d 。 c r dm e t h o d , a n dt w i n - s i d eh e a d i n gm e t h o da r ea d o p t e db a s e do nf l a c 3 dt os t u d yo n s u i t a b l em e t h o da n ds t a b i l i t yp r i n c i p i u mo fe n t r a n c eo fl o n ga n dl a r g et u n n e li np o o r s t a b i l i t ya n dc o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，c o m b i n e dw i t ht h es e t t l e m e n to fc r o w n , p l a s t i cz o n ed i s t r i b u t i o na n dd e v e l o p m e n ti ns p e c i a ls e c t i o no ft u n n e l c o n s i d e r i n gt h e c o n s t r u c t i o nc o s t ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et w i n - s i d eh e a d i n gm e t h o di st h e o p t i m a la c t f o rt w i n - s i d eh e a d i n gm e t h o dm e d i a t e dp r o c e s sc h a r a c t e r i z e db yc o m p l e x i t y , a r e a s o n a b l ei m p l e m e n t a t i o np l a ni sd e s i g n e d , a n dt h ek e y t e c h n o l o g yo ft h ec o n s t r u c t i o n i sr e s e a r c h e d f i n a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec a u s e so fc o l l a p s ei n c i d e n t si nt h ee n t r a n c eo f f o l i n gt u n n e l ，a n db r i n gf o r w a r dt h ea p p r o p r i a t ea n dr e a s o n a b l em e a s u r e s t h ec o n c l u s i o n so ft h i s p a p e r , p r o v i d eat e c h n i c a lb a s i sf o rg u i d a n c ei n t h e e x c a v a t i o no ff o l i n gt u n n e l s oi tc o u l ds c i e n t i f i c a l l yg u i d et h ed y n a m i cc o n s t r u c t i o no f l o n ga n dl a r g et u n n e la n de n s u l es a f e t yf o rs i m i l a rc o n s t r u c t i o np r a c t i c e k e y w o r d s ：f o l i n gt u n n e l ；t u n n e lp o r t a l ；s h a l l o w ；w e a ks u r r o u n d i n gr o c k ； c o n s t r u c t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名：秀络x 签字日期：九一7 年昭月吕e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 套右哆 签字日期：h 一7 年跖月厂吕日 导师签名： 却卅 仅、1 l 罟1 签字日期： p 尸年易月埸日 致谢 本论文是在导师刘保国教授精心指导下完成的，从选题、构思到最终定稿，导 师都给予了我悉心的指导，可以说论文的一字一句都凝结着导师的汗水与心血， 两年来，在学习、工作和生活等各方面都得到了导师无微不至的关怀和极大的支 持。导师渊博的知识、谦虚的态度、严谨治学和不断进取的精神以及高尚的情操 深深地影响和感染着我，这一切都将使我终生受益。值此论文完成之际，谨向恩 师刘保国教授致以最真诚的敬意和最衷心的感谢。 感谢岩石力学教研室乔春生教授、刘开云老师的悉心指导和无私关怀，他们 在论文研究过程中给了我大量宝贵意见和建议，使我受益匪浅，事半功倍。 感谢隧道与岩土中心的老师们，是诸位老师从学科的理论知识、科研的方法、 学科的发展方向等多个方面给予了我深深的教诲。特别在此表示最真诚的感谢和 最崇高的敬意。 感谢教研室的博士师兄时洪斌、刘文彬、李少刚、崔少东、徐冲、张风的大力 支持，感谢硕士师弟陈岩、卢宁宁、贾伟的积极配合。 感谢同窗好友汪磊、王建、王超、李欢、张勇、赵乐之等同学给予我学业和生 活上的热心帮助和大力支持。 最后特别感谢我的父母和兄弟姐妹，多年来，他们的理解、支持、关心和无 私的爱是我求学的最大动力和坚实的后盾，是他们的支持才使我能坚强地面对各 种困难和挑战。在此，向他们表示最深切的感谢与祝福! 1 绪论 1 1 选题依据及研究目的 1 1 1 选题依据 1 绪论 近十年来，国家加大了包括公路在内的基础设施建设投资力度，高速公路建 设迅猛发展，随着公路建设的发展，我国公路隧道在数量和规模上有了很大的发 展，施工技术也有了很大的提高。目前，隧道工程矿山法施工中，已普遍采用了 新奥法；岩石隧道施工中采用了钻爆法掘进，并开始使用高效的掘进机施工。高 速公路的快速发展，极大提高了我国公路网的整体技术水平，优化了路网结构， 改善了交通运输条件，对缓解交通运输的“瓶颈制约发挥了重要作用，有力地 促进了我国经济发展和社会进步。 随着高速公路建设的进一步深入，山区高速公路正进入快速发展期，建设难 度进一步加大，特别是高速公路受到线形、技术指标限制，促进了公路隧道的迅 速发展。公路隧道能有效缩短行车里程、节约运费、节约能源、减少汽车损耗、 同时节约土地、保护环境等。因此，隧道建设是山区公路运输事业发展和经济社 会发展的需要，也是实施可持续发展战略的需要。 随着西部大开发战略的实施，公路建设更多地向山区发展，公路隧道已经迎 来蓬勃发展的大好时机。然而，作为隧道咽喉的洞口段因围岩状况相对洞身段差， 风化破碎严重，开挖后围岩变形大，成洞困难，容易发生坍塌冒顶等事故等情况， 成为了整个工程施工工期控制和成本控制的重要部位。由于隧道洞口段最普遍的 一个特点是围岩软弱破碎，因此采取恰当的支护技术，安全、经济、快速地完成 洞口段支护，如何采取更为有效的施工方法实现顺利进洞，确保隧道洞口段施工 安全和运营安全就显得重要而迫切了。 由于隧道洞口段多属于强风化带，围岩一般比较破碎，而且通常夹有土层， 覆盖层一般也比较薄，那么对于这种不利于土体成拱的条件下，怎样合理利用好 各种施工方法，在确保安全的前提下，降低工程投入，提高工作效率，同时加强 对岩层的破坏机理研究，各种支护方法和围岩之间的相互作用的研究，这些工作 是目前急需解决的。 此外，地质的好坏左右着工程的造价、施工的难易、施工的安全，是隧道成 败的直接因素，但不是决定因素。由于地质勘探的局限性和地质条件的复杂性及 多变性，隧道施工过程中经常会遇到突然变化的地质条件、意外情况等，需要调 北京交通大学硕士学位论文 整施工方案、施工技术方案和施工进度计划，这也是需要研究解决的现实问题。 1 1 2 研究目的 本文所研究的佛岭隧道进口的围岩很差，且偏压严重。隧址区发育5 条大断 层，以f 3 和f 4 断层影响最大，f 1 影响最小。断层使围岩级别降低，破碎带处为v 级，影响带为级，易产生洞顶坍落、冒顶，成洞条件变差。由于岩浆形成后冷 凝收缩形成裂隙，特别与围岩接触处，节理裂隙十分发育，岩石破碎，使围岩级 别降低，接触带处为v 级，易产生洞顶坍落、冒顶，成洞条件变差。隧道进口段 和出口段，节理裂隙及风化裂隙极为发育，岩体呈碎裂状，局部呈散体状结构， 隧道施工开挖切削原有山坡和山体，破坏其原有平衡，会造成落石、掉块及坍塌。 隧道进出口于山体一侧通过；特别左线进口处发育一小冲沟，地形较陡。隧道在 此穿越，易由隧道拱肩覆盖层厚度差异过大而形成偏压。 该隧道围岩地质情况复杂，动态施工过程对围岩产生比较大的影响，为考察 施工过程对围岩和隧道结构稳定性的影响，在假定考虑的工况及场地条件下，建 立尽可能逼近实际问题的三维有限元法数值分析模型进行模拟计算分析，研究因 隧道动态施工触发围岩应力和塑性区的特性，及其对隧道结构的影响。研究在断 层破碎带多、偏压明显和围岩稳定性差且潜在涌水量较大的复杂地质条件下长大 隧道施工关键技术，其成果将直接应用于佛岭隧道的设计优化和施工管理，以保 证隧道施工安全和工程质量，降低工程造价，提高隧道的设计和施工技术水平。 为今后类似条件下长大公路隧道施工提供借鉴和参考。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 隧道支护方法研究现状 对于软弱围岩，一般来说通常可以分为地质软岩和工程软岩，地质软岩是指 强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀 性粘土矿物的松、散、软、弱岩层；工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑 性变形的工程岩体。地质软岩强调了软、弱、松、散的地质特点，而工程软岩强 调软岩强度和工程力荷载的对立统一，揭示了软岩的相对实质，即取决于工程力 和岩体强度的相互关系。当工程力一定时，不同岩体，强度高于工程力水平的表 现为硬岩的力学性质，低于工程力水平表现为软岩特性。软弱破碎围岩的力学性 质主要表现在以下方面： 2 l 绪论 ( 1 ) 软弱破碎围岩由于裂隙发育，结构面相互交织，随机分布，没有明显的方 向性，在一定程度上可以将其看作是各向均质连续体； ( 2 ) 软弱破碎围岩整体抗压强度较低，洞室开挖后围岩稳定性差，极易失稳破 坏。 在将破碎岩体近似看作连续体的情况下，从岩体总体上将会表现为一定的弹 塑性特征，这种弹塑性特征可以理解为岩体中的应力引起岩体破坏而产生滑移后， 随着变形的发展保持一定的强度，并具有应变强化特性，在理论分析时，我们可 以采用连续介质的弹塑性理论作为分析工具【l 】。 由于隧道开挖后，围岩不能自稳，所以在隧道开挖之前必须对隧道周边围岩 进行预加固，以改善围岩的物理力学特性，提高围岩的稳定能力。 根据预加固措施对周围地层的加固机理，可将预加固措施分为地层改良法和 预支护法。地层改良法就是提高开挖面周围地层的力学特性的方法【2 】。这种方法包 括：各种静压注浆加固法和排水固结法等。预支护法就是在隧道开挖前，沿隧道 开挖轮廓形成预支护拱棚，在拱棚的保护下进行开挖。长期以来，在隧道工程中， 软弱破碎围岩的维护问题一直是一个难题。一般破碎围岩中隧道结构所受侧压力 较大，且围岩裂隙发育，其强度受软弱结构面控制又比较低，表现为弹塑性变形。 在伴有粘土类软弱物质时其受力还与变形速率有关而具有明显的时间依赖性。具 有各种弱面的非连续岩体处于原始平衡状态，在开挖以后，这种平衡状态受到破 坏，围岩发生应力重分布并产生变形，原有的围岩弱面进一步扩展，同时会产生 若干新的裂隙，围岩发生应力重分布，洞周围岩进入塑性阶段并向深部扩展形成 塑性区，必须及时支护以防塑性区继续发展造成塌方，而且支护形成后很长一段 时间内围岩变形依然存在。 目前隧道界多数人认为，软弱破碎围隧道结构的二次衬砌不应作为安全储备， 而是重要的承载结构，承受约5 0 , - - 7 0 荷载。这部分荷载是由于围岩和衬砌结构共 同变形而作用在衬砌结构上。衬砌结构与围岩共同工作，使洞室保持稳定。根据 新奥法理念，破碎围岩段隧道除衬砌结构需要加强外，还必须重视改善围岩的力 学性质，提高围岩的自稳能力，充分发挥围岩潜在的自承能力，这是利用和开发 围岩自身内部潜能的一条最有效、最根本的围岩维护途径。隧道开挖以前，在掌 子面前方的自然地层中，沿隧道周边轮廓线设置一圈拱壳一样的结构体，使其加 固掌子面前方的自然地层，同时对周围地层产生支护作用，保证掌子面及地层的 稳定，减少地表沉降量，控制围岩塑性区范围，形成一个超前的支护体系，即所 谓的超前支护体系。这些预支护手段提高围岩的岩石力学指标，包括抗压强度、 弹性模量、粘聚力和内摩擦角等。 1 9 世纪以及2 0 世纪早期的隧道修建由于技术方面的困难通常尽可能避开在围 北京交通大学硕士学位论文 岩破碎、风化严重的软弱围岩地段。随着隧道修建技术的发展以及新奥法的提出， 各种改善洞周围岩力学性能的预支护技术应运而生，在软弱破碎地层隧道进洞施 工中发挥了重要作用，如超前锚杆预加固、小导管注浆预加固、大管棚超前支护、 水平旋喷、机械预切槽、插板法等【2 】。 注浆加固是一种改善围岩胶结性质，提高围岩整体性和自承能力，降低支护 厚度，提高支护效果的有效方法。其原理是在一定的压力下，使浆液充填岩层裂 隙和节理，将软弱、松散、破碎的岩块粘结成整体，从而使岩层具有较高的强度 和整体性。注浆加固与其它支护形式结合起来使用，不仅改善围岩的岩性和应力 分布，而且大大缩小围岩变形，减小支承承受的外荷载，改善受力状况。1 8 0 2 年 法国土木工程师c h a r l e sb e d g n y 发明了压力注浆施工方法。1 8 3 8 年c o l l i n 首次将 波特兰水泥用作注浆材料。此后，注浆法在桥梁基础、竖井井壁、矿山开采等领 域得到广泛应用，注浆材料由单一的水泥浆发展到水玻璃、氯化钙、硅酸纳、丙 烯酞胺等化学浆材。1 8 6 4 年p w b a r l o w 第一次将注浆法应用于隧道及地下坑道的 修造。我国从1 9 5 6 年开始成功地应用注浆技术，研究和开发了丙烯、铬木素、聚 氨酷、环氧树酷、酚醛树酷等，先后在水利部门、煤炭系统、公路系统、铁路系 统的坝基、巷道、隧道工程和地下工程当中应用。在隧道修建中，特别是通过断 层、软弱破碎带、岩溶等不良地质地段，注浆堵水、注浆加固围岩、帷幕注浆堵 水等施工技术手段广泛采用，取得了显著的经济效益。随后在军都山隧道建设中， 为克服自稳性差的不良地质地段，发展了小导管注浆预加固技术，并逐渐完善形 成了一种工法。它是锚固与注浆相结合的一种预加固技术，较之插板法、插纤法、 锚杆法等更先进，它采用注浆改善破碎岩体的自稳能力，增强了隧道的稳定性， 这种方法是地层改良法和预支护方法的综合应用。 大管棚支护技术近十几年来应用广泛，国内外对该项技术的研究应用己经比 较成熟，它是隧道通过软弱松散土层、断层破碎带、流塑状粘土、回填杂土等不 良土质地段时所采用的一种超前支护手段。大管棚施工时沿隧道开挖轮廓外，利 用管棚钻机打入一排较大直径的钢管，并将钢管横向连接起来已形成整体。然后 在管棚的保护作用下进行隧道开挖，施作初期支护。其支护原理一是梁效应，即 在掘进时，先行埋设的钢管在掌子面和后方的支撑下，形成梁式结构，防止围岩 的崩塌和松弛，二是加强效应，即钢管插入后，压注水泥浆，加强了钢管周边的 围岩。大管棚超前支护优点是大管棚长度长、刚度大，支护效应好，可有效地控 制围岩变形和地表下沉，增强围岩的稳定性，对不良地层的适应性较强。但施作 大管棚所需的施工机械较多，造价较高。 水平旋喷技术是近年来国内研究比较多的一种超前预支护方法。意大利 r o d i o 公司于1 9 8 3 年首次将水平旋喷技术用于隧道预支护，该支护技术适用于松 4 1 绪论 散土层，如淤泥、砂层、砂砾层、软的粘土层和含水土层。瑞士首次使用水平旋 喷技术作预支护应用于s t a n t o n i u s k i r c h 车站和s t a d e h o f e n 车站之间的一段松散破 碎冰债石层获得成功【3 】。2 0 世纪8 0 年代中期，我国工程界对此开始关注。石家庄 铁道学院经过近八年的努力研制出了t g d 5 0 型多功能旋喷机并获国家专利，在沙 哈拉如隧道洞口段、宋家坪隧道洞口段应用，取得了良好效果。此外，水平旋喷 预支护也是处理松散塌方的有效办法之一。旋喷注浆还能将塌方体内松散土石固 结成拱，再结合合适的初期支护，可得以顺利通过围岩破碎地段。 预切槽技术是2 0 世纪7 0 年代在法国巴黎快速轨道系统的一个车站的建造工 程中首先开发应用的。它是利用专业的切槽机械，沿隧道外轮廓切割一定深度的 切槽，切槽方式有带锯式和排钻式两种【3 】。此项技术可以在整体性好、软弱破碎和 中硬的围岩中开挖的铁路隧道和公路隧道中采用，也可用于建造地下仓库和停车 场，且有减轻在硬石灰岩因爆破时振动扩展的作用，在敏感的周边环境、尤其在 城市环境，可以有效控制爆破震动及噪声。 1 2 2 隧道开挖方法研究现状 对于当今国内外长大公路隧道洞口的施工方法，尽管开挖方法多种多样，但 对于隧道洞口段的软弱岩土层，均需经过适当的地层预加固处理，并采用双侧壁 导洞法、c d 或c r d 工法、台阶法、弧形导洞超前法或其中的组合方法开挖。其 出发点是尽可能地借助于辅助施工方法改良土体，将大断面化大为小，并尽快地 沿开挖轮廓形成封闭或半封闭的承载结构，再开挖核心部和仰拱。 王应富，蒋树屏，张永兴【4 】针对大跨隧道在施工过程中，由于跨度较大而引起 较多的不利因素导致施工进展困难，文章应用有限元方法对长大隧道的完整开挖 过程进行了动态模拟研究，模拟开挖采用能保证施工安全的双侧壁导坑法对围岩 的位移、初期支护的剪力、弯矩以及锚杆轴力动态变化进行监控提出长大隧道施 工中容易出现的问题及相应的解决措施。 张顶立，王梦恕等【5 】基于内昆铁路部分三线大跨隧道的复杂地质条件，采用理 论分析、数值模拟和现场实测等方法，对不同开挖方法及支护方式下围岩变形特 点和结构稳定性进行了分析，从而确定了合理的施工方法和辅助工法。通过对不 同方案的比较，确定了合理的初期支护方式和参数。在对岩堆体稳定性特点分析 的基础上制定了相应的施工工艺、防坍塌及加固抗滑措施，在工程中应用后取得 了满意的效果。由此形成了复杂围岩条件下大跨隧道修建的系统关键技术。 霍卫华【6 】以修建于软弱围岩中的深圳大梅沙隧道为背景，采用a n s y s 程序对 施工过程中围岩和支护结构体的受力状态进行了模拟计算，结果表明采用双侧壁 5 北京交通大学硕士学位论文 导坑法施工，导坑的围岩应力呈不对称分布，尤其在临时支护与永久支护的结合 部位会出现应力集中现象；中洞上步开挖是施工过程中最不利环节，容易产生较大 的卸荷效应，引起拱顶和地表的大幅度沉降。据此提出了对拱部支护及时施作二 次衬砌以及对拱腰和边墙底部围岩采取注浆加固等技术措施，保证围岩和支护结 构的稳定。 孟伶俐等r 7 】通过建立大断面隧道三维施工开挖模型，采用三维有限元模拟隧道 开挖施工，分析大断面隧道开挖过程中单侧壁导坑法和双侧壁导坑法各自的施工 工况，以及在施工过程中分别引起的地表沉降。最后得到两种方法引起的地表沉 降数值相差不大，但考虑到单侧壁导坑法施工工序少，施工成本较低，所以优先 选择单侧壁导坑法施工。 奚正兵等【8 】运用商用数值模拟软件模拟隧道开挖施工过程，通过对大断面隧道 开挖引起塑性区分布、地层分层沉降的数工模拟成果的分析，得出了在同一围岩 条件下，采用不同的施工方法开挖隧道引起地表变形、塑性区分布、地层分层沉 降的特性和机理，在此基础上提出了相关的施工技术措施，使隧道在整个施工过 程中都处于安全可靠范围之内。 吴梦军，刘新荣等【9 】利用“公路隧道结构与围岩综合实验系统( c t s s s r h ) ，考 虑特大断面公路隧道由于跨度特大和断面扁平，加上施工期间诸多工序的相互影 响、围岩的多次扰动等诸多因素，对特大断面隧道在不同施工方法下的施工动态 过程进行了物理模拟，研究了特大断面隧道围岩位移、变形等发展规律，提出了 特大断面隧道施工时双侧壁导坑法优于台阶法。 h o e k 【l o 】介绍了在1 0 m , - - 1 6 m 的大跨隧道开挖中，当开挖岩体自身强度和其原 位应力降低到0 2 以下时，岩体的压力成为影响隧道稳定的主要因素，文中详细介 绍了一种预测围岩压力的方法，并阐述了掘进机法在大跨隧道开挖中的应用。 s a k u r a i m i t s u o u 】介绍了大跨隧道和水下隧道中喷射混凝土支护方法的应用， 并阐述了围岩承受压力的大小和喷射混凝土衬砌厚度的关系。 1 3 隧道围岩稳定性国内外研究现状 围岩稳定性指隧道施工过程中，在无支护条件下隧道洞室围岩的自稳能力【1 2 】。 由于高等级公路隧道对围岩有着极为严格的要求，因此对高等级公路隧道围岩稳 定性做出正确合理的评价，对隧道设计、施工和安全运营有着极为重要的指导意 义。 现行高速公路隧道围岩稳定性评价，一般分为定性评价和定量评价。定性评 价是一种粗略的围岩稳定性评价方法，主要用于中小规模的浅埋隧道，常与定量 6 1 绪论 评价方法结合使用，工程实践中最常用方法是工程地质判别法。定量评价是在岩 体物理力学性质指标的基础上，采用解析分析法、图解分析法和数值分析法来评 价围岩稳定性，是工程实践中准确评价围岩稳定性的极为常用的方法。 工程地质判别法主要用于小规模浅埋隧道，这类隧道围岩应力较低且影响范 围较小，变形破坏总是发生在围岩强度显著降低的部位，不稳定的地质标志较为 明显，通过一定的地质工作便能够对围岩稳定性加以研究和评价。在进行隧道围 岩稳定性评价时，运用工程地质理论阐述隧道围岩的变形破坏机制和影响围岩稳 定性的地质因素，按照高速公路隧道围岩分类标准对隧道围岩进行分段和分类， 给出相应各段各类围岩的稳定性级别，供隧道设计和施工使用。 近年来，各国都在借助各类地下工程实践经验编制高速公路隧道围岩分类方 案以使公路隧道设计和围岩分类标准化，针对不同的围岩类别，直接定量地给出 围岩压力和支护衬砌的形式和厚度。国外著名的围岩分类方案有t 普氏固结系数 法( 前苏联) 、d e e r 的r q d 分类法、奥地利的m a t m 分类法、b a r t o n 的q 系统法 等以及国际岩石力学协会的基本地质描述法。我国科技工作者在国外岩石分类的 基础上，编制了各行业专门的地下工程围岩分类方案，例如岩体构造类型分类法、 围岩稳定性动态分级、坑道工程围岩分类、地下洞室围岩分类、铁路隧道岩体分 级建议方案，b q 分级法( g b 5 0 2 1 8 9 4 ) 等。 目前，工程实践中通常采用的隧道围岩定量评价方法有解析分析法、图解分 析法和数值分析法等，见图1 1 。 解析分析法是通过对地质原型的高度抽象获得简单的计算模型，借助数学力 学工具计算围岩中的应力分布状态，从而进行隧道围岩稳定性评价。其中张倬元 教授、王士天教授等介绍了( 似) 均质围岩稳定性，含单一软弱结构面稳定以及顶拱 围岩中简单块体稳定性分析的解析计算方法【1 3 】。美籍华人石根华教授的关键块 体理论【1 4 】，于1 9 8 5 年出版问世后，我国学者迅速将此理论和相关分析方法应用 到隧道围岩局部块体的稳定性分析中。此外，加拿大t o r o n t o 大学的e h o e k 等【1 5 】 人依据石根华博士的块体理论研制出u n w e d g e 分析计算软件，应用于坚硬岩体中 开挖所形成的块体稳定性分析，我国的许强博士【1 6 】也开发出类似功能的s a s w 软 件。 图解分析法是通过作图来分析各结构面之间、结构面和开挖临空面之间的空 间组合关系，确定出在不同工程部位可能形成块体的边界，进而分析其稳定性， 常用的有赤平极射投影法、实体比例投影法、地质几何法( 关键块体法) 等。在应用 赤平极射投影法和实体比例投影法进行地下工程围岩稳定性分析方面，中科院地 质所的王思敬院士，孙玉科教授、刘竹华教授等进行了系统地、开拓性地研究【1 7 j 。 北京8 9 0 0 3 部队的邢念信教授( 1 9 8 3 ) 运用地质几何法从更为简单、直观和易懂的角 7 北京交通大学硕士学位论文 度对有限软弱面切割成的不稳定块体进行了稳定性分析。 数值分析法是通过对地质原型的抽象并借助有限元等分析方法计算不同工况 荷载下岩体的应力状态和围岩稳定性问题。2 0 世纪7 0 年代以来，随着数学，力学 和计算机的发展，数值分析法在岩土工程领域得到越来越广泛的应用。数值分析 作为解决复杂介质、复杂边界条件下各类工程问题的重要工具而加以推广，在岩 石力学有关领域的数值分析方法中，主要使用的方法为有限单元法( f e m ) 、边界单 元法( b e m ) 、离散单元法( d e m ) 、拉格朗日单元法以及块体理论等，或是上述几种 方法的耦合分析。在众多的数值分析方法中，有限单元法被最早用于隧道结构计 算，在这方面做出重要贡献的的代表学者有：s f 瑞亚斯和d v 迪尔( 1 9 6 6 ) t ”】、0 c 辛克幺隹奇( 1 9 6 8 1 9 7 4 ) t 19 1 、e l 威尔逊( 1 9 6 8 ) 【2 0 1 、f h 库尔荷威( 1 9 7 5 ) 2 1 1 、w 维特基 ( 1 9 7 7 ) t 2 2 】等。由于有限单元法能较容易的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性状，具有很强的适应性，所以其应用发展非常快， 目前己成为隧道数值分析的主要手段。 有限单元法在解决高维、奇异、耦合、无限域等复杂问题时存在计算工作量 大和计算精度不高等问题，因此，将解析法与数值法相结合的半解析数值方法开 始应用于隧道结构分析中。有限层法、有限条法、有限元线法、无限单元法、边 界单元法等都属于半解析法，其中以无限单元法【2 3 和边界单元法【2 4 】应用较多。在 此基础上，有限元与半解析元藕合分析的数值方法也开始出现，并在隧道中得到 广泛应用。国内在这方面进行深入研究并作出重要贡献的学者有曹志远、张佑启 尘塞【2 5 】 可 。 有限单元法是建立在连续介质力学基础上的数值分析方法。在地下工程分析 中经常会遇到节理、层理以及断层面等不连续问题，岩体的运动往往主要受制于 这些弱面的影响，为了能够处理岩体非连续的特性，1 9 7 1 年e c u n d a l l 提出并发展 了离散单元法( d e m ) 【2 6 1 ，它以受节理分离离散的块体为研究对象。8 0 年代中期王 泳嘉【2 7 】等将其引入我国，并进行了进一步的研究和发展。 19 8 8 年石根华教授提出的非连续变形分析法( d d a ) 【2 8 】是另一种用于分析非连 续节理岩体的数值方法，十多年来己经有了很大的发展，为将连续和非连续介质 统一进行处理，石根华教授又于1 9 9 2 年提出了流形元法( m e m ) 。它以拓扑流形和 微分流形为基础，利用“流形 有限覆盖技术，把连续和非连续的计算统一到数 值流形中去，成为当前数值分析方法研究的热点之一，其应用前景看好。 一般的有限元法解决的问题仍局限于小变形的假设，即忽略因变形造成几何 尺寸的改变所导致应力的微小变化，且略去应变的二次幂，对于几何大变形问题， 虽然原则上可以通过将荷载分成若干级来处理，但计算繁杂，工作量大。为处理 隧道中遇到的大应变问题，拉格朗日元法【2 9 】得到了发展。它是一种分析非线性大 i 绪论 变形问题的数值方法，这种方法依然遵循连续介质的假设，利用差分格式，按时 步积分求解，随着构形的变化不断更新坐标，允许介质有大的变形。 隧道围岩是自然的、历史的产物，其分布和物理力学性质参数往往具有随机 性，同时，隧道衬砌材料性能、几何尺寸、荷载等也具有不确定性。为了充分考 虑这种随机性和不确定性，7 0 年代开始，随机有限元法【3 0 】开始出现，运用它可以 分析材料参数、几何形状或荷载具有某种不确定性时的位移、内力及可靠性的分 析，到8 0 年代后期，随机有限元法得到了迅速发展，大量文献开始涌现1 3 1 j 。 对隧道开挖的研究通常以应力场的变化为主，在特殊情况下会涉及到其它场， 比如地下水丰富地区隧道的渗流场与应力场耦合问题，寒区冻土隧道开挖的温度 场、渗流场和应力场的耦合问题。为了研究这些特殊问题，多场耦合的数值分析 方法开始得到了发展，其中以有限元数值耦合分析最为常见【3 2 j 。 在数值分析计算中，材料本构模型的选取是否合适在很大程度影响其计算精 度。在隧道数值计算中，围岩的本构关系最初采用线性弹性模型，它以广义虎克 定律为基础；其后有弹塑性模型，其以塑性增量理论或全量理论为基础，最常用 的弹塑性模型有t r e s c a 模型、d m c k e r - p r a g v r 模型、m o h r - c o u l o m b 模型等。隧道 围岩材料具有蠕变性，其应力一应变关系与时间有关，考虑时间效应则采用粘弹 塑性模型，常用的粘弹性模型有m a x w e l l 模型、k e l v i n 模型等，常用的粘塑性模 型有b i n g h a m 模型等，常用的粘弹塑性模型有三元件粘弹塑性模型等【3 3 1 。 在对隧道及地下工程进行数值模拟的过程中，为了真实模拟隧道围岩实际状 态和支护结构的作用效果，除对围岩一般采用等参数单元进行模拟外，对支护结 构的模拟也有了一定的发展，比如对锚杆的模拟就有多种单元，从轴力杆单元到 三维杆单元【3 4 】等，对围岩节理面的模拟也有能反映节理面、接触面特性的节理单 元 3 5 】、接触面单元、界面应力元模型等【3 6 1 。在静力数值模拟分析的基础上，为了 求解隧道围岩受动荷载作用时任一时刻各点的反应值，了解动荷载传递的规律， 进行隧道的抗震设计，动力分析数值方法开始在隧道及地下工程中得到发展和应 用。动力反应数值分析方法包括有限单元法、有限差分法和边界元法等。目前国 内隧道及地下工程中动力反应分析的数值模拟主要集中三个方面：一是隧道施工 过程的爆破振动对隧道结构及其周围环境的影响分析，在这方面铁道部科学研究 院的刘慧等对邻近爆破作用下马蹄形隧道的动态响应特点进行了分析【3 7 】。二是列 车振动荷载作用下隧道结构的动力响应问题，这方面兰州铁道学院的潘昌石教授 等人作了较多的研究探讨。三是在软土地区地下建筑物( 地铁) 的抗震稳定分析，这 方面同济大学的周健等作了较深入的研列3 8 1 。但是总体来说以地震响应分析方法、 随机振动分析方法、动力可靠性分析方法等为基础的动力分析方法还有待进一步 完善。 9 北京交通大学硕士学位论文 近十几年来，数值模拟反分析方法得到了较快的发展，在隧道及地下工程中 得到了越来越多的应用。数值方法的发展为近似求解复杂的地下工程问题提供了 有力的手段，但其近似程度完全取决于所用本构模型在多大程度上反映围岩介质 的特性以及计算参数在多大程度上代表岩土体的真实情况。现场量测监控技术的 发展，为反分析方法提供了许多量测信息，从而促进了反分析方法的发展。目前 地下工程数值模拟反分析方法己经成为一种十分有效的方法，采用反演分析得到 的等效本构模型及等效计算参数，综合反映了围岩的性质和工程施工的各种影响 因素，为工程的准确预报提供了保证。在我国同济大学的杨林德、朱合华等在隧 道及地下工程数值模拟反分析方面作了较多的研究工作【3 9 】。反分析方法通常包括 模型力学参数的反分析和模型识别过程的反分析，力学参数反分析主要指根据现 场量测信息反演分析隧道围岩的力学参数、荷载参；模型识别反分析主要指根据 现场量测信息进行模型本构关系的识别并进行工程预测，它是反分析方法的更高 层次。 数值模拟分析的优点可简略概括如下： 可以分析形状十分复杂、非均质的各种实际的工程结构，可以模拟各种材 料的本构关系、荷载及边界条件，应用的领域也较宽，可以用来模拟土体里的渗 流场、初始应力场及动荷载作用下的结构响应等； 更经济，如用数值分析方法模拟所进行的施工过程，可以直观的“看到”隧道 开挖引起的应力场和应变场的变化。就弹性分析而言，其效果比实验还要好，且 其所需的经费开支却非常少，且没有材料及资源的浪费。 鉴于数值分析方法以上的优点，计算机数值分析方法不断发展进步，并在隧 道力学与工程中的应用日臻完善，取得了较大的经济效益和社会效益，与此同时， 也有一些方面需要进一步改进，特别是隧道的开挖施工是一个动态过程，其每一 个开挖步骤都会引起隧道周边围岩内应力场、位移场等的变化。对隧道的施工过 程进行模拟，能较准确的获得定量或半定量的成果，并能用来较好的指导实际设 计和施工。同济大学对隧道施工动态响应过程进行了较为深入的研究，并取得了 一定的成果，但其研究主要针对上海地下铁道盾构施工方法进行，真正结合新奥 法施工山岭隧道进行施工力学数值模拟分析文献还很少。本文结合绩黄高速公路 佛岭隧道的施工过程进行数值计算，为长大公路隧道洞口浅埋软弱围岩段施工力 学的发展作一些有益的尝试。 1 0 1 绪论 围 岩 稳 定 性 分 析 方 法 有限单元法 f 】粼 边界元法 d d a 方法 离散元法 块体单元法 块体弹簧分析方法 厂模糊数学方 1 l 可靠度方法 ，灰色关联方 1 一 断裂损伤力学方 r l 反分析方法 图i - i 围岩稳定性分析方法 1 4 研究方法、技术路线和研究内容 1 4 1 研究方法 本文中采用国际上通用的有限元计算程序a n s y s 建立有限元模型，采用国 际通用商业有限差分软件f l a c 3 d 有限元程序分别模拟了佛岭隧道洞口段不同施 工方法对施工的影响。通过对不同开挖方法的数值模拟结果的比对，掌握隧道裂 隙岩体的变形与破坏规律，确定适合隧道实际条件的合理开挖方法及支护形式、 防止围岩变形过大和失稳的有效工程措施，为隧道的安全顺利施工提供可靠的技 术保障。 1 4 2 技术路线 根据设计、施工中存在的问题，首先介绍了洞口段的一般工程特点，然后分 析隧道洞口段主要的支护方法机理以及洞口段开挖方法，比较了各种施工方法的 一 一 一 一 北京交通大学硕士学位论文 优劣及适用条件，最后结合佛岭隧道的实际工程情况，提出了佛岭隧道施工方法 的建议。通过对佛岭隧道洞口段软弱围岩分别采用各种工法进行三维数值模拟， 分析其围岩的稳定性，最后比选得出最优的施工方法，在此基础上，通过设计要 求和工程坍塌事故的处理优化该施工方法。技术路线如图1 2 所示。 1 4 3 研究内容 佛岭隧道洞口段围岩稳定性分析 预 留 核 心 土 法 双 侧 壁 导 坑 法 o o 工 法 图1 - 2 技术路线框图 为实现上述目标，拟开展以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 在阅读大量文献的基础上，分析各种支护方法机理，对隧道开挖的工法做 了归纳总结，对它们的优缺点进行了比较研究，探讨分析了它们的适用范围，结 合佛岭隧道的实际工程情况，定性的提出合理的施工建议。 ( 2 ) 软岩隧道的变形往往变形量较大，而且与实际的开挖顺序和支护类型、支 护时间等因素密切相关。因此对隧道基本变形规律和变形大小进行研究十分必要， 以便确定合理的开挖顺序与支护方式，保证隧道围岩稳定和施工安全。 ( 3 ) 针对预留核心土法、双侧壁导坑法、c d 工法、c r d 工法四种施工方法分 别对佛岭隧道洞口段软弱围岩进行三维弹塑性数值模拟，比较四种方法施工过程 1 2 1 绪论 中围岩、支护结构的受力和变形规律，提出开挖方式的推荐方案。 ( 4 ) 采用弹塑性方法，考虑混凝土初期支护与围岩之间相互作用，对隧道开挖 与支护进行数值模拟。主要研究了隧道洞口