（工程力学专业论文）小净距隧道围岩稳定性及中夹层力学行为研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国地形、地质条件复杂，山岭区所占比重极大，高等级公路建设中大量 地遇到隧道工程，由于特殊地质及地形条件的限制，隧道间距一般都难以满足 普通技术规范要求，因此需要采用小净距隧道及连拱隧道等特殊结构型式。 本文采用平面和三维有限元数值分析方法针对小净距隧道设计、旌工中围 岩稳定性及中夹层力学行为等问题展开了研究。文章首先建立了九岭隧道的平 面模型，模拟计算中首先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，了解了毛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 开挖提供了资料准备。 论文通过对平面小净距隧道无支护洞室进行计算分析得出了影响小净距隧 道围岩稳定性的重要因素、隧道周边围岩应力分布状态和规律以及小净距隧道 中夹层的受力变形特征。然后通过平面的开挖模拟计算了依托工程九岭小净距 隧道三个有代表意义的围岩断面，得出了其开挖过程中的位移及应力场，支护 结构的受力状况，以及隧道开挖完成后的最终塑性区。为九岭隧道的设计和安 全施工提供了一定的指导。 论文通过结合小净距隧道三维开挖的模拟计算重点研究两隧道掌子面间距 离的变化对小净距隧道结构特别是中夹层稳定性的影响，得出了小净距隧道空 问相互影响效应以及小净距隧道两隧道掌子面间的合理距离。 文章以九岭隧道施工过程中的量测设计及实施为基础，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。文章通过对断面传感器数 据的综合分析，与有限元结果比较，验证了有限元分析结果。 最后，文章总结了有限元计算和各种经验方法在隧道施工建设中的可行性 及意义。结合九岭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。本论文的研究成果为九岭隧道工程的现场施工建设提 供了有效指导。 关键词：小净距围岩稳定性有限元 武汉理工人学硕十学位论文 a b s t r a c t d u et oc o m p l i c a t e dt o p o g r a p h i c a la n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa sw e l la sl a r g e n u m b e r so fm o u n t a i n o u sa r e a s ，c o n s t r u c t i o n so fh i g h g r a d eh i g h w a yu n a v o i d a b l y m e e tw i t hl o t so ft u n n e lw o r k s a sar e s u l to fs p e c i a lg e o l o g i c a la n dt o p o g r a p h i c a l l i m i t a t i o n s ，s p a c eo ft u n n e l sc a n n o ts a t i s f yw i t hg e n e r a lt e c h n i c a lc o d e s t h e r e f o r e ， s u c hs p e c i a ls t r u c t u r es h a p ea ss m a l ls p a c i n gt u n n e l t w i n - b o r et u n n e ls h o u l db e a p p l i e d a i m i n ga tt w i n - b o r et u n n e lw i t hs m a l ls p a c i n g , t h i sp a p e ra p p l i e d2 da n d 3 d f e mn u m e r i c a la n a l y s i st h ec o n s t r u c t i o nt h ea d j a c e n tf o r m a t i o ns t a b i l i t ya n d c e n t e r q u e s t i o na n ds oo nb a n dm e c h a n i c sb e h a v i o rh a sl a u n c h e dt h er e s e a r c h 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 lh a sb e e ns e t 叩 t h e n ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sd p ( d m 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 fr o c ks o i l p r o j e c ta d o p t e da n db a s i cs t e po 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 h c 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 tt ot h ed i s p l a c e m e n tf i e l do fc o u n t r yr o c k a n d i n f l u e n c ei nc o n f o r m i t y 、j i r 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 奴t om o n i t o r i n g a 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 sl i g h t e d , a n d h a v eg o ts o m eu 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 tt h a ta nt h e s 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 ra tf l r s ts t u d i e so nt h es t a b i l i t yo ft u n n e lw i t hn os u p p o r tb y2 df e m a n dd r a w st h ec o n c l u s i o no fw h a ta r et h em a i nf a c t o r se f f e c t i n gt h ei t ，s t r e s s d i s t r i b u t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k sa n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r so fm i d d l er o c kp i l l a r s t h e ne x c a v a t e dt h ea n a l o g c o m p u t a t i o nt h r o u g ht h ep l a n et od e p e n do np r o j e c tn i n e r a n g e ss m a l ls p a c i n gt u n n e l st h r e et oh a v et h er e p r e s e n t a t i v es i g n i f i c a n c et h e a d j a c e n t f o r m a t i o nc r o s ss e c t i o n , o b t a i n e di tt oe x c a v a t ei nt h e p r o c e s st h ed i s p l a c e m e n ta n d t h es f f e 鹞f i e l d ，s u p p o r tt h es t r u c t u r e s t r e s sc o n d i t i o n , a sw e ha st u n n e le x c a v a t i o n c o m p l e t e da f t e rt h e r m a lp l a s t i c a r e a h a sp r o v i d e dt h ec e r t a i ni n s t r u c t i o nf o r n i n e r a n g e st u u n e l sd e s i g na n dt h es a f ec o n s t r u c t i o n b yt h es t u d yo n3 d - e x c a v a t i o no ft w i n - b o r et u n n e lw i t hs m a l ls p a c i n ge s p e c i a l l y 武汉理工大学硕士学位论文 f o rs t a b i l i t yo fm i d d l er o c kp i l l a r s ，t h ep a p e rc l a r i f i e st h ei n t e r a c t i o no ft w i n - b o r e t u n n e lw i t hs m a l ls p a c i n ga n dg i v e st h er e a s o n a b l ei n t e r v a lb e t w e e nt h ec u t t i n g f a c e s 1 1 他p a p e rt a k e sd e s i g n & i m p l e m e n t a t i o no fc o n s t r u c t i o nm e a s u r e m e n to f j i u l i n g t u n n e la si t sb a s i s b a s e do i lt 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 ef e e db a c k a f c o r d i n gt os t a b i l i t ￥a n a l y s i so ff e m a r ec o n d u c t e ds oa st og r a s pt h er u l e so f d e f o r m a t i o na n dt h es t x e s so fg r o u n da n gs t r u c t u r e b ya n a l y z i n gt h ep r e s s u r ed a t a o f s o m e ：s e c t i o n s ，a n dc o m p a r e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tr e s u l t , h a sc o n f i r m e dt h e f m i t e e l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t 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 em e a n i n go ff e ma n a l y s i sa 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 d 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 d e f f e c t i v e l y i n o 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 f o rj i n l i n gt u n n e l c o n s t r u c t i o na n dg u i d e d k c y w o r d 】s m a l ls p a c i n gs t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n g f e m 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的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，也不包含为获得武汉理工 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) ： 关于论文使用授权的说明 日期：卜“，7 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：童虹导师。签名) ：釜! 兰日期：! 芝：竺空 武汉理j ：人学硕士学位论文 1 1 引言 第l 章绪论 我国地域广阔，尤其西部地区地形、地质条件复杂，山岭区所占比重极大， 高等级公路建设中大量地遇到隧道工程，由于特殊地质及地形条件、线桥隧衔 接方式、总体路线线型和工程造价等原因的限制，双洞隧道左右线间距不能保 证达到规范的要求，必须采用小净距隧道及连拱隧道等特殊结构型式。从目前 来看，采用连拱隧道的工程较多，如已修和在建中的国道1 0 8 线广元段、四川 宜宾一云南水富高速公路、渝合( 重庆一合川) 、金丽温( 金华一丽水一温州) 、 昆石( 昆明一石林) 、崇遵( 桊溪河一遵义) 等高速公路隧道中，大量采用了连拱 隧道。 o q 但是，工程实践表明，连拱隧道存在以下缺点： 1 ) 施工难度大，施工周期长； 2 ) 由于结构构造复杂，中墙顶部连接处的防水问题很难解决，建成后容易 渗漏水，严重影响公路隧道的适用性和耐久性； 3 ) 连拱结构对变形敏感，衬砌易出现裂缝，安全性较差； 4 ) 由于开挖总断面较大、扁平率较低、施工较复杂，施工中极易产生塌方， 施工期间的安全性不易保证： 5 ) 进出口浅埋段及低类别围岩段工程造价过高等。 而采用小净距隧道方案，不仅能很好地满足特殊地质及地形条件、线桥隧 衔接方式、总体路线线型的特殊要求，而且有利于公路整体线型规划和线型优 化，能较好地解决连拱隧道存在的缺点，取得良好的技术经济效果，具有显著 的经济、社会、环境效益。但小净距隧道设计、施工中较多关键技术未能解决， 诸如对中间岩柱进行加固的判定条件和加固方法、主体结构设计参数、爆破影 响评价及控制标准、合理施工方法、监控量测体系和监控基准、长期安全性评 估等，因此加强针对小净距隧道研究是十分必要的和具有现实意义的。【啦l 为了全面了解和掌握小净距隧道的施工特点，采用数值分析方法动态模拟 施工全过程中围岩和支护结构的应力应变规律，从理论高度解释和认识小净距 隧道的变形规律和工程特点，就显德非常重要数值分析方法不仅可以解释、分 武汉理工大学硕士学位论文 析现场观测到的复杂现象，弥补现场监测测点布置及观测内容有限等方面的不 足，而且还可以模拟实际工程中的不良工况，对于揭示小净距隧道内在力学机 理，丰富和完善其设计理论起到积极作用。 i 2 国内外研究现状 隧道工程作为岩土工程的一个重要组成部分，在交通、建筑、水电、国防 等部门占有极其重要的地位。它不仅与地质条件密切相关，而且与工程类别、 施工工艺、支护方式及时间等也有密切关系。而在隧道工程中，经常遇到的不 是单线隧道而是双线隧道，如铁路和公路中的两平行隧道，水电工程中的引水 隧洞、排洪洞、排沙洞等。在双线或多线隧洞布置较近的情况下，围岩应力场、 位移场和合理孔间距、围岩级别及与之相适应的施工方法，往往成为工程设计 所关心的重要问题和难点所在。 长期以来，国内外学者一直非常重视隧道围岩应力应变场和日岩稳定性问 题的研究，特别是单线隧洞研究己相当成熟，其成果己在工程实践中产生了重 大的影响和巨大的经济效益但对于相邻隧道围岩应力场的相互影响、相互作用 关系以及这种关系对隧道围岩、衬砌稳定性的影响等研究较少，亦即是隧道工 程中存在的空白。 在日本及欧美等隧道修建技术比较发达的国家，从上世纪7 0 年代就开始了 小净距隧道的相关研究。日本铁道技术学会于7 0 年代初发表了关于平行隧道 研究的报告，认为平行隧道的中心距在可以把地层看作完全弹性体时，约为开 挖宽度的两倍，而在粘土等软地层中，则为开挖宽度的五倍，并且规定平行公 路隧道的中心距为3 0 米( 约为开挖宽度的三倍) ，国铁单线隧道的标准净距是2 0 米。t jr i 田等结合田囊新镇干线公路上的尾山大理隧道对小净距隧道设计、开 挖方式进行了系统研究；h i r o s h ik u r i y a m a 等人结合福岗市地铁3 号线对岩 柱加固方法、监控量测进行了研究，并进行了三维数值模拟分析；今田辙等对 硬岩中小净距隧道的断面型式、施工措施和爆破控制进行了研究，并提出了标 准断面和爆破控制标准。在小净距隧道近接施工问题上的研究，日本走在了前 列，于1 9 8 7 年出版了“近接施工的设计与指南”一书，初步给出了隧道结构相 互影响的基本条件，影响范围的分类及划分，影响预测和施工对策。但因小净 距隧道结构的特殊性和设计旌工技术的复杂性，一直是各国隧道工程领域的重 2 武汉理工大学硕士学位论文 点研究对象。 在我国，小净距隧道尚为新型隧道结构型式，出现的历史不久。铁路隧道 采用这种结构形式较早，已建成的小净距铁路隧道如内昆线青山隧道，湘黔铁 路娄底至怀化段复线新坪渠隧道、新坪口隧道、新柳潭隧道，宝成复线须家河 隧道，内昆铁路杨柳湾隧道等。深圳、广州、南京、北京等地铁的修建中，均 出现了近距离施工和交叉重叠隧道的情形。研究主要集中在爆破控制和开挖监 控量测和数值模拟计算等方面，特别是，西南交通大学结合深圳地铁一期罗湖 站至大剧院站区间重叠隧道和广州地铁二期越秀公园车站、江南新村车站作了 大量的工作。陋“】i “1 【“l 1 3 论文依托隧道工程概况 世行贷款厦门至成都高速公路瑞金至赣州段a s 5 标九岭隧道位于江西省 赣州市会昌县白鹅乡九岭村。该隧道采用小净距结构形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 6 5 + 7 1 6 k 6 6 + 2 3 0 ，全长5 2 6 1 2 5 m ( 长链1 2 1 2 5 m ) 隧道东端进口路面标高2 4 0 6 8 0 i n ，西端出口路面标高 2 5 4 3 6 0 m 。隧道衬砌内轮廓采用r l = 5 7 0 c m ，r 2 = r 3 = 8 2 0 c m 三心圆曲墙形式，树 砌形式根据隧道埋深及荷载不同，共采用明洞段、级围岩、级围岩、v 级 围岩四种不同的复合式衬砌支护形式，二村采用整体全环向模筑混凝土。隧道 建筑界限为1 0 7 5 m ( 宽) 5 0 n i ( 高) 。隧道最大埋深达7 6 m ，最大开挖宽度为 1 2 6 6 m 。 图1 - 1 隧道结构示意图 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 工程地质与水文地质 隧道区处于一构造剥蚀低山丘陵地区，山体连绵起伏，山体植被、微地貌 发育，主要有山前洪积扇、山闯洼地以及山问冲沟等，山闻冲沟一般常年均有 流水，水质清澈，水量较大；隧道山体走向比较紊乱，大致呈东西向。沿隧道 轴线，区内的最高点标高为3 2 6 6 7 米左右。隧道洞身山体的山间冲沟发育，有 些冲沟发育成水溪，主要为山间洪水和地下水的排泄通道。 区内属于亚热带湿润季风气候区，具有春早、夏长、秋短、冬暖，四季分 明，雨量充沛等特点。多年平均气温在1 8 9 1 2 1 9 7 1 2 ，一月平均气温8 1 8 3 ，七月平均气温2 8 7 ，极端最低气温一6 7 ，极端最高气温3 9 9 1 2 ， 年降水量1 6 2 4 毫米，无霜期2 8 0 天。降雨主要集中在春、夏两季。 表卜1 隧道围岩级别划分一览表 里程桩号 长度m围岩级别 k 6 5 + 7 1 6 - k 6 5 十8 0 89 6v k 6 5 + 8 0 8 - k 6 5 + 9 1 01 0 2 k 6 5 + 9 1 0 - k 6 6 + 0 4 61 3 6 k 6 6 + 0 4 6 - k 6 6 + 1 8 81 5 4 2 7 5 k 6 6 + 1 8 8 - k 6 6 + 2 3 04 2v 1 3 2 隧道设计概况 本隧道为小净距单向行车的双洞隧道，根据地形条件，结合防排水设计， 以“早出洞，晚进洞”为原则确定了洞口位置，赣州端洞门设在i ( 6 6 + 2 3 0 ，瑞金 端洞门设在k 6 5 + 7 1 6 ，均采用削竹式洞门，为保证洞口边坡在施工和使用阶段 的稳定性，在隧道入口设置了l o m 明洞衬砌，隧道出口设置了l o i n 明洞衬砌， 根据隧道埋深和荷载类型的不同共设计了四种不同的衬砌结构形式，其复合衬 砌支护参数见下表： 4 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 2 复合式衬砌支护参数一览表 树砌围岩 复合式衬砌 类型级别 二村仰拱 系统罐杆钢筋同喷射钢拱架 c 2 5 钢筋混c 2 5 模筑钢 x s m明洞凝土厚6 0 c m筋混凝土 厚5 0 e m f 2 2 药卷锚杆c 2 5 喷射u 2 5 型钢c 2 5 模筑钢 c 2 5 模筑钢 i ；3 o r e , = 单层丸 混凝土厚钢架筋混凝土厚筋混凝土 x s 3m1 2 m ，= 1 o a t钢筋舟 2 0 c ma = 1 2 m4 0 c m 厚4 0 c m 2 5 x 2 5 c m c 2 5 喷射u 2 5 型钢c 2 5 模筑钢 c 2 5 模筑钢 f 2 2 药卷锚杆 双层九 混凝土厚钢架筋混凝土厚筋混凝土 x s 4 l = 3 s m , = 钢筋同 2 3 9 l r l = 1 0 m4 5 c m厚4 5 c m 1 o m ，a = 1 o m2 0 x 2 0 c m c 2 5 喷射u 2 5 型钢c 巧模筑素 c 2 5 模筑钢 f 2 2 药卷锚杆 双层丸 混凝土厚钢架筋混凝士厚筋混凝土 x s 5v i ；3 5 m ， = 钢筋网 2 3 c m a = 0 6 m 4 5 e r a 厚4 5 c m 0 8 m ，a = 0 8 r e2 0 x 2 0 c m 1 4 本文研究的主要内容 1 4 1 研究方法 本文主要依托九岭小净距隧道工程，以数值分析为手段，以实测数据为验 证的技术路线，亦即数值分析与实际观测数据研究相结合。以九蛉隧道工程实 测数据为基础，采用有限单元法( f e m ) 进行数值模拟计算。在分析计算的过程中， 借助了大型通用有限元软件a n s y s8 1 进行建模、分析、求解。在对模型进行 验证的基础上，改变隧道净距，最终得到在不同工况下隧道围岩的稳定性及中 夹层的力学行为。 1 4 2 本文研究的主要内容 分析内容主要包括： 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 对当前隧道施工过程的数值模拟方法进行了综述，建立了平面模型， 并对该隧道的几个典型断面的应力场与位移场在当前施工方法下的动态数值模 拟。 运用a n s y s 的“生死单元”方法，对九岭隧道所采用的施工开挖情况进行 了动态数值模拟，阐述了该小净距隧道在开挖与支护过程位移场与应力场的变 化情况，用以指导施工。 ( 2 ) 不同毛洞间距下的小净距隧道中夹层力学行为分析。 采用数值分析方法，对小净距隧道在不同毛洞间距下的隧道中夹层力学行 为分析。得出在各种工况组合下合理的两洞间距，为小净距隧道的设计提供指 导。 ( 3 ) 建立了三维空间模型，对九岭隧道开挖面的空间效应，及两隧道因开 挖掌子面之间的纵向距离对隧道稳定性的影响进行分析研究，从而确定出小净 距隧道施工两相邻隧道掌子面纵向合理间距。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章隧道结构稳定性原理及隧道施工过程数值 模拟在a n s y s 上的具体实现 2 1 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： 与之相适应地力学过程如下所示： 可以看到，隧道结构的形成是一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。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 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匿岩构成 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。 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。当施加支护措旆后，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 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用重要。 ”h 1 2 1 2 1 2 隧道结构的力学特征 2 1 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 8 武汉理上大学硕士学位论文 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。嘲 因此，初始地应力由两种力系构成，即 口；盯。+ 仃， ( 2 1 ) 式中o r 。自重应力分量； 听构造应力分量。 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。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。 l 、重力应力场 首先假设，围岩地层是一个地面平 坦、水平成层的线性交形介质。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。 地面 。7 备? 卜0y h 、 | | 畅 h 7 lo o 图2 2 地表水平时的自重应力场 设e 、分别为沿垂直方向的围岩弹性模量和泊松比，e l 、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 ( _ ) ，) ，i z - ( y ) ，e - 日( ) ，) ，肛。一，毛( y ) ( 2 - - 2 ) 同时，单位体积重也认为是沿深度而变，即r - y ( y ) 。这样，距表面h 深 处一点的应力状态可以表示如下： 9 武汉理工大学硕士学位论文 0 7 - f y ( ) ，冲 吒- 吒( ) ，) 吼吒( ) ，) ( 2 3 ) 可口。f p 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 吒i 吒一百e 去巳 q 叫 吒吒百亡玄巳 假设围岩为一个连续匀质介质，则e = e i - - - 常数，= f 常数，就得到公式 ( 2 5 ) o x 。q 。f 了o y 设ai ( i p ) ，则式2 5 可以改写为 a i i 盯。i a 盯， ( 2 6 ) a 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，0 ，和0 ，( 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 ) 是变化的，值也是变化的，并随着深度的增加， 值趋于i ， 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 r a 以下，也有可能在浅处产生，如在岩石临界强度低( 如泥岩) 的地段。 当然，上述的应立场是理论的。实际上，由于地壳运动，岩层会产生各种 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。比如在背斜盼情况下，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。f 1 4 1 巧| 2 、构造应力场 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 1 0 武汉理 大学硕士学位论文 果。因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成构造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 - i 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，特别是在 它的主应力轴的方向上绝对值变化很大。 假设近似地确定了水平构造应力t x ( 也即 口。- r 。) 作如下分析描述( 如图2 4 所示) 。 设在深h 的围岩内某一点作用有水平构造 应力则在微分体的最大主应力盯。可以近 似为等于绦 图2 4 水平构造应力示意图 d o r h ( 2 7 ) 由于水平构造应力在另外两个方向产生不同的岩石交形，所以 盯口一彤( 2 8 ) o 口一啦h 系数筋矿分别为构造应力场水平和垂直方向的扩张系数。 2 i 2 2 毛洞围岩的力学状态 l l 场力 k 重 h u 自 呻枷一 企斜 肌疆背 丌血 一 图 武汉理工大学硕士学位论文 隧道工程中发生的一切力学现象，如应力重分布、断面收敛、坑道失稳等， 都是一个连续、统一的力学过程产物，它始终与时间、施工技术息息相关。而 严格地说隧道工程只有开挖和支护两道工序。开挖之后的隧道周边围岩的应力 状态即为二次应力状态。 首先，为研究毛洞国岩的弹性二次应力模型，作以下几点假定： 1 ) 围岩为均质的、各向同性的o ， 连续介质； 2 ) 只考虑自重造成的初始地应 力场： 3 ) 隧道的截面形状为圆形： 4 ) 隧道位于一定深度，简化为 无限体中的孔洞问题。 基于以上的假定，设初始地应力 场中a - 吒a y ，其力学模型如图2 - - 5 所示。 图2 - 5 毛洞力学模型图 。= 凡0 。 假设圆形隧道的半径为a ，其二次应力状态可以近似的表示为 q 一孚f ( 1 一口2 x 1 + a ) + ( 1 一钇2 + 孙4 x 1 一a ) s 勿】( 2 - - 9 ) q ：【( 1 + 口：x 1 + a ) 一( 1 + 3 口) ( 1 一a ) s 2 声】 ：r 上( 1 一s x l + 2 口：一3 a ) s i n 2 矿 式中：d 口。口；，当r = a 时，表示在隧道周边上； 以径向应力； 玩切向应力； 剪应力。 当式( 2 - 9 ) 中r = a ，即口- 1 的应力状态也就是圆形隧道周边的应力状态。 则式( 2 - - 9 ) 即为 以一0 q 盯，【( 1 2 c o s 劢) + a ( 1 + 2 c o s 勿) 1 ( 2 1 0 ) 即沿开挖隧道的周边只存在切向应力矾，径向应力为0 。也就是说开挖使 i=一知=i j 三三三 f 武汉理工大学硕士学位论文 该部分的围岩从三向应力状态变成二向应力状态，而且沿隧道周边的应力值及 其分布主要取决于a 值。n 9 ”l 2 1 2 3 支护后围岩的应力状态 隧道施加初期支护后，从理论上可以 把它抽象为相当于在隧道周边施加一阻止 隧道围岩变形的阻力，在这个支护阻力的 作用下，改变了围岩开挖后的二次应力状 态。 假定在弹性应力状态下，一个圆形隧 道周边的支护阻力为p a ，其力学模型如图2 - - 6 所示。 图2 6 支护后围岩力学模型图 假设周边应力由以、o t 两部分构成。则根据式( 2 - - 9 ) 有 口，- 【( 1 - a2 x 1 + a ) + ( 1 4 口2 + 3 a4 ) ( 1 一x ) c o s 2 庐】+ p 。a o t 一：【( 1 + 口2 ) ( 1 + a ) 一( 1 + 3 a4 ) ( 1 一x ) c o s 2 妒 一p 。口 如果r = a ，即吐。1 ，有 盯，p 4 吼- 口，【( 1 2 c o s 2 妒) + a ( 1 4 - 2 c o s 2 妒) 卜p 。 由此可见，支护阻力的存在使周边的径向应力增大，而使切向应力减小。 实质上是使直接靠近隧道周边的围岩的应力状态有二向受力变成了三向受力， 因而提高了围岩的承载能力，实际上也就是提高了围岩的自支护能力。 2 2 隧道结构的稳定性判定原理 2 2 1 隧道稳定性判定的意义与原则 隧道新奥法设计与施工的精髓就是充分利用隧道围岩的自承能力，也即选 择围岩趋于稳定( 围岩位移收敛时刻) 时进行支护，从而使支护结构承受最小 爹 o、 ， 争 ) ) l 2 l i 一 一 2 2 ( ( 武汉理工大学硕士学位论文 压力的思想，这种思想可以用地层特征曲线来解释。 图2 7 表示地层特征曲线，图中隧道周边围岩及支护体系所受压力为纵坐 标，径向位移为横坐标。 图2 - - 7 围岩特征曲线 曲线代表洞室侧壁径向位移u ，与侧壁径向压力p 的关系曲线。在时间 t o 时，隧道周边围岩内压力p o 为初始压力，此时径向位移i l 是零。实际上支护 体不可能控制围岩完全不产生松动变形，也不可能使压力不发生变化。当产生 一个开挖面，围岩因开挖产生向开挖面的位移，p o 值开始减小。围岩特征曲线 中a b 为纯弹性部分。“b ”蓟“c ”，围岩开始屈服，但是在“弧拱”的作用下， 围岩仍能承担一定的荷载。从“c ”以后，围岩开始“松动”，不能承担任何荷 载。在时间t l ，当支护体抑制围岩变形时，其支撵压力为p t l 若该支护体在t 2 时间支护时，相应的支护荷载为p 。2 。由此可见，小于p t l 就设计的经济来 说，应将支护时间控制在t 3 或在围岩开始松动的时间区回，此时，支护围岩所 需要的支撑力为维护开挖面稳定的最小压力p t 3 。 图中，曲线是支护反力p i 与洞壁径向位移u ，的关系曲线。随着洞壁径 向位移的增加，支护反力也随之增加。曲线与曲线的交点c 表示支护反力与 围岩作用力相平衡，洞壁位移不再发展。此时支护受到的平衡地压力为p 4 。曲线 采用的支护刚度过大，交点为b ，支护所受的平衡地压力为p 3 。曲线支护时 河过晚，交点为e ，此时支护将要承受较大的松弛地压力p5 。图中曲线是洞壁 位移u r 随时间变化的曲线。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 从图2 7 可以清楚的看到，选择一个合适的支护时间( t 。) 和选择合适强度 的支护体系( 曲线) 对减少支护体系与围岩之间的残余压力是非常有效的。这 也就是隧道施工过程中进行稳定性控制的重要原因。”l 2 2 2 隧道稳定性位移判别 从理论上讲，找到围岩特征曲线与支护特征曲线的交会点，得出支护与围岩 保持平衡时的位移和支护抗力，将其与允许位移和支护的极限承载力相比较，即 可得知该支护体系的安全状况。 但是，岩体性质的复杂性( 非匀质性、不连续性、各向异性、非线形、时 间相关性) 等和岩体构造的复杂性( 节理、裂隙、断层等) 使得难以很科学地 确定其围岩特征曲线和支护特征曲线。 众所周知，结构位移的发生和发展是该结构力学行为动态的综合反映。隧 道是隐蔽工程，只能看到支护结构的内表面，从近距离处才能看到隧道内表面 的细裂缝，难以观察到破坏的全貌。而内表面位移则可通过专门测量仪器测得。 不管隧道的作用机理如何复杂，其经受各种作用后的反应可以用周边位移体现 出来。通过用边位移观测以了解隧道的力学动态是比较直观也易于实施的办法， 隧道的稳定性也应该从周边位移变化和发展得到体现。 实际上，以锚喷初期支护为主要技术背景的“新奥法”的推行，提供了在 隧道开挖和支护过程中，及时对围岩及支护结构变形进行监测，并通过这种监 测对围岩稳定性作出判断的可能性。用位移判别隧道的稳定性，就是从隧道出 现的各种极限状态人手。找出在某种极限状态下各控制点的位移，即所谓极限 位移，作为稳定性判据。 隧道稳定性位移判别，可根据隧道旋工实测位移u 与隧道极限位移u 口之间 建立判别准则，即u u 。时，隧道不稳定。除此以外，还应 结合现场观测和位移发展变化规律，进一步依据下述几项作出判别：即隧道开 挖掌子面状态、支护状态观测结果、位移速率和位移速率的变化率。 隧道失稳的经验先兆主要有：局部块石坍塌或层状劈裂，喷层的大量开裂； 累计位移量已达极限位移的2 3 ，且仍未出现收敛减缓的迹象；每日的位移量 超过极限位移的1 0 ；洞室变形有异常加速，即在无施工干扰时的变形速率加 大。 3 2 1 “”5 1 】 围岩和初期支护基本稳定的条件主要有：位移速率有明显减缓趋势；已产 武汉理工大学硕士学位论文 生的位移量已占总位移量的8 0 以上；水平净空变化( 拱脚附近) 小于 0 2 m m d 。 2 3 隧道施工过程模拟在a n s y s 上的具体实现 2 3 1 计算模型本构关系的选择 计算采用弹塑性平面模型，岩土材料按各向同性材料处理。 屈服准则 岩土体材料进入塑性状态的判断准则一般采用d p ( d r u c k e r - p r a g e r ) 准则， 其表达式为 f 一甜l + 、 j 2 一ki 0(2-13) 式中： ，。应力张量第一不变量； j ：应力偏量第二不变量 为 口一! 竺呈 3 3 + 咖2 矿 ( 2 1 4 ) ，4 3 c c o s 妒 七置= = = = = = = = = 备 4 3 + s i n 2 矿 弹塑性矩阵 岩土体材料进入塑性状态后，其弹塑性应力一应变关系的增量表达式 性矩阵； p 以-蚪器卜 i ( l d 卜【d fd d - 【d 品】 d s 式中：【d 】、 d 铂、卜吩别为材料的弹性矩阵、塑性矩阵和弹塑 a - 一与材料硬化有关的参数，理想弹塑性状态下，a = o ； 武汉理1 大学硕十学位论文 ：一屈服面函数； 广塑性势面函数，采用关联流动法则时，g = f 2 3 2 模型参数的选择 考虑到依托工程涉及到m 、v 级围岩物性指标，然而本论文的目的是 在借助依托工程建立小净距隧道设计指南，因此在参数选取时不可能完全的以 依托工程的参数为考虑对象，应该从更大的范围考虑，使结论在净距隧道中具 有更普遍的意义。因此、v 级围岩物性指标参考现行的公路隧道设计 规范，以同类围岩物理力学指标中的中值作为