（工程力学专业论文）分岔式隧道设计施工的关键技术研究.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 由于地形条件的限制和减少工程造价的考虑，正在施工建设的沪蓉西高速公路 八字岭隧道出口采用分岔式形式。分岔隧道由大拱段、连拱段、小净距段和分离段 组成，设计、施工都比较复杂，本文分别采用理论分析、模型试验、数值计算的方 法研究了分岔隧道设计施工中的关键技术。并采用现场监测数据进行了对比分析， 证明了研究结果的正确性。 建立了隧道中墙的承载模型，针对连拱隧道的混凝士中墙和小净距隧道的岩体 中墙，分别给出了中墙的极限强度表达式，最后给出了中墙的失稳判据。研究了小 净距隧道中间岩墙的支护措施，当中墙埋深一定时，可以通过加固措施提高中墙的 c ，妒直，采用预应力贯穿锚杆增加中墙的侧向力等加固措施增加中墙的强度 应用新型地质力学模型试验台和i b s c m 相似材料对分岔隧道这种新型的隧道 结构进行了研究。共做了2 个模型，分别研究了分岔隧道大拱段一连拱段和连拱段 一小净距段的施工全过程及其在施工过程中的受力、变形、破坏形态和模型2 的超 载安全度。试验结果表明，大拱段和连拱段开挖位移不大，拱顶只有4 m m 左右，连 拱段和小间距段的最终位移为4 5 - 6 r a m 之间，水平位移都较小。中墙内的压应力集 中，约为6 5 1 t l p a 。大拱段和连拱段过渡处最危险，连拱中墙承受较大的压力，且中 墙上部产生拉应力。模型2 的拱顶、拱腰和中墙是隧道较易发生破坏的区域，靠近 连拱段的小净距段较为危险。隧道超载安全度为3 5 。 采用损伤与弹塑性耦合的方法，根据不可逆热力学原理，推导出了损伤软化破 坏理论，并用v i s u a lf o r t r a n 6 5 编制了大型三维损伤弹塑性有限元d - f e m 程 序。它能模拟岩土工程的开挖、回填等施工过程，且具有求解速度快、群组功能、 材料模型多等特点。并采用f l a c 3 d 进行了验证，结果表明考虑岩体损伤软化后的 d - f e m 有限元程序计算结果更加符合岩体破坏的真实特点。 应用损伤弹塑性有限元d - f e m 程序分别研究了分岔隧道连拱段直中墙、连拱段 曲中墙和小净距段中墙的合理取值，研究了不同围岩类别、不同埋深对中墙宽度的 影响，并对分岔隧道的施工工序进行了优化。通过分析得出如下结论：( 1 ) 直中墙 隧道的稳定性比曲中墙隧道要好，连拱段隧道中墙形式易采用整体式直中墙形式。 ( 2 ) 八字岭分岔隧道采用左洞超前3 2 m ，左右洞同步开挖的施工工序比较合理。 提出了分岔隧道整体线型优化设计的最优化模型。根据此模型，可以得出最经 济的线型。分析了分岔隧道的支护措施，并针对八字岭分岔隧道原设计提出了建议。 i 摘要 现场监测了分翁隧道大拱段、连拱段和小净距段等不同断面的位移、锚杆内力， 钥结构内力、二次衬砌内力、中墙压力及围岩松动圈的大小。现场监测的结果与模 型试验和数值计算的结果对比证明了模型试验和数值计算的正确性。 关键词：分岔隧道，优化设计，施工方法，稳定性判据，模型试验，损伤软化有限 元，现场监测 山东人学博l ：学位论文 a b s t r a c t f o r k e dt u n n e li s l e c t e dt oc o n s t r u c ti nh u r o n g x ih i g h w a yb a z i l i n gt u n n e lb e c a u s e o fl a n d f o r mc o n d i t i o nl i m i ta n di no r d e rt or e d u c ep r o j e c tc o s t f o r k e dt u n n e li s c o m p o s e do fl a r g e - a r c ht u n n e l ，m u l t i - a r c ht u n n e l ，n e i g h b o r h o o dt u n n e la n ds e p a r a t e d t u n n e l ，w h o s ed e s i g na n dc o n s l z u c t i o ni sc o m p l e xa l s o i nt h i sp a p e r , t h ek e yt e c h n o l o g y i nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ff o r k e dt u n n e li sr e s e a r c h e db yt h e o r ya n a l y s i s ， g e e - m e c h a n i c a lm o d e lt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s i nt h ee n dt h er e s e a r c h r e s u l t sa r ec o n t r a s t e da n dv a l i d a t eb yi n - s i t um o n i t o rr e s u l t s t u n n e lm i d d l ew a l lb e a r i n gw e i g h tm o d e li ss e tu p ，t h em i d d l ew a l ll i m i ti n t e n s i t yi s p r o p o s e da c c o r d i n gt oc o n c r e t em i d d l ew a l lo f m u l t i - a r c ht u n n e la n dr o c km i d d l ew a l lo f n e i g h b o r h o o dt u n n e l , a n dm i d d l ew a l ls t a b i l i t yc r i t e r i o ni sp r e s e n t e d t h ea n p p o r t m o a s u r eo f n e i g h b o r h o o dt u n n e lm i d d l ew a l li sr e s e a r c h e d ，w h e nt u n n e ld e p t hi sc o n s t a n t , t h en e i g h b o r h o o dt u n n e lm i d d l ew a l lc a nb er e i n f o r c e db ye n h a n c i n gi t sc 冲v a l u ea n d i n c r e a s i n gs i d ef o r c eb yp r e - s t r c s st h r o u g hb o l t s f o r k e dt u n n e li sr e s e a r c h e db yg e o - m e z h a n i c a lm o d e lt e s tu s i n gn e wt y p et e s t - b e d a n dn e wt y p ea n a l o g ym a t e r i a li b s c m t w om o d e l sa l er e s e a r c h e d , m o d e l1i sf r o m l a r g e - a r c hs e c t i o nt u n n e lt om u l t i a r c hs e c t i o nt u n n e l ，m o d e l2 i sf r o mm u l t i a r c hs e c t i o n t u n n e lt on e i g h b o r h o o ds e c t i o nt u n n e l t u n n e ls u r r o u n d i n gr o c ks t r e s s ，d i s p l a c e m e n t , f a i l u r ea r ea n a l y z e di nc o n s t r u c t i o np r o c e s sa n do v e r l o a d i n gs a f e t yo fm o d e l2i sa l s o s t u d i e d t h em o d e lt e s tr e s u l t ss h o wt h a tv a u l td i 印1 a c e m 饥to fl a r g e - a r c hs e c t i o na n d m u l t i a r c hs e c t i o nt u n n e li s4 m m , v a u l td i s p l a c e m e n to fm u l t i a r c hs e c t i o na n d n e i g h b o r h o o ds e c t i o nt u n n e li s4 5 6 0 r a m , h o r i z o n t a ld l e p l a c e m e n ti ss m a l l s t r e s si n m i d d l ew a l li s6 5 呼钆t h et r a n s i t i o no f l a r g e - a r c hs e c t i o na n dm u l t i a r c hs e c t i o nt u n n e l i sn o ts a f e , m o d e l2 破l o w st h a ts u r r o u n d i n gr o c ki nv a u l t , h a n a n dm i d d l ew a l li se a s y t od a m a g e ，n e i g h b o r h o o ds e c t i o nt u n n e ln e a rm u l t i - a r c hs e c t i o nt u n n e li sd a m a g e dw o r s e t h et u n n e lo v e r l o a d i n gs a f e t yd e g r e ei s3 5 u s i n gd a m a g ea n de l 够t o - p l 勰t i cc o u p l i n gm e t h o d , a c c o r d i n gt o i r r e v e r s i b l e t h e r m o d y n a m i c sp r i n c i p l e ，t h ed a m a g es o f t e n i n gf a i l u r e 啦拿o r yi sp r e s e n t e d t h el a r g e 3 - dd a m a g ee l a s t o - p l a s t i ef i n i t ee l e m e n tc o d ed - f e mi sp r o g r a m m e du s i n gf o r t r a n l a n g u e d - f e mc a ns i m u l a t eg e o t e c h n i c a lc o n s t r u c t i o np r o c e s si n c l u d i n ge x c a v a t i o n , b a c k f i l la n di th a sq m c h ys o l v i n g , g r o u pf u n c t i o na n dm a n ym a t e r i a lm o d e l s c o m p a r i n g w i t hf l a c 3 dd - f e mo a ns i m u l a t er o c km a s sf a i l u r er e a l l yc o n s i d e r i n gd a m a g es t r a i n s o f t e n i n g 摘赛 t h er e a s o n a b l ew i d t ho fm u l t i - a r c hm n n e ls t r a i g h ta n db e n dm i d d l ew a l la n d n e i g h b o r h o o dt u n n e lm i d d l ew a l la l er e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l yb yd f e m t h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n ts u r r o u n d i n gr o c kt y p ea n dd i f f e r e n tt u n n e ld e p t ht om i d d l ew a l li sc o n s i d e r e d ， c o n s t r u c t i o ns e q u e n c eo ff o r k e dt u n n e li sa l s oo p t i m i z e d t h ec o n c l u s i o ni sd r e we s f o l l o w s ：( 1 ) s t r a i g h tm i d d l ew a l li sm o r es t a b l et h e nb e n dm i d d l ew a l l ，s t r a i g h tm i d d l e w a l ls h o u l db eu s e di nm u l t i a r c ht u n n e l ( 2 ) t h ec o n s t r u c t i o ns e q u e n c eo fl i f lt u n n e l3 2 m a h e a da n dl i f ta n dr i o tt u n n e l se x c a v a t i o ni n - p h a s es h o u l db ea d o p t e di nb a z i l i n gf o r k e d t u n n e l f 0 r k e dt u r m e lw h o l el i n et y p ed e s i g no p t i m i z a t i o nm o d e li sp r e s e n t e d w ec a l lg e t m o s te c o n o m i c a ll i n et y p ea c c o r d i n gt ot h i sm o d e l s u p p o r tm e a s n f eo ff o r k e dt u n n e li s a l s op r e s e n t e d ，a c c o r d i n gt oo r i 百n a ld e s i g no fb a z i l i n gf o r k e dt u n n e l ，t h er a t i o n a la d v i c e i sp r e s e n t e d i nd i f f e r e n ts e c t i o n si n c l u d i n gl s r g e - a r e hm m e l , m u l t i - a r c ht u n n e la n d n e i g h b o r h o o d t u n n e l ，d i s p l a c e m e n t ，b o l t ss t r e s s ，s t e e ls t r u c t u r es t r e s s ，l i n i n gs t r e s s , m i d d l ew a l lp r e s s u r e a n dr e l e a s e dz o n ea r em e a s u r e d t h em o d e lt e s ta n dn u m e r i c a lr e s u l ti sc o r r e c tb yc o n t r a s t w i t hm o n i t o rr e s u l t k e y w o r d s ：f o r k e dt u n n e l ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n , c o n s l r u e t i o nm e t h o d , s t a b i l i t yc r i t e r i o n ， m o d e lt e s t , d a m a g es o f t e n i n gf e m ；f i e l dm o n i t o r i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：羔銎醴 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：墟导师签名：二互互翠日 期： 率2 山东大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景与意义 自2 0 世纪5 0 年代末，我国隧道及各类地下工程建设取得了长足的进展。诸如： 京广铁路复线工程中的大瑶山隧道、秦岭隧道、南岭隧道、公路隧道、城市地下铁 道与越江海底隧道、水电站地下厂房、地下商场、地下车库、矿山井巷工程等地下 工程的兴建。当前随着我国经济建设重点转向开发大西北、拓展西部路网，许多新 隧洞正在或即将兴建。可以说，地下空间的开发和利用已成为一种可贵的自然资源， 它是当代现代生活进步的具体体现和反映。截至目前，我国内地已建成铁路隧道七 千四百多座、总延长四千二百公里；公路隧道一千七百九十余座、总长度近一千公 里。从最近几年的建设速度和规模看，我国内地隧道及地下工程建成规模和数量都 名列世界前茅【l 】。 西部大开发战略决策的实施，促进了西部地区高等级公路建设的迅猛发展，穿二 越山岭地区的公路隧道也越来越多。在山区或半山区修筑的公路，由于过去公路建 设资金严重短缺，多以盘山公路为主。这种公路不仅等级低，绕行里程长，占用可 耕地多，而且能耗高，安全隐患多，生态环境破坏大等，因而造成巨大经济损失和 人员大量伤亡随着经济的迅速发展，人民生活水平的大幅度提高，公路交通建设 规模日益扩大，技术进步达到新的水平，公路隧道建设不仅在山区和丘陵地区公路 建设中，而且在东部江河桥隧跨越方案比选中，对公路隧道的选择和建设，日益引 起重视，并有很大发展。 如果依据规范设计成双洞分离的形式，其洞口两端引线长度与隧道长度相比， 在土地利用和工程量上显得很不经济。此外，当土地征用受到严格限制时，也难以 设计成满足规范要求的分离式双洞隧道。由于地形条件的限制和减少工程造价的考 虑，正在施工建设的沪蓉西高速公路八字岭隧道出口采用分岔式形式( 见图1 1 ) ， 进口为分离式，与八字岭特大桥西桥台相连；出口为联拱式，与四渡河特大桥东桥 台间距仅2 0 3 0 m 。该隧道在出口处由两条隧道逐渐的靠近，经过小间距段、连拱 段，合并成大拱段，最终成为一条隧道。洞室净空9 7 5 x 5 o m ，最大埋深约4 5 0 m ， 属特长隧道。分岔式隧道目前在国内外建成并投入使用的例子并不多，由于涉及到 分离段、小间距段、连拱段和大拱段施工，复杂的受力结构、频繁的工序转换给施 工带来了一定的难度【2 】。 第1 棠绪论 沪蓉西高速公路的隧道工程中将有3 座隧道将采用分岔式隧道这种新的隧道型 式，其实，除了典型的分彷式隧道外，已经建成和即将建设的喇叭口或“y 型”隧 道在国内是存在的。例如，成昆铁路关村坝车站新旧隧道相交处为一分岔，全长 1 2 8 3 m ，断面随线间距变化而由小逐段变大，最后分成两管隧道，由此构成了铁路 隧道建筑中的喇叭口断面”1 。内昆线青山隧道喇叭口是三个不同大小洞室汇合的咽 喉区，呈“y ”字型结构，由岩柱减薄试验段和大跨试验段组成“1 。西康铁路沿线分 布有长短不等的单座隧道或隧道群，其中双线、双线车站和双线喇叭口隧道1 5 座【5 1 。 已建成和近期规划中的地铁隧道和过江隧道也有采用分岔式( 即“y ”形的) ，如： 深圳地铁大科区间预留2 牟接口线隧道是分岔隧道【6 】。 图1 1 八字岭分岔隧道平面图 t a b l e l 1b a z i l i n gl o c k e dt u n n e lp l a n 隧道内设置分岔口，由于设计和施工的复杂性，一般均尽量避免在隧道内分岔 随着我国西部大开发方案的实旖，在高山峡谷地段，为节省桥梁的工程投资，修建 分岔式隧道结构已经在所难免。目前国内外对分岔式隧道的相邻隧道施工，其受力 分析、施工顺序、控制爆破等尚处于总结和经验积累阶段，国内外尚无相应的设计、 施工技术规范和标准。因此，开展分岔式隧道的设计、施工关键技术研究显得尤为 重要。 1 2 研究现状 1 2 1 隧道理论的研究与发展 1 2 1 1 隧道设计计算理论 隧道设计计算理论的发展，大致可以分为以下几个阶段：( 1 ) 刚体力学法，即 刚性结构设计阶段。( 2 ) 结构力学方法，包括弹性结构设计阶段，考虑弹性抗力设 计阶段，弹性地基梁设计阶段，它们仅仅对衬砌结构进行计算，而无法计算围岩的 2 山东人学博f ：学位论文 应力及变形。( 3 ) 连续介质力学方法，即连续介质设计阶段( 包括解析法和数值法) 。 ( 4 ) 现代复合支护设计与优化设计阶段【7 8 1 1 2 1 2 施工支护理论 地下工程支护结构理论的发展离不开围岩理论的发展，它主要分为三个阶段叫： 在二十世纪二十年代以前，主要是以海姆、朗金和金尼克理论为代表的古典的压力 理论阶段；5 0 年代发展为以太沙基和普氏为代表的松动压力理论；自上世纪6 0 年 代，奥地利的莱布希维兹等人提出新奥法( n a t m ) 的全新设计和施工理论以来，形成 了现代支护理论，从此，隧道的设计和施工有了较大的发展。新奥法的特点在于充 分利用围岩的自承能力，采用柔性支护，借助现场量测对围岩和衬砌进行动态监测， 并据以指导开挖和支护结构的设计与施工，开创了隧道“信息化设计和施工”的先 河。此外，1 9 7 8 年提出的基于量测的“收敛一约束”法以及基于围岩分类的挪威隧 道施工法( n t i i ) 可以认为是对新奥法的补充和发展，并已经用于指导实科1 们。随着新 奥法的不断发展和完善，隧道设计和施工的研究进入了新的阶段。 由于地下工程围岩介质多为非线性介质，而对其进行开挖支护的施工，是一个 在时间和空间上都在不断变化的过程。实质上是一个不断地对围岩进行反复加、卸 载的复杂过程。因此，这时围岩的稳定性就不仅与最终状态相关，而且还与过程相 关( 朱维申，李术才) “”。因此，隧道施工力学分析的主要任务在于反映隧道施工方 法、施工顺序及施工速度对围岩稳定和支护( 或衬砌) 内力的影响以及支护的最佳时 机，以确保旌工安全、结构可靠。 1 2 1 3 隧道稳定性研究方法 ( 1 ) 解析方法的研究 围岩的应力场和位移场是评价隧道稳定性的主要指标，其中数学解析方法是研 究围岩应力场和位移场的重要手段之一。该方法具有力学原理清晰，参数取值简单 的特点。由于圆形隧道由于几何条件明确，对其研究也最为深入和成熟。 国内外许多的学者为隧道力学的解析方法做出了贡献“4 埘，研究了均质各向同 性和各向异性围岩简单的弹性解、弹塑性解直到粘弹性解，粘弹塑性解，以及应用 复变函数求解较为复杂洞形( 朱大勇，1 9 9 4 ) ，在考虑围岩和支护共同作用的分析中， 芬勒一塔罗勃解是较为著名解答。粘弹塑性解将施工过程中的时间因素考虑进去， 进而将隧道施工的时空效应完全的地反映出来。隧道工程由于周围岩土介质的复杂 性及工况、几何条件的不规则性，理想的假设条件的限制，力学上的封闭解很难甚 第1 章绪论 至不可能完全满足实际工程的需要。而且，用解析方法求解隧道周边的应力重分布， 尤其是围岩和衬砌的相互作用分析，在数学推演与计算分析上是复杂的。对于隧道 施工的三维问题，解析解的作用显得十分有限，有时很难甚至根本得不到严密的解 答1 。 ( 2 ) 数值模拟的研究 隧道施工的复杂性以及围岩条件的离散性等特有的性质使数学解析方法遭遇到 无法克服的困难，这一客观现实促进了在隧道施工问题的数值模拟研究。由于电子 计算机的更新和岩土本构关系的进展，计算方法进入到以有限元为代表的数值分析 方法时代。近年来数值分析方法有了新的进展，有限差分法( f d 砌、无网格法 ( e l e m e n t - f r e em e t h o d ) 、边界单元( b e m ) 、离散单元( d e m ) 、半解析法、块体理论 ( b l o c kt h e o r y ) 、反演分析( b a c ka n a l y s i s ) 、流行元( m 雕) 等也在隧道的力学分 析中得到广泛应用。国内外流行的大型计算软件有：a n s y s ，a b a q u s ，m a r c ，n a s t r a n ， a n d i a ，f l a c ，u d e c ，3 d e c ，2 d - o ，3 胪0 等，国内许多学者也开发了许多程序： 刘怀恒的n c a p 、殷有泉的n o i 脚、周维垣，杨若琼开发的t f i n e ，李术才，张强勇等学 者开发的三维弹塑性损伤断裂有限元分析程序( 3 d e p d f ) 等。 总之，随着计算机的发展，以固体力学理论为基础，以数值方法为手段的有限 单元法，由于其显著的特点，在工程实践中至今应用得最为广泛、发展得最成熟， 它可用于处理很多复杂的岩土工程问题，如岩土材料的非线性问题、岩体中节理、 裂隙等不连续面对分析计算的影响、分步开挖施工对围岩稳定性的影响等等。李术 才，张强勇，陈卫中等研究了断续节理岩体及加锚的本构关系及其损伤演化方程“”。 自七十年代以来，有限单元法成为岩土力学分析的主要手段之一，结合岩土力学新 的研究成果，使得有限单元法更趋完善，内涵更加丰富。 国内外许多学者应用三维数值模拟方法研究了连拱隧道、小间距隧道以及分岔 隧道的施工过程及稳定性“1 。李斯海衄1 ( 2 0 0 0 ) 采用三维弹塑性有限元计算模拟了 厦门仙岳山小间距隧道的施工过程，分析了开挖过程中隧道围岩的变形规律与特征、 围岩应力分布及其变化规律，并探讨了不同间距对仙岳山隧道围岩稳定性的影响， 这些成果对于指导隧道施工具有重要意义李德才嘲( 2 0 0 0 ) 对广州地铁二号线公纪 间渡线大跨隧道采用双侧壁导坑法的施工过程进行了三维有限元分析，通过三维计 算获得了大跨隧道采用暗挖法施工各阶段围岩的应力应变状态、围岩塑性区分布、 地表沉降以及隧道支护结构中的内力变化情况，并研究了大跨隧道旌筑二次衬砌的 时间以及施筑二衬时拆除中间临时支护的分段长度，为隧道施工提供了科学依据与 4 山东大学博士学位论文 技术指导。李玉文研究了连拱隧道的中墙施工和不同中墙的力学特性以及应用口盯 应用平面有限元，考虑非对称开挖，对开挖过程进行两种不同工序的模拟计算，计 算中墙在两种不同开挖工序下的强度变形与稳定性，比较了不同开挖工序对隧道中 墙的影响哺。王晓放采用有限元程序对扩挖过程进行分析，得出中隔墙的最大震动 速度，研究了中墙的稳定性啪1 这些研究有的是二维模拟，无法模拟围岩随隧道施 工过程中的反应，并且都没有研究真实锚喷支护的影响以及围岩流变的影响。 ( 3 ) 模型试验的研究 地质力学模型试验能较好地模拟复杂工程的施工工艺，以及荷载的作用方式及 时间效应等，能研究工程的受力全过程，从弹性到塑性，一直到破坏尤其重要的 是它可以比较全面真实地模拟复杂的地质构造，发现一些新的力学现象和规律，为 建立新的理论和数学模型提供依据脚删因此，用这种试验不仅可以研究工程的正 常受力状态，还可以研究工程的极限荷载及破坏形态。同时，与数值计算结果相比， 它所给出的结果形象、直观，能给人以更深刻的印象。正是由于地质力学模型试验 技术具有上述独特的优越性，才被国内外岩土工程界广泛重视和应用嗍。 模型模拟试验是分析研究隧道开挖施工过程中时空效应的一个有效手段。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 和 0 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。b a r t o n 嗍( 1 9 8 6 ) 对浅理大 型水电站进行了模型试验，研究了节理特性对分析地下洞室开挖的影响，并对开挖 跨度、水平应力等隧道变形影响因素进行了分析。k a i s e r m o r g e n s t e r n ( 1 9 8 9 ) 通过 模型试验量测分析，表明隧道周边位移及径向应变与时间的关系可以用幂指数定律 来描述m 1 。m o o r ( 1 9 9 0 ) 在大圆形粘土试样中对轴向对称应力条件下的隧道进行了模 拟，并采用c r i s p 有限元程序进行了数值分析，通过物理模型与数值分析相结合研 究了无支护的隧道工作面的时效特性嘲。 谢锦昌咖等( 1 9 8 6 ) 通过模型试验对浅理隧道荷载的规范公式进行了验证、补充 和完善，对变量的特征进行了数理统计分析，从而为衬砌结构的可靠度设计提供了 条件。王明年( 1 9 8 6 ) 、李玉文( 1 9 9 8 ) 和何川( 1 9 9 9 ) 等通过卧式试验坑的相似模型试 验( 1 ：2 5 ) 对三车道的公路隧道施工常用的全断面法、台阶法、单侧壁法( 即中壁法) 和双侧壁( 导坑) 法进行了试验比较，发现双侧壁法具有极限承载力高和塑性区域小 但施工工序复杂的特点，台阶法具有极限承载力低但施工条件容易满足的特点删。 刘洪洲嘲( 1 9 9 9 ) 应用交通部重庆公路科学研究所研制的“公路隧道结构及围岩综合 试验系统( c t s s s r h ) ”，对三车道公路隧道采用短台阶中壁式( c d ) 工法和全断面工法 5 第1 章绪论 进行了开挖与支护的模拟，探讨了开挖瞬时弹性位移释放的累加效应及其在全位移 中的比例关系，分析了分步开挖和全断面开挖时纵向、横向位移特性，模拟了地层 应力随开挖步骤的变化特点。 此外，西南交通大学开展了许多室内大比例的模型试验研究，如北京地铁西单 车站的模型试验研究，南京地铁三山车站的模型试验研究、深圳地铁重叠隧道模型 试验研究、广州地铁2 号线越秀公园车站模型试验研究等( 林刚呻，2 0 0 1 ) 。同济大学 采用模型试验的方法研究了盾构隧道预应力管片啪1 。西南交通大学应用模型试验研 究了近接隧道施工力学行为。浙江大学采用模型试验研究了破碎围岩隧道的稳 定性。重庆交通科研设计院研制了公路隧道综合试验系统，采用地质力学模型试 验的方法来研究隧道围岩在隧道施工中的位移发展过程及稳定性“司 总之，用模型试验的方法对隧道及地下工程的研究，国内外已经取得了不少的 成果，其理论与方法日臻完善。模型试验的缺点是费用较高，技术难度大。应用地 质力学模型试验研究分岔式隧道国内外还没有先例。 纵观人们对隧道的认识和研究，理论不断进步，方法和手段多种多样，但解析 方法、数值方法、室内试验和现场量测仍然被认为是当前分析隧道旌工状态的主流。 1 2 2 分岔式隧道研究现状 公路隧道设计规范i t j 0 2 6 9 0 规定，高速公路、一级公路般应设计为上、 下行分离的两座独立遂道。两相邻隧道最小净距视围岩类别、断面尺寸、施下方法、 爆破震动影响等因素确定，一般情况可按表1 1 的规定选用嘲。铁路隧道设计规范 ( t a j 3 s s ) 要求两相邻隧道应分别置于围岩压力相互影响及施工影响范围之外。公 路隧道勘测规程( r r j 0 6 3 8 5 ) 规定一般为3 0 m ，日本公路协会规定亦为3 0 m 。 表1 1 两相邻隧道最小净距 t a b l e l 11 h em i n i n l u n ld i s t a n c eo f t w ot u n n e l s 围岩类别 v i l净距( m ) ( 1 5 2 o ) b( 2 o 2 5 ) b( 2 5 3 0 ) b( 3 0 5 0 ) b 5 注：b 一隧道开挖断面的宽度( m ) 但是有时受地质施工等因素的限制不得不采用小间距隧道形式或连拱隧道形 式，如果相邻隧道的间距小于规范的距离，则为小间( 净) 距隧道。招宝山隧道为 我国第一座超小净距( 4 9 0 + ( w 1 + w 2 ) 2 + d 1 s 21 1 4 01 0 4 09 7 08 9 0 s 31 6 9 01 4 4 01 2 2 01 0 9 0 受后开挖隧道影响显著，在拱部、底部及边墙位移场和地应力场都有不同程度的变 9 第1 章绪论 化，中间岩柱体受双向爆破的振动影响，受力复杂，而岩柱体在相邻隧道的开挖中， 对掌子面和围岩的稳定性起着重要的作用。根据近距相邻隧道的特点，其施工的关 键技术为：合理的施工步序、加强支护、合理的开挖方法，减振爆破等，从已施工 的近距隧道的成功经验亦充分证踞无一不是对关键技术的结合实际的综合应用。文 献【6 1 】应用动态规划最优化原理，以地表沉降作为目标函数，建立城市地铁区间隧道 洞群开挖顺序优化分析数学模型。隧道开挖后围岩的稳定性主要受到岩性、岩体结 构、地下水特征、初始应力以及开挖方式的影响。因此，为了防止变形和破坏，需 要对围岩进行支撑或衬砌。围岩的变形随时间而发展，往往会持续一个比较长的时 期，这就是围岩的塑性和流变特征【6 2 1 。 在地下工程和隧道的科学研究中，单纯的运用试验、数值计算、现场监测中的 一种方法是很难得出完整的结论的，如果分析不当很可能得出错误的结论。如果综 合运用以上方法，结果相互映正，就能避免分析中的不足和错误，得出完整正确的 结论。 1 3 主要研究内容 1 3 1 分岔隧道中墙合理厚度研究 针对分岔式隧道设计中的技术难点，通过理论分析、模型试验、数值模拟和现 场监测等方法，研究四车道大拱隧道、连拱中隔墙、小净距中墙的最小宽度及围岩 的支护参数等关键指标，主要包括以下三个方面的研究内容： ( 1 ) 分岔式隧道压力荷载分布特征研究。研究浅埋四车道大拱隧道一连拱隧道 一分岔隧道一分离隧道的路段，隧道结构上岩土压力荷载的分布形式。由于隧道结 构复杂，其载荷分布也较为复杂，研究中将通过三维地质力学模型试验、f l a c 3 d 和三维有限元研究隧道的荷载分布、围岩变形及支护结构的受力特征。 ( 2 ) 分岔式隧道连拱中墙和小净距中墙宽度研究。一般连拱隧道中墙设计厚度 为1 5 2 0 米，而分岔式隧道的中墙最薄仅0 8 米，在可能的条件下还应减少，以 减少桥梁宽度和工程的投资。小净距隧道中间岩柱的厚度一般为4 6 米，初设阶段 分岔式隧道内的中墙最小仅为2 5 米。建立中墙承载模型，提出中墙稳定性判据。 通过三维有限元数值计算和模型试验研究分岔段的围岩稳定性和衬砌结构内力分布 规律，提出八字岭隧道的合理岩柱宽度和中隔墙厚度，并研究不同埋深、不同围岩 类别条件下的中墙合理厚度的确定方法。 1 3 2 分岔式隧道施工关键技术研究 1 0 山东人学博l ：学位论文 针对分岔式隧道施工中的技术难点通过模型试验、非线性有限元数值分析等 方法，研究四车道大拱隧道、连拱隧道，小净距隧道的合理施工方法。通过对现场 的监测结果反馈分析和数值分析，提出八字岭隧道的合理工法和控制围岩支护参数， 主要包括以下几个方面的研究内容： ( 1 ) 分岔式隧道的施工工法研究由于分岔式隧道在施工中相互干扰较大，隧 道的篪工工法对隧道受力状态的影响十分明显。应用动态施工过程力学原理和数值 模拟的方法模拟分岔式隧道不同的开挖施工顺序对围岩稳定性的影响，研究在不同 开挖顺序时，围岩的变形、应力状态、塑性区分布以及岩柱可能出现的破坏模式， 提出隧道合理的施工工法，以达到减少相互干扰和最大限度的保持围岩稳定性的目 的。 ( 2 ) 分岔式隧道最优化线型设计与围岩支护措施研究。以最小投资为目标函数， 提出分岔隧道中的最优化线型设计。在充分调研连拱隧道、小净距隧道的设计、施 工的经验与研究成果的基础上，针对八字岭分岔式隧道的工程地质特征和岩体力学 参数，提出分岔隧道围岩的合理支护措施。 1 4 采用的技术路线 1 ) 应用解析的方法推导出隧道中墙的承载模型及稳定性判据。 2 ) 应用大型三维地质力学模型试验研究分岔式隧道开挖后的受力特性和变形 特性。采用f l a c 3 d 对试验进行了验证，并模拟了隧道的支护受力。 3 ) 应用三维有限元程序研究了不同埋深、不同围岩条件下连拱段中墙和小净距 段中墙的合理取值：优化了分岔隧道施工过程，提出分岔隧道围岩的合理支 护措施。 4 ) 对分岔隧道进行现场监测，分析监测结果，以验证试验和数值计算的正确性。 论文的技术路线见图1 4 。 1 5 研究工作的创新点 分岔式隧道作为一种新型的结构形式，其结构形式复杂，在国内的研究尚属首 次，本论文采用三维地质力学模型试验、数值分析和现场监测相结合的方法研究分 岔式隧道的设计与施工。研究工作主要的创新点有： 1 ) 提出了中墙承受荷载模型，给出了连拱隧道和小净距隧道中墙的稳定性判据。 2 ) 研制新型的模型试验相似材料，结合新型设计的地质力学模型试验台，进行 分岔隧道的模型试验研究，模拟分岔隧道施工过程中围岩的受力特征和变形破坏特 1 l 第1 章绪论 征，并研究了隧道的超载安全度。 3 ) 推导出弹塑性损伤理论，并编制三维大型弹塑性损伤有限元程序d f e m 。 此程序能够模拟岩土工程的开挖、回填等工序，能考虑5 种塑性本构。同时编制后 处理程序，采用t e c p l o t 能实现结果的完美显示。d f e m 有限元程序与f l a c 3 d 计算结果比较，证明d f e m 计算精度很高，而且更能真实的模拟围岩的变形和破坏。 4 ) 应用d - f e m 程序研究了连拱段和小净距段中墙的合理取值，并对分岔隧道 施工过程进行了三维数值分析，研究分岔隧道围岩以及中墙在施工过程中的受力与 稳定性。给出优化的施工工序，提出线型设计的最优化模型，提出支护措施和对原 设计的修改。 5 ) 应用现场监测结果对试验结果、数值分析结果进行对比验证。 图1 4 论文研究技术路线图 f i g 1 4 p a p e r r e s e a r c h f l o w c h l u t 山东人学博士学位论文 第2 章围岩力学模型及隧道中墙稳定性判据 2 1 隧道围岩力学模型 隧道开挖前，岩体处于三向应力状态，开挖以后，原岩应力的三向应力状态被 打破，应力将重新分布，在隧道洞周变为二向应力状态，将在隧道周围形成一定厚 度的塑性松弛流动区( 应力降低区) 和承载区( 应力升高区) 和原岩应力区。在塑性变 形区范围内，受开挖爆破扰动和卸载作用的影响，岩体产生损伤累积，微裂隙逐渐 成核、扩大、贯通，形成随机分布的裂缝。岩体的完整性系数降低，力学指标( 包括 强度和刚度指标) 下降，呈现出明显的弱化性质，围岩坍塌失稳与这个性质有着密切 关系删。 自上个世纪5 0 年代以来，连续介质力学的理论被应用在分析隧道围岩的稳定性 方面，包括弹性力学、弹塑性力学、粘弹性力学、粘塑性力学、动力学、损伤力学、 断裂力学、渗流力学等等力学模型嘲。但目前应用最广泛的仍然是弹塑性力学。 2 1 1 弹塑性力学 2 1 1 2 弹性本构方程 在没有进入塑性屈服阶段以前，岩体整体处于弹性阶段，其变形遵循弹性理论， 即： 平衡微分方程： 吩+ z = o ( f ，j - - x ，y ，z ) ( 2 1 ) 物理方程： 勺= c 知= 嘉+ ! 詈丝气g _ ，= 而弘z ) ( 2 - 2 ) 几何方程： 勺= 去( + ) ( i , j = x , y ，z ) ( 2 - 3 边界条件： 丑= o - j , ( i , j = x , y , a ) ( 2 - 4 ) 式中，为柔度张量，其值为 第2 章崩岩稳定性判据及隧道中j 胄承载模型 = = i 1 o 0 o 2 0 + ) o o 磊为妇隅岛= 0 ：嚣 2 1 1 2 弹塑性本构关系 o o 0 o 2 ( 1 + 力 0 o o o o o 2 0 + a ) ( 2 5 ) 根据弹塑性理论，当空间某一点的应力状态进入屈服后，其应力应变关系是非 线性的，单元的总应变可分解为弹性应变增量和塑性应变增量两部分： d e = d e 。+ d e p( 2 6 ) 其中弹性应变增量满足虎克定律，设塑性应变增量符合塑性关联流动正交法则， 如下： d 矿= 【见r l d 仃 d c ，：以堡 刁仃 将式( 2 - 7 ) 和式( 2 8 ) 代入式( 2 6 ) 整理可得到： 加吲( 如一撇孑 对于各向同性的硬化材料，已知屈服函数 f ( 乃，d = o 由= d , g h ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中：g 为反映加载历史和塑性变形的内变量，d 兄为比例常数，日为反映材料 软硬化特性的参数。