（道路与铁道工程专业论文）山区隧道施工地表移动与变形规律研究.pdf

摘要 隧道开挖施工必将引起围岩应力场、应变场的变化，围岩产生向隧道空间内 的移动。当围岩移动量较大时，隧道地表产生移动与变形，地表点的差异沉降会 引起地表的垂直变形，不均匀水平位移又将会引起地表的水平变形。地表移动与 变形值过大将对隧道上方地表面建筑物产生不利影响，甚至会引起安全事故。因 此，分析研究山区隧道旌工引起的地表移动与变形规律具有重要意义。 论文运用有限元软件m i d a s g t s 模拟独岩隧道施工过程，分析总结了山区 隧道施工地表移动与变形规律以及围岩内部移动规律。然后采用数值方法研究不 同围岩性质、不同开挖方法、不同开挖进尺、不同开挖孔径、不同隧道埋深五种 因素对隧道洞周围岩移动和地表沉降的影响。最后对独岩隧道现场监控量测数据 进行分析，为判断围岩稳定、二衬施作时间提供依据，并与数值模拟结果进行对 比，验证所得规律的可靠性。 研究表明：隧道横断面地表移动与变形分布曲线均为连续光滑曲线，地表水 平位移曲线与倾斜变形曲线具有相似的特征，地表水平变形曲线与地表曲率变形 曲线形态相似：山区隧道地表沉降主要发生在影响半径内，远离轴线方向地表沉 降量逐渐减小：沿隧道开挖方向，隧道埋深增加、地质情况变化，地表移动与变 形的横向影响范围增大，但影响强度减弱。独岩隧道实测结果与数值模拟所得规 律相吻合。 关键词：山区隧道；地表移动与变形；有限元；监控量测 a bs t r a c t t h et u n n e le x c a v a t i o nc o n s t r u c t i o nw i l lc e r t a i n l yc a u s et h ev a r i a t i o no fs t r e s sa n d d e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c k ，s u r r o n d i n gr o c km o v e st o w a r d st h ei n n e rs p a c eo f t u n n e l w h e nt h ed i s p l a c e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c ki sb i ge n o u g h ，i tw i l lc a u s eg r o u n d s u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o n ，u n e v e ns u b s i d e n c eo fg r o u n ds u r f a c el e a d st o v e r t i c a ld e f o r m a t i o no fg r o u n ds u r f a c e ，u n e v e nh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ti st h ec a u s et o h o r i z o n t a ld e f o r m a t i o no fg r o u n ds u r f a c e i ft h ev a l u eo fg r o u n ds u r f a c em o v e m e n t a n dd e f o r m a t i o ne x c e e d sac e r t a i nl i m i t ，i tw i l lc a u s ed e t r i m e n t a le f f e c tt og r o u n d s u r f a c eb u i l d i n g sa b o v et h et u n n e l ，e v e ns a f e t ya c c i d e n t s oi t i sv e r ys i g n i f i c a n tt o a n a l y z et h er e g u l a r i z a t i o no fg r o u n ds u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o nc a u s e db y t u n n e le x c a v a t i o nc o n s t r u c t i o n t h ep a p e ru s e sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em i d a s g t ss i m u l a t et h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s s o fd u y a nt u n n e l ，t h er e g u l a r i z a t i o no fg r o u n d s u r f a c em o v e m e n ta n d d e f o r m a t i o no fm o u n t a i nt u n n e l sc o n s t r u c t i o na n dt h er e g u l a r i z a t i o no fs u r r o u n d i n g r o c km o v e m e n t f u r t h e r , t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h ei n f l u e n c eo nt u n n e ls u r r o n d i n g r o c kd i s p l a c e m e n ta n dg r o u n ds u r f a c es u b s i d e n c eb yn u m e r i c a lm e t h o d ，c a u s e db yf i v e f a c t o r so ft h ed i f f e r e n ts u r r o n d i n gr o c kc h a r a c t e r ，t h ed i f f e r e n te x c a v a t em e t h o d ，t h e d i f f e r e n te x c a v a t e dl e n g t h ，t h ed i f f e r e n te x c a v a t e da p e r t u r e ，t h ed i f f e r e n tt u n n e l d e p t h a tl a s t ，a n a l y z i n gt h em o n i t o r i n gd a t ao fd u y a n t u n n e lf i e l dt op r o v i d ee v i d e n c e f o rj u d g i n gt h es t a b i l i t yo ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c ka n dt h et i m eo fi n s t a l l i n gt h e s e c o n d a r yl i n i n g ，a n dt a k eac o m p a r i s o ns t u d yw i t hn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t st o p r o v e t h e r e l i a b i l i t y o ft h er e g u l a r i z a t i o no fg r o u n ds u r f a c em o v e m e n ta n d d e f o r m a t i o n r e s e a r c hs h o w st h a tg r o u n ds u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o nc u r v e o nt u n n e lc r o s ss e c t i o na r ea l ls m o o t hc u r v e so fc o n t i n u i t y , t h ec u r v e so f h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n ta n dt h ec u r v e so fi n c l i n a t i o nd e f o r m a t i o nh a v et h es i m i l a rf e a t u r e s ，t h e m o r p h o l o g yo f h o f i z o n t a ld e f o r m a t i o nc u r v e so fg r o u n ds u r f a c ea n dt h em o r p h o l o g yo f c u r v a t u r ed e f o r m a t i o nc u r v e sa r ea n a l o g o u s ；t h eg r o u n ds u r f a c es u b s i d e n c eo c c u r si n t h er a n g eo fr a d i u so fi n f l u e n c e ，a n df a ra w a yf r o mt h ea x i sd i r e c t i o no ft u n n e l ，t h e v a l u eo fg r o u n ds u r f a c es u b s i d e n c ed e c r e a s e s ；a l o n gt h ew a yo ft u n n e le x c a v a t i o n ，t h e d e p t ho f t u n n e li n c r e a s e s a n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o nc h a n g e sg r a d u a l l y ，t h et r a n s v e r s e i n f l u e n c er a n g eo fg r o u n ds u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o ne n l a r g e sa n dt h e s t r e n g t ho fi n f l u e n c ew e a k e n s t h ea c t u a lg r o u n ds u r f a c em o v e m e n to fd u y a n t u n n e l b ym o n i t o r i n g i sc o n s i s t e n tt ot h er e g u l a r i z a t i o no fg r o u n ds u r f a c em o v e m e n ta n d d e f o r m a t i o nw h i c hi sc o n c l u d e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e yw o r d s ：m o u n t a i nt u n n e l ；g r o u n ds u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o n ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n t h i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 杨磊 日期：矽g 年协月莎e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 日期：2 。g 年f 2 ，月e 1 日期：啡，月o 日磊赵 杨勿 名 名 签 签 者 师 作 导 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着经济的快速增长，以及考虑区域经济均衡发展，国家对公路建设投资增 加，高等级公路逐步从平原微丘区向山蛉重丘区延伸。根据交通部有关部门的规 划，到2 0 2 0 年左右我国将形成8 5 万公里国家高速公路网。规划的8 5 万公里中 2 0 0 3 年底已建成2 9 万公里、在建1 6 万公里、待建4 万公里。待建4 万公里中 中部地区占1 i 万公里，西部占2l 万公里，今后建设任务主要集中在中西部地区 “1 。在中西部山岭重丘区高等级公路建设中，经常会出现路线穿越小垭口或小山鼻 的情况，路线选择不仅受地形、地质条件约束，同时受路线平、纵、横指标以及 三方面组合设计的制约，还要考虑当地特殊的地理位置和人文环境等一系列因素， 很多情况下考虑采用隧道方案施工“1 。 隧道及地下工程的开挖施工是在岩土体内部进行，不可避免地对岩土体产生 扰动，破坏岩体的初始平衡条件引起岩体内应力重新分布，围岩常常会产生各 种形式的变形、破坏，特别严重者可一直影响到地表，使地表产生移动和变形。 如果地表移动和变形发展到一定程度，将可能影响到地表建筑和已有设施的正常 使用，甚至造成安全事故。 我国有1 3 的煤矿位于山区，金属矿在山区的比例更大。由于对于地下矿山开 采引起的地表移动与变形规律研究重视不够，以至于安全防护措施没做到位，出 煳馐童；譬j - 凋嘲li 面昂匿强薯f 蜘册鬣：薯嚣 一】器鼍? “、 露燃黩 葡冈醪 ；巍繁纛 ? r i ot ： ，。，毡“； + 一、，t 二o 、。 ， 一 曩饵重娜蚓鬟罾l 6 e 馐a 剐疆h 瞒i 嚏雠q | i 啊；嘶罐矾 组i 噩h e 硎翟e 赫搠* _ 机房、高压线塔、公路与铁路，而且还有大量村庄和耕地。山区农村建房选址大 多受风俗影响，盲目尾随祖传宅基地，无原则的扩大地盘，也有在村内采取见缝 插针式建房，导致村庄房屋布局杂乱无章，交通不便，环境较差。由于建筑物质 量参差不齐，而且居住分散，再加上山区地形条件复杂，因此山区地面建筑物的 保护更加复杂”。 人类对工程开挖引起的地表移动与变形模型研究是从地下采矿开始的，由于 地下开采空问尺寸一般较大，如没采取有效的措施，极易引起地表沉陷的危害， 图12 所示城市地下隧道施工引起的地面塌陷。 些壁竺t1 1 坚些查塑堕塑墨竺堡望竺竺堡望竺翌兰l _ 一型! ! ! 苎竺! 兰塑堕 圈12 地f 工程施【：引发地表塌陷 隧道及地下工程浅埋地段开挖时，由于衷层岩石强烈风化，再加上地下水的 影响，开挖空间上方的覆岩极难长期稳定，如果没有及时采取加强支护措施，垮 落带或破裂带直通地表将使地表产生塌陷破坏。 对于地下开挖施工，坐落在其影响范围内的建筑物或构筑物将直接作用在隧 道上方围岩上，建筑物或构筑物基础与地层的相互约束作用将使引起的地表移动 与变形情况更加复杂。地表移动与变形通过建筑物基础传到建筑体而使建筑物产 生移动和变形，各类建筑物都有一个能承受的最大允许变形值，建筑物变形达到 最大允许变形值时，一般受到的损害不会太严重。若变形超过了最大允许变形值， 建筑物将受到损害，严重的甚至要倒塌。图l3 所示为隧道施工引起的地表建筑物 破坏。 隧道竹坝导致r 方膀h i | _ 垲r 海j 铁隧也毁房h7 斜! 硅道臃l 导蚀地点房岸川裂 图13 隧道施工引起地表建筑物破坏 因此，山区隧道及一些地下工程施工时要与保护其上覆岩层中有历史意义和 经济、社会意义的设施协调起来。为减少由于隧道开挖而引起的地表移动与变形 所造成的对地面建筑物及地下设施的损害以及对周围环境的不良影响，必须对地 表移动与变形进行正确预计。通过掌握地表移动与变形规律可以及时采取一系列 防护措施，避免安全事故的发生以及对地表建筑物的破坏，因此对山区隧道开挖 引起的地表移动与变形规律进行研究具有重要意义。 1 2 地表建( 构) 筑物保护要求 1 2 1 地表移动与变形对建筑物的影晌 隧道开挖施工中伴随着地层应力状态的改变，因而相应地引起地层和地表位 移与变形。这种位移和变形与土的自重以及附加应力作用引起的土的固结沉降在 沉降速度和空间分布上有着不同的特点。通常，隧道施工可以在一段较短的时间 内引起较大的位移，而这种快速变形对于建筑物的危害可能更大。 隧道施工引起的地表沉降与变形对地表建筑物的影响因素很多，除地质条件 以外，建筑物遭受损害的程度与建筑物的基础与结构型式、建筑物所处的位置， 以及地表的变形性质和大小有关。 隧道开挖施工引起的对于地表以及建筑设施的损害可以分为直接开挖损害和 间接开挖损害两种情况。位于主要影响范围内的对象( 建筑物、管线、道路等) 所受的损害称为直接开挖损害；但是在个别情况下，在主要影响范围以外比较远 的地方，也可发现开挖影响的存在，这种影响也与隧道开挖施工有关，称为间接 开挖损害，如开挖引起的大范围地下水的变化对环境的影响等。常见的开挖损害 可以下列形式表现出来。 ( 1 ) 地表沉降损害 地表的均匀沉降使建筑物产生整体下沉。一般说来，这种均匀沉降对于建筑 物的稳定性和使用条件并不会产生太大的影响，但是过量的地表下沉，即使是均 匀的，也有可能从另一方面带来严重问题，如下沉量较大，地下水位又浅时，会 造成地面积水，不但影响建筑物的使用，而且使地基土长期浸水，强度降低。 ( 2 ) 地表倾斜损害 虽然地层沉降本身对结构物不至于产生严重的损害，但是地层不均匀沉降所 导致的地表倾斜改变了地面的原始坡度，将可能对建筑物产生危害。地表倾斜对 于高度大而底面积小的高耸建筑物，如烟囱、水塔、高压线塔等的影响较大。它 使得高耸建筑物的重心发生偏斜，引起附加应力重新分布，建筑物的均匀荷重将 变成非均匀荷重，导致建筑物结构内应力发生变化而引起破坏。对于普通楼房， 即使不丧失稳定性，过量倾斜会使建筑物的使用条件恶化。某些大型精密设备在 基础倾斜后，必须另行调平，以保证设备正常使用。同时地表倾斜会改变排水系 统和铁路的坡度，造成污水倒灌和影响铁路运营。 ( 3 ) 地表曲率损害 由于曲率使得地表形成曲面，地表曲率对建筑物有较大影响。在负曲率( 地 表相对下凹) 的作用下，建筑物中央部分悬空，使墙体产生正八字裂缝和水平裂 缝。如果建筑物长度过大，则在重力作用下，建筑物将会从底部断裂，使建筑物 破坏；在正曲率( 地表相对上凸) 的作用下，建筑物的两端将会部分悬空，使建 筑物墙体产生倒八字裂缝，严重时会出现屋架或梁的端部从墙体或柱内抽出，造 成建筑物倒塌。 ( 4 ) 地表水平变形损害 地表水平变形有拉伸和压缩两种，它对建筑物的破坏作用很大，尤其是拉伸 变形的影响，建筑物抵抗拉伸变形的能力远小于抵抗压缩变形的能力，压缩变形 使墙体产生水平裂缝，并使纵墙褶曲，屋顶鼓起。 由于建筑物对于地表拉伸变形非常敏感，位于地表拉伸区的建筑物，其基础 底面受有来自地基的外向摩擦力，基础侧面受有来自地基的外向水平推力的作用， 而一般建筑物抵抗拉伸作用的能力很小，不大的拉伸变形足以使建筑物开裂。 地表压缩变形对于其上部建筑物作用的方式也是通过地基对基础侧面的推力 与底面摩擦力施加的，但力的方向与拉伸时相反。一般的建筑物对压缩变形具有 较大的抗力，即建筑物对压缩作用不如拉伸作用敏感。但是如果压缩变形过大， 同样可以对建筑物造成损害，而且过量的压缩作用将使建筑物发生挤碎性的破坏， 其破坏程度可以比拉伸破坏更为严重，这种破坏往往集中在结构薄弱处爆发。 地下水管及煤气管对其轴向的地表水平变形也非常敏感。在拉伸变形作用下， 可以造成管接头漏水漏气，甚至接头脱开；压缩变形可以使接头压入而漏损，严 重的可以压坏接头，甚至使管道产生裂缝。 地表移动与变形还可能对地表植被产生不利影响。例如施工引起的地下水位 下降可以影响草木的生长供水，地表和地层内部的裂隙对于植物的根部会产生损 害，引起地表草木生长不良而产生病虫害等。 以上分析了开挖损害的几种表现形式。实际上，地表移动与变形对于建筑物 的破坏作用，绝不是只受单一种类的地表变形的影响，往往是几种变形同时作用 的结果。在一般情况下，地表拉伸和正曲率同时出现，而地表压缩和负曲率同时 出现。 1 2 2 建筑物保护等级和允许变形 任何建筑物均有一定的结构强度，有一定的安全系数，即有一定的抵抗地面 移动与变形的能力，建筑物的容许变形系指建筑物在地表变形值的范围内并不影 响正常使用，为建筑物所容许的数值。当建筑物遭到的变形不超过该建筑物所能 4 抵抗的最大变形时，建筑物不表现出可以觉察到的破坏。不同类型的建筑物，其 基础形式和上部结构形式不同，它们抵抗变形的能力也不同。因此，建筑损害后 所带来的后果的严重程度，是保护等级划分的主要因素之一。 目前我国尚没有完整的建筑物保护等级的统一划分标准。现有的一些城市地 铁施工引起的地面沉降允许值往往由专家们根据经验规定。如北京地铁施工规定 地面任意点的下沉量均不得超过3 0 m m ，虽然采用这种地面沉降规定指标在施工中 比较容易监测，但这种规定是临时性的。由于一般建筑物对于地面均匀沉降并不 敏感，通常应该根据被保护对象的保护等级要求，规定各种地表移动与变形的允 许最大值。只用地表沉降量作为地面建筑物保护的唯一标准，往往会要求过于严 格，造成施工困难，提高造价，有时还可能达不到地面保护的要求。考虑到开挖 引起的地表变形可能导致的对周围建筑物的损害程度，一些国家对于建筑物的破 坏等级以及建筑物的容许变形值作出了规定( 表1 1 是有关的容许或极限变形值) ， 这些值可以为确定地表允许变形值时参考。 表1 1 一些国家建筑物容许变形值 压缩拉伸倾斜曲率半径 国别备注 ( m m m )( r a m m )( m m m )( k m ) 中国 235 英国1 ( 对3 0 m 长建筑物) 法国1 20 5管线 o 6 o 6l - 2 德国机械基础 o 5 波兰1 51 52 52 0 0 50 5 混凝土基础 日本l l 木板房 55污水池 2 242 0 顿巴斯 前苏联 4 4 63卡拉干达 美国 0 8o 43 3 目前国内外评定建筑物受开挖影响的破坏程度所采用的标准，有的用地表变 形值( 倾斜、曲率或曲率半径、水平变形) ，有的采用总变形指标。虽然我国没有 统一的建筑物保护等级的划分标准，但某些行业已经对此问题特别重视，原煤炭 工业部在2 0 世纪6 0 年代参考前苏联、波兰、德国及英国的有关规定，制定了我 国最早的地下采矿地表建筑物及其它保护对象保护等级的划分规范( 表1 2 ) 。此 规范至今仍然被矿业界公认为是最权威的、符合实际的规范。因此该规范也可以 为隧道施工引起的地表变形而导致的对周围地表建筑物的影响评价中作为参考。 1 3 地表移动与变形预计理论研究现状 对于隧道施工引起的地表移动与变形问题研究，起源于对煤矿等矿山巷道上 5 方地表沉降现象的分析，国内外学者进行了大量的研究工作，对地层沉降和变形 规律的认识也不断深入，并提出了许多各具特色的预计方法，主要有经验公式法、 解析法、数值模拟法以及模型试验等4 1 。这些研究方法各有其优点和不足，在大 型的科研项目中单纯地运用某种科研方法很难得出全面准确的结论，如果综合运 用以上研究方法，就能避免研究中的不足甚至错误，从而将研究成果相互印证， 得出全面准确的结论。 表1 2 砖石结构建筑物保护等级 保护 地表变形值 处理 等级 建筑物可能达到的破坏程度 倾斜t 曲率k 水平变形 方式 ( r a m m )( 1 0 3 m )e ( m m m ) 墙壁上不出现或者仅出现少 i 量宽度小于4m i l l 的细微裂 , - 3 0- 0 2= 2 0 不修 缝 墙壁上出现4 1 5 m m 宽的裂 缝，门窗略有歪斜，墙皮局部 - 6 0= o 4- 4 0 小修 脱落，梁支承处稍有异样 墙壁上出现1 6 3 0 m m 宽的裂 缝，门窗严重变形，墙身倾斜， 一1 0 0。0 6= 6 0 中修 梁头有抽动现象，室内地面开 裂或鼓起 墙身严重倾斜、错动、内鼓或 大修、 内凹，梁头抽动较大，屋顶、 l o 0 0 6 6 o 重建 或拆 墙身挤坏，严重者有倒塌危险 除 注：本表适用于长度或者沉降缝区段小于2 0 m 的砖石结构建筑物，其它结构类型的建筑 物可视情况参照执行。 1 3 1 经验公式法 经验公式法主要通过对地表沉降数据进行统计处理后用数学形式对沉陷规律 加以表现，进而对地表最大沉陷量和沉陷分布进行理论上和经验上的推断。 m a r t o s ( 1 9 5 8 ) 提出了隧道开挖所引起的地表沉降槽可由误差函数近似表示；在 对大量实测数据和工程资料分析的基础上，r b p e c k ( 1 9 6 9 ) 系统地提出了地层损失 的概念1 ，并估算了隧道开挖地表下沉的实用方法，即p e c k 公式。p e c k 认为，在 不排水情况下，隧道开挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积。他 假定地层损失在整个隧道长度上均匀分布，隧道施工所产生的地表沉降横向分布 近似为一正态分布曲线，如图1 4 ，因此，提出地表沉降分布预计公式： s ( x ) = s 一e x p ( _ 参】 ( 1 1 ) s 一= 老去 2 ， 6 式中 s ( x ) 一距离隧道中心轴线为x 处地表沉降值； k 一施工引起的隧道单位长度地层损失； 一隧道中心线处地表最大沉降量； f 一地表沉降槽宽度系数，即沉降曲线拐点离隧道轴线水平距离。 _ 1 墨一 认蠡一 s 司 一j 、 。工 ) s 舯 待两两 芝：秘【4 5 。一罢l 式中：矽一隧道周围地层内摩擦角，地面沉陷槽宽度b 2 5 i 。 英国c l o u g h s c h m i d t ( 1 9 7 4 ) 提出饱和含水塑性粘土中地面沉降槽宽度系数i 的计算公式n 引： 去= ( 射 m 3 ， 式中z l 隧道开挖面中心到地面距离： 尺一盾构外半径。 英国a t t e w e l l 等( 1 9 8 1 ) 提出横向沉陷槽宽度系数i 取决于近地表的地层的强 度、隧道埋深和隧道半径n 3 叫钉，可近似为： 扣( 去) 4 i4 ，一= l i i - 尺 l2 r 、 = 去 ( 1 5 ) 式中：a 一隧道开挖面面积； k 、n 一与土体性质和施工因素相关的系数： k 一隧道纵向单位长度上沉陷槽的体积： 一地面最大沉降量。 之后，a t t e w e u 等又在此基础上推广至三维情况来估算周围管线及建筑物的沉 降。 英国o r e i l l y n e w 对英国粘性土地层的1 1 处1 9 例及砂性土和回填土地层6 处1 6 例的最大沉降值、沉降槽容积、反弯点距离的实测值进行分析，假定沉陷槽 7 形状为正态分布曲线，提出沉降槽宽度为6 f ： i = k z ( 1 6 ) = - 7 毛 ( 1 7 ) 其中，k 的取值为：砂性土k = 0 2 - 一0 3 ；硬粘土k = o 4 ，软粘土k = o 5 。 日本的f u j i t a ( 1 9 8 2 ) 接受p e c k 的要求，研究了在软弱地层中隧道工程不同施 工方法对地层影响的差别，提出了基于盾构型式、地层条件、辅助工法、隧道直 径及埋深等因素有关的最大沉降量预测值n 引。 m a i r ( 1 9 9 3 ) 提出了估算地层沉降的统计性经验公式n ： s ：越，觚e 印【- 东 釉 式中： s = 而丽1 两2 5 v 可l 万i r 2 ：o 1 7 5 + 0 3 2 5 ( 1 一z z o ) l = 一 1 一z z 0 同济大学侯学渊( 1 9 9 3 ) 考虑到土体扰动后固结沉降的变化规律n 钔，加入时间因 素，对计算横向地表沉降的p e c k 公式进行了修正： s ( x , t ) - - ( 等h 一吾) 9 ， 舯： o ：a i = 1 0 下。 式中n 为施工阶段数，如图2 7 的施工过程中n = 3 。 因为“反转应力逐步释放法”是以“反转应力释放法 为基础的，其不可避 免地存在和“反转应力释放法 一样的不足之处。 “施加虚拟支撑力逐步释放法 是在“地应力自动释放法 的基础上，通过 在开挖边界施加虚拟支撑力的方法，来模拟围岩的逐步卸载，其示意图如图2 8 所示。初始应力阶段( a ) 为初始地应力状态，与图2 7 中完全相同；在阶段( b ) ，隧 道的开挖引起开挖边界上的释放节点荷载z ；= 口l z 。为实现这一过程，在初始应力 场中挖去隧道单元的同时，在开挖边界上各相应节点施加虚拟支撑力 p “= ( 1 一a 。) ( 一z ) ，则产生新的荷载边界条件，继续进行计算，就直接得到开挖后围 岩的应力场和位移场；在阶段( c ) ，初期支护旅作后，又有部分的节点荷载 厶= 口：z 被释放，这时只需将虚拟支撑力减小为p ：；= ( 1 - a 。- a o ( - f , ) ，继续进行计 算即得到初期支护后围岩和支护的位移和应力；在阶段( d ) ，二次衬砌施作后，剩 余的节点荷载被完全释放，这时只需去除虚拟支撑力，继续计算就可得到最终竣 工后围岩和衬砌的位移和应力。q ，a ：，a 3 的意义及确定方法同上。 “施加虚拟支撑力逐步释放法对隧道施工过程的模拟连续进行，不需要应 力和位移的叠加，使得分析过程更为简单，也更符合施工实际。本论文中对隧道 施工过程的模拟主要采用此种方法。 韧 期 支 妒 蚓) ( c ) 图2 8 “施加虚拟支撑力逐步释放法”进行隧道施工过程模拟示意 2 4 3 释放荷载计算 无论用哪种方法来模拟隧道的施工过程，都要进行释放荷载的计算，有些有 限元程序可以自动计算节点的释放荷载，而有些时候由于计算程序的限制，往往 需要人工计算。释放荷载的确定也有两种方法，一种是将释放边界一侧单元的初 始应力转换成相应的等效节点荷载，然后通过叠加，计算开挖边界上各节点总的 等效节点荷载。 嚣= b r t r o d f l ( 2 1 3 ) z = 五矗 f = 一昂 ( 2 1 4 ) 式中一单元初始应力向量； b r 一应变矩阵的转置阵； q 一积分区间，平面问题为单元面积，空间问题为单元体积。 另一种确定释放荷载的方法是：根据预计开挖边界两侧单元的初始应力通过 插值求得边界节点上的应力，然后假定两相邻边界节点之间应力变化为线性分布， 从而按静力等效原则计算各节点的等效节点荷载，如图2 9 所示。则对于任一开挖 边界节点i ，开挖引起等效释放荷载( 等效节点力) 为 式中q ，i 1 、盯y 。、f f i - l 、吒。i 、盯，i 、i 彳碍，i + 1 为开挖前节点i 一1 、i 、i + 1 处的 应力分量。当隧道进行分部开挖时，则第二次开挖应以第一次开挖后的应力场作 为初始应力场，以此类推。 ( a ) 洞型( b ) 节点间的应力分布 图2 9 开挖边界线上应力及等效节点力计算示意图 2 5 独岩隧道工程概况 国道g 2 0 9 线通道至青龙界公路改建工程独岩隧道，起讫桩号为k 1 + 6 8 0 - 一 k 1 + 9 4 0 ，全长2 6 0 m ，属短隧道。隧道平面桥头端位于直线上，独峰端位于r - - - 2 5 0 m 、 a = 5 6 0 2 1 9 8 ”的曲线内。隧道纵面位于3 的下坡段，独峰端1 5 3 m 位于半径为 4 2 0 0 m 的凸型竖曲线中。 2 5 1 工程水文地质条件概况 ( 1 ) 地形、地貌及地层岩性 隧址区地貌为山岭一重丘，隧道通过处地形较为陡峻，地面自然坡度4 0 0 5 0 0 ，山坡植被发育，灌木、杂草丛生。隧道处地层结构为：亚粘土：砖红色， 硬塑状，含块石，上部见植物根。厚度为1 5 0 5 3 0 m ，主要分布隧道出口的山坡 及低洼地段。块石：砖红色，松散稍密，稍湿，碎石母岩主要为板岩，多呈 q a 卜纠 矗 吒 a k 叮 + 卜 、l ， z 2 哆 曲 也 托 一 叩 慨 加 + 1 一 y b 旧 k + 吃 一 j ， “ 十 b h 口 + -汁川 剐 m ， h 啊 口 n 加 肌 棱角状，充填物为亚粘土及碎石，主要分布隧道进口的山坡地带，层厚4o 45 m 。 板岩：浅灰色、灰绿色，变余泥质结构，板状构造。全风化板岩：浅灰色，灰 色，原岩结构其本破坏，仅保留原岩的外观特征，节理裂隙发育，岩质较软，岩 块用手易折断，岩芯呈土状，局部含碎石，厚度l4 0 4o o m 。弱风化板岩：深灰 绿色，岩体较完整，节理裂隙发育，岩芯呈柱状，岩质较硬；最大揭露厚度1 4 9 0 m 。 隧道平面位置图及纵断面地质图如图21 0 21 1 所示。 图2 1 0 独岩隧道平面位置图 图21 1 独岩隧道工程地质纵剖面图 ( 2 ) 水文地质 隧道区地表水体不发育，主要为冲沟内积水，靠大气降水补给。地下水主要 为基岩及断层裂隙水，主要赋存于基岩表层裂隙及断层破碎带中。由于断层构造 的影响，岩体的完整性较差，隧道区节理以剪节理为主，围岩中基岩裂隙水较发 育，主要接受大气降水补给，受地形条件的影响；进口附近围岩富水性能一般， 水量较小。 ( 3 ) 工程地质评价 隧道所在区域工程地质条件较为复杂，区域稳定性一般，勘察中洞身段未发 现对隧道十分不利的地质构造，岩体完整性般，隧道通过处无不良地质现象。 隧道洞身围岩级别为级，进口、出口段为v 、级。但在隧道洞身左侧z k l + 8 1 5 - - z k l + 8 4 0 段及右侧k 1 + 8 9 0 k 1 + 9 2 0 段查明有一定规模的裂隙发育带，该处围岩 级别为级。隧道洞身围岩为风化板岩，属弱透水层。 2 5 2 隧道建筑限界及内轮廓设计 本隧道为双向两车道二级公路隧道，路线设计行车速度为4 0 k m h ，主洞建筑 限界按6 0 k m h 行车速度预留，依据公路隧道设计规范( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) 规定， 隧道建筑限界横断面组成宽度见表2 2 ，隧道建筑限界尺寸见图2 1 2 。 表2 2 公路隧道建筑限界横断面组成宽度( 单位：m ) 设计速度车道宽度人行道隧道建筑限界净宽 公路等级侧向宽度 k m hwr 设人行道 l l l r 二级公路 6 03 5 0 21 0 01 0 0 o 50 5 在隧道两侧人行道下各设置一个尺寸为6 0 x 5 0 电缆沟，左右洞路面两侧下方 各设置4 0 x 4 0 的开口排水边沟，在路面下全纵向设置了一道由4 0 中央排水管。 隧道内轮廓采用单心圆形式，应满足隧道建筑限界的规定，并满足洞内路面、 排水设施、装饰的需要，为通风、照明、消防、监控、营运管理等设施提供安装 空间，同时提供围岩变形、旄工方法影响的预留富裕量，使确定的断面形式及尺 寸符合安全、经济、合理的原则。隧道衬砌内轮廓见图2 1 3 。 华l 4 弋夕 - - _ j i - - 一 l i 一 。_ 一 1 0 05 g 一2 x3 5 05 n l o 吣 i ：一一 1 1 一= _ 】 图2 1 2 隧道建筑限界尺寸( 单位：c m ) 图2 1 3 隧道衬砌内轮廓( 单位：e m ) 2 5 3 隧道衬砌结构设计 隧道结构设计以新奥法原理为指导，复合衬砌参数系首先根据围岩级别、工 程地质及水文地质条件、地形及埋置深度、结构跨度及施工方法等以工程类比拟 定，然后应用平面有限元程序对施工过程进行模拟分析，定性地掌握围岩及结构 的应力发展与变形破坏过程，进一步调整支护参数，最后对初期支护及二次衬砌 进行内力计算及强度校核确定，要求施工过程中严格按要求进行施工监控量测。 初期支护：为主要承载结构。、v 级围岩由工字钢拱架( 或钢筋格栅拱架) 、 径向锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成，i 级围岩地段由径向锚杆，钢筋网及喷射 混凝土组成。 二次衬砌：v 级围岩采用钢筋混凝土，其它围岩采用c 2 5 混凝土。二次衬砌 施作的时间应根据施工监测数据确定，尽可能发挥初期支护的承载能力，但不能 超过其承载能力。为了防止二次衬砌被压裂，在二次衬砌完成以后对预留变形处 进行回填注浆。 系统锚杆：v 级围岩段采用d 2 5 中空注浆锚杆，要求单根锚杆抗拔力均达到 8 0 - - - 1 0 0 k n 。、i v 级围岩段采用2 0 m n s i f 2 2 药卷锚杆，要求单根锚杆抗拔力均 达到5 0 k n 。 超挖回填：要求控制在设计回填量以内，、v 级围岩段超挖部分采用c 2 0 喷射混凝土回填。级围岩段超挖部分采用c 2 5 模筑混凝土回填。独岩隧道各类 复合衬砌支护参数见表2 3 所示。 表2 3 隧道各类复合衬砌支护参数表 衬砌围岩 初期支护 一冶素寸砌 类型级别锚杆钢筋网 喷射砼钢拱架( c 2 5 ) 拱、墙部 s l v 6 0 c m 仰 ( 明洞) 拱5 0 c m d 2 5 中空注浆单层由8c 2 0 喷射1 8 普通工拱、墙部 s 5v 锚杆，l 1 3 0 0 ，钢筋网，间 砼，厚字钢，间距4 5 c m 仰 间距7 5 x 1 0 0距2 0 x 2 02 4 c m7 5 c m 拱4 5 c m 2 0 m n s i 巾2 2 单层由8c 2 0 喷射巾2 2 格栅拱、墙部 药卷锚杆， s 4 a 钢筋网，间砼，厚拱架，间距4 0 c m 仰 浅埋l s 3 0 0 ，间距 距2 0 x 2 02 2 c m1 0 0 c m 拱4 0 c m 1 0 0 x 1 2 0 2 0 m n s i 巾2 2 单层由8c 2 0 喷射由2 2 格栅 基础承药卷锚杆， 拱、墙部 s 4 b 钢筋网，间砼，厚 拱架，间距 载力l - 3 0 0 ，间距 距2 0 x 2 02 2 c m1 2 0 c m 4 0 c m 1 2 0 0 k p a1 2 0 x 1 2 0 2 0 m n s i 由2 2 单层由6c 2 0 喷射 药卷锚杆， 拱、墙部 s 3 1 1 i钢筋网，间砼，厚 l = 2 5 0 ，间距 距2 0 x 2 01 0 c m 3 5 c m 1 2 0 x 1 2 0 2 5 4 辅助施工措施设计 本隧道洞口浅埋地段及、v 级围岩段施工难度较大，必须采用强有力的辅 助措施与初期支护相结合。对自承能力较强的级围岩，一般无需辅助施工措施。 本隧道设计采用辅助设计措施有：洞口长管棚、超前小导管、超前锚杆。 超前长管棚设置于独峰端进洞，采用节长3 m 、6 m 的由1 0 8 x 6 m m 热扎无缝钢 管，环向间距5 0 c m ，丝扣连接。钢管设置于衬砌拱部。为增强钢管的钢度，管内 以m 3 0 水泥砂浆填充。为保证钻孔方向以及成洞面稳定，在s 5 衬砌外设置了长 2 m 厚0 6 m 的c 2 5 钢筋砼套拱。钻孔位置、方向及在钻进过程中均应用测量仪器 测定，以免影响开挖和支护。 超前小导管设置在级围岩浅埋地段。小导管采用中4 2 x 2 5 m m 的焊接钢管， 长4 0 m ，环向间距0 4 m ，纵向间距2 2 5 m ，梅花型布置。要求小导管应保持不小 于1 6 m 的搭接长度。 超前锚杆设置在级围岩深埋地段。锚杆采用2 0 m n s i 巾2 2 普通砂浆锚杆，长 3 5 m ，环向间距0 4 m ，纵向间距2 4 m ，梅花型布置，要求锚杆应保持不小于1 0 m 的搭接长度。 2 6 隧道施工过程模拟软件实现 隧道岩土开挖过程可以通过对岩体单元的激活与钝化来进行模拟。采用有限 元法计算自重引起的初始应力。当地面水平时，该方法与k o = v ( 1 - v ) 时的水平侧压 力系数法的结果相同。但是当地面不是水平时，因为存在水平方向的应变，所以 计算的结果与水平侧压力系数法不相同且具有剪切应力。一般来说地面不是水平 面时使用该方法较好一些。但是有限元法不能计算k o 大于1 的情况，为了满足地 应力与自重的平衡可利用空阶段( n u l l ) 进行分析。 在隧道开挖施工初始阶段，建立空阶段( n u l l ) 通过激活岩体单元和隧道单元分 析获得初始地应力场和自重引起的岩体位移，进行位移清零。隧道开挖的连续施 工过程可以通过施工阶段建模助手实现，围岩初期支护紧跟在隧道开挖的下一阶 段进行。岩体第一步开挖设为第一阶段，初期支护和下一步开挖为第二阶段，依 次类推。围岩初期支护过程可以通过激活喷射混凝土单元和锚杆单元来进行模拟。 第三章山区隧道施工地表移动与变形规律数值分析 隧道工程是一个三维空间结构，空间效应特别明显，但在以往的设计和研究 中，由于计算机和分析软件等因素限制，人们常常将隧道模型简化为二维平面应 变问题进行分析计算。近年来，随着人们对隧道空间效应认识的不断深入以及计 算机容量、运算速度的不断提高，各种大型专用分析软件的不断完善，隧道工程 的三维空间性状日益受到人们的关注。本章主要采用三维有限元数值模拟分析方 法，以国道g 2 0 9 改建工程中独岩隧道工程为依托，建立独岩隧道出口浅埋段三维 模型，分析研究山区隧道施工地表移动与变形规律。 3 1 模型建立 3 1 1 计算假定 由于隧道施工过程的复杂性，完全模拟实际施工情况是非常困难的，甚至是 不可能的。为了能分析得到隧道施工地表移动与变形规律