（岩土工程专业论文）小净距偏压公路隧道围岩压力分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，为了增加隧道整体稳定性，简化施工工序，降低工程造价，新近发 展出了一种介于普通分离式隧道和连拱隧道之间的新型隧道结构一小净距隧道。 小净距隧道因线形、地形、地质条件等因素的限制，经常有桥、隧直接相连的情 况，这就不免遇到与边坡斜交的隧道偏压问题。 小净距偏压隧道的设计与施工是目前土木工程界关注的难点问题之一。国内 小净距隧道的建设历史不长，其理论研究远落后于工程实践，且隧道围岩具有复 杂性等特点，因此对小净距偏压隧道围岩压力等情况需进行深入研究。论文首先 介绍了小净距隧道的发展及其现状，然后在前人研究的基础之上，结合京福高速 公路三明一福州段某小净距偏压隧道，采用理论分析及数值分析方法，针对相关 问题进行了研究与探讨。 本论文主要进行了以下工作：( 1 ) 简述了京福高速公路三明一福州段某小净 距偏压隧道工程情况；( 2 ) 根据前人的有关围岩压力理论和方法，改进了小净距 偏压公路隧道围岩压力计算方法，推荐了相应的围岩压力计算公式；( 3 ) 根据工 程实例，分别采用小净距偏压公路隧道围岩压力计算方法和数值模拟方法，对隧 道净距、地表斜坡坡度、埋深变化条件下对围岩压力的影响进行了分析，得出了 在上述条件下围岩压力的分布特征与变化规律。“) 将数值模拟与理论分析两种 研究结果进行分析比较，分析两者存在的差异，论证了上述偏压条件下围岩压力 理论计算公式的可靠性，并得出相关结论。 本论文根据理论分析及数值模拟结果，总结出了隧道围岩在上述情况下的围 岩压力变化特征，为小净距偏压公路隧道的设计与施工提供了参考资料。 关键词：小净距隧道；偏压隧道；围岩压力 i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，an e wt y p eo ft u n n e ls t r u c t u r e - - n e i g h b o r h o o dt u n n e l h a sb e e nd i s c o v e r e d ，w h i c hi si n t e r p o s eo fc o m m o n l ys e p a r a b i l i t yt u n n e l a n dm u l t i - - a r c ht u n n e l ，w h i c hc a ni n c r e a s et h ei n t e g r a ls t a b i l i t yo f t u n n e la n ds i m p l i f yt h ec o n s t r u c t i o np r o c e d u r e sa n dr e d u c et h ec o s to f p r o j e c t t h ei s s u eo fb i a st u n n e lt h a tb e v e l e d w i t hs l o p ea p p e a r e d ，f o r t h es a k eo fc o m m e n d a b l yj o i nb r i d g e sa n dt u n n e l s ，w h i c hw a sa f f e c t e db y l i n e t y p ea n dt e r r a i na n dg e o l o g i cc o n d i t i o ne t c p r e s e n t l y ，o n eo fd i f f i c u l ti s s u e si nc i v i le n g i n e e r i n gc i r c l e si st h e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fn e i g h b o r h o o du n s y m m e t r i c a l l yl o a d i n g t u n n e l t h es u r r o u n d i n gr o c kp r e s s u r es h o u l db el u c u b r a t e d ，b e c a u s ef i r s t l y t i m eo ft u n n e lc o n s t r u c t i o ni sn o tl o n g ，s e c o n d l yi t sa e a d e m i cs t u d yi s f a rb a c k w a r do ft h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，a n dl a s t l yt u n n e ls u r r o u n d i n g r o c kh a st h es p e c i a l t yo fc o m p l e x i t y i nt h ist h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n ta n d c u r r e n ts t a t u so fn e i g h b o r h o o du n s y m m e t r i c a l l yl o a d i n gt u n n e lh a sb e e n i n t r o d u c e d ，a n do nb a s i so fb e f o r e ，t h r o u g ht h r o u g hn u m e r i c a la n a l y s i s m e a n sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sm e a n s ，t h e nt h es t u d i e sa n dd i s c u s s e s r e l a t e di s s u e sw i t ht h ep r a c t i c eo fc e r t a i nn e i g h b o r h o o du n s y m m e t r i c a l l y l o a d i n gt u n n e la ts a n m i n g - f u z h o us e c t i o no fb e i j i n g - - f u z h o uf r e e w a yh a s b e e nd o n e t h er e s u l t so 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 lc a l c u l a t i o n h a sb e e na n a l y z e da n dc o m p a r e d i nt h i sp a p e rs u c hw o r ka sf o l l o w sh a sb e e nd o n e ：( 1 ) t h ee n g i n e e r i n g p r a c t i c eo fc e r t a i nn e i g h b o r h o o du n s y m m e t r i c a l l yi o a d i n gt u n n e l a t s a n m i n g - f u z h o us e c t i o n o fb e i j i n g f u z h o uf r e e w a yh a sb e e nb r i e f l y d e s c r i b e d ( 2 ) o nb a s i so fr e l e v a n tt h e o r i e sa n dm e t h o d so fs u r r o u n d i n g r o c kp r e s s u r eo ff o r e r u n n e r s ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fs u r r o u n d i n gr o c k p r e s s u r e o f n e i g h b o r h o o du n s y m m e t r i c a ll yl o a d i n gt u n n e l h a sb e e n p r o m o t e d ，a n dr e c o m m e n d i n gr e l e v a n tc a l c u l a t i o nf o r m u l a so fs u r r o u n d i n g r o c kp r e s s u r eo fn e i g h b o r h o o du n s y m m e t r i c a l l yl o a d i n gt u n n e lh a sb e e n r e c o m m e n d e d ( 3 ) a c c o r d i n gt op r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，t h r o u g hn u m e r i c a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o do fs u r r o u n d i n gr o c k p r e s s u r eo fn e ig h b o r h o o du n s y n 珈e t r i c a ll yl o a d i n gt u n n e l ，u n d e r t h e v a r i a t i o no ft u n n e ln e td i s t a n c e ，s l o p eg r a d i e n to fg r o u n du p p e rs u r f a c e ， t u n n e l d e p t h ，t h e i n f l u e n c eo f s u r r o u n d i n gr o c kp r e s s u r e h a sb e e n a n a l y z e d a n dt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r sa n dv a r i a b i l i t yo fs u r r o u n d i n g r o c kp r e s s u r ei na b o v e l e n t i o n e dc o n d i t i o n sh a sb e e nr e c e i v e d ( 4 ) t h e r e s u l t so 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 lc a l c u l a t i o nh a sb e e n a n a l y z e da n dc o m p a r e d ，t h er e l i a b i l i t yo ft h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n f o r m u l a so fs u r r o u n d i n gr o c kp r e s s u r ei nt h ea b o v e m e n t i o n e dc o n d i t i o n s h a sb e e nd e m o n s t r a t e d ，a n dt h ec o n c l u s i o nh a sb e e nr e c e i v e d a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e v a r i a t i o nc h a r a c t e r so ft u n n e l s u r r o u n d i n g r o c k p r e s s u r e i n a b o v e - m e n t i o n e dc o n d i t i o n sh a sb e e ns u m m a r i z e d ，a n dt h er e f e r e n c e i n f o r m a t i o nf o rt h ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o no fn e i g h b o r h o o d u n s y m m e t r i c a ll yl o a d i n gt u n n e lh a sb e e np r o v i d e d k e y w o r d s ：n e i g h b o r h o o dt u n n e l ；u n s y 珊e t r i c a l l y l o a d i n gt u n n e l ： s u r r o u n d i n g r o c k p r e s s u r e i i i 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章前言 1 1 问题的提出及研究意义 随着我国社会、经济的快速发展，我国交通事业的建设规模和速度不断加大，我 国隧道建设的型式与规格也不断发展，普通分离式隧道、小净距隧道和连拱隧道的建 设规模与数量不断增加。 传统分离式独立双洞的最小净距，按照两洞结构不产生有害影响的原则结合地质 条件等确定。传统分离式独立双洞隧道i 、v 、级围岩的最小净距分 别为1 b 、1 5 b 、2 b 2 5 b 、3 5 b 、4 b 。由于线型、地形条件限制等原因，逐渐发展出 小间距隧道及连拱隧道等特殊形式“1 。 连拱隧道指双洞侧墙相连的隧道，材料厚度般小于o 3 b 或2 米。其优点在于双 洞线间距较小，可减少占地，便于洞外接线伽。连拱隧道结构形式发展经历了两个阶 段。第阶段主要采用整体式中墙的结构形式，它与单洞隧道主要区别在于中墙一次 施作和排水系统不同，其中墙在中导洞贯通后即浇筑，它既是初期支护和二次衬砌的 支撑点，又是防水层的支撑结构。洞室开挖后初期支护支撑于中墙，而防水层则绕过 初期支护与中墙的结合部越过中墙顶与洞室其他防排水设施形成完整的排防水系统。 中墙与中导洞之间的空洞是待初期支护和中墙防水层完成后回填。第二阶段主要采用 复合式中墙连拱隧道的结构形式。它与整体式中墙的连拱隧道的主要区别在于中墙处 的防排水处理措施。在中导洞即修建中墙，要求中墙顶部与中导洞紧密接触，从而克 服了中墙与围岩间存在着空洞的缺点，使主洞开挖时毛洞跨度相对减小珊。但连拱隧 道存在以下缺点：( 1 ) 开挖面大，扁平率低，工艺流程复杂，施工中易产生剥落、掉 块、塌方等，施工安全难以保证。( 2 ) 中隔墙受力复杂，结构对变形极为敏感，衬砌 结构易产生裂缝。( 3 ) 工程造价高，工期长，性价比较低。( 4 ) 中隔墙凹部防水性能 较差，运营期间易漏水，严重影响公路隧道的适用性及服务年限。目前采用连拱隧道 的工程较多，如京福高速公路福建段一期工程三福高速公路( 三呀福州段) 初步设 计的连拱隧道达到2 9 座瞄。另外金丽温( 金华丽水温州) 、宜水( 四川宜宾云 南水富) 、渝合( 重庆合川) 等高速公路也采用了大量连拱隧道”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 因线型、地形、地质条件等因素的影响，为了充分发挥围岩的力学性能，降低工 程造价，简化施工工序，增加隧道整体靛性，新近提出了种介于普通分离式隧道 和连拱隧道之间的新型隧道结构，即小净距隧道。小净距隧道是指隧道间的中隔岩柱 厚度小于普通分离式隧道建议值的特殊隧道布置形式叫。这类隧道主要指隧道中隔岩 柱较薄，双洞净距较小，相互影响较大。与传统双洞隧道相比，小净距隧道具有选线 灵活、占地少等优点。与连拱隧道相比，小净距隧道可以弥补双连拱隧道的不足，在 借鉴连拱隧道完全分离双洞，共享个中隔岩柱的基础匕，充分发挥围岩的自稳能力、 施工速度快、工艺较简单、性价比相对于连拱隧道较高等优点，具有良好的社会、经 济综合效益及广阔的应用前景。 小净距隧道因线形、地形、地质条件等因素的限制，经常有桥、隧直接相连的情 况，这就不兔遇到与边坡斜交的小净距偏压隧道问题。所谓小净距偏压隧道是指隧道 间的中隔岩柱厚度小于普通分离式隧道建议值且隧道衬砌结构承受显著不对称围岩荷 载的隧避o 。 小净距偏压隧道的设计与施工是目前土木工程界关注的热点与难点问题之一山 区高速公路小净距偏压隧道是近几年才出现的工程类型，其理论研究远落后于工程实 践旧。但因国内小净距偏压隧道的建设历史不长，对小净距偏压隧道的研罗z 毫列、，很多 关键问题尚未解决，如中隔岩柱的加固、围岩压力特征、小净距隧道的支护体系等， 且隧道工程具有复杂性、不确定性等特性，故对小净距偏压隧道的围岩压力等情况仍 需进行深入探讨。 小净距隧道的偏压主要由以下三个因素引起：由地形原因引起的偏压；由地 质构造( 如岩性不均匀) 引起的偏压；由施工原因引起的偏压。本文主要研究由地 形原因引起的偏压问题。在e 述三种影响因素中，由地形原因占主要影响因素的单洞 偏压隧道已有较成熟的计算方法，但对于小净距偏压隧道还没有较好的围岩压力理论 计算方法，通常采用数值分析方法进行计算；由地质原因占主要因素的单洞偏压隧道， 通常采用模型试验和数值分析的方法进行研究，但对于地质原因占主要因素的小净距 偏压隧i 酋还未发现有学者进行相关研究。 为了逐步完善小净距偏压隧道设计计算理论和方法，加大其研究深度，丰富其研 究内容，本文在前人研究的基础之匕，以京福高速公路三蝴州段某小净距偏压隧 道为例，采用理论分析及数值模拟方法，对小净距偏压隧道在净距、地表斜勘激度、 埋深等发生变化时的围岩压力进行了分析，总结出隧道围岩压力的变化规律，以期为 小净距隧道的设计与施工提供_ 些参考资料。 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 国内外研究现状 隧道围岩压力的确定，主要有三种方法：第种是直接测量法；第二种是工程类 比法，即按照不同工程实例进行分析对比，提出不同围岩类别条件下围岩压力的经验 值。第三种是在实践的基础t 从理论匕髋围岩压力的计算方法。 但对于偏压隧道，通常都视为特殊工程，需进行与普通隧道不同的特殊设计与施 工。由于影响因素众多，建立种符合实际情况的小净距偏压公路隧道围岩压力理论 计算方法较为困难。 1 ) 设计 小净距偏压公路隧道因净距较小且存在偏压而引发了诸多问题，如隧道几何尺寸、 支护设计、施工措施等。目前，对于常规单洞隧道设计多采用以“新奥法”为理论基 础的复合式衬砌结构。小净距偏压隧道支护参数、施工方法、施工顺序受偏压程度的 影响较大，因此小净距偏压隧道的设计是尚待解决的关键问题。 ( 1 ) 隧道结构基本设计模型 目前对于隧道结构基本设计模型可分为四种：连续体漠型、作用一反作用模型、收 敛一约束模型以及工程类比模型嘲。 连续体模型又称为地层结构模型，地层可模拟为均质或非均质，各向同性或各项 异性、三维的弹塑性介质。衬砌可模拟为梁单元或莲续体，可认为地层与衬砌共同作 用成为受力变形的整体。 作用一反作用模型又称为荷载结构模型，地层压力由给定的荷载表示，地层抵抗 变形的被动反作用用温克尔地基梁模拟。 收敛一约束模型根据隧道径向位移和支护反力的相互作用特征曲线，以及表示衬 砌结构受力变形的支护限制线，用两点交点表示的支护抗力值设计衬砌结构。 工程类比模型是指隧道的支护结构根据己建工程的经验类比选择。 上述模型均有优缺点，除荷载结构模型外其他几种模型因各种原因导致参数选取 困难目难以计算。 ( 2 ) 设计，施工方法研究 在日本及欧美等西方发达国家对于小净距隧道研究较早，从上世纪7 0 年代开始了 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 相关研究。日本铁道技术学会在上世纪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把岩层看作完全弹性体时，约为开挖宽度的两倍；在软地层 中，则为开挖宽度的五倍，并规定平行公路隧道的中心距为3 0 米，国铁单线隧道的标 准净距为2 0 米嘲。 t 川田结合田真新镇公路上的尾山大理障剃小净距隧道设计、开挖方式进行了 系统研究 日本于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圃。 近年来，国内学者及设计、施工人员对小净距隧道进行了相关研究，并取得了显 著成果。其中铁路隧造稠小净距隧道i 塞种结构型式较早，如渝溅板佻隧道、宝成 复线新须家河隧道、株六线新官寨隧道嘲、内昆线青山隧遄删、杨柳湾隧赶“1 笔同时 早期还修建了重庆八一一向阳隧道( 1 9 8 6 年，净距7 m ) 、重庆渝州隧道( 1 9 8 9 年，净 距6 n ) 、浙江招宝山隧道( 1 9 9 8 年，最小挎距3 2 m ) 嘲等小净距公路隧道，但因早期 隧道设计规范的限制及尚未进行系统、全面的研究，小挣距隧道的设计理论在这时 期未被推广应用。 何川等学者以国道g 3 1 7 、1 3 2 1 3 线都汶公路董家山隧道工程为依托，对不同围岩条 件下双车道双洞小净距隧道设计、施工关键技术进行了具体研究。其研究内容如下： 小净距隧道中隔岩柱加固判定标准及方法研究；小净距隧道主体结构设计参数的 研究；小净距隧道合理施工方法的研究；小净距隧道爆破震动对相邻隧道及围岩 稳定性影响的研究：现场监控量测管理体系、监控基准及安全保证体系研究。其目 的在于编制双洞小净距隧道设计、施工指南、规程和工法标准；提出不同围岩、不同 小净距条件下的隧道标准断面和标准设计。西部科技项目一“双洞小净距隧道设计、 施工关键技术研究”的完成，进步提高了我国小净距隧道设计与施工的水平，加深 了工程界对小净距隧道的认识，有效缓解了国内相关设计、施工人员对小净距隧道的 畏惧情绪。 谢勇涛针对襄渝铁路增建二线小净距隧道，采取施工动态设计和数值模拟对隧道 初期支护及衬砌进行修正设计，在施工方面通过采取控制爆破、监控量测等措施以保 证襄渝二线施工后既有隧道安全和铁路运输畅通n 习。 郑余朝等学者为了探讨重叠隧道近接施工引起的结构内力演变规畿以深圳地铁 老街大剧院区间重叠隧道为背景，进行了三维弹塑性有限元分析：考虑了“先匕洞， 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 后下洞”和“先下洞，后上洞”2 种施工j 呖婷。研究结果表明：随着后施工隧道的掘也 先施工隧道的环向内力发生偏转，产生纵向内力，并呈现明显的波动性以及受开挖影响 的局域性和临时性：后施工隧道的纵向影响范围，在级围岩中约为3 倍洞径在v 级围 岩中约为5 倍洞径n 羽。 肖明清在谢家杰“浅埋隧道荷载计算原理”的基础上，提出了小净距浅埋隧道围 岩压力及侧压力系数的计算方法，并就隧道净距对围岩压力及侧压力系数的影响进行 了分析嗍。 同时蒋树屏、王明年、何川以及关宝讨等学者在小净距隧道设计方面做了大量的 工作涉及地层构造应力、施工方法、支护型式等町。特别是彭甚浇设计院及西南 交通大学分别结合京福高速公路和深h f 仕也铁罗湖站至大剧院站区间重叠隧道及广州地 铁越秀公园车站做了大量的研究工作4 ”。 ( 3 ) 围岩应力研：究 胥润东等学者引入双圆洞室围岩应力函数的线弹性方程，并通过编程实现工程计 算，探讨了间距较小的并行双圆隧道围岩的应力特点以及应力随净距改变的变化规律， 为间距较小的并行隧道围岩状态的定性判断提供了依据1 。 王立志等学者详细分析慨箨 地表下岩体的应力状态，通过剞挥叠加的等效原则解 出殷条件下围岩的二次应力解，并探讨该应力场的特性。结合黄土岭隧道工程将解 析值与实测数据进行对比分析，理论分析与实测结果符合良好。结果表明对于偏压隧 道，在距离隧道中心约2 倍洞直径远处应力受扰动很小，其直= 大小者随向于原始偏 压状态值。对于偏压隧洞，也可用2 倍洞直径的概念来判断沥鲤或浅哩。结果还表明 在其它条件相同的情况下，影响隧道围岩应力分布的主要因素有隧道半径、地表倾角 大小、距离隧道中心远近等。 ( 4 ) 初期支护及二次衬砌受力研究 邓刚提出的半荷载结构法采用隧道规范规定的荷裁可考虑锚杆加固后的围岩 及喷锚初期支护受力，并以等参数单元模拟围岩，从而产生对结构有利的抗力，并认为 经锚杆加固的围岩是承载结构的重要组成部分，然后用有限元程序检算初期支护和二 次衬砌，根据刚度自动分配荷载并求出内力。该方法既避免了传统的荷载结构法不能 考虑复合衬砌的支护受力问题，又具有计算模式受力明确、物理意义清晰、与现行设 计规范结合良好的特点。 姜勇等学者采用规范推荐方法确定反分析的初始参数，采用可变容差的单纯形法 进行荷载及地层参数的反分析，然后利用反演参数对衬砌内力进行正分析哪。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 5 ) 围岩压力研究 易亚滨进行了浅埋、偏压隧道复合式衬砌的相互作用及结构计算的研究嘲。 周晓军等学者对地质顺层偏压隧道围岩压力及其分布进行了研究，并得出了围岩 压力分布特点与不同顺层倾角之间的变化关系圈。 ( 6 ) 偏压隧道结构稳定性研究 杨小礼、李亮，刘宇琛等学者做了偏压隧道结构稳定性评价的信息优化分析圆。 陶伟明对二郎山隧道浅埋偏压地段坡体的稳定性进行了评价并推导出了浅埋偏压 段外侧覆土稳定性计算式嘲。 李育枢等学者用动力有限元法研究了偏压隧道洞口横向边坡在水平地震、垂直地 震以及水平和垂直地震同时作用下的全时程动力反应规律。在动应力计算结果的基础 上叠蛔静应力场分析三种工况下最危e 斟旨动面的动力安全系数时程并采用平均动 力安全系数法和地震永久性变形评价洞口横向边坡的地震动力稳定性最终建立了偏 压隧道洞口横向边坡的地震动力响应分析及稳定性评价模型圆。 袁海清针对常张高速公路关口垭软弱泥质页岩的特点，采用三维有限元数值计算 方法分析了浅埋偏压隧道围岩受力特征、隧道洞室及围岩的稳定性从而为软弱泥质 页岩隧道工程的修建提供依据和积累经验。 潘晓马等学者讨论了隧i 苴工j 呈开挖过程计算理论基础和分析方法结合天坪岭隧 道工程利用有限元软件对隧道偏压地段的开挖过程对围岩的稳定性和支护结构进行 了计算分析，得出了些有意义的结论册。 ( 7 ) 隧道偏压成因、偏压效应研究 朱合华等学者进行了岩石隧道偏压成因分析与荷载反演研究嘲。 潘洪科等学者对公路隧道偏压效应及衬砌裂缝进行了研究，从力学角度对裂缝产 生的原因及其发展与变化进行了正、反演分析与归纳，并提出了综合处理隧道裂缝具 体措施嘲。 ( 8 ) 偏压隧道基本受力规律及变形破坏机审研究 杨铡蘑过系统深入的理论分析及数值分析计算，探索了连拱隧道基本受力规律， 得出在地形偏压条件下，不同的围岩类别、埋深和地面坡度对连拱隧道的内力的影响 是不同的；不同的偏压参数的变化对结构相同部位的力学行为的影响也是不同的，因 此有必要对所有不同偏压参数条件下的隧道的力学行为做对比性的分析研究伽。 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 师伟以某高速公路黄土隧道施工为例，i 恿过有限元计算分析浅基滴压黄土隧道开 挖时山体及隧道的变形破坏机制，提出反压回填的治理措耐。 综e 所述，小净距偏压隧道在设计方法、围岩压力与围岩应力分布及变化特征( 隧 道间距、偏压角度、隧道埋深发生变化) 、内力分析、隧道结构稳定性、偏压效应等研 究等方面取得了较多成果，同时提高了我国小净距偏压隧道设计与施工的水平。但是 由于研究时日较短，我国的小净距偏压隧道设计理论远落后于舡实践，特别是隧道 间距、偏压角度，隧道埋深发生变化时围岩压力的分布及变化特征等关键问题的研究 有所不足。 2 ) 施工技术 对于公路隧道来说，因其技术标准高于水工、铁路等其他隧道，其稳定性、防水 性、环保等方面要求较高，故其施工技术也更为严格。而4 、挣蹴公路b 蝴洞受 扰动较大，对隧道施工技术要求最为严格。 因我国小净距隧道建设历史不长，工程界对小净距隧遭受力机理、施工过j 呈力学 形态等规律认识不足，对小净距隧道缺乏系统深入的认识，耳可供借鉴的设计、舡 经验非常有限，难以满足我国公路隧道建设的需要，故急需对不同围岩类别、不同隧 道埋深、不同开挖方式、不同支护技术条件下的小净距隧道设计、施工关键技术展开 全面、系统性研究。 有鉴于此，由福建省高速公路总指挥部、重庆交通科研设计院、三明、南平、福 州京福高速公路有限责任公司、福建省交通规划设计眵 于2 0 0 1 年联合开展了“京福高 速公路福建段小净距隧道设计施工关键技术研究并取得丰硕成果。此研究成果在 京福高速公路1 3 座4 、净距隧道( 详见第2 1 节) e 进行应用，直接节省工程投资1 0 4 2 8 万元。改项研究成果己编入公路隧道设计规范( j t gd t o - - - 2 0 0 4 ) ，填补了我国隧道 设计史上的项空白，有力推进了我国的的小净距公路隧道建设。 今田辙等学者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钮际准憾卸。 鲁彪对小净距隧道常用的单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、台阶法三种舡方法进 行了施工模拟，得出双侧壁导坑法是二类围岩中修建小净距隧道较好的施工方法，并 得出了不同围岩类别、不同埋深条件下小净距隧道的最小安全净距。 王立川等学者以聚卜路吕家坪隧道偏压段为例，通过对围岩一支护系统的机理分 析，结合工程实践的效果，对偏压隧道的设计提出些看法和建议。建议如下：偏压 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第8 页 地段初期支护应强调其系绷0 度，规避变形、松驰；不宜过分强调早衬砌，而应着眼 于快速和刚度足够的初期支护；同时也可采用偏压地段地表注浆，以加固隧道匕覆岩 层，起到岩桥的作用圈。 张小军结合工程实例，介绍了软弱围岩浅埋偏压隧道的开挖方式、支护手段、防 水技术等措施嘲。 何光坤以鹧鸪山隧道为例，介绍了新奥法在浅埋、软弱、偏压隧道洞口的应用情 况嘲。 程炜等学者介绍了盖挖法在浅埋( 最小埋深0 5 m ) 、偏压( 纵向、横向自然坡度 3 5 。4 0 。) 隧道工程中的成功范例，并总结出钢花管竖向注浆并设置钢筋混凝土 盖板通过浅埋偏压隧道的施工技术及施工工艺嘲。 黄晖等学者介绍了采用反压护拱及结合洞口辅助的施工法在汕梅高速公路新亨至 北斗段汤坑隧道严重偏压及浅埋段的施工。通过围岩位移、地表沉降监测，表明这种施 作方法在施工中的可行性侧。 江东明等学者根据夹坑隧道右洞进口位于软弱、偏压不良h 踬地既施工过程中 明洞地段发生了坍方，并影响到暗洞的施工现场的实际情况，及时调整设计方案，对隧 道地表进行了导管注浆加固，并对赔洞支护措施进行了相应调整增加了防偏压措施 顺利通过了软弱、偏压地段，手m i 设计、施工措施及施工工艺、方法作了较为详细的 介绍删。 宋晓容研究探讨在偏压地段双连拱隧道左右主洞施工先后顺序不相同时，对隧道 及山体稳定性的影响问题，队最大限度地减少由于施工过程的不同而引起相互的作用 力，确保双连拱隧道在偏压条件下高效、安全、经济施工。 冷雅梅从下杨干连拱隧道地质条件、隧道结构着手，分析了连拱偏压隧道围岩受力 情况在施工嘣簦捌各施 1 序转拶铽程中受力体系的转挽根据具悔条件 制定防止洞口施工塌方的相关措施并采用围岩量测作为辅助施工控帝怦既顺利通过 洞口偏压段，为类似工程提供借鉴嘲。 张军根据沪蓉西高速公路龙潭隧道复杂地质情况及洞口浅埋偏压的条件，介绍洞 e l 地面注浆加固、洞e l 段施工关键技术及发生变形后的加固处理措施为类似工程提供 借鉴嘲。 ， 蒋树屏等学者结合山西省离石黄土莲拱公路隧遣进行黄土连拱隧道的关键舡 力学问题研究：正洞上下台阶法与侧壁导洞法施工方案比较研究；先左洞( 靠山侧) 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 施工方案和先右洞( 临空侧) 施工方案的对比。计算结果表明对于偏压黄土连拱隧道 应采用先开挖靠山侧的侧壁导洞法进行施工。 刘勇等学者以铜黄高速公路汤屯段富溪隧道为背景，指出偏压荷载、地下水和不 合理的施工工序是裂缝产生的主要原因。根据不同成因，分别采用设置挡土墙、地表 排水、注浆加固、先施工浅埋侧等方法进行处型匍。 段锋介绍了复杂地质、地貌条件下，新建隧道左右线进出口浅埋偏压段，隧道施 工的一系列综合施工技术措施为隧道施工提供参考资料嘲。 目前关于小净距偏压隧道的诸多技术仍处于理论探索和实践检验阶段，尚未形成 较统一的认识与结论。综e 所述，小净距偏压隧道的施工技术的重点与难点主要集中 在以下几方面：偏压条件下支护设计参数的确定；偏压条件下隧道e 覆土层的加 固处理措施；不同地质条件下各施工方法的确定及其优劣之比较；两隧洞施工时 相互影响的控制及中隔岩柱加固技术。 3 ) 分析、测试与试验 对于开挖后隧道围岩二次应力场及位移场的分布特征的研究，除了均质各向同性 岩体中圆形或椭圆形洞室中的基本力学分析方法外，还有仿真物理实验、现场量i 贝! | 试 验及仿真数值模拟。 ( 1 ) 仿真物理实验 仿真物理实验又称为模型实验，我国不少学者在这方面进行了不少研究。王明年、 李志业等学者西制实验及_ 有限元计算方濒t 软弱围岩3 孔小间距平行浅埋隧道施 工力学做了深入研究，认为不同的施工方法对3 孔平行隧道施工的支护结构安全性、 围岩压力、地表沉降规律有很大影响嘲。 钟新樵以宝中线老头沟隧道为原型进行了土质偏压隧道衬砌漠型试验，通过试验 表明土质隧道形成偏压不仅与围岩状况、地表坡率覆盖厚度有关，还与洞室尺寸、形 状与施工方法有关闽。 ( 2 ) 现场量测实验 现场量澳牺：验是指面勘幻二过程的位移、应力监测及工程类比经验，采用信息反 馈的方法得出岩体的物理力学参数，以判断岩体是否稳定。因耗费较高及实验结果离 散性较大，实验所得结果的收敛性、可靠性等还有待于进步研究。 s o l i m e 利用平面应变及三维有限元对小净距隧道进行了开挖模拟；kw l o 做了 多隧道相互影响的现场量测。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 王洋秋等学者对崇遵高速公路龙井隧i 脱口段施工过j 匿觋场监测数据以及有限元 分析结果进行对比研究，得到了偏压条件下隧道施工过程中围岩位i 移的变化规律，并 阐述了现场动态监控量测与有限元仿真模拟相结合的方法对实现隧道信息化施工的重 要性侧。 曲桂有对渝懒黄草隧道通过对衬砌结构的受力测试，分析其受力情况，并对 衬砌结构的安全性做出了评价。”。 日本道路公团针对第二东名神高速公路等重要干线高速公路及中心城市周边公路 中的小净距隧道，结合实际地质及地形条件，采用多种新研究手段，对施工期间的开 挖支护方法、监控量测基准、支护参数、衬砌结构的安全性等进行了深入研爿2 。 吴强等学者详细介绍了铜黄高速公路富溪连拱隧道洞口偏压段现场监控量测结果 和分析同时结合隧道施工j 隋况分析了富溪偏日揪隧道围岩周边直移、拱顶下沉、 支护结构受力及地表沉降的特点，提出了工程措施及时有效地指导了隧道的支护和加 固，确保隧道施工安全甲。 龚勤火介绍了龙长高速公路浅埋偏压双线隧道新奥法施工过程中现场监测的项 目、手段及方法。基于监测结果分析了泷哩偏压隧道围岩和支护系统的垄眈圾受力特 点，获得围岩的动态信息以指导施工，为支护体系的优化提供依据，并对监测结果进行 了讨论可为日后同类工程的设计、施工和监测提供有益的借鉴闭。 ( 3 ) 仿真数值模拟 仿真数值模拟是指利用软件对隧道的全过程进行动态模拟。在这方面国内外应 用较为广泛。对于麟酋岩土体，目前在数唐分析陧序方面主要有2 d - - a 、3 d - - a 程序， 同济大学开发的“同济曙光0 美国i t a s c a 咨询集团公司开发的显式有限差分程序一 啊 c 程序，及连续介质快速拉格朗日分析程序( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so f c o n t i n u m ) n 羽。此外还有些大型的通用有限元分析软件：如n a s t r a n 、a n s y s ，a b a q u s 等。另外还有叫璺开究者自编程序开展了隧道的研究工作。总的说来，上述各j 呈序各 有优缺点，但因隧道影响因素较多及参数选取困难等原因，其数值分析结果仅能作为 定性参考。 h i r o s h in u r i y a 姒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嘲。 靳晓光等学者结合净距4 i m 、偏压2 5 。的公路隧道工程实践，通过二维、三维弹 塑性有限元数直，仿真模挖l 分析了隧道开搠啊睹对围岩破坏搦匠度、围岩变形位移以 1 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 及对空间围岩体塑性破坏和位移的影响，得到了先开挖浅埋侧隧道优于先开挖深埋侧 隧道的结论指出小净距偏压隧i 誊舒哩开挖顺序对隧道围岩稳定和支护措施优化有很 大的影响，5 6 4 , 净距偏压隧道优化设计和施工提供了科学依据。 于跃勋采用理论分析、数值模拟与模型试验相结合的手段，对v 级围岩条件下顺 层偏压隧道衬砌结构的受力特征进行了分析，并结合渝际铁路渔塘湾单线铁路地质偏 压隧道施工技术【8 1 。 任桂兰结合渔塘湾单线铁路地质偏压隧道工程实例，采用现场监控量测、室内模 型试验、数值模拟相结合的手段，研究作用在地劂i 赈偏压隧道衬砌结构上的荷载与 顺层岩层倾角大小的关系，为类似地质条件下隧i 雠的设计与施工提供了参考。 吴涣i 恿采用弹塑性有限元程序对广州地铁二号线间距仅o 8 5 米的双洞区间隧道的 施工进行模拟分析。通过5 种开挖工法的模拟，并考虑中夹岩注浆与未注浆对隧道稳定 的影响，推荐合理的施工方法嘲。 王叔刚应用f l a c 3 d 对分岔隧道小间距段进行了三维数值模拟，确定t i i i i v 类 围岩条件下的开挖方式：确定了i v 类围岩条件下全断面开挖的合理步距：分别对最优合 理步距下的有支护、无支护工况进行了模拟：最后对监测值和计算值进行对比。 姚勇等学者采用二维弹性、弹塑性数值计算方i j 对v 级围岩条件下平行布 设的双洞隧道中夹岩墙受力、变形特点随隧道间距变化的情况进行了研究。研究表明， 对于两隧道间距较小的小挣距隧遣中夹岩墙的受力、变形条件极为不利，是设计、施 工和监控量测的关键部位。同时还研究了不同隧道埋深以及不同岩柱加固措施对小诤 距隧道中夹岩墙受力、变形特点的影响，为小挣距隧道的支护设计、开挖方式选取、岩 墙加固方式选取以及现场监控量测方案制定等提供参考”。 乔春江等学者以十漫高速公路上的花园隧道为例，通过采用荷载结构法验算和有 限元数值模拟，x , i 起1 4 , 净距隧道的支护参数和施工方法进行了探i 寸，并对该隧道的施 工和运营安全性进行了分析评价嘲。 杨小永等学者针对云南思茅小勐养高速公路曼歇4 号连拱隧道的特殊复杂地质 结构，通过数值模拟对穿越古滑坡的浅埋偏压连拱隧道施工过程围岩应力场、位移场和 塑性区变化规律进行了数值分析从而有效揭示出施工各阶段围岩应力集中位置和潜 在塑性破坏区，不仅为隧道的安剑顷利施工提供了预警信鼠和直接指导，同时为连拱隧 道的优化设计提供可靠的理论依据。同时指出在穿越古滑坡的浅埋偏压连拱隧道施工 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 中，应高度重视古滑坡的彻底治理和中隔墙的支护加固，从而确保整座连拱隧道的围岩 稳定和安全运营”。 柳雁玲等学者通过具体的工程实例，采用有限元方法进行了隧道偏压特征分析，阐 述了偏压隧道围岩受力变形特征。 曹云钦等学者采用有限元数值方法对不同衬砌形式下浅埋偏压连拱隧道结构受力 及应变特征作了计算分析。结果表明，偏压连拱隧道采用分层曲墙结构将有助于改善结 构受力状况减小应力集中及e 音啦穆刚噼捕岍零糁水的可能性从而为偏压i 奎拱 隧道合理设计提供理论根据。 这些研究成果为我国小净距偏压公路隧道的设计、施工与分析 狈4 试等积累了一定 的经验，对我国公路隧道的建设起到了承前启后的作用。但从匕述工程实例及理论分 析研究来看，单采用仿真物理实验、现场量测试验、仿真数值模拟、工程经验以及 理论方法都不能较好的解决小净距偏压公路隧道围岩压力及围岩应力的分析问题。因 此，对于小净距偏压公路隧道应采取理论与实践相结合的方法，将现场量测结果、仿 真数值漠拟结果、模型实验结果等，经过科学分析与综合比较，将较为合适的建议反 馈于隧道支护设计及施工，从而从某种意义匕说真正实现信息化隧道设计与舡。 1 2 2 存在的问题 从目前取得的成果来看，小净距隧道受力机理等规僻坯有待于悲晚k 识，l 司时 对小净距偏压隧道还缺少系统研究。到目前为止目前还很少有学者对小净距偏压隧道 围岩压力进行研究。对小净距偏压公路隧道来说，因其在我国的修建起步较晚可供借 鉴的设计施工经验较少，且理论研究远落后于工程实践，因此对于小净距偏压隧道设 计、施工的关键技术急需展开全面、系统的研究。从这点来说，小净距偏压隧道理论 研究及设计、施工实践任重豇酋远，还要做很多艰苦而细致的工作，主要有以下几个方 面： 目前尚缺少小净距偏压公路隧道围岩压力的理论计算方法般情况下参考规 范中单线偏压隧道的荷载计算方法，利用结构法进行内力计算时，考虑到小净距的影 响，将计算荷载进行适当放大。由于放大比例带有一定的随意1 生导致理论计算值与现 场实测值有较大差别。 因小净距偏压隧道存在地形偏压的影响，隧道洞室外形也不是圆形，同时两相 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 邻隧道应力场相互重合而产生较复杂的耦合作用，因此小净距偏压隧道与单线圆形偏 压隧道的围岩压力分布特征有所不同，故小净距偏压隧道围岩压力分布特征的还有待 于进步研究。 现场实测表明围岩拱脚、墙趾处均存在着应力集中现象，且在浅埋偏压隧道拱 顶处可能会出现拉应力。目前采用规范法未能解决围岩某些部位的应力集中及拉应力 问题，这些说明e 述理论计算方法还需进步改进提高。 因小净距偏压隧道需同时考虑小净距和偏压两方面的问题，这已不是小净距隧 道和偏压隧道两种类型简单的叠加，而是产生了复杂的耦合效应。 叫峭珊撇能较好的适应公路选线受限制的情况，但因设计、施工经验