（岩土工程专业论文）卵砾石地层大跨浅埋隧道稳定性与植物加筋作用研究.pdf

摘要 通常情况下，岩石或十层之中隧道t 程已积累了较多的施工技术与经验。对于性质介于碎裂岩体和均 质士体之间的卵砾石地层隧道，国内外都没有太多的_ t 程案例，相关的设计施工技术与经验比较缺乏，理 论研究更不多见。因此，系统地分析卵砾石十的工程特性，探讨此种特殊地质条件下火跨浅埋公路隧道设 计、施工的关键技术，对实际t 程具有很好的指导意义。 本文以江苏省宁( 南京) 常( 州) 高速公路茅山西隧道为工程背景，在现场地质调查、原位大型试验、 隧道施工过程监控量测的基础上，采用数值模拟和理论分析相结合的研究方法，针对低山丘陵区地形复杂、 地表植被丰富的卵砾石地层大跨浅埋公路隧道施工安全稳定的关键问题开展了系统深入的研究。主要研究 内容和成果总结如下： ( 1 ) 基于现场地质调布和室内外试验的成果，系统分析了茅山两隧道卵砾石土t 程地质特性。通过 现场地质澜查，结合室内筛分试验成果，探明了卵砾石土的物质组成、粒径大小、颗粒级配及其分布状况： 通过现场人型直剪试验，获得了卵砾石土的抗剪强度指标；粘质胶结的卵砾石土具有明显的峰值强度和残 余强度；其粘聚力较低，而内摩擦角较高：初步探讨了卵砾石地层隧道围岩分级标准及其开挖支护参数， 分析了卵砾石地层隧道变形破坏模式；根据卵砾石土工程地质特征，确定数值模拟方法所采朋的计算模型 和地质参数。 ( 2 ) 在隧道穿越卵砾石土地段，选取典型断面，建立偏压地形大跨浅埋公路隧道的三维计算模型； 以设计支护参数，分别采熘台阶法和分部开挖法以不同开挖方式、不同开挖顺序来模拟隧道的施工过程； 通过对计算结果的对比分析，综合考虑施工过程的围岩稳定和支护结构的安全，确定卵砾石地层偏压地形 大跨浅埋公路隧道的合理开挖方案：拱部超前预支护辅助措施下、先从浅埋拱部断面开挖支护的上半断面 临时中隔墙四分部法。 ( 3 ) 针对卵砾石地层偏压地形大跨浅埋公路隧道采用上半断面临时中隔墙四分部法的施工过程进行 了稳定分析，总结了施工过程中嗣岩和支护结构的位移和应力变化规律，提出了旌工过程中戍该注意和需 要加强的局部部位及其施工对策；将数值计算结果与茅山西隧道相应断面实际施工过程监测数据进行对比 分析，结果有较好的一致性。 ( 4 ) 明确最小安全净距的基本概念，提i j j 以嗣岩竖向位移和最小主应力以及初期支护最小主应力随 净距减小是否发生突变、并结合中间岩柱是否出现塑性区综合确定最小安全净距的新方法；在此基础上， 选取典型分析断面，考虑实际地形条件，分别以2 0 b 、1 5 b 、1 0 b 、0 7 5 b 、0 5 b 、0 3 b ( b 为隧道开挖跨 度) 共6 种不同净距建立双洞隧道的三维计算模型，采用普通分离式隧道设计支护参数和上半断面临时中 隔墙四分部法对施工过程进行数值模拟，通过对计算结果的对比分析，确定不对称地形条件下卵砾石地层 人跨浅埋公路隧道的最小安全净距为隧道开挖跨度的0 7 5 倍。 ( 5 ) 系统总结了植物根系加筋机理的国内外研究成果，根据根系加筋的力学模型明确了根系加筋的 计算方法。针对不同类犁植物根系的几何形态和分布特征，基于根系的抗拉强度和根十之间的接触摩擦效 应，讨论了浅根的加筋作用和深根的锚同作用：并明确了浅根加筋和深根锚固效应的计算方法，即浅根的 加筋作用可以通过提高根士复合体的强度指标来等效处理，而深根的锚固作用在数值模拟过程中采用全长 粘结型锚索来模拟。 ( 6 ) 考虑不同类型植物根系的力学加筋作用效果，探讨了植物根系的加筋作用对软弱岩体大跨浅埋 公路隧道旌工稳定的影响。结果表明：一定含量植物根系的浅层加筋作用和合理间距木本植物主根、侧根、 须根的联合加筋效果对浅埋隧道施- 稳定能够产生有利影响；而单纯主根型的木本植物根系加筋的影响效 果不明显：植物根系的加筋作用对浅埋隧道施工稳定的影响主要体现在减小了拱顶下沉和地表沉降，大幅 度提高了地表浅层土体的抗拉能力；对于植物根系的浅层加筋来说，当隧道埋深稍大于植物根系的分布范 围，即埋深1 2 m 时效果更佳。 关键词：卵砾= f i 地层，公路隧道，大跨浅埋，偏压地形，开挖方案，稳定分析，最小安全净距，浅根加筋， 深根锚蚓，数值模拟 a b s t r a c t al o to fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n de x p e r i e n c eh a v eb e e na c c u m u l a t e df o rt u n n e l sb u i l ti nr o c km a s so rs o i l s t r a t u m h o w e v e r ，f o rt h et u n n e l sb u i l ti ng r a v e ls t r a t u mw h o s ee n g i n e e r i n gp r o p e r t yi sb e t w e e nc a t a c l a s t i cr o c k m a s sa n dh o m o g e n e o u ss o i lm a s st h e r ea r ef e we n g i n e e r i n ge x a m p l e so v e rt h ew o r l d t h e r ei sal a c ko fr e l a t e d t e c h n o l o g ya n de x p e r i e n c eo fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r ef e w t h e r e f o r e ， s y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t yo fg r a v e ls o i la n df u r t h e rd i s c u s s i o no nt h ek e yt e c h n o l o g yo f d e s i g na n dc o n s t r u c t i o nf o rl a r g e s p a na n ds h a l l o we x p r e s s w a yt u n n e li ng r a v e ls t r a t u ma r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c e f o rg u i d i n gp r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o j e c t t h ed i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h ec o n s t r u c t i o no fw e s tt u n n e lo fm a o s h a nm o u n t a i n ，w h i c hl i e so nt h e n a n j i n g - c h a n g z h o ue x p r e s s w a yi nj i a n g s up r o v i n c eo f c h i n a b a s e do ng e o l o g i c a ls u r v e y , l a r g e - s c a l ei n s i t ut e s t s ， a n dm o n i t o r i n go ft h e t u n n e lc o n s t r u c t i o n ，as y s t e m a t i cr e s e a r c hw a sm a d eo ns o m ek e yp r o b l e m so fc o n s t r u c t i o n s t a b i l i t yo fl a r g e s p a na n ds h a l l o wt u n n e li ng r a v e ls t r a t u mw i t hc o m p l e xl a n d f o r ma n dl u x u r i a n tp l a n ti nt h ea r e a o fl o wm o u n t a i n sa n dh i l l st h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa n da c h i e v m e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) e n g i n e e r i n gp r o p e r t yo fg r a v e ls o i li nw e s tt u n n e lo fm a o s h a nm o u n t a i nw a ss y s t e m i c a l l ya n a l y z e d b a s e do nf r u i t so ff i e l dg e o l o g i c a ls u r v e ya n dl a b o r a t o r ya n di n s i t ut e s t s t h ec o m p o s i t i o n ，g r a i nd i a m e t e r , g r a i n s i z ea n a l y s i s ，a n dd i s t r i b u t i o no fg r a v e ls o i la tw e s tt u n n e lo fm a o s h a n m o u n t a i nw e r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g h g e o l o g i c a ls u r v e yc o m b i n e dw i t hl a b o r a t o r ys i e v ea n a l y s i s s h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r so ft h eg r a v e ls o i lw a s o b t a i n e db yi n s i t ul a r g e s c a l ed i r e c ts h e a rt e s t i tw a sf o u n dt h a tg r a v e ls o i lc e m e n t e dw i t hc l a yh a so b v i o u sp e a k s t r e n g t ha n dr e s i d u a ls t r e n g t h i na d d i t i o n ，i th a sr e l a t i v e l ys m a l lc o h e s i o na n dl a r g ei n n e rf r i c t i o n a la n g l e t h e c l a s s i f i c a t i o nc r i t e r i o no fs u r r o u n d i n gr o c km a s sf o rt u n n e li ng r a v e ls t r a t u mw a sp r e l i m i n a r i l yd i s c u s s e d t h e d e f o r m a t i o na n df a i l u r em o d eo ft h et u n n e li ng r a v e ls t r a t u mw a sa n a l y s e d c a l c u l a t i o n a lm o d e la n dg e o l o g i c a l p a r a m e t e r si nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gg e o l o g yp r o p e r t yo f t h eg r a v e l s o i l ( 2 ) t h r e e - d i m e n s i o nc a l c u l a t i o n a lm o d e lw a se s t a b l i s h e df o rl a r g e s p a na n ds h a l l o we x p r e s s w a yt u n n e lw i t h s l o p el a n d f o r mi ng r a v e ls t r a t u mb a s e do na c t u a ll a n d f o r mc o n d i t i o n so ft y p i c a lc r o s s s e c t i o n t h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s s e si n c l u d i n gb e n c hc u tm e t h o da n dp a r t i a l l ye x c a v a t i o nm e t h o dw i t hd i f f e r e n tt u n n e l i n gs c h e m ea n d d i f f e r e n te x c a v a t i o ns e q u e n c ew e r es i m u l a t e d ，r e s p e c t i v e l y a f t e rh a v i n gc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r e dt h es t a b i l i t y o fs u r r o u n d i n gr o c km a s sa n ds a f e t yo fs u p p o r ts y s t e mt h r o u g hc o m p a r i s o na n a l y s i so fc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，a r e a s o n a b l et u n n e l i n gs c h e m ew a sr e c o m m e n d e df o rl a r g e s p a na n ds h a l l o we x p r e s s w a yt u n n e lw i t hs l o p e l a n d f o r mi ng r a v e ls t r a t u m t h er e a s o n a b l et u n n e l i n gs c h e m ei sf o u r - p a r t i a le x c a v a t i o nm e t h o dw i t ht e m p o r a r y d i a p h r a g mi nt o ph e a d i n g ，f i r s t l yt u n n e l i n gf r o ms h a l l o wo v e r b u r d e nt o ph e a d i n gu n d e rt h ea s s i s t a n c eo fa d v a n c e d p r e - s u p p o r ta tt h et u n n e la r c h ( 3 ) s t a b i l i t ya n a l y s i sw a sc o n d u c t e do nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so ff o u r - p a r t i a le x c a v a t i o nm e t h o dw i t h t e m p o r a r yd i a p h r a g mi nt o ph e a d i n gf o rl a r g e s p a na n ds h a l l o we x p r e s s w a yt u n n e lw i t hs l o p el a n d f o r mi ng r a v e l s t r a t u m v a r i a t i o nr u l eo ft h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s so fs u r r o u n d i n gr o c km a s sa n ds u p p o r t i n gs y s t e mw a s a n a l y z e da n ds u m m a r i z e d s o m el o c a lp o s i t i o n sw h i c hs h o u l e db er e i n f o r c e da n dc o r r e s p o n d i n gc o n s t r u c t i o n c o u n t e r m e a s u r ed u r i n gc o n s t r u c t i o nw e r ea l s os u g g e s t e d c a l c u l a t i o nr e s u l t sa r ef a i r l yc o n s i s t e n tw i t hm o n i t o r i n g d a t ao fc o r r e s p o n d i n gc r o s s s e c t i o ni nw e s tt u n n e lo fm a o s h a nm o u n t a i n ( 4 ) t h ec o n c e p to ft h em i n i m u ms a f ec l e a rd i s t a n c ef o rs m a l lc l e a rd i s t a n c et u n n e lw a sd e f i n e d ，a n dan e w i n t e g r a t e dd e t e r m i n a t i o nm e t h o dw a sp u tf o r w a r d t od e t e r m i n et h em i n i m u ms a f ec l e a rd i s t a n c e ，i ts h o u l db e j u d g e dt h a tw h e t h e rt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n ta n dm i n i m u mp r i n c i p a ls t r e s so fs u r r o u n d i n gr o c km a s sa n d m i n i m u mp r i n c i p a ls t r e s so fi n i t i a ls u p p o r tw i l ls h a r p l yc h a n g ew i t hd e c r e a s eo fc l e a rd i s t a n c e ，a n dw h e t h e r p l a s t i cz o n ew i l la p p e a ri nm i d d l er o c km a s s c o n s i d e r i n ga c t u a ll a n d f o r mc o n d i t i o no ft h et y p i c a lc r o s s s e c t i o n ， i i t h r e e - d i m e n s i o nc a l c u l a t i o n a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l yw i t h6d i f f e r e n tc l e a rd i s t a n c e si n c l u d i n g2 0 b 1 5 b ，1 0 b ，0 7 5 b ，0 5 ba n d0 3 b ，w h e r ebs t a n d sf o rt h ee x c a v a t i o ns p a no ft h et u n n e l t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ft h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sw i t hf o u r - p a r t i a le x c a v a t i o nm e t h o dw i t ht e m p o r a r yd i a p h r a g mi nt o ph e a d i n gw a s p e r f o r m e do nd e s i g n e ds u p p o ap a r a m e t e r so fc o m m o ns e p a r a t et u n n e l t h em i n i m u ms a f ec l e a rd i s t a n c ew a s f o u n dt ob eo 7 5t i m e so ft h et u n n e l i n gs p a nf o rl a r g e s p a na n ds h a l l o we x p r e s s w a yt u n n e lw i t ha s y m m e t r i c l a n d f o r mi ng r a v e ls t r a t u mt h r o u g hc o m p a r i s o na n a l y s i so f t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ( 5 ) r e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa b o u tr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo fp l a n tr o o t sw e r es y s t e m i c a l l ys u m m a r i z e d t h ee a l c u l a t i o n a lm e t h o df o rr o o tr e i n f o r c e m e n tw a sd e t e r m i n e db a s e do nt h em e c h a n i c a lm o d e l f o rg e o m e t r y s h a p ea n dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tc a t e g o r i e so fp l a n tr o o t s ，t h er e i n f o r c e m e n te f f e c to fs h a l l o w r o o t sa n da n c h o r a g ef u n c t i o no fd e e pr o o t sw e r ed i s c u s s e do nt h eb a s i so ft e n s i l es t r e n g t ho fs i n g l er o o ta n d f r i c t i o ne f f e c tb e t w e e nr o o t sa n ds o i l r e s p e c t i v e l y t h er e i n f o r c e m e n te f r e c to fs h a l l o wr o o t sc a nb et r e a t e d e q u i v a l e n t l yb yi n c r e a s i n gt h es t r e n g t hi n d e xo fc o m p o s i t eb o d yo fr o o ta n ds o i l t h ea n c h o r a g ef u n c t i o no fd e e p r o o t sc a nb em o d e l l e dw i t hf u l l l e n g t hg r o u t i n ga n c h o rc a b l ei nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ( 6 ) c o n s t r u c t i o ns t a b i l i t yo fl a r g e - s p a na n ds h a l l o we x p r e s s w a yt u n n e li nw e a kr o c km a s sw a sa n a l y z e di n c o n s i d e r a t i o no ft h er e i n f o r c e m e n te f f e c to fd i f f e r e n tc a t e g o r i e so fp l a n tr o o t s b a s e do nt h r e e d i m e n s i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h es h a l l o wr e i n f o r c e m e n ts u p p l i e db yc e r t a i nc o n t e n to fp l a n tr o o t s t o g e t h e rw i t hc o m b i n e dr e i n f o r c e m e n te f f e c to fw o o d yp l a n tr o o t si n c l u d i n gt a p r o o t s ，s i d er o o t sa n df i b r er o o t s w i t hr e a n s o n a b l es p a c ec a l lh a v ep o s i t i v ee f f e c to nc o n s t r u c t i o ns t a b i l i t yo fs h a i l o we x p r e s s w a yt u n n e li nw e a k r o c km a s s h o w e v e r ，t h ea n c h o r a g ee f f e c to fw o o d yp l a n tw i t hj u s tt a p r o o t sh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ec o n s t r u c t i o n s t a b i l i t yo f s h a l l o wt u n n e l t h ei n f l u e n c eo fr e i n f o r c e m e n te f f e c to fp l a n tr o o t so nc o n s t r u c t i o ns t a b i l i t yo f s h a l l o w t u n n e li nw e a kr o c km a s sm a i n l yi n c l u d e sm i n i s h i n gv a u l ts u b s i d e n c ea n ds u r f a c es e t t l e m e n t , g r e a t l yi n c r e a s i n g t h et e n s i l ec a p a c i t yo fs u r f a c es h a l l o ws o i l s h a l l o wr e i n f o r c e m e n te f f e c to fp l a n tr o o t sw i l lb eo p t i m a lf o r c o n s t r u c t i o ns t a b i l i t yo fs h a l l o wt u n n e ii nw e a kr o c km a s sw h e nt h eb u r i e dd e p t ho ft u l i n e li sw i t h i nt h e i n f l u e n c i n gd e p t ho fp l a n tr o o t s ，t h a ti s ，1 - 2 m k e y w o r d s ： g r a v e ls t r a t u m ，e x p r e s s w a yt u n n e l ，l a r g e - s p a na n ds h a l l o wt u n n e l ，s l o p el a n d f o r m ，t u n n e l l i n gs c h e m e ，s t a b i l i t y a n a l y s i s ，m i n i m u ms a f ec l e a rd i s t a n c e ，r e i n f o r c e m e n te f f e c to fs h a l l o wr o o t s ，a n c h o r a g ef u n c t i o no fd e e pr o o t s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 i i 东南大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 的研究成臬，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：渔塑聋签日期： 加艿j 勺j 东南大学学位论文使用授权声明 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：之蕴纽盔篁导师签名研究生签名：2 鲤鱼銎竺导师签名 日期：墨堂! 兰! 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论弟一早 三百t 匕 为了适应我国国民经济和社会的快速健康发展，深入贯彻和落实科学发展观的要求，实现全面建设小 康社会、构建社会主义和谐社会的宏伟目标，近几年来，我国高速公路交通建设取得了快速发展。由于高 速公路对于线路线形有着严格的要求，过去通常采用的山区展线盘山公路已经不能满足快速交通发展的需 要，因此，高速公路往往是“逢山开路，遇水架桥”，穿越山区的公路多以隧道的形式通过，从而促进了 公路隧道特别是人跨隧道t 程的建设和研究。 根据交通部公布的我国公路隧道统计资料，2 0 0 3 年底【l 】，不包括香港、澳门特别行政区和台湾省的数 据，全国共有公路隧道2 1 7 5 座，累计长度近1 0 0 0 7 9 0 m ；隧道座数比上年度1 9 7 2 座增) ) 1 2 0 3 座，长度比上年 度8 3 5 1 4 4 m 增加1 6 5 6 4 6 m 。截至2 0 0 4 年底的统计数据【2 j ，全国公路隧道达2 4 9 5 处、1 2 4 5 6 万延米，比上年末 增加3 2 0 处、2 4 4 8 万延米。截至2 0 0 5 年底1 2 j ，全国公路隧道达2 8 8 9 处、1 5 2 7 0 万延米，比上年末增) ) 1 3 9 4 处、 2 8 1 5 万延米。到了2 0 0 6 底p j ，全国公路隧道达3 7 8 8 处、1 8 4 1 8 万延米，分别比上年末增加了8 8 9 处、3 1 4 8 万延米。统计数据显示，公路隧道的发展近年来呈现高速增艮的态势。这些隧道在降低交通事故发生率、 缩短行车距离、提高行车速度、增加行车安全性和舒适性、节约土地和能源、保护环境、减少山区道路地 质灾害的发生以及国防意义上的隐敞性等多方面发挥了积极作用，取得了良好的社会效益和经济效益。 自2 0 世纪9 0 年代起，三车道及其以上高速公路隧道工程逐渐兴起，如南京中山门隧道、宁淮高速老山 隧道、宁常高速茅山隧道、广东靠椅山隧道、深圳大梅沙隧道、鹅公岌隧道、北京八达岭隧道、重庆铁山 坪隧道、真武山隧道、云南昆石高速公路阳宗隧道等，但我国现行的公路隧道设计规范( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) h 提出，此规范仅适用于以钻爆法为主要开挖手段的各级公路双车道隧道，对于三车道及其以上大跨隧道 没有明确的规定。因此，有必要重新审视和认真研究迅速发展的三车道及其以上大跨公路隧道的设计、施 工及其关键技术。 大跨公路隧道由于开挖跨度较大，断面形状复杂，儿何尺寸不一，目前国内外大多采用以新奥法理论 为基础的复合式衬砌结构。蒋树屏等【5 】通过分析铁路和公路隧道的有关数据认为，隧道修筑过程中，由于 交通工具或交通流量以及设计标准的不同，隧道的建筑面积和断面形状亦不同。铁路单线隧道断面净空面 积a - - 3 l m 2 ，高跨比= 1 2 4 ：复线隧道净空面积a = 6 0 m 2 ，高跨比= 1 1 9 ；公路隧道二车道净空面积a = 6 5 m 2 ， 高跨比= 0 6 7 ；三车道净空面积a = 9 6 m 2 ，高跨比= 0 5 4 ；四车道净空面积a = 1 3 6 m 2 ，高跨比= 0 4 8 。对比 公路二车道隧道和铁路复线隧道，虽然断面面积相差不大，但高跨比却由1 1 9 降低到0 6 7 。高跨比的降低 对隧道同岩的稳定、结构的受力产生不利影响，在结构设计和施工稳定性方面会出现新的技术问题。同时， 支护结构体系的破坏形态也与隧道高跨比的大小有关。可见，公路隧道由于断面形状与铁路隧道的不同， 设计和施工方面存在明显的差别。 目前的山岭隧道施工方法，主要采用以新奥法原理为基础的钻爆法施工。国内外大多视工程地质状况 的好坏，隧道开挖跨度和断面面积的大小，分别采用全断面法、台阶法、分部开挖法( 包括c d 或c r d 法、侧肇导坑法、三导坑( 洞) 法) 或其组合方法；软弱围岩地段需要借助辅助施工措施，经过适当的地 层预加i 古i 处理后再进行开挖【6 】。另外还应指出的是，在三车道以上人断面公路隧道施工中，支护形式、支 护时机、辅助施t 措施等方面的协调配合问题也十分重要，它可以确保隧道的围岩稳定、减少拱顶下沉与 收敛变形，提高施t 速度。 在应用新奥法原理进行隧道工程的设计和施 二时，关键任务是要保证施工过程中的同岩和支护结构的 稳定，以形成长期稳定的地下洞室，满足日益繁重的交通需要。人跨公路隧道施工稳定分析，主要问题涉 及隧道施： 过程中的围岩变形、应力和塑性区的发展变化情况，支护结构的受力变化规律，以及施t 过程 中针对围岩和支护结构局部应该加强的下程措施等。对我国已经建成的三车道人断面公路隧道的设计和施 工情况进行比较可以发现【6 j ：虽然同为三车道隧道，但是相同类别嗣岩条件下的施工方法、辅助施工措施、 初期支护和二次衬砌等t 程措施参数却相差很大，这与工程类比设计的设计者经验有关，因而各不相同。 冈此，有必要开展相关问题的综合分析研究，以详细了解不同类别围岩条件特别是浅埋软弱围岩条件下大 东南人学博上学位论义 跨隧道施工过程中的围岩应力和支护抗力的分布规律，分析相同闱岩类别和断面形式条件下的不同施工方 法、各种施上方法的不同施工工序对围岩变形和旖：r 稳定性的影响，从而制定出一套合理有效、安全稳定 的丁程措施，确保施工高质量，加快我国大跨公路隧道的建设水平。 宁( 南京) 常( 州) 高速公路茅山隧道【”位于江苏省句容市境内，由东隧道和阿隧道两部分组成，采 用分离式双向六车道隧道方案，复合式衬砌结构。隧道衬砌断面采用三心圆、仰拱圆弧连接的形式，衬砌 内轮廓净宽1 5 6 5 m ，净高1 0 4 8 m ；最人开挖跨度1 7 1 5 m ，最大开挖高度1 1 9 8 m ，形状扁平。8 0 以上的 隧道埋深不超过5 0 m ，最浅处不超过2 m ，是典型的浅埋隧道。超过8 0 的段落穿过、v 级( 对应原规 范分别为i 、i i 类) 围岩，岩体软弱破碎，稳定性差。特别是茅山西隧道，大部分穿越软弱的卵砾石地层， 这种地质条件下修建大跨隧道j r 程国内外经验不足，相关的研究成果不多。茅山隧道穿越风景秀丽的江南 名山茅山风景区，区内植被丰富，物种繁多。茅山隧道进出口浅埋段覆盖不同植被，生长茂盛，根系发达。 在宁常高速公路建设过程中，江苏省高速公路建设指挥部提出了以环保为主题，以建设绿色通道、景观大 道为目标，将人文景观与自然景观融为一体，建设一条“环境最美”的高速公路的严格要求。因此，低山 丘陵区复杂条件下大跨浅埋公路隧道的施工稳定特别是环境保护问题需要针对性地研究。 公路隧道包括大跨公路隧道的施工稳定研究较多，并且取得了一系列成果，已经广泛应用丁隧道 ：程 的施工实践。但是，低山丘陵区针对复杂条件下卵砾石地层大跨浅埋公路隧道的系统研究相对较少，有必 要认真研究此类公路隧道的施：l 安全稳定及其关键技术，在理论上总结出一些规律性的成果，并提出切合 实际的施工对策，丰富我国大跨公路隧道施丁实践，以满足我国日益增长的高速公路隧道建设的需要。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 隧道稳定分析方法 所谓“隧道稳定”一般是指坑道周边变形速率呈递减趋势并逐渐趋近于零，其最终位移不侵入建筑限 界，支护结构不出现影响止常使用的裂缝和破损，更不能发生大范围的坍塌。 无支护的隧道称为毛洞，同岩失稳也就是隧道的失稳破坏。围岩丧失稳定，从力学观点来看，就是由 于围岩的应力水平达剑或超过岩体的强度范围较大，形成了一个连续贯通的塑性区和滑动面，产生较大位 移，最终导致火稳。因此，隧洞围岩稳定研究的实质是分析和评价围岩的应力和变形状况。而有支护结构 的隧道，即使隧道支护外闱的同岩已达到强度极限或出现塑性区，但由于支护结构的约束作用使整个支护 系统尚未失稳，则整个洞室仍在正常工作。因而，在有支护结构的隧道，可定义支护结构的失稳为隧道体 系( 支护结构与围岩) 的火稳。 隧道二r ：程施： 过程中罔岩和支护结构的变形和稳定状况分析方法，一般有以下三种，分别称为相似模 型试验方法、现场监测分析方法以及理论计算模拟方法。 ( 1 ) 相似模犁试验方法 相似模型试验方法，多用于重要的难以用现场试验方法解决的复杂工程问题。早在1 9 3 6 年，格恩库兹 涅佐夫就提出了相似模拟方法。1 9 7 8 年b s t i l l b o r g 矛l l o s t e p p h a n s s o n 将相似模拟法用于大跨度洞室研究中。 我国在7 0 年代初就运用三维物理模拟试验来研究围岩及结构受力状态，8 0 年代又利片j 平面应力模型研究大 跨度洞室稳定性。1 9 9 5 年，由交通部重庆公路科学研究所( 现名重庆交通科研设计院) 蒋树屏【8 】为首的课 题组雨1 5 7 0 1 厂联合攻关，成功地研制出“公路隧道结构与同岩综合实验系统( c t s s s r h ) ”，该系统采用 “先加载，后挖洞”的分级加载方法，使得实验室的模拟开挖过程与实际条件下的原型开挖过程相似，较 好地解决了公路隧道动态施t 过程仿真物理模拟的难题。 实际上，相似模型试验是对实际上程问题的一种简化模式，从模型与实际工程问题的相似程度来看， 模型材料及其结构构造到模拟尺度、开挖步序、施工工艺等无不包含着诸多难以解决的问题。模型试验虽 然为工程实施提供了参考，但仍然存在时间模拟尺度上的缺憾，而时间的模拟难度远较其它几项模拟内容 难度更大。加之大尺度模拟试验耗资巨大，难以人量进行。这些都导致了模型试验至今仍然只能作为重大 工程决策的参考依据之一。 ( 2 ) 现场监测分析方法 现场监测分析方法，是- t 程实践中广泛应用的一种稳定分析方法。它是通过对施工过程中的位移和应 2 第一章绪论 力进行实时监测，运用工程类比的方法，采用信息反馈的分析手段，来判断罔岩和支护结构的稳定状况。 目前，监控鼍测所使用的仪器主要是振弦式传感器，人工埋设，人t 采集数据，通过数据管理系统对 原始数据整理之后，进行稳定性分析，并进行信息反馈。当前，施工阶段嗣岩稳定性预测中监控量测数据 的处理方式通常是采用二元( 时间与位移，或时间与应力) 原型预测的同归统计方法，监测数据通过统计 分析建立回归模弛，根据回归模型进行稳定性预测。即采样、回归模型参数的统计推断、末米趋势预测的 方法。对这种模式的进一步分析可以看出，这种方法的基本思路是建立在随机事件的概率统计基础上，而 普遍采用的模型是一维( 二维) 、呈正态分布的概率模型，这样的简化也许是预测问题所不能接受的。 信息反馈设计的主要内容包括