（岩土工程专业论文）暗挖隧道结构荷载的力学机制与计算方法.pdf

、 l y1111111111171111181；1。1111bi,t111，111rl11 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 千l 寥 肛 签字日期：刀肜年莎月2 乡日 导师签名仫参驾 签字日期：如f 。年么月3 弓日 中图分类号： u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 暗挖隧道结构荷载的力学机制与计算方法 t h em e c h a n i c a lm e c h a n i s ma n dc a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rt h e s t r u c t u r a ll o a do ft u n n e l se x c a v a t e dw i t hm i n i n gm e t h o d s 作者姓名：王震 导师姓名：项彦勇 学位类别：工科 学科专业：岩土工程 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 学号：0 8 1 2 1 5 3 5 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：隧道工程 致谢 本论文的工作是在导师项彦勇教授的悉心指导下完成的，项老师渊博的专业 知识，深邃的学术眼光以及精益求精的治学态度和科学的工作方法给了我极大的 帮助和影响。在此衷心感谢两年来项老师对我的关心和指导。 项彦勇教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助。项老师严谨的治学态度时刻影响着我，无论是在学习还 是在生活上对我有很大的督促。两年的研究生生活中，项老师的人生态度也时刻 鼓舞着我，作为一名北京交通大学的教授，他兢兢业业，每天早上都早早来到办 公室，周末也难得的休息。作为一名学生，我们现在甚是缺乏这种为学术献身的 精神，在项老师身上可以明确地感受到这种态度，这是作为我们现在的学生应该 学习和发扬的。在两年的研究生生活和学习中，在论文撰写过程中，项老师都给 了我莫大的帮助和建议，在此向项彦勇教授表示衷心的谢意和敬意。 撰写本论文期间，路威师兄对我论文中的模拟工作给予了热情帮助，在此向 他表达我的感激之情。 在生活上，特别感谢杨娜、曹茜等同学对我的关心。 另外，也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 l，10l一 中文摘要 中文摘要 摘要：小间距双洞隧道和双连拱隧道在施工过程中由于分步开挖，支护结构的荷 载转换过程多，围岩应力变化和围岩与结构的相互作用关系复杂，在计算围岩压 力时直接应用单跨隧道的计算理论是不合理的。 本文主要通过m i d a s g t s 建立模型进行数值模拟与理论分析，对比小问距双 洞隧道和双连拱隧道与单跨隧道施工过程中地层位移、塑性区分布以及围岩压力 的不同；并且对小间距双洞隧道之间的净距对其变形以及应力的影响进行对比分 析，主要研究成果有： l 、小间距双洞隧道在净距较小时，其地层位移、塑性区分布以及围岩压力都 是相互叠加的，两隧道中间的范围土体出现较大的塑性区，并且中间范围的土体 应变值最大。 2 、对于小间距隧道，从数值结果的计算中可以看出，后开挖隧道会对先开挖 隧道产生附加应力，净距越小，影响越明显。在单洞隧道围岩压力计算理论的基 础上，结合数值计算结果，总结出小间距隧道在极浅埋、浅埋和深埋的不同净距 条件下围岩压力的计算方法。 3 、双连拱隧道的围岩塑性区主要分布在拱腰、拱脚、中墙底部及中墙顶以上 的雁形部，由于中隔墙的作用，双连拱塑性区的范围小于相同跨度的单跨隧道的 情况。 4 、双连拱隧道的围岩压力大于按半跨单洞隧道计算的压力而又小于按整垮单 洞隧道计算的结果，针对这一问题，通过对目前常用地层压力理论和公式进行探 索与系统分析，以及与数值计算结果的对比，假定中导洞法开挖隧道，考虑中导 洞的开挖跨度，视围岩压力为均匀分布，总结出了双连拱隧道在极浅埋、浅埋和 深埋条件下围岩压力的计算方法。 关键词：双连拱隧道；小间距隧道；围岩压力；数值模拟 分类号： 1 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：b e c a u s et h ee x c a v a t i o ni so f t e np r o c e s s e di ns t e p sd u r i n gt h et w i n - a r c h t u n n e l sa n dt u n n e l sw i t hs m a l ls p a c i n gc o n s t r u c t i o n ，t h el o a do fs u p p o r t i n gs t r u ( 舭 c h a n g e sf r e q u e n t l y m e a n w h i l er o c k s t r e s sa n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nr o c ka n d s t r u c t u r ei s c o m p l e x t h ee x i s t i n g t h e o r i e sa r eb a s e do ns i n g l et u n n e ln o t t h e d o u b l e a r c ht u n n e l t h ei n f l u e n c e dz o n ea n dm e c h a n i c sm e c h a n i s mo fs u p p o r ta n d s t r u c t u r eo fd o u b l e a r c ht u n n e li sd i f f e r e n tf r o mt h es i n g l et u n n e l ，s ot h ee x i s t i n g t h e o r i e sa r en o tr i g h tt ot h ed i f f e r e n ts t y l eo fs t r u c t u r e t h el o a d sc o m p u t a t i o n a lm e t h o d so fd i f f e r e n tc o n s t r u c t e rs t y l ea r es u g g e s t e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r yc o m p u t a t i o n t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o m p a c t t h ep l a s t i cz o n ea n dr o c kp r e s s u r eb e t w e e nd o u b l e - a r c ht u n n e l s ，t u n n e l sw i t hs m a l l s p a i n ga n ds i n g l e - s p a nt u n n e l s b yc o m p a r i n gd i f f e r e n t n e td i s t a n c e ，a n a l y s i sa n d s u m m a r i z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn e td i s t a n c ea n ds t r e s s t h er e s e a r c hr e s u l t sa r e s u g g e s t e da sf o l l o w s ： 1 t h es t r a t u md i s p l a c e m e n t ，p l a s t i cz o n ea n dr o c kp r e s s u r eo ft u n n e l sw i t hs m a l l s p a c i n ga r ea l ls u p e r i m p o s e dw h e n t h en e td i s t a n c ei sv e r ys m a l l t h ep l a s t i cz o n eo fs o i l b e t w e e nt h et u n n e l sw i t hs m a l ls p a c i n gi so b v i o u sa n dt h es t r a i nv a l u ei st a l l 2 f o rt h et u n n e l sw i t hs m a l ls p a c i n g , t h et u n n e le x c a v a t e dl a t e rw o u l dc a u s e a d d i t i o n a ls t r e s st ot h et u n n e le x c a v a t e db e f o r et h r o u g ht h er e s u l t sc a l c u l a t e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ei n f l u e n c ei ss i g n i f i c a n tw h e nt h en e td i s t a n c ei ss m a l l b a s e d o nt h ec a l c u l a t i o nt h e o r i s eo f r o c kp r e s s u r ef o rs i n g l et u n n e l sa n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s o b t a i n e db yn u m e r i c a lc a u c u l a t i o n ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fr o c kp r e s s u r ef o rt u n n e l s w i t hs m a l ls p a c i n ga r es u m m a r i z e di nd i f f e r e n td e p t ha n dn e td i s t a n c e 3 t h ep l a s t i cz o n eo fd o u b l e - a r c ht u n n e l sd i s t r i b u t e st h ea r c hh a n c e , s k e w b a c k ，t h e b o t t o ma n dt o po fm i d p a r t i t i o n b e c a u s eo ft h em i d - p a r t i t i o n ，t h ep l a s t i cz o n eo f d o u b l e a r c ht u n n e l si so b v i o u s l ys m a l lt h a nt h es i n g l et u n n e l sw i t ht h es a m es p a n l e n g t h 4 t h er o c kp r e s s u r eo fd o u b l e a r c ht u n n e l si sl a r g e rt h a nt h er e s u l t so b t a i n e db y s i n g l et u n n e l sw i t hh a l f - s p a nw h i l es m a l l e rt h a nr e s u l t so b t a i n e db ys i n g l et u n n e l sw i t h t h es a m es p a n t h eq u e s t i o ni sr e s e a r c h e da n da n a l y s i s e dt h r o u g ht h ee x i s t i n gt h e o r i e s a n df o r m u l a so ff o r m a t i o np r e s s u r e a s s u m em ed o u b l e a r c ht u n n e li se x c a v a t e db y m i d c a v a t i t ym e t h o d ，s ow es h o u l dc o n s i d e rt h es p a ne x c a v a t e do fm i d p i l o th e a d i n g v n ，-0il k e y w o r d s ：d o u b l e - a r c ht u n n e lr o c kp r e s s u r e ；t u n n e lw i t hs m a l ls p a c i n g ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c l a s s n 0 ： 1 5 研究路线1 4 2 暗挖地铁隧道的施工方法1 7 2 1 单跨隧道施工方法1 7 2 1 1 全断面开挖法施工1 8 2 1 2 台阶法施工1 8 2 1 3 分步开挖法1 9 2 2 连拱隧道旌工方法2 1 2 2 1 中导洞施工法2 3 2 2 2 三导洞施工法2 4 2 2 3 双连拱隧道施工要点2 5 3 单跨隧道施工过程的数值模拟2 7 3 1 地下结构内力的计算方法2 7 3 1 1 荷载结构法2 8 3 1 2 地层结构法3 0 3 2 暗挖地铁隧道地层结构稳定的影响因素3 0 3 3 隧道开挖后围岩的应力状态3 2 3 4 单跨隧道施工数值模拟i 3 3 i x - l r n 、 北京交通大学硕上学位论文 3 4 1 数值模拟的基本理论3 3 3 4 2 模型与参数3 6 3 4 3 计算位移3 7 3 4 4 塑性区3 9 3 4 5 结构内力分析4 0 3 5 本章小结4 3 4 小间距隧道施工数值模拟4 5 4 1 计算模型与参数4 6 4 2 小间距隧道施工4 7 4 2 1 计算位移4 8 4 2 2 塑性区4 9 4 2 3 围岩压力分析5 3 4 2 4 支护结构内力分析5 5 4 3 本章小结5 7 5 双连拱隧道施工数值模拟5 9 5 1 力学模型与参数6 1 5 2 双连拱隧道施工6 1 5 2 1 隧道施工6 1 5 2 3 计算位移6 3 5 2 4 塑性区6 5 5 2 5 围岩压力分析6 7 5 2 6 支护结构内力分析6 8 5 3 本章小结7 0 6 单跨与双跨隧道围岩压力计算方法7 3 6 1 单跨隧道围岩压力理论计算7 3 6 1 1 界定深浅埋的计算理论7 3 6 1 2 浅埋隧道围岩压力的计算7 6 6 1 3 深埋隧道围岩压力的计算8 2 6 1 4 数值模拟与理论计算的对比8 4 6 2 小间距双洞隧道围岩压力与荷载模式分析8 5 6 2 1 深埋小间距双洞隧道围岩压力的计算8 6 6 2 2 浅埋小间距双洞隧道围岩压力的计算8 8 6 2 3 数值模拟与理论计算结果对比9 3 6 2 4 小结9 4 一， 、- b l l p i r 、 _ 0 - l 1 i l 绪论 1 绪论 引言 随着国民经济和社会的发展，城市建设得到了大力发展，大量人口涌入城市， 使得城市可利用的土地面积日益减少，由此引发的一系列问题严重阻碍了城市的 进一步发展。为了解决这些问题，开发与利用城市地下空间，成为值得重视的城 市建设指导方针和发展方向。目前我国已经进入了城市地铁大发展的时期，我国 的一些发达地区如北京、上海、广州等很多城市都在积极的投入地下空间的开发 与建设中，大规模的开发和利用地下空间的时代已经来临。地下空间作为城市空 间整体的一部分，可以吸收和容纳相当一部分城市功能和城市活动，与地面上的 功能活动互相协调与配合，使城市发展获得更大的活力与潜力。从近几十年世界 上若干地下空间利用较先进的国家和城市看，城市地下空间的主要功能和主要内 容有居住空间、交通空间、物流空间、业务空间、商业空间、文化活动空间、生 产空间、储存空间、防灾空间等，其中地铁的建设会是我国2 1 世纪城市地下空间 开发和利用的重点l l j 。 地铁基本是在人口、交通等密集的地方修建，修建地铁对地面及地上结构的 扰动应严格控制，在施工过程中，地下结构受的荷载与地上结构的明显不同，地 下结构力学计算的目的可以分成定量分析和定性分析两种。虽然都需要进行定量 的计算，但两者对计算结论的使用方式不同；定量分析的结论用确定数量来表达， 计算得到的数据直接用作设计的依据；而定性分析的结论，不是用确定的数量来 表达，计算得到数据只是为了认识计算对象的一般行为规律。定性分析可以分成3 种情形：参数分析，通过在计算中选择不同的参数值( 如参数的期望值、最小 值和最大值等) 来分析参数变化对结构体系的影响规律；敏感性分析，研究参 数( 如洞室形状、结构埋深、开挖方法和支护方法等) 变化对结构体系行为的影 响程度。基本原理分析，目的是提高对工程原理的认谢引。 不论是何种目的，地下结构的力学计算都要充分考虑地下结构的受力特点。 概括地说，地下结构的受力至少有6 个方面的特点。 l 、除了承受使用荷载( 在洞室使用过程中作用在结构内部的荷载，如设备重量、 输水隧道内水压力、隧道中行驶车辆的重量等) 以外，地下结构还要承受周围岩土 体和地下水的作用，而且后者往往构成地下结构的主要荷载。 2 、地下结构的围岩既是荷载的来源，又可以在某些情况下( 如洞室收敛带来 北京交通大学硕十学位论文 的围岩应力释放，深埋结构围岩的成拱作用、围岩弹性抗力对结构的约束与强化 作用等) 与结构共同构成承载体系。结构的功能主要是加固或支撑围岩、维持和 发挥围岩自身的承载和稳定能力。 3 、地下水对结构的力学作用与岩土材料组成、地下水流场及结构防水系统等 因素有关。视岩土材料组成的不同，地下水压力既可能混同于岩土压力，也可能 明显地有别于后者；地下水的流动会使结构水荷载较静止水压力( 地下水头高度 乘以地下水重度) 有所减少或增加；地下水的流场会因结构防水系统不同而发生 不同的变化。 4 、当地下结构的埋置深度足够大时，由于地层的成拱效应，结构所承受的围 岩竖向压力总是小于其上覆地层的自重压力。 5 、地下结构的受力可能受到结构与围岩相互作用及施工过程的显著影响。 6 、地下结构的荷载与众多的、随机性和时空效应明显的、往往难以量化的自 然和工程因素有关。 正是由于地下结构的这些特点，地下结构的设计方法也在不断发展中，地下 结构施工的过程对其力学承载机制有很大的影响，现有隧道荷载理论均以自由地 层和单跨开挖为前提假设，没有反映多跨隧道开挖与支护的特殊情况，目前地铁 车站的设计一般都是多跨结构，如何反映多跨车站隧道施工支护与永久结构所承 受的地层荷载，以及其与分跨开挖一支护的具体过程的关系是我们需要关注的一个 问题。 1 1 选题的背景和意义 采用浅埋暗挖法施工时，常见的典型施工方法是正台阶法以及适用于特殊地 层条件的其他施工方法，如全断面法、单侧壁导坑超前正台阶法、双侧壁导坑正 台阶法( 眼镜工法) 、中隔墙法等。应当注意的是，浅埋暗挖工程是在应力岩( 土) 体中开拓饿地下空间施工，在选择施工方法时，应当根据具体地下工程的各方面 条件综合考虑，选择最经济、最理想的设计和施工方案，甚至要综合各种方案， 因而这是一个受多种因素影响的动态的择优过程。 浅埋暗挖工程施工中，应根据不同的围岩工程地质条件、水文地质条件、工 程建筑要求、机具设备、施工技术条件、施工技术水平、施工经验等多种因素， 选择行之有效的一种或多种施工方法，主要影响因素是围岩的地质条件。当围岩 较稳定且岩体较坚硬时，施工中往往先把隧道坑道断面开挖好，然后修筑支护结 构，并在有条件时争取一次把全断面挖成。当围岩稳定性较差时，则需要随开挖 进行一次支撑，防止围岩变形及产生坍塌。分块开挖后，应及时进行初期支护的 2 i 绪论 施作，一般先开挖顶部，在上部断面挖成后及时进行初期支护，在上部支护的保 护下再开挖坑道下部断面。在二次模筑衬砌修筑中必须先修筑边墙，之后再修筑 拱圈，即采用先墙后拱法施工，确保安全和施工质量。 当地层条件差，断面特别大时，一般设计成多跨结构，跨与跨之间有梁、柱 连接，比如常见的三跨两柱的大型地铁站、地下商业街、地下停车场等，一般采 用中洞法、侧洞法、柱洞法及洞桩墙法等方法施工，其核心思想是变大断面为中 小断面，提高施工安全度1 3 j 。 采用浅埋暗挖法施工的地下结构，由于其功能、施工方法和地质条件不同， 形成了多种多样的结构形式，按跨度可分为单跨结构、双跨连拱结构、三跨连拱 结构以及多跨连拱结构。地铁站在第四纪地层中的结构形式主要有以下几种：三 拱两柱、双拱单柱、单跨单层、单拱双柱或单柱式以及分离式。 由此可以看出，地铁车站大多是多跨结构，在进行地铁车站施工时，应考虑 分层分段开挖，不同的施工方法和步骤对地下结构的受力是有影响的，在分析施 工各阶段地下结构的受力状态时应考虑开挖的步骤和方法，以及对既成的结构的 影响。隧道开挖将使土体产生扰动，引起土体的移动和变形，移动土体作用在建 筑物的基础上，就会引起建筑物及其基础的附加内力和变形，从而对已有建筑产 生不利影响。另一方面，隧道开挖将受到建筑物基础上作用荷载的影响，建筑物 基础上的荷载将会增加土体与隧道的变形，改变隧道周围土体的应力分布，从而 影响隧道开挖和支护过程中的受力状态，进而影响隧道的安全。分析多跨隧道施 工具有重要意义。 在分析隧道与建筑物的近邻施工问题中，根据隧道开挖对建筑物的影响情况， 一般把隧道开挖对周边环境的影响区域划分为受影响区域和不受影响区域，对在 影响区域内或部分在影响区域内的建筑要采取适当的保护措施；目前对影响区域 的划分，暂时还没有形成统一的标准，但其基本原则是：建筑物基础底部向下卧 层地基土扩散的有效附加应力范围，应离开地铁隧道周围和其上方土体受扰动后 的塑性区域，以防止隧道周围塑性区土体后期固结沉降引起的差异沉降对建筑物 的影响。然而，目前对承载地层中隧道塑性区的分布还未见相关研究，因此，分 析土体内部作用的荷载对隧道周围塑性区的影响，有利于确定隧道与建筑物的相 互影响关系，为隧道支护提供理论依据。 3 北京交通人学硕f ：学位论文 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 隧道开挖对土体沉降影响的研究 地铁隧道开挖技术经过一百多年的发展，已经有了很大进步，但开挖还是会 不可避免地引起地层的扰动，引起地层变形及地面沉降，特别是软土隧道中尤甚。 英国与其他一些国家在2 0 世纪2 0 年代就开始重视对“软弱地层中开挖隧道产生地 面沉陷和地层变形”问题的研究工作。目前关于地铁隧道开挖对于岩土环境影响的 研究，主要还是集中在对地层变位的研究。国内外关于地铁隧道开挖引起地层变 位的特征、机理研究已相当成熟，其研究方法主要有：经验公式法、理论解析法、 试验法和有限元法。 1 、经验公式法 目前比较成熟的经验公式法主要用于计算地表土体沉降。国内外学者对隧道 施工所引起的地表沉降的预计采用了很多方法，现场应用较多的主要是经验法。 比较成熟也是应用最广泛的经验公式法是美国学者p e c k 于1 9 6 9 年提出的p e c k 公 式【5 1 。r b p e c k 通过对大量的地表沉陷数据及工程资料的分析后，首次提出地表沉 降槽近似正态分布的概念，认为地层移动是由地层损失引起的，施工引起的沉降 是在不排水条件下发生的，沉降槽的体积等于地层损失的体积，在此基础上给出 了估算地表横向沉降的计算公式。后人在p e c k 公式的基础上进行了大量的研究， 广义p e c k 公式还可以用于估算隧道开挖引起地层沉降的三维分布。后来许多学者 对p e c k 公式进行了进一步的研究，a t k i n s o n 等( 1 9 7 7 ) 【6 】对p e c k 公式进行了修正， 使其更符合工程实际。刘建航等( 1 9 9 1 ) 【7 】根据现场实测数据，运用数学方法给出 了地面纵向沉降的一般规律。 p e c k 经验公式法原理简单，易操作。在实际工程中该沉降曲线可以根据不同 的实际情况用不同的参数来定义，依照每个特定的参数都可以取得合适的结果。 该方法在一般的固结土中可以得到较为满意的结果，但在颗粒土体和超固结土中 误差很大。有经验公式法获得大曲线没有理论根据，不可避免的具有局限性，后 来由于经验方法的限制性和不确定性，在对现场信息了解不足的情况下，可以通 过解析公式法，获得理想真实的结果。 2 、解析法 由于经验方法的限制性和不确定性，同时考虑到有限元法的复杂性，简单的 闭合解析解是一种可取的分析隧道工程对周围岩土环境影响的有效方法。在对现 场信息了解不足的情况下，可以通过解析公式法，获得理想的结果。 4 损失 得出了应变。s a g a s e t a 使用的镜像法( v i r t u a li m a g et e c h n i q u e ) 有效解决了用其他 方法将会产生的地表垂直应力不为零的难题。v e r r u i j t 和b o o k e r ( 1 9 9 6 ) 9 1 采用了 s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 提出的源汇思想，认为隧道变形主要是由其表面土体的等量一致径 向位移和长期的隧道椭圆化变形引起的，提出了均质弹性半无限空间中隧道变形 引起的地表沉降的解析解。他们给出的结果不仅适用于土体不可压缩的情况( 泊 松比为0 5 ) ，而且适用于泊松比为任意值的土体情况 s a g a s e t a 提出了一个在初始应力状态下连续、均匀、各向同性不可压缩土体 中，发生近地表地层损失的情况下，获得闭合解析的方法。s a g a s e t a 将这一问题视 作应变控制问题，仅依靠不可压缩这一前提条件便获得了应变场的分布，并且使 用“镜像法”考虑顶层的自由边界条件，其他的结果是在弹性半空间的前提下获得 的。 在s a g a s e t a 提出的地层损失的地层变形理论下，v e r r u i j t 和b o o k e r 提出了弹性 半空间内隧道开挖引起的地层沉降解析公式，在这一公式中考虑了两种隧道的基 本变形机理：( 1 ) 一致径向位移即均匀的径向收敛；( 2 ) 隧道衬砌的椭圆变 形。即使在实际施工中非常严格地控制变形因素，例如采用各种减小变形的施工 技术，上述变形机理仍然是隧道开挖引起地层变形的理论计算中必须考虑的因素。 v e r r u i j t 和b o o k e r 的解答是s a g a s e t a 方法的推广。不仅考虑了不可压缩土体的情况， 而且考虑了泊松比可以任意取值的情况。但该理论解答的不足在于，其所预测的 沉降槽宽度和水平位移均大于观测值。前述两种解析方法，主要是通过“地层损失” 的概念来变现隧道开挖所引起的地层变形。地层损失参数根据经验判断，并且由 于土层条件、隧道形式以及施工质量等因素的影响，具有很大的差异性。 l o g b a t h a n t lo 】等人为隧道的径向位移不是均匀的，其形状近似椭圆形；地层的 沉降主要发生在隧道轴线与水平方向夹角为4 5 0 的范围内。利用l e e 等( 1 9 9 2 ) i q 提出的等效土体损失参数g ，对v e r r u i j t 和b o o k e r ( 1 9 9 6 ) 提出的计算公式进行了 修正，但修正的计算公式仍然无法考虑土质条件和施工工艺。 国内学者魏纲等( 2 0 0 5 ) 1 2 】、姜忻良( 2 0 0 5 ) b 3 】等人也在源汇法的基础上进 行了有意义的探索、推导出土体的位移计算公式。 在解析方面，b o b e t ( 2 0 0 1 ) 1 4 】假定与隧道轴线垂直的横截面为平面应变条件， 土体为多孔弹性材料，衬砌是弹性的，提出了饱和土体中浅埋隧道土体变形的二 维解析预测方法。 p o u l o sa n dd a v i s 认为土体单元的竖向位移与桩土相互作用力、土体的刚度 ( 或模量) 及可能作用与桩上的与初始应力场有关的土体位移有关，其认为要比 5 构侧向剪切和正面附加推力引起的土体变形计算公式。 魏纲等( 2 0 0 5 ) 【l7 j 利用弹性力学的m i n d l i n 解，推导了正面附加推力和盾壳与 周围土体之间的摩擦力引起的土体各向位移计算公式。 由于土层条件的复杂性以及施工状况的多变性，迄今为止还没得到完全精确 的理论解答。现有的理论解答均是在大量假定的基础上简化得到的，可定性的判 断地表沉降的一般规律。 3 、试验法 在各种实验方法中，相似材料模拟实验是最基本的方法，其中有普通相似模 拟实验和离心机模拟实验。k i m u r a & m a i r 1 8 】通过离心机模型试验对伦敦几种地层 中隧道施工所产生的地表沉降预计参数进行了探讨，按照体积不变的假定，得出 了地表水平位移的计算公式。a t k i n s o n & p o r t s 1 9 j 通过常规小比尺隧道的物理模型 试验表明，当k o = 1 0 时，即使隧道内支护压力小得多，而地表沉陷却比k o = 0 5 时 小得多，这种差别是因为土体发挥拱效应有助于减少因隧道支护压力降低产生的 沉降。g u t - t i e r & s t o f f e r s 2 0 】用离心模型试验对圆形隧道变形和破坏的形态进行了研 究，试验发现：随着离心机加速度增加，衬砌呈椭圆状变形，垂直向直径缩小而 水平向直径增大，加速度增加到一定程度时，隧道之上部分土体塌落，且失效机 制为以陡的剪切面向上部覆盖层内扩展，引起地基表面的大幅沉降。 w u 等【2 i 】用离心模型试验研究了粘土地基中一条单行隧道和两条并行隧道情 况下周围土的位移和塌陷机理，试验结果表明：隧道的稳定性随着埋深的增加而增 加，两条隧道距离越近则其相互影响越大，并行隧道不如单行隧道稳定，并行隧 道的地面沉降槽曲线可以由两条隧道各自沉降槽的正态曲线叠加得到。 由于洞周岩土体是本身的复杂性，在开挖过程中，不同位置的洞周土体会产 生不同性质的变形，使得用计算理论来计算极其困难，在很多情况下是不可能求 解的。而现场实测往往会花费很多的人力、物力，且有时因为一些实际条件而不 可能全面进行，因此相似模拟实验其就显示出独到之处。可以人为地控制和改变 实验条件，从而可以确定单因素或多因素对问题的影响规律，效应直观清楚，周 期短，见效快。此外室内试验可以重复且可以做破坏性实验，这是现场无法比拟 的。但相似材料模拟实验的最大缺点是相似准则不容易满足，边界条件和初始条 6 l 绪论 件也只能近似，这使得模型试验在定量分析方面还有一定的困难。并且也要增加 一定的研究周期和费用。 4 、数值法 为了弥补经验法及解析解的不足，现在常采用数值计算的方法来对变形进行 预测。因为数值分析可以考虑不同的地质条件，也可以考虑各种施工过程，采取 适合的应力应变关系，可以适用于考虑开挖空间效应的和考虑流变与固结等时间 效应的许多特殊情况，因而得到了广泛的运用。目前广泛采用的数值计算方法有 有限单元法、有限差分法、边界元、离散元、随机有限元法等。 国内外学者应用有限元法对隧道施工所引起的地表沉降进行预测的相关著作 很多，对于模拟计算的方式而言，已从一般断面的隧道模拟，发展到对大跨度隧 道以及小间距隧道、交叉隧道、连拱隧道的模拟；对于岩土介质的复杂程度应用 而言，己从对弹性介质的模拟，发展到对弹塑性介质、粘弹塑性介质的模拟；就研 究问题的应用领域而言，己经从单一的应力场问题模拟，发展到对应力场、渗流 场乃至温度场等多场藕合问题的模拟；就解决问题的复杂程度而言，已经从平面问 题的施工过程的模拟，发展到了对空间问题的动态施工模拟。 1 2 2 研究现状 地下工程支护结构理论的一个重要问题时如何确定作用在地下结构上的荷载 以及如何考虑围岩的承载能力。 从这方面来讲，支护结构计算理论的发展大致可分为7 个阶段【4 】。 1 、刚性结构阶段 1 9 世纪的地下建筑物大都是砖石材料砌筑的拱形圬工结构，这类建筑材料的 抗拉强度很低，且结构物中存在着较多的接触缝，容易发生断裂。为了维护结构 的稳定，当时的地下结构截面都拟定的很大，结构受力后产生的弹性变形较小， 因而最先出现的计算理论是将地下结构视为刚性结构的压力线理论。 压力线理论认为，地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构，所受的主动荷 载是地层压力，当地下结构处于极限平衡状态时，它是由绝对刚体组成的三铰拱 静定体系，铰的位置分别假设在墙底和拱顶，其内力可按静力学原理进行计算。 2 、弹性结构阶段 1 9 世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现，并用于建造地下工程，使 地下结构具有良好的整体性。从这时起，地下结构开始按弹性连续拱形框架用超 静定结构力学方法计算结构内力。作用在结构上的荷载是主动的地层压力，并考 虑了地层对结构产生的弹性反力的约束作用。由于有了比较可靠的力学原理为依 7 北京交通大学硕：仁学位论文 据，故至今在设计地下结构时仍时有采用。 这类计算理论认为，当地下结构埋置深度较大时，作用在结构上的压力不是 上覆岩层的重力而只是围岩坍落体积内松动岩体的重力一松动压力。可以作为代 表的有太沙基理论和普氏理论。他们的共同观点是，认为坍落体积的高度与地下 工程跨度和围岩性质有关。不同之处是，前者认为坍落体为矩形，后者认为的事 抛物线形。普氏理论把复杂的岩体之间的联系用一个似摩擦系数来描写，显然过 于粗糙，但由于这个方法比较简单，直到现在普氏理论仍在应用着。 3 、假定抗力阶段 地下结构衬砌在承受主动荷载作用产生弹性变形的同时，将受到地层对其变 形产生的约束作用。将地层对衬砌的约束按衬砌受有与其变形相适应的弹性抗力 的假设形式进行考虑，地下结构的计算理论便进入了假定抗力阶段。 假定抗力的缺点是过高估计了地层抗力的作用，使得结构设计偏于不安全。 为了弥补这一缺点，结构设计采用的安全系数较高。 4 、弹性地基梁阶段 由于假定抗力法对抗力图形的假定带有较大的任意性，人们开始研究将边墙 视为弹性地基梁的结构计算理论。将隧道边墙视为支承在侧面和基底地层上的双 向弹性地基梁，即可计算在主荷载作用下拱圈和边墙的内力。 5 、连续介质阶段 由于人们认识到地下结构与地层是一个受力整体，按连续介质力学理论计算 地下结构内力的方法也逐渐发展，我国学者也按照弹塑性和粘弹塑性本构模型进 行了很多研究工作，发展了圆形隧道的解析解理论。 6 、数值方法阶段 7 、极限和优化设计阶段 1 2 3 理论分析 隧道设计计算理论的发展，大致可以分为以下几个阶段：刚性结构设段，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，连续介质设计 阶段( 包括解析法和数值法) ，现代复合支护设计与优化设计阶段。 地下工程的理论研究中存在“荷载一结构”模式和“地层一结构模式，前 者是长期以来工程界的主导方法，后者主要基于近代连续介质力学理论的完善和 计算机技术的飞速发展而成为地下工程理论研究重要手段，如各种数值模拟的方 法如：有限差分法( f d m ) 、有限元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 、离散元法( d e m ) 、流 形元法( m e m ) 以及无单元法( e l e m e n t f r e em e t h o d ) 等。 1 绪论 余晓琳、彭立刨3 6 j 从双连拱隧道结构设计的全局出发，提出了三种双连拱隧 道单洞常用内轮廓形状( 单心圆、坦三心圆及尖三心圆) 的优化选型计算方法，建 立了以路面以上开挖面积最小为目标函数，以满足限界、通风、受力等要求为约 束条件的优化模型，并采用简易复形法对其进行了求解：邓刚【3 7 】提出了半荷载结构 法检算浅埋偏压连拱隧道结构；余凡、杨林德【3 8 】在进行连拱隧道荷载计算时将其 简化为单拱的计算方法：李亮、郭乃正、傅鹤林等【3 9 】提出按岩体结构观点对连拱 隧道围岩进行分类，建立破碎围岩的力学模型，求得破碎围岩中连拱隧道荷载的 理论解；吕建兵、傅鹤林m 】讨论了按矿山法、按泰沙基理论和按岩体结构分类法 对破碎围岩中深埋连拱隧道荷载计算情况。 p a n e t 4 l l 引入释放系数来模拟开挖引起的围岩弹性应力变化；j s u l e m 和 p a n e t 4 2 】提出的虚拟支撑力法推广为广义虚拟支撑力法，将释放系数法向前发展了 一步，释放系数法通过不同施工过程的“释放荷载”的施加，将隧道施工过程的 复杂三维问题通过二维平面来反映，使得分析过程大为简化。 开挖洞室时，紧邻洞室的围岩初始应力场会产生很大变化，随着距离的增大， 应力场的扰动量将迅速衰减，对一定距离以外的范围可忽略起的影响，这就是洞 室开挖的影响区范围问题。对于两个或多个邻近洞各个隧道影响范围彼此不重叠， 每个洞室可视为与相邻洞室脱离的单进行应力分析时可忽略洞室之间的相互影 响。而对于小净距隧道，两影响范围相互叠加，相邻洞室之间存在相互作用，从 而使隧道的施工有别于独立单洞。 1 2 4 数值模拟 随着我国经济的发展，基础设施建设迎来新的高潮，大跨度、大断面隧道的 数量急剧增长。一方面，由于隧道跨度增大，引起开挖断面面积大幅度增加，工 程量和工程造价也会随之大幅度上升，经济性方面要求应尽量以低扁平率( 高度 与最大跨度之比) 来降低造价；另一方面，在这种条件下修建隧道，在技术上会 造成很大困难。对已建成的为数不多的浅埋大跨度隧道，也尚未开展全面深入的 科研工作，可借鉴的工程经验极少。根据已收集的资料【2 8 3 ，欧美及r 本等国正 在修建的新的高速路网中，近几年开始大规模修建三车道公路隧道，随着这类隧 道数量的增加，各国均把大跨度、大断面隧道作为重点课题，组织力量进行研究。 如日本公路公团直至现在针对第二东( 京) 一名( 古屋) 、名( 古屋) 一神( 户) 高速公路中将出现大量三车道大断面隧道，并专门成立了以相关大学、研究所、 设计、施工单位为主体的研究委员会，从降低扁平率着手对相应的设计施工问题 正在展开研究。但严格地说，修建此类隧道的技术研究各国都不充分。对于不同 9 北京交通人学硕士学位论文 围岩条件下，设计施工方案也不相同，因此可利用施工监控量测体系、监控基准 和信息反馈等手段来研究这些重大技术问题。 小问距隧道【2 2 - 3 0 ，在日本及欧美等隧道修建技术比较发达的国家，从7 0 年代 就已经开始了研究。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 川 田等结合田真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 号线对中岩墙加固方法、 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。同时，日本在1 9 8 7 年出版了近接施工的设计与指南一书，对小间距隧 道近接施工问题进行了论述，并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。 国内外学者运用理论与数值模拟方法在连拱隧道方面已经作了如下方面的工 作：杨建民【3 l 】采用a b c z 有限元程序将力梁高速公路金竹林双连拱隧道结构简化成 直杆杆系结构用矩阵位移法进行了二维分析，得出了结构内力、位移和安全度； 夏才初、刘金磊【3 2 】采用有限元程序和荷载一结构模式对福泉高速公路相思岭双连 拱隧道进行了二维分析，得出了结构的内力大小与弹性抗力系数的取值大小密切 相关的结论；陈少华、李勇【3 3 】采用有限元程序和围岩与支护结构的连成模式对同 三线黄云岭双连拱隧道各个施工阶段围岩的稳定性、初期支护和二次衬砌的受力 状态等进行了二维分析，得出了为使结构应力分布合理，初期支护和仰拱应该及 时施作的结论。周玉宏、赵燕吲3 4 】等采用a n s y s 有