（工程力学专业论文）联拱隧道施工工序动态模拟及施工监测监控技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文依托殷家岩隧道工程，结合当前国内外对联拱隧道的研究特点以及双 联拱隧道施工方法的现状，应用有限元软件a n s y s 对联拱隧道中导洞的开挖进 行了平面有限元分析，对分步施工开挖过程进行了空间有限元分析，并结合隧 道信息化施工监控量测技术和研究手段，对双联拱隧道在整个施工中的力学行 为进行了探讨。 文章首先建立了殷家岩隧道的平面模型，模拟计算中简单介绍了所采用的 d p ( d r u c k e r - - p r a g e r ) 屈服准则及隧道开挖卸载的方法一反转应力释放法，系统 地介绍了隧道平面分析的基本步骤。通过计算，了解了中导洞开挖对围岩位移 场与应力场的影响，确定对监测监控工作十分关键的危险点的位置，并得到了 一些有用的结论，为隧道主洞的全断面开挖提供了资料准备。 在工程实际中，联拱隧道的开挖实际上为一空间问题。因此，文章在第四 章对隧道的开挖过程进行了三维模拟，通过空间模型的建立，实现了施工工序 在空间上的安排，模拟分析联拱隧道开挖时的空间效应、左右洞的相互影响， 特别是对联拱隧道的核心结构物一中隔墙的变形和稳定性进行了进一步的探 讨，分析中得到了中墙纵向应力分布云图及左右洞开挖对中墙的影响曲线。 文章以殷家岩隧道旌工过程中的量测设计及实施为基础，从量测原理，量 测设计和量测信息等方面进行研究。同时，论文由实际施工监控现场所获得的 数据，依照已有经验，以及有限元稳定分析结果进行了反馈，得到了隧道在全 断面开挖时围岩的变形和受力规律。文章通过对k 3 + 6 5 7 断面中隔墙压力盒数 据的综合分析，确认了不同施工阶段围岩和隧道结构的稳定性，并确定了衬砌 结构物较为合理的支护时机。 最后，文章总结了有限元计算和各种经验方法在隧道信息化施工建设中的 可行性及意义。结合殷家岩双联拱隧道工程与有限元模拟分析数据分析结果， 作者指出了论文分析中存在的几个问题，并就隧道监控监测技术的改进提出了 自己的意见。本论文的研究成果为殷家岩隧道工程的现场施工建设提供了有效 指导。 【关键词】：监测监控联拱隧道有限元 应力场位移场围岩施工方式 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e l y e do ny i n j i a y a nt u n n e lp r o j e c t ，i nt h i sp a p e r , t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so f t u n n e lh a sb e e ns i m u l a t e db a s e do n2 d e l a s t o - p l a s t i cs t r u c t u r a la n a l y s i sa n d 3 df e m a n a l y s i s 、i t i la n s y sp r o g r a m c o m b i n i n g - t h es t u d yc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ec u r r e n t c o n s t r u c t i o nm e t h o do ft w i na r c h e d t u n n e li nd o m e s t i ca n da b o a r d t h ep a p e ra l s o s t u d i e st h em e c h a n i c sb e h a v i o rp r o b l e mo ft h ee x c a v a t i n ga n ds u p p o r t i n gd u r i n gt h e t w i na r c h e d - t u n n e lc o n s t r u c t i o n b yt h ea n a l y s i so ft h ef i e l dm o n i t o r i n gm e a s u r e d d a t ao f o b s e r v a t i o n a lm e t h o d f i r s t l y , t h ep l a n ee l a s t o p l a s t i cm o d e lo fy i n j i a y a nt w i na r c h e d - t u n n e l h a sb e e n s e tu p t h e n t h ep a p e ri n t r o d u c e sd p ( d r u c k e r - - p r a g e r ) s u r r e n d e rc r i t e r i o no f r o c k s o i l p r o j e c ta d o p t e da n db a s i cs t e p o ft h et u n n e ll e v e la n a l y s i n gs y s t e m a t i c a l l y t h r o u g hc a l c u l a t i n gl e a dh o l e sa n de x c a v a t ei t t ot h ed i s p l a c e m e n tf i e l do fc o u n t r y r o c ka n di n f l u e n c ei nc o n f o r m i t yw i t ht h ef o r c ef i e l dw h i l eu n d e r s t a n d i n g ， f i xt o m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ep o s i t i o nw h e r et h ed a n g e rw i t hv e r yk e yw o r ki s l i g h t e d ，a n dh a v eg o ts o m e u s e f u lc o n c l u s i o n s ，h a v eo f f e r e dd a t a - p r e p r i n gf o rt h ef a c t t h a ta 1 1t h es e c t i o ni se x c a v a t e do nm a i nh o l eo ft h et u n t h ep a p e rh a sa n a l y s e dt h es t r e s sf i e l da n dd i s p l a c e m e n tf i e l do ft h es u r r o u n d i n g r o c kb o d yu n d e rd i f f e r e n tp r o c e s s e sa n dt h es u p p o s i n gm e c h a n i c s 、sc h a n g i n g b yt h e c o n s t a s to fm e c h a n i c so fc e n t r a l w a l li nt h es i t u a t i o no fb a c k f i l la n du n b a c k f i l lo f m a i nh o l ec o r r e s p o n d i n gl e a dh o l ep o s i t i o nu n d e rt h et w ok i n d so fo p e r a t i n gm o d e s w h e n e x c a v a t i n g i te x p o u n d s t h ee f f e c to fc o n s t r u c t i o nf a c t o rt ot h ec e n t r a l - w a l l i nf a c t ，i nr e a l i t yp r o j e c t ，t h ee x c a v a t i o no ft w i na r c h e d t u n n e li sas p a c eq u e s t i o n s o t h cp a p e rh a ss i m u l a t e dt h ee x c a v a t i o nc o u r s eo f t h et w i na r c h e d - t u n n e l b y t h e t h r e e 。d i m e n s i o n a ls p a c em o d e li nc h a p t e rf o u r t h ep a p e rs i m u l a t e st h es p a c ee f f e c t d u r i n gt u n n e lc o n s t r u c t i o n ，a n a l y z e st h et r a n s a c t i o nb e t w e e n t h el e f tt u n n e la n dt h e r i g h tt u n n e l ，a n da l s oa n a l y z e s t h ed e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yo fc e n t r a l w a l l t h ep a p e rt a k e s d e s i g n i m p l e m e n t a t i o n o fc o n s t r u c t i o nm e a s u r e m e n to f s u p e r p o s e dt w i n a r c h e d t u n n e la si t sb a s i s ，i n v e s t i g a t i n gf r o mm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e s ， i i 武汉理工大学硕士学位论文 m e a s u r m e n td e s i g n ，d a t aa n a l y s i s b a s e do nt h eg a t h e r e dd a t ao fe s p e r i m e n c e ，t h e f e e db a c ka c c o r d i n gt o s t a b i l i t ya n a l y s i so ff e m a r ec o n d u c t e ds oa st o g r a s pt h e r u l e so fd e f o r m a t i o na n dt h es t r e s so fg r o u n d a n gs t r u c t u r e b ya n a l y z i n gt h e p r e s s u r e d a t ao fk 3 + 6 5 7s e c t i o n s ，t h ep a p e ra s s e s st h e s t a b i l i t y o fg r o u n da n d s t r u c t u r eo f t w i na r c h e d - t u n n e la sw e l la sd e t e r m i n er e a s o n a b l es u p p o r tt i m e f i n a l l y , i ts u m m a r i z e st h ef e a s i b i l i t ya n d t h e m e a n i n go ff e ma n a l y s i s a n d v a r i o u sk i n d so fe x p e r i e n c em e t h o di n0 b s e r v a t i o n a lm e t h o dc o n s t r u c t i o n t h e r e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e no f f e r e df o r y i n j i a y a n t u n n e lc o n s t r u c t i o na n dg u i d e d e f f e c t i v e l y k e y w o r d 】m o n i t o r i n g m e a s u r e ，t w i na r c h e d t u n n e l ，t h es t r e s sf i e l d ， d i s p l a c e m e n tf i e l d ，t h es u r r o u n d i n g r o c k ，c o n s t r u c t i o nm e t h o d i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着高速公路建设的快速发展，由于高速公路技术要求和环境保护的需 要，桥梁和隧道的数量日益增多。有些隧道受地形及展线限制，一些较短的 隧道( 隧道长小于5 0 0 r e ) 选用了联拱结构型式。在四川、云南、贵州、浙江、 福建及湖南等省市的山区高速公路上均规划、设计了几座至几十座联拱隧 道。本论文的依托工程湖北沪蓉西高速公路殷家岩双联拱隧道就是一例。 不容置疑，联拱隧道在些特殊地形条件下，是一种很有效的结构型式， 对节省总体工程投资有着重要的意义，特别是在山区修建短隧道( 隧道长一般 小于5 0 0 m ) 中，具有较明显的优势而常常被采用。但从全国各地现已建成的 联拱隧道的来看，确实存在工期较长、工序较多、造价较高及工程质量不够 理想等问题。因此，除了联拱隧道本身结构型式有待完善外，另一个重要的 因素就是有待对联拱隧道的力学性质进行深入的研究，优化施工工序。尤其 是中隔墙部位受力十分复杂，压、弯、剪均有，并且中隔墙的下沉机制以及 水平位移轨迹将决定联拱隧道结构总体稳定性；其顶部防水也是一个施工难 题。因而中隔墙部位的施工，也是双跨联拱隧道施工的关键之一。鉴于双跨 联拱隧道结构的特殊性，在设计时必须对隧道初期( 施工) 支护参数、二次衬 砌施作时机和参数、支护荷载的计算理论和方法及监控量测等同时进行全面 分析，以保证隧道施工及施工的安全 本论文依托的湖北沪蓉西高速公路殷家岩双联拱隧道的围岩以i 、类 为主交替变化( 其中i i i 类岩7 0 m ，i v 类岩1 1 6 m ) 。隧道区内基本为基岩出露， 局部上覆薄层残坡积碎石土，其中基岩为白垩系中统罗镜滩组( k 2 1 ) 的一 套厚层巨厚层状砾岩。按照先进的新奥法设计、施工，采用复合衬砌，以 锚杆、喷射混凝土或钢筋网喷射混凝土，钢拱架为初期支护，模筑素混凝土 为二次衬砌，在初期支护和二次衬砌之间设复合防水板作为防水层。由于隧 道施工中采用新奥法全断面开挖，并且采用较为简化的施工工序，这对联拱 隧道施工过程中的稳定性等力学问题的研究提出了较高的要求。本论文涉及 武汉理工大学硕士学位论文 的联拱隧道施工过程中力学问题的研究成果不仅可以直接用于该隧道的施 工，确保殷家岩联拱隧道施工的安全性和经济合理性以及运营期间的安全， 而且同时也在联拱隧道的理论研究方面上一个新的台阶。对解决按照新奥法 设计施工的山区高速公路隧道修建技术的关键性问题，具有重大的理论意义 和经济价值，具有广阔的推广前景。 1 2 国内外研究现状 地下隧洞最早的设计理论来自俄国的普氏理论。普氏理论认为；在岩体中 开挖隧洞后，因应力释放洞顶有一部分岩石将因松动而可能坍落，岩体坍落之 后形成拱形，然后才能逐步趋于稳定。这块拱形的坍落体就是作用在衬砌顶上 的围岩压力，然后按结构上承受这些山岩压力来设计结构，这种方法与地面结 构的设计方法相仿，归类为载荷结构法。经过较长时间的实践，发现这些方法 只适合于明挖回填法施工的地下隧洞。随后，人们逐渐认识到了地层对结构受 力变形的约束作用，提出了假定抗力法和弹性地基梁法，这类方法对于覆盖层 厚度不大的暗挖地下结构的设计计算是较为适合的。 另一方面，把地下隧洞与地层看成一个整体，按连续介质力学理论计算地 下隧洞及围岩的内力。由于岩土介质本构关系研究的进步与数值方法和计算机 技术的发展，连续介质方法已能求解各种洞型、多种支护形式的弹性、弹塑眭、 粘弹性和粘弹塑性解，已成为地下隧洞计算中较为完整的理论。 以瑞士、奥地利、挪威、日本等为代表的发达国家，早在上世纪6 0 年代起， 就陆续建成了一批特长隧道，在建的最长隧道为挪威的l a f r l a n d 隧道，达 2 4 5 k m ，己建成的最长公路隧道9 4 k m 。从1 9 1 0 年起的近9 0 年中建成的沉管隧 道就有1 0 7 座，其中美国、荷兰、日本三国就有6 8 座，占6 3 。从发达国家的 山岭隧道修建技术看，较为广泛采用了新奥法，实现了真正意义上的信息化设 计与施工。他们采用了先进的喷射混凝土工艺，较成功地解决了喷射混凝土回 弹；防排水设计与施工工艺得到较好解决；新的支护手段在不断改进，多种通 风形式及静电吸尘等先进通风设备成功采用；稳定可靠的消息公路隧道营运管 理系统在多个发达国家经受了时间表检验，公路隧道病害检测与处治手段均有 新的突破，无损伤探测手段和新型高强材料已在瑞士、同本等发达国家得到较 好应用；针对公路隧道等高风险地下工程，进行了业主、设计、监理及承包商 武汉理工大学硕士学位论文 的共同利益管理模式的尝试，己取得了不少经验。 我国公路隧道事业已取得长足的进步，建成的隧道超过1 0 6 9 座，单洞延长 超过3 4 0 k m ，单洞最长达4 7 0 6 m ，建成的3 0 0 0 m 以上的特长隧道1 3 座，1 5 0 0 m 以 上的3 车道公路隧道5 座，盾构隧道2 座，沉埋隧道2 座。在近1 0 多年的隧道 建设中进行了新奥法的实践和推广，克服了瓦斯、涌水、采空区，软弱围岩、 高地应力、永冻土等不良地质情况的难题，完成了设计、施工、监理技术规范， 并着手养护规范编制和设计规范修订，完成了宝贵的公路隧道经验积累，在新奥 法设计与施工、c a d 技术、纵向通风研究、防排水技术、沉埋及盾构隧道修建技 术均取得了一定的成绩。目前，陕西、四川、吉林、辽宁、广东、浙江、福建、 山西、贵州等省规划和修建一批特长隧道或隧道群，其中长度超过5 k m 的隧道 将有5 座，最长的隧道将达到1 8 6 k m 。 双联拱隧道作为一个新兴课题，主要还存在以下几方面有待研究： ( 1 ) 联拱隧道在高速公路中的作用 在山区高等级公路建设中，路线经常会穿越小垭口或小山鼻的情况，一 般存在三种可以选择的工程方案：路堑、小间距隧道和联拱隧道方案。只要 路基边坡高度等于或大于4 0 m ，且左右路幅难以拉开形成独立的左右线或拉 开( 增大) 左右路幅需要增加较大的路基工程量时，就可考虑采用联拱隧道的 方案。相对于大开挖的路堑方案，它有着不破坏自然景观和避免高边坡不稳 定( 指小规模的坍塌) 对安全营运造成威胁的隐患。与小间距隧道相比较，联 拱隧道对两端接线地形要求不高，接线工程数量小且接线线形较为顺畅；另 外在低围岩类别地段( 指i 和i i 类围岩) ，由于小间距隧道对中心岩核处理的 技术和施工工艺较为复杂，因此联拱隧道在可靠性、经济性和时间性( 指工期) 上与路堑和小间距隧道相比有较大的可行性。 ( 2 1 联拱隧道的净空轮廓研究 隧道净空除了满足建筑限界和洞内设备安装空间要求外，还应满足技 术、视觉和施工工艺的要求。目前，我国在修建联拱隧道的净空轮廓主要有 两种类型，即直中墙净空轮廓和曲中墙净空轮廓【2 j 。 直中墙净空轮廓的联拱隧道施工工艺简单，洞内行车道中心线与洞外路 基行车道中心线偏离较小，但视觉效果较差。近几年来我国的公路隧道技术 有了突飞猛进的发展，对隧道设计与施工工艺提出较高的要求，所建隧道均 应采用大模板钢台车浇筑二衬混凝土以达到二衬内表面整齐光洁。由于联拱 武汉理工大学硕士学位论文 隧道一般长度小于等于5 0 0 m ，采用大模板钢台车一次性资金投入大，而联 拱隧道的直中墙净空轮廓与单洞隧道的净空轮廓差异较大，台车的周转利用 率低造成较大的浪费。 曲中墙净空轮廓的联拱隧道有较好的视觉效果，并且由于其净空轮廓与 单洞隧道的净空轮廓并无实质上的差异( 设计时可用与单洞隧道相同的内轮 廓半径) ，这样就提高了台车的利用率，节省资金。例如，福建省的福泉高速 公路、罗长高速公路所修建的连拱隧道、三福高速公路中联拱隧道以及本论 文所依托的殷家岩双联拱隧道均采用曲中墙净空轮廓。 ( 3 ) 联拱隧道的开挖工序研究 随着双联拱隧道在交通建设中的采用，双联拱隧道的施工方法得到了较 广泛的论证。现今主要的方法有三导洞先墙后拱法、单导洞法、无导洞法等， 针对不同的地质情况采用不同的方法。影响施工工序选择的因素很多，应把 地质因素与工期长短及经济性结合考虑，选择最优的方案。本隧道由于地质 条件较好，采用的方法为单导洞法。其主要施工程序是： 第一步：全断面开挖中导洞，边开挖边做相应的衬砌支护； 第二步：浇筑中隔墙并做以相应的衬砌支护，在中隔墙顶部的灌浆是关 键步骤； 第三步：中隔墙右侧回填； 第四步：全断面开挖左主洞，做相应的衬砌支护，浇注仰拱； 第五步：左主洞基本贯通时，全断面开挖右主洞，衬砌支护为先拱后墙 旌一 。 1 3 论文依托隧道工程概况 湖北沪蓉西高速公路( 宜长高速公路) 第一合同段殷家岩隧道位于湖北省 宜昌市宜都县红花套镇渔洋村殷家岩屋东南。该隧道采用双联拱结构型式的四 车道单向行驶的高速公路隧道穿越山体，隧道起讫桩号为k 3 十5 7 6 k 3 + 7 6 2 ，全 长1 8 6 m 隧道位于r o c 平曲线上，竖曲线半径r - 8 0 0 0 m 。设计纵坡为+ 3 4 和 - - 0 3 8 5 的人字坡，变坡点桩号为k 3 + 6 8 0 。隧道衬砌内轮廓采用r = 5 4 0 c m 单心 圆曲墙形式，中隔墙二衬采用整体全环向模筑混凝土。隧道建筑界限为9 7 5 m ( 宽) 5 0 m ( 高) 。隧道最大埋深达6 0 m ，最大开挖宽度为2 5 m 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 工程地质与水文地质 隧道所经地段为i i i 类围岩( 见表卜i ) ，分强、弱、微三个风化带。隧 道所处区域属亚热带大陆性夏热潮湿气候，光照充足，具明显的大陆性气候特征 年平均气温在1 5 ，极端最高气温可达4 0 以上，极端最低气温为一1 6 一1 4 左右：年平均降雨量1 l o o r n m 1 4 0 0 m m ，降雨量多集中于7 、8 两月，约占全年降雨 量可达l o o m m 3 0 0 m m ，是湖北省暴雨比较集中的地区之一：全年无霜期2 l o 2 4 0 天，地下水主要为地表覆盖层中的孔隙汗潜水及基岩裂隙水赋存于砾岩中， 由于该岩层层面平缓，竖向裂隙一般不发育，故岩层的渗透性差，在隧道区无 充足的地表水体作补给源，水量较小，地下渗透对隧道影响仅表现为滴水，对 钢筋混凝土无腐蚀性。 表卜l 隧道围岩类别划分一览表 里程桩号 长度m围岩类别 k 3 + 5 7 6 一k 3 + 5 9 62 0i i i k 3 + 5 9 6 一k 3 + 6 4 54 9 k 3 + 6 4 5 一k 3 + 6 7 53 0 k 3 + 6 7 5 一k 3 + 7 4 26 7 k 3 + 7 4 2 一k 3 + 7 6 22 0i i i 1 3 2 隧道设计主要技术指标 工程场地地震基本烈度为度，隧道衬砌内轮廓线采用r = 5 4 0 c m 单心圆曲 墙形式，其他指标见表卜2 和表1 3 。 表1 - 2 隧道标准一览表 项目单位标准 隧道建筑限界净 i t l2 9 7 5 隧道建筑限界净 m5 0 设计行车速度 k m h 8 0 开挖断面积 m2 6 3 2 7 武汉理工大学硕士学位论文 表卜3 复合式村砌支护参数一览表 衬砌厨岩 初期支护 喷射 二次衬砌仰拱辅助施工 类型类别 系统锚杆钢筋网钢拱架 砼 c 2 5 模筑钢筋c 2 5 模筑钢 s o明洞混凝土厚 筋混土厚 6 0 c m5 0 c m 2 0 m n s i单层巾c 2 5 u 2 5 型 m2 2 早强砂 6 钢筋喷射c 2 5 模筑钢筋c 2 5 模筑钢 超前钢管巾 s 3i i i 浆l = 3 5 m网2 0 x混凝 钢拱架 混凝土厚筋混凝土 = 1 _ 0 l i i2 0 c m土厚 a = i 0 m4 2 4 0 c m厚4 0 c m = 1 0 m2 0 c m 2 删n s im2 z 单层巾 c 2 5 早强砂浆 6 钢筋 喷射c 2 5 模筑钢筋 s 4l = 3 0 m 网2 5 棍凝混凝土厚 = 1 2 m 2 5 c m 土厚4 0 c m = i 2 m1 5 c m 1 4 本文研究的主要内容 1 4 1 研究方法 本文主要依托殷家岩双联拱隧道工程，主要从有限元数值模拟计算； 隧道现场监控量测这两个方面进行研究。 本文对隧道有限元模型的建立分别采用平面与三维实体建模：平面分析 建立在平面应变问题的基础上进行计算，选定隧道初始施工时开挖的中导洞 的某一关键截面，通过建立二维平面模型计算出该开挖截面的应力应变：三 维模拟结构的选取考虑开挖影响的空间效应，所选模型为左右主洞开始同向异 线开挖阶段，在真实的隧道中截取一段并作必要的简化后作为计算模型，其长 度根据开挖面所能影响到的范围来确定，计算出隧道围岩应力、中隔墙由于空 间效应的影响所产生的弯矩及扭曲，以评估开挖工序对中墙稳定性的影响及 分析隧道的整体稳定性。以上建模计算采用美国大型通用有限元软件 a n s y s 完成。同时，通过现场监控量测数据的采取，对隧道初期围岩的应 力应变及中期中隔墙弯矩轴力进行分析。这两种方法相辅相成，相互印证， 是本文研究的主要手段和方法。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 本文研究的主要内容 从隧道力学的角度来看，在隧道围岩条件理想，如v 类以上围岩时，联 拱隧道不会出现大的修建技术问题，国内外也己有较多的水工、厂房、体育 设施等岩石地下结构物在开挖面积数倍于双跨联拱隧道面积的情况下，成功 修建的事例。但上述这些地下结构多为点状，且能主动地选择在围岩条件极 好的地点修建。公路隧道在线路总体走向的控制下，选址只能在局部范围进 行，且隧道为带状地下结构物，沿隧道纵向往往要遭遇各类断层、软弱围岩 等各种不良地质情况。在此背景下，进行双跨联拱大断面隧道的修建会出现 以下力学方面的问题，也是本文拟开展的研究内容。 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 有限元模型的建立与计算 叙述了有限元平面与三维模型的建立，同时确定了弹塑性屈服准则，用 大型有限元程序a n s y s 5 7 对建立的有限元模型进行了分析计算。 ( 2 ) 双联拱隧道开挖引起的围岩应力重分布叠加模式 在隧道为圆形( 或近圆形) 、围岩为完全弹性体的情况，在静水压力原始 应力场( 此时侧压系数为1 ) 作用下，隧道周边的最大主应力大致为原始应力 的2 倍，围岩的单轴压缩强度低于重分布后的应力时，围岩开始进入塑性。 在联拱隧道开挖时，由于施工工序的问题，先后三次贯通山体，对围岩的扰 动非常大。通过有限元分析，建立隧道周边围岩应力重分布模型，了解围岩 在多重施工扰动情况下的应力重分布问题。 ( 3 ) 双联拱隧道采用单导洞法脆工过程中应力场与位移场动态数值模拟 研究运用有限元中的亲死与激活技术，对双联拱隧道在采用单导坑法施工情 况下围岩支护结构体系的应力场与位移场进行了动态数值模拟。阐述了双联 拱隧道在开挖与支护过程中应力场和位移场的模式，做出一般性总结，有益 于指导施工。 ( 4 ) 中隔墙的受力模式 在双跨联拱隧道结构形式的情况下，中隔墙是隧道结构体承受压力的主 要构件之，是隧道结构应力集中的部位，中墙的力学行为和它的位移及沉 降指标直接关系到双联拱隧道的总体稳定性。因此，对中隔墙力学行为的研 究是本次研究的重要内容，是结构分析的重中之重，也是施工单位施工质量 武汉理工大学硕士学位论文 要求的重中之重。由于先浇注的中隔墙墙身受到后续左右主洞施工和左右主 洞二次称砌的扰动，它的受力形态也十分的复杂，整个中隔墙的应力分布形 态从中隔墙浇注好后直到整个隧道结构体竣工都一直处于变化之中。隧道因 开挖跨度大，支护与围岩的联合结构体通过作用在中隔墙墙顶而将围岩压力 传递到中隔墙上，使中隔墙承受着压、弯、剪。通过有限元模拟分析和现场 监控量测数据分析，对中隔墙的受力模式进行分析，从而了解中隔墙的受力 形态，起到指导施工和设计的作用。尤其是针对以下三种计算结果做出相应 的分析研究： 中墙左右基趾的位移差； 中墙的应力值； 中墙扭曲变形的方向及衡量标准。 ( 5 ) 施工监测监控的方案选择及量测手段，所得数据与模拟计算结果对照 处理。 简述t a 联拱隧道的监测监控方案，主要涉及到一些测量时机及关键断面、 关键点的选择，并介绍了相应的测量仪器，同时也附带介绍了先进的光纤传感 器在隧道施工监测中的应用。 由于各种因素，现场量测所得的原始数据具有一定的离散性，必须进行偏 差分析，回归分析和归纳整理，然后与模拟计算的数据对照，做深入的研究总 结，尽可能了解隧道旌工的力学季亍为。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章隧道结构的稳定性原理及有限元理论 长期以来，地下结构的计算仅仅是针对支护结构的，而在支护结构计算 中一直采取“荷载一结构”。随着新奥法的引入和岩体力学的发展，隧道围 岩不再被单单看着荷载，也被看成隧道支护系统的一部分，围岩和结构之间 的相互作用使得计算复杂很多。正是在这种情况下，有限元分析开始应用于 结构计算当中，而结构分析软件a n s y s 是有限元分析的有效工具之一。 2 1 有限元的分析过程 有限单元法的分析过程，概括起来可以分为以下六个步骤： ( 1 ) 结构的离散化 结构的离散化是有限单元法分析的第一步，它是有限元法的基本概念。 所谓离散化简单地说，就是将要分析的结构物分割成有限个单元体，并在单 元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成 一个单元的集合体，用它代替原来的结构。如果分析的对象是连续体，那么 为了有效地逼近实际的连续体，就需要考虑选择单元的形状和分割方案以及 确定单元和节点的数目等问题。 ( 2 ) 选择位移模式 在完成结构的离散后，就可以对典型单元进行特性分析。此时，为了能 用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对 单元中位移的分布作出一定的假定，也就是假定位移是坐标的某种简单的函 数，这种函数称为位移模式或插值函数。 选择适当的位移函数是有限元法分析中的关键。通常选择多项式作为位 移模式。其原因是因为多项式的数学运算( 微分和积分) 比较方便，并且由于 所有光滑函数的局部，都可以用多项式逼近。 根据选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任一点的位移 关系式，其矩阵形式是 武汉理工大学硕士学位论文 ， = 【1 爆) 。 ( 2 1 ) 式中 厂) 一单元内任一点的位移列阵； 引。一单元的结点位移列阵； 一形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 与经典的近似法相比较，有限单元法具有明显的优越性。例如，在经典的 里兹法中，要求选取一个函数来近似地描述整个求解区域中的位移，并须满 足边界条件；而在有限元法中则采用分块近似，只需对一个单元选择一个近似 位移函数。此时，不必考虑位移边界条件，只需考虑单元之间位移的连续性 就可以了。这样傲当然比起在整个区域中选取一个连续函数要简单得多，特 别是对于复杂的几何形状或者材料性质、作用荷载有突变的结构。 ( 3 ) 分析单元的力学特性位移模式选定以后，就可以进行单元的力学特性 分析，包括下面三部分内容： 利用几何方程，由位移表达式( 2 4 ) 导出结点位移表示单元应变的关系 式 r = t 曰】f 研4 ( 2 2 ) 式中忙，二单元内任一点的应变列阵； 【司一单元应变矩阵。 利用本构方程，由应变的表达式导出结点位移表示单元应力的关系式 仃 = 【d 】【明f 毋 ( 2 3 ) 式中扭 一单元内任一点的应力列阵； 【d 】一与材料有关的弹性矩阵。 利用变分原理，建立作用于单元上的结点力和结点位移之间的关系 式，即单元的平衡方程 咒。= 时 ( 2 4 ) 式中，【七】。称为单元刚度矩阵，其表达式为 时；m 刚哪 蚴 ( 2 5 ) 利用变分原理还同时导得等效结点力 f 】。在以上三项中，导出单元刚 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 度矩阵式单元特性分析得核心内容。 ( 4 ) 集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程这个集合包括有 两方面的内容：一方面将各个单元的刚度矩阵，集合成整个剐度矩阵；二是将 作用于个单元的等效结点力列阵，集合成总的载荷列阵。最常用的集合刚度矩 阵的方法是直接刚度法。一般来说，集合所依据的理由是要求所有相邻的单 元在公共结点处的位移相等。于是得到以整个刚度矩阵 k 、荷载矩阵 f 】以 及整个物体的结点位移列阵f8 表示的整个结构的平衡方程 【捌 毋= 用 ，。、 、z 。o ， 这些方程还应该考虑集合边界条件作适当的修改之后，才能够解出所有 的未知结点位移。 ( 5 ) 求解未知结点位移和计算单元应力由集合起来的平衡方程组( 2 6 ) 解 出未知位移。 ( 6 ) 利用公式( 2 4 ) 和已求出的结点位移计算各单元的应力，并加以整理得 出所要的结果。 2 2 隧道工程的结构体系及其形成 众所周知，隧道工程所处的环境条件与地面工程是完全不同的。隧道是处 在各种地质环境中的地下结构物。因此，它必将受到周围地质环境的强烈影响。 这里所谓的地质环境包括：地质体的形成及其经历；初始地应力场( 包括构造 应力场在内) ；各种地质体的物理、力学、构造和时间特性及其分类等等。科学 地认识地质环境对隧道等地下结构体系的影响是正确进行结构设计和施工的前 提。 总的说来，这个结构体系是由周围地质体和各种支护结构构成，即： 隧道结构体系= 周围地质体+ 支护结构 它的形成则是通过一定的施工过程或者说是一定的力学过程来实现的。这个过 程大体上可作如下表达： 武汉理工大学硕士学位论文 开挖 支护 时间 围岩0 毛洞j 、支护体系王+ 稳定洞室 开挖支护时间 初始应力状态j l 开挖后应力状+ 支护体系应力状态j l 终极应力状态 ( - - 次应力状态) ( 二次应力状态) 。 ( 三次麻力状态)( 四次应力状态) 可以看到，隧道结构的形成是个力学特性不断改变的动态过程。这个过 程成为设计和施工的主要内容和理论基础。 2 2 1 隧道结构中荷载、结构、材料的不可分割性 隧道工程是由围岩和支护结构组成的地下结构 体系( 图2 1 ) ，其荷载主要来自围岩。而这种结 构体系的主要材料是由绝大部分的围岩构成的，混 凝土及其他支护材料只占很小部分。 因此，围岩既是承载结构的一个重要组成部 分，也是构成承载结构的基本建筑材料，它既是承 受一定荷载的结构体，又是造成荷载的主要来源， 这种三位( 荷载、材料、承载单元) 一体的特征与 地面工程是完全不同的。 图2 1 结构体系概念图示 从这一结构特征出发，研究隧道的稳定性就必须从研究围岩入手。围岩的 承载条件是不断变化的，在开挖隧道之前，它处在三维应力状态条件下，围岩 具有较高的承载能力；在开挖过程中，承载条件发生了改变，从三维应力状态 变成了二维应力状态，使围岩的承载能力有了显著的降低。其次，开挖过后， 围岩发生松弛、变形，而使其性质变异( 强度降低，粘结力或者摩擦角变小) ， 从而降低了它的承载能力。当施加支护措施后，改善了围岩的承载条件，围岩 的承载能力又有所提高。 围岩既然是主要的承载单元，那么在设计和施工中，就必须树立充分发挥 围岩承载作用，即最大限度地利用周边围岩支护功能的基本观点。从这一点出 武汉理工火学硕士学位论文 发，构筑一个长期稳定的洞室结构，虽然开挖和支护都很重要，但是要提高隧 道的稳定性，提高开挖作用远较支护作业重要。 2 2 2 隧道结构的力学特征 2 2 2 1 初始地应力场 隧道的地质环境从理论意义上说是指由初始地应力场、渗流场和温度场组 成的一个复合场，但从实用角度讲主要指初始地应力场。 隧道工程一个重要的力学特征就是：隧道是修筑在具有一定应力履历和一 定应力场的围岩中的结构物。并且这种初始地应力在隧道开挖之前是客观存在 的。它的形成与围岩构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史有密切关系。 需要指出的是，围岩的初始地应力状态与施工引起的附加应力状态是不同的， 它对隧道开挖后围岩应力分布、变形和破坏有着重要的影响。 围岩的初始应力状态一般受到两类因素的影响： 第一类因素有重力、温度、围岩的物理力学性质及构造地形等经常性的因 素。 第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部 性的因素。 因此，初始地应力由两种力系构成，即 盯2 o y 十0 7 式中o - 。，自重应力分量： 坼构造应力分量。 在上述的因素中，目前主要研究的是 由围岩的体力或重力形成的应立场，其他因 素只认为是改变了由重力造成的初始地应 力场。一般说来，重力应力场的估计可以采 用连续介质力学的方法，它的可靠性则决定 对岩石的物理力学性质及围岩的构造 力学性质的研究，其误差比较大。而其他的 因素造成的初始地应力场，主要是用试验 ( 现场试验) 方法完成的。 ( 2 7 ) 地面 7 r 7 7 7 = 7 f i _ 叮 r im l1f 图2 2 地表水平时的自重应力场 武汉理工大学硕士学位论文 l 、重力应立场 首先假设，围岩地层是一个地面平坦、水平成层的线性变形介质。如图2 2 所示，在x z 平面内是均质的，沿y 轴方向是非均质的。 设e 、f 分别为沿垂直方向的围岩弹性模量和泊松比，e 。、f 。为沿水平方 向的围岩弹性模量和泊松比，则因为围岩的变形性质沿深度而变，故可以假定： e = e ( y ) ，= ( y ) ，e l = e l ( y ) ，u ，= 。( y ) ( 2 8 ) 同时，单位体积重也认为是沿深度而变，即，= y ( y ) 。这样，距表面h 深处 一点的应力状态可以表示如下： 自 q 2jr ( y ) d y t2 t ( y j ( 2 9 ) 仃：= 1 3 ：( ) ，) f 叫= f 盯= f 但是处于静力平衡状态的围岩内，沿水平方向的变形等于零，故 e“， ( 2 1 0 ) 5 e l1 一u l 假设围岩为一个连续匀质介质，则e = e i = 常数，p = 尸常数，就得到公式 u( 2 一1 1 ) 盯x2 盯：2 百盯， 设 = , u ( 1 一) ，则式2 5 可以改写为 巳= 盯：= 五盯， ( 2 1 2 ) l 被称为侧压力系数。显然，当垂直应力已知时，水平应力的大小决定于 围岩的泊松比。 深度对初始地应力有着重大的影响。随着深度的增加，o ，和o ：( o 。) 增加 到一定值后，各向受力的围岩处于隐塑性状态。在这种状态下，围岩物理性质 指标( e 和1 1 ) 是变化的，值也是变化的，并随着深度的增加，入值趋于1 ，即 与静水压力相似，此时围岩接近流动状态。 由此可见，围岩的初始地应力场是随深度而变的，其应力状态可视围岩的 不同，分别处于弹性、隐塑性及流动三种状态。围岩的隐塑性状态在坚硬围岩 中约在距地面1 0 k m 以下，也有可能在浅处产生，如在岩石临界强度低( 如泥岩) 武汉理工大学硕士学位论文 的地段。 当然，上述的应立场是理论的。实际一k ， 变态，如变成各种倾斜状、弯曲的等等，这种 情况下，围岩的初始地应力会有变化。比如在 背斜的情况下，由于岩层成拱状分布，使上覆 岩层重量向两翼传递，而直接处在背斜轴下面 的岩层则受到较小的应力( 如图2 3 所示) 。 大量的实测资料表明，地质构造形态改变了重 力应力场的初始状态。 2 、构造应力场 由于地壳运动，岩层会产生各种 - it - - - ：、? j ，一、。i ! ! ：= ：! ：= ：；：= ：兰= ：当 仃0 9 1 ：j 。 1r 1 ，ji 图2 3 背斜构造的自莺应力场 地质力学认为：地壳各处发生的一切构造变形与断裂都是地应力作用的结 果。因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成构成中的应力状态称之为构 造应力场，它是动态的。 由于构造应力场的不确定性，很难用函数形式来表达。它在整个初始地应 力场中的作用只能通过某些量测数据加以分析。 目前，在构造应力场方面已经取得的成果表明： 1 ) 地质构造形态不仅改变了重力应力场，而且除了以各种构造形态获得释 放外，还可以各种形式积蓄在围岩中，这种残余构造应力对隧道工程产生重大 影响。 2 ) 构造应力场在不深的地方已经普遍存在，而且最大构造应力的方向多近 似为水平，其值常常大于重力应力场中的水平应力分量，甚至大于垂直应力分 量。从我国现阶段积累起来的浅层( 埋深小于5 0 0 m ) 实测资料看， 小于0 8 者约占2 7 5 ：在0 8 一1 2 5 之间者约占4 2 3 ； 大于1 2 5 者约占3 0 2 。 3 ) 构造应力场很不均匀，它的参数无论在空 间上还是时间上都有很大的变化，特别是它的主 应力轴的向上绝对值变化很大。 假设近似地确定了水平构造应力巧( 也即 盯。，= r 。) 步作如下分析描述( 如图2 4 所示) 。 图2 4 水平构造应力示意图 设在深h 的围岩内某一点作用有水平构造应 力t m , 则在微分体的最大主应力q ，可以近似为等于 武汉理工大学硕士学位论文 仃”=r(2-13) 由于水平构造应力在另外两个方向产生不同的岩石变形，所以 cryr=z巧(2-14) 盯：r = 伊巧 系数办妒分别为构造应力场水平和