（岩土工程专业论文）地下管涵施工对现役隧道稳定性影响的研究.pdf

j1，j ：i ad i s s e r t a t i o ni ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g e f f e c to fu n d e r g r o u n d p i p ec o n s t r u c t i o no n e x i s t i n gt u n n e ls t a b i l i t y b yw a n gs h e n g s u p e r v i s o r ：w a n gs h u h o n g a s s o c i a t ep r o f e s s o r n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 一 ! 、的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 峄 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 争 小 学位论文作者签名：彳传 日 期：砂裾反订 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半两年口 t 学位论文作者签名l 呼移 签字日期：沙勰反心 导师签名： 签字日期： r 厂 汹硼 ，7 7 气 鬈 0 东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 现役隧道的改造工程或现役隧道临近的其它工程的施工必会对隧道围岩的 稳定性造成不同程度的影响。由于公路隧道在修建时投资大、在运营时的重要 性等原因，现役公路隧道的相关工程施工对隧道围岩稳定性造成的影响，必须 给予足够的重视。在施工前必须根据科学、合理、准确的分析，确定可行的施 工方案，并且在施工结束后，要对工程的施工做必要的质量检测，以确保隧道 围岩的稳定性。 本文针对大连黄泥川隧道仰拱铺设水管工程问题，研究了地下管涵施工对 现役隧道稳定性影响。研究方法采用物理模拟、数值模拟相结合，确定了水管 埋深的最优深度，并在施工后进行检测与验证。物理模型实验方法分析了隧道 仰拱处不同典型深度( 4 组模型) 开挖对隧道围岩稳定性的影响。在模型实验 的基础上，采用了a n s y s 数值法来模拟该工程的各种施工情况，作为对模型实 验的验证与补充，将两者的结果进行对比分析，提出合理的施工建议。并在施 工结束后，采用科学的检测方法验证了工程施工质量，讨论分析了黄泥川隧道 围岩的稳定性。物理模型实验根据相似理论，确定了模型的相似材料、相似比 等，并进行了模型加载破坏实验，对隧道围岩变形做了定性分析。数值模拟采 用a n s y s 来模拟该工程的各种施工情况，通过有限元分析，主要从位移和应力 两方面分析了隧道围岩变形情况。研究结果表明，黄泥川隧道工程仰拱处深度 3 米开槽施工对隧道整个应力场分布有明显影响，不同深度的开挖对隧道整个 结构影响不一样，研究结果对工程顺利施工提供了参考。在工程施工结束后， 采用探地雷达检测方法，对地下管涵及道路的施工作了合理的质量检验，确定 了水管开槽的开挖深度，为黄泥川隧道的安全稳定运行提供理论参考。 ， ，一 关键词：现役隧道；仰拱开槽；模型实验；数值模拟；检测；围岩稳定性 i i 4 ， j 叫0 ， - - 0 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ne f f e c to f u n d e r g r o u n dp i p e c o n s t r u c t i o nf o r e x i s t i n gt u n n e ls t a b i l i t y a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no fr e c o n s t r u c t i o np r o j e c to ro t h e rp r o j e c t sn e a rt h ee x i s t i n g t u n n e lw i l lc a u s ed i f f e r e n tl e v e l so fi m p a c to nt h es t a b i l i t yo ft h ea d j o i n i n gr o c ko f t h et u n n e l s i n c eh i g h w a yt u n n e la tt h el a r g ei n v e s t m e n ti nt h ec o n s t r u c t i o n ，w h e n o p e r a t i n gi nt h ei m p o r t a n c eo fr e a s o n s ，t h er e l a t e dp r o j e c t so ft h ee x i s t i n gt u n n e l s c o n s t r u c t i o n ，i m p a c t i n gt h es t a b i l i t yo ft h ea d j o i n i n gr o c km u s tb eg i v e ns u f f i c i e n t a t t e n t i o n i np r e c o n s t r u c t i o nm u s tb eb a s e do ns c i e n c e ，r e a s o n a b l ea n da c c u r a t e a n a l y s i s ，t h ei d e n t i f l c a t i o no f 、，i a b l ec o n s t r u c t i o np l a n ，a n da f t e rt h ee n do ft h e c o n s t r u c t i o n ，t h ec o n s t r u c t i o no ft h ep r o j e c tt om a k et h en e c e s s a r yq u a l i t yt e s t i n gt o e n s u r et h es t a b i l i t yo ft h et u n n e lr o c k i nt h i sp a p e r , d a l i a nh u a n g n i c h u a ni n v e r t e da r c ho ft h et u n n e ll a y i n go fw a t e r m a i n si s s u e so nt h eg r o u n df l o o ro ft h ec u l v e r tc o n s t r u c t i o no na c t i v e - d u t ys t a b i l i t y o ft h et u n n e l u s e i n gp h y s i c a lm o d e l i n g 、n u m e r i c a ls i m u l a t i o na sr e s e a r c hm e t h o d s c o m b i n e dt od e t e r m i n et h eo p t i m a ld e p t ho ft h ed e p t ho fw a t e rm a i n sa n dt h e c o n s t r u c t i o na f t e rt h ed e t e c t i o na n dv e r i f i c a t i o n p h y s i c a lm o d e io fe x p e r i m e n t a l m e t h o d st h ed i f f e r e n tt y p i c a ld e p t h ( 4m o d e l s ) e x c a v a t i o na tt h ei n v e r t e da r c ho ft h e t u n n e li m p a c t i n gt h es t a b i l i t yo ft h et u n e b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lm o d e l ，u s ea n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa n s y st os i m u l a t ea l lk i n d so fc o n s t r u c t i o no ft h ep r o j e c t , a sam o d e le x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o na n da d d e d ，t h a tt h et w oc o m p a r a t i v ea n a l y s i so f t h er e s u l t s ，r a i s e dar e a s o n a b l ec o n s t r u c t i o no ft h ep r o p o s e db a s e do nt h et w o c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h er e s u l t s a f t e rt h ee n do ft h ec o n s t r u c t i o n ，u s et h r e e s c i e n t i f i cd e t e c t i o nm e t h o dt o v a l i d a t et h e p r o j e c t c o n s t r u c t i o nq u a l i t y , a n d d e t e r m i n et h es t a b i l i t yo ft h et u n n e l p h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n t su n d e rs i m i l a r t h e o r yt od e t e r m i n et h em o d e lo fs i m i l a rm a t e r i a l ，s i m i l a rr a t i o ，a n dt h ed e s t r u c t i o n o fe x p e r i m e n t a lm o d e ll o a d e d d e f o r m a t i o no ft h et u n n e lt od oaq u a l i t a t i v e a n a l y s i s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nu s i n ga n s y s t os i m u l a t ea l lk i n d so fc o n s t r u c t i o no f t h ep r o j e c t ，t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m a i n l yf r o mt h ed i s p l a c e m e n ta n d s t r e s st w oa s p e c t so ft h et u n n e ld e f o r m a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t t h er e s u l t ss h o w m a tt h ei n v e r t e da r c ho ft h et u n n e lp r o j e c t t h ed e p t ho ft h r e em e t e r so ft h et u n n e l s l o t t e dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o nh a v es i g n i f i c a n te f f e c t ，d i f f e r e n td e p t h so ft h e e x c a v a t i o no ft h et u n n e ld o e sn o ta f f e c tt h ee n t i r es t r u c t u r eo ft h es a m e ，t h er e s u l t s o ft h ep r o j e c tt op r o v i d eas m o o t hc o n s t r u c t i o no far e f e r e n c e a f t e rt h ec o n s t r u c t i o n o ft h ep r o j e c t ，u s i n gg r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a r , t h eg r o u n df l o o ro ft h ec u l v e r ta n d i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o a dc o n s t r u c t i o nw e r er e a s o n a b l eq u a l i t yt e s t i n gt od e t e r m i n et h ed e p t ho fw a t e r p i p e s s l o t t e dt h e e x c a v a t i o n ，h u a n g n i c h u a nt u n n e lt op r o v i d es a f ea n ds t a b l e o p e r a t i o no ft h et h e o r yo fr e f e r e n c e k e yw o r d s ：e x i s t i n gt u n n e l ；i n v e r t e da r c hs l o t t e d ；m o d e le x p e r i m e n t ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；d e t e c t ；t h es t a b i l i t yo fa d j o i n i n gr o c k i v 。砷 p 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 问题提出1 1 2 现役隧道扰动工程的研究现状3 1 3 工程概况4 1 4 本文研究内容及思路5 1 4 1 主要研究内容5 1 4 2 技术路线和方法。6 第二章工程扰动对现役隧道稳定性影响的研究方法述评9 2 1 研究方法。9 2 1 1 理论分析法。9 2 1 2 数值模拟1 0 2 1 3 模型实验1 4 2 1 4 现场检测16 2 2 稳定性判据。18 2 3 本章小结18 第三章模型实验基本理论与设计1 9 3 1 模型实验相似理论及相似比确定准则。1 9 3 1 1 相似的概念1 9 3 1 3 应用相似定理的局限性2 2 3 2 模型实验设计思路。2 3 3 2 1 物理模型的基本概念2 3 3 2 2 物理模型的单值条件与相似指标2 4 3 2 3 本次实验模型设计2 7 3 3 模型相似材料成分的选取及配比实验。2 7 3 3 1 相似材料成分的选取2 8 3 3 2 模型相似材料配比实验2 9 v 东北大学硕士学位论文目录 3 3 3 结果分析3 1 3 4 模型的制作及实验加载量测。3 l 3 4 1 模型尺寸的选择3 l 3 4 2 模型的制作3 2 3 4 3 实验加载3 3 3 4 4 实验量测3 4 3 5 本章小结4 0 第四章模型实验过程及结果分析4 l 4 1 实验过程4 l 4 2 实验数据量测4 3 4 2 1 隧道仰拱未开挖状态的模型实验4 3 4 2 2 隧道仰拱开挖深度为2 0 m m 的模型实验4 5 4 2 3 隧道仰拱开挖深度为4 0 m m 的模型实验4 7 4 2 4 隧道仰拱开挖深度为6 0 m m 的模型实验5 0 4 3 实验结果分析一5 2 4 4 本章小结。5 5 第五章数值模拟5 7 5 1 程序选择。5 7 5 2 计算参数的确定一5 7 5 3 数值计算。5 8 5 3 1 隧道仰拱未开挖模拟分析5 8 5 3 2 隧道仰拱不同深度时模拟分析6 1 5 4 数值模拟结果分析9 0 5 4 1 隧道周围的围岩位移变化特征。9 0 5 4 2 隧道周围的围岩应力变化特征9 0 5 5 数值模拟与模型实验对比分析。9 l 5 6 本章小结。9 2 第六章工程应用9 3 6 1 方案选择9 3 6 2 现场检测及结果分析。9 3 6 3 本章小结- 9 7 v i 、i 妒碍 t 了( 掌 东北大学硕士学位论文 目录 第七章结论与展望9 9 参考文献1 0 1 致谢一1 0 7 硕士期间发表论文情况1 0 9 作者简介11 1 v i i 弋 口芬 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 问题提出 第一章绪论 现役隧道的改造工程或现役隧道临近的其它工程的施工必会对隧道围岩的稳定性 造成不同程度的影响。由于公路隧道在修建时投资大、在运营时的重要性等原因，现役 公路隧道的相关旌工工程对隧道围岩稳定性造成的影响，必须给予足够的重视。在施工 前必须根据科学、合理、准确的分析，确定可行的施工方案，并且在施工结束后，要对 工程的施工做必要的质量检测，以确定隧道围岩的稳定性。 本文依托大连黄泥川隧道工程，针对其在仰拱处开槽铺设水管工程，来研究此次施 工对黄泥川隧道稳定性的影响。 随着我国经济平稳快速地发展，交通、能源、资源等方面的基础设施建设已作为国 家发展战略的重点，在这种形势下，作为重中之重的交通工程建设必然放在各地区基础 设施建设的首要位置。自上世纪9 0 年代初，随着我国在公路交通基础设施建设上投资 的与日俱增，各地的高速公路、高等级公路如雨后春笋般涌现，公路隧道得到了极大发 展。 我国山地、丘陵和高原很多，其面积约占国土总面积的6 9 。由于过去公路建设资 金严重短缺，在山区或半山区修筑的公路，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，因而造成巨 大经济损失和人员较大伤亡。随着我国经济的迅速发展，国家财力和人民生活水平的大 幅度提高，隧道建设新技术的不断出现，对公路隧道的优先选择和建设，日益引起重视， 宁绕勿穿的观念得以改变，许多长大隧道不断建成。 据( ( 2 0 0 4 年公路水路交通行业发展统计报告，截至2 0 0 4 年底，我国已建成的高 速公路总里程超过3 4 0 0 0 k m ，已建成的公路隧道总长达1 2 0 0 k m 以上，占高速公路总里 程的3 5 ，2 0 0 5 - - - 2 0 0 6 年这一比重相应有所增加，可以预测隧道长度占路线总里程的 比例会越来越高。同时，隧道在我国的建设仍保持快速增长势头，我国已成为世界上隧 道工程最多、工程最复杂、发展最快的国家。在相当长的一段时间内，我国交通建设的 重点仍将是加快高速公路的修建和中西部高速公路的建设，按照我国高速公路网五纵七 横的规划，在未来的3 0 年中，我国将继续兴建约5 0 0 0 0 k m 的高速公路，以形成贯穿南 北和东西的干线网。按照隧道占高速公路总里程的6 估计，这将涉及到修建大约3 0 0 0 k r n 长的隧道，可以说，在今后的若干年内，我国的公路隧道工程建设将会继续保持蓬 勃发展的良好势头。 - 1 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 据最新资料统计，我国现有8 6 0 0 多座铁路、公路隧道，总长度4 3 7 0 多公里，居世 界第一。其中公路隧道1 7 8 0 座，是世界上公路隧道最多的国家【l 】，近1 0 年来，随着我 国公路交通事业的发展，公路隧道的建设规模越来越大，已建成的有中梁山隧道、华福 隧道、大溪岭隧道、- - n 山隧道、华莹山隧道、九顶山隧道、飞莺岭隧道、秦岭终南山 隧道等，其中长度3 0 0 0 m 以上的特长公路隧道已有3 0 多座。 公路隧道具有以下优越性：降低公路高程，保证常年通行；缩短行车里程，节省运 费；节约能源，减少汽车损耗；节约土地，保护环境；减少人为的公路病害和水土流失； 提高行车舒适性，降低交通事故发生率；方便山区群众出行，促进经济文化交流。几十 年来，我国修建的这些隧道在降低交通事故发生率、缩短行车距离、提高车速、保护环 境、促进经济发展和提高群众生活水平等方面发挥了积极作用，取得了良好的社会经济 效益。 隧道围岩稳定性问题是隧道工程学中一个传统而经典的课题。然而，在地下洞室或 隧道规模不断扩大、平面布置愈加复杂化、内部配套设施越来越多的今天，其围岩稳定 性目前又是一个综合性的土木工程难题。但是，迄今为止，这一问题一直没有得到很好 解决，其工程设计必要的计算分析尚不能准确得出定量的结果。正因为这样，最近十几 年来，随着交通系统陆续兴建，无论是城市地铁、还是干线隧道，因洞室稳定性分析欠 合理而引发的各种工程问题或额外增加巨大工程投资的事例时常出现。 公路隧道的围岩稳定性研究是公路工程中一项重要的研究课题，是工程界最为关心 的问题之一。为保证隧道长期安全运营，须保证隧道围岩不塌方、不产生过大的塑性挤 入变形，保证围岩及支护结构的长期稳定。但由于隧道工程的特殊性，使围岩稳定性受 到多种因素的综合影响。此课题受到国内外众多专家学者的关注，并做了大量的研究工 作。 随着生产技术的不断进步，地下管涵工程在国民经济各领域得到了广泛应用。如市 政工程中的各种给排水管道和煤气管道；水利工程中的各种引水管、坝下埋管以及铺设 于河床下面的倒虹吸管；能源工程中的石油、天然气输送管和供热管道等。我国地下埋 ￥ 管工程的建设具有悠久的历史。营口市1 8 9 7 年铺设于地下的直径为7 0 0 m m 预制管道至 今仍能正常使用，1 9 5 0 年第一次在北京市铺设了几十公里长的直径为6 0 0 1 4 0 0 m m 的 预应力钢筋混凝土输水管，8 0 年代建成的引滦入津工程，明渠线上修建的地下管道总 长约占引滦全线的1 3 。在这个世纪之交，党中央，国务院提出了开发西部的重大决策， 其中如何开发、利用西部地区丰富的能源、水电资源尤其重要。在实施的第十个“五年 计划”中，我国实施“西气东输”工程，- “南水北调”工程，建设了一批大型的水利水 一2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 电工程等，地下埋管得到了更加广泛的应用。 综上所述，公路隧道的围岩稳定性研究是公路工程中一项重要的研究课题，无论是 基于工程本身( 顺利施工、节减工程投资及日后正常运营等) 考虑、还是其它公共安全 方面的隧道围岩稳定性均是急待深入研究解决的一个重要工程问题。同时，地下管涵工 程的施工在近年来也愈加广泛。为此，特选定“地下管涵施工对现役隧道围岩稳定性影 响的研究 作为学位论文的研究课题，旨在通过物理模型实验，并且结合有限元数值模 拟等手段，着眼于确保工程安全、节减工程造价，综合考虑影响隧道围岩稳定性的主要 因素，在详细研究由于隧道仰拱处不同深度的开挖引发围岩变形力学性状基础上，合理 确定其与隧道围岩稳定性之间的关系，为实际工程设计提供一定的理论依据。 本课题研究大连市黄泥川隧道仰拱处二次开挖对隧道围岩稳定性的影响，就课题本 身来说，无疑具有十分重要的现实意义；此外，本课题的研究方法及技术路线也将为其 它类似工程问题的研究提供一定的借鉴。总之，本课题研究将拥有较广的应用空间，并 具有一定潜在的社会及经济效益。 1 2 现役隧道扰动工程的研究现状 现役隧道的改造工程及其周围工程的施工，是一个常见的工程实际问题。目前相关 研究成果的报道并不多见，从现有报道资料来看，目前主要集中在数值模拟和检测方面。 有关具体研究现状如下： 在城市繁华地区或一些特定地段，由于受既有建( 构) 筑物或地质条件的限制及地 下空间综合开发、利用的需要，隧道问或隧道与其它结构物间的距离变得越来越小，这 种状况目前在国内外都不乏其例。单孔及水平平行隧道的相关技术已趋于成熟，而对于 近距离交叠隧道，由于隧道间的相互影响使之较水平平行隧道在施工更难于控制，重叠 隧道的设计和施工难度更甚。为了对近距离交叠隧道提供设计依据及施工安全保障，针 对各种场地环境及施工方法，中外学者和技术人员对此进行了多形式和多渠道的研究与 探讨。研究一般采用以下几种途径：理论研究与经验分析、数值模拟研究、物理模型实 验研究等。 在国内尚未出台隧道设计规范之前修建的隧道，在建筑限界上的拟定并无统一标 准，各隧道根据自身条件与使用要求来确定。这些老隧道在经历2 0 年左右的运营时间 后，有的可能要面临整治与改造。建议在隧道改造时要综合考虑各方面的因素，合理参 照规范，以实用为目的来进行隧道改建工作，在节约资金同时也能取得良好的效果。 李红英、谭跃虎【l 】等分析了南京火车站站前广场老隧道出现渗漏的原因，探讨了老 - 3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 隧道改造工程中的防水技术，并对老隧道不同部位的防水技术改造作了介绍；岳永青【2 】 等根据邵家堂1 号、2 号及峪壑岘隧道衬砌拆除来讨论爆破参数的选定。在隧道改造工 程中，爆破技术己用来拆除衬砌；王秀文、钱七虎【3 】等分析了可以与英吉利海峡、巴拿 马运河及穿越阿拉斯加海峡的隧道相当的中央大道一隧道改造工程。c a t 工程是2 0 世纪美国最复杂、最宏大和最具技术挑战的高速公路工程；黄远绥、陈培元【4 】等对彭莫 山隧道的改造工程进行了分析。彭莫山隧道为单线铁路隧道，长5 5 9 2 m ，采用大功率轴 流风机为主，小功率射流风机为辅的洞口风道吹人式通风系统；林蔚深【5 】等对成渝铁路 电气化隧道改造工程进行了分析。成渝线电气化改造，除因线路半径小于3 0 0 米等原因 需进行改建外，一般多因隧道净空不足而导致长大地段线路的改造。既有限的隧道净空 改造施工困难，所占投资比例很大，是线路电气化改造的关键因素之一。曾令军、刘小 闯【6 】等分析了哈希勒根隧道的建筑限界存在的缺陷，对该隧道改造方案进行了较详细的 解释，结合相应的规范和本工程的具体情况对方案作了评价。最后建议保持原有结构的 完整性，采用一些较“温和”的措施来改善隧道的行车条件。 本文结合大连黄泥川隧道仰拱处二次开挖工程的实际问题，利用物理模型实验与有 限元数值分析等有效的研究手段，来分析该工程的施工对现运营隧道的影响及其变化规 律，并为工程施工提出合理的建议。 1 3 工程概况 黄泥川隧道位于大连地区i i i 类围岩( 围岩参数见表1 1 ) 中，1 9 2 1 年由日本人勘察 设计，是辽宁省最早的穿山隧道。隧道通过地段为震旦系石英岩和石英绢云母板岩。隧 道地处北温带，是东北地区最温暖的地方，属季风型大陆性气候，但具有海洋性特点。 气候特征为：四季分明、气候温和；夏季温暖无酷暑，冬季虽冷但少严寒，春秋不冷不 热、气温适中；空气湿润，降雨集中，季风明显，风力较大。年平均气温1 0 摄氏度左 右，其中8 月最热，平均气温2 4 摄氏度，年极端最高气温3 5 摄氏度左右。1 月最冷， 平均气温4 5 6 0 摄氏度，年极端最低气温2 l 摄氏度左右；无霜期1 8 0 _ _ 2 0 0 天；雨 季从六月至八月，年平均降水量在5 5 0 _ - 9 5 0 毫米之间，由西南向东北递增。年降水量 6 0 7 0 集中于夏季，多以暴雨形式降水，观测到的最大日降水量为5 6 9 毫米。因受海 洋调节，夜雨多于日雨，尤以夏季为甚，春季多旱；隧道地处东亚季风区，6 级或6 级 以上大风日数，沿海每年9 0 1 4 0 天，内陆3 5 5 0 天。风速、盛行风向随季节转换而有 明显变化，大风日数冬春季最多，夏季最少。冬季盛行偏北季风，夏季盛行偏南季风， 春、秋季是南、北风转换季节；年平均日照时数为2 5 0 0 2 9 0 0 小时，日照率平均为6 0 。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 冬季日照时数最低，春季最高，秋季多于夏季。 黄泥川隧道由老座山半腰穿过，隧道在山顶以下6 6 6 米，洞口海拔平均为5 7 6 米，洞净宽5 4 5 米，净高5 4 0 米，全长2 5 5 米，道路两侧设有宽o 7 5 米，高3 0 厘米 的人行道。隧道内部立墙用预制混凝土块砌筑，高1 8 5 米。提拱线以上用红砖衬砌， 洞口拱圈外侧面镶砌花岗岩，洞内设有路灯照明，洞口外1 5 米处设有三角形指示灯， 引导控制行车。1 9 9 9 年原砖砌后改波纹管门帘，喷层厚度为1 0 c m 左右，三级路改成一 级路面，为全国第一条黑色路面。 表i 1 类围岩物理力学参数表 t a b l e1 1p h y s i c a lm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fl i ic l a s sr o c k 因工程需要欲在黄泥川隧道仰拱处开挖沟槽并铺设管涵，此次施工必然会对隧道的 稳定性造成严重的影响。故本课题结合该实际工程，采用物理模型实验与有限元数值模 拟等研究方法，针对隧道围岩的稳定性展开详细研究，为工程提供施工依据，并为以后 类似工程提供一定的借鉴经验。 1 4 本文研究内容及思路 1 4 1 主要研究内容 国内外学者通过模型实验研究取得了一定的成果，但是很多都是围绕隧道修建时采 用的施工方法技术方面的研究。本文结合大连黄泥川隧道管涵施工工程，主要研究在i i i 类围岩地质条件下，公路隧道仰拱处开槽并铺设管涵对隧道稳定性的影响。分析掌握公 路隧道仰拱处开挖时围岩与结构的整体力学性质，变形趋势以及稳定性特点。对于仰拱 处二次开挖对隧道围岩稳定性影响方面的研究，目前相关研究报道并不多见，因此本文 进行了以下三方面的研究： 1 、根据黄泥川隧道工程现场调查，综合考虑现有研究手段，确定了模型实验的几 何尺寸和力学参数等。以相似原理为基础开展物理模型实验方面的研究，物理模型实验 重点研究在隧道仰拱处开挖不同深度时，对隧道围岩稳定性的影响。 2 、在模型实验的基础上，采用a n s y s 数值模拟方法，对物理模型实验进行验证 与补充，对该问题进行了进一步的研究和探讨，为工程提出了合理的施工建议。 3 、施工完毕后，利用探地雷达检测方法，对工程的施工质量进行检验，确保隧道 - 5i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 围岩的稳定性。 1 4 2 技术路线和方法 1 4 2 1 技术路线 本文采用室内物理模型实验为主体并配合有限元数值模拟方法进行相应研究。利用 二者结论为依托工程提供合理的施工方案，并在施工结束后用探地雷达方法对施工质量 进行检验，以确保隧道围岩的稳定性。 针对本文研究内容，具体技术路线如下图所示： 一6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 技术路线框图 f i g l 一1t h es k e t c hm a p o f t e c h n i c a ls c h e 7 ， 扣 一 东北大学硕士学位论文第二章工程扰动对现役隧道稳定性影响的研究方法述评 第二章工程扰动对现役隧道稳定性影响 2 1 研究方法 的研究方法述评 围岩稳定是隧道安全运行的基本条件，如何维持隧道围岩稳定是隧道工程 中最基本的问题之一。因此，国内外学者应用各种研究方法对隧道围岩的稳定 性开展了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果。人们很早就认识到，隧道 围岩稳定性是一个力学问题，人们一直试图用各种方法开展研究。目前围岩稳 定性的研究方法可归纳为理论分析法、模拟研究方法和现场实验方法。模拟研 究方法又可分为数值模拟和物理模拟两类，物理模拟一般称为模型实验。 2 1 1 理论分析法 理论研究是从1 9 世纪人类对松散地层( 主要是土层) 围岩稳定和围岩压力 理论进行研究开始到现在，围岩压力理论主要经历了古典压力理论、散体压力 理论及现在广泛应用的弹性力学理论、塑性力学理论。实际工程中，隧道开挖 后由于卸荷作用使围岩应力进行重分布，并出现应力集中。如果围岩应力处处 小于岩体弹性极限强度，这时围岩处于弹性状态。反之，围岩将部分进入塑性 状态，但局部区域进入塑性状态并不意味着围岩将发生坍落或失稳，因而，研 究围岩稳定就不能不考虑塑性问题。芬纳( f e n n e r ) 、塔罗勃( t a l o b r e j ) 【_ 7 】等给 出了围岩的弹塑性应力图形；随着半解析元法以有限厚条法的形式提出，林银 飞、郑颖人【8 】将有限厚条法和弹塑性分析结合在一起，提出了弹塑性有限厚条 法，采用大单元内划分小网格的方法判断塑性区范围，在弹性区及塑性区内采 用统一的解析函数级数，以修正常刚度增量法为迭代方法，推导出了塑性系数 矩阵及塑性刚度矩阵，并将其应用于地下工程三维弹塑性围岩稳定性分析中。 对于深埋隧道，因其埋深大，围岩大都表现出强烈的流变特性，而软弱围岩， 其本身就具有明显的流变特性。因此，流变理论逐渐被引用到围岩稳定性分析 的研究中。朱素平等【9 】提出了以对数函数描述岩石蠕变的粘弹性模型进行围岩 稳定性的力学分析；日本学者西原在岩石流变实验资料的基础上，建立了能反 映岩石弹粘塑性特性的西原模型；同济大学孙钧【l o 】通过对围岩支护系统受力 9 东北大学硕士学位论文第二章工程扰动对现役隧道稳定性影响的研究方法述评 机理的充分阐述，得出了西原模型在隧道围岩支护系统中的有限元解，并对层 状节理围岩、含软弱断层、破碎带的围岩分别提出了两个b i n g h a l t l 串联模型和 四元件的粘弹塑性模型；1 9 5 8 年前苏联学者k a c h a n o v 在研究蠕变断裂时首先 提出了损伤的概念，后经法国学者l e m a i t r e 与c h a b o c h e ( 1 9 7 7 ) 、美国学者 k r a j c i n o v a ( 1 9 8 1 ) 等人利用连续介质力学方法，根据不可逆热力学原理，建立 了“损伤力学”这一学科后，国内外许多学者将其应用于节理岩体的力学分析 中。如日本学者k a w a m o t o 及国内学者孙钧【l l 】、李术才【1 2 1 等。学者李术才采用 损伤力学方法得到的加锚节理裂隙岩体的本构关系及其损伤演化方程来评价此 类岩体的稳定性和变形行为。长期以来，工程界一般按二维平面应变问题来模 拟隧道的开挖效应。但实际上，在掘进面之后距其大约2 3 倍洞径或洞跨的范 围内，围岩体变形的发展和应力重分布都将受到掘进面本身的制约。因此，工 程师们越来越注重掘进面附近范围内隧道三维空间效应的研究。孙钧【1 3 】及朱合 华【1 4 】等对此作了大量的数值分析和现场实测研究工作，认为隧道掘进面的空间 几何效应在洞轴纵断面方向上表现为“半圆穹 约束，在洞室横断面方向上则 表现为“环形”约束。用“位移释放系数来反映掘进面对围岩的空间约束程 度，提出了广义虚拟支撑力法，并成功地将其应用于隧道围岩稳定性分析中。 2 1 2 数值模拟 数值分析法由于能很好地考虑介质的非线性、各向异性以及性质随时间和 温度变化、复杂边界条件等问题，解决经典解析法无法克服的缺陷，随着计算 机的发展和计算技术的提高，现已成为解决地下工程问题的有力工具。数值模 拟是通过对地质原型的抽象并借助有限元等数值分析方法来分析计算不同工况 下岩体中应力状态以及围岩的稳定性等课题。2 0 世纪7 0 年代以来，随着数学、 力学理论以及计算机技术的发展，数值分析方法在工程地质和岩石工程领域得 到应用，并作为解决复杂介质、复杂边界条件下各类工程问题的重要工具而逐 渐得以推广。 目前，工程计算中常用数值分析方法有：有限单元法、边界单元法、有限 差分法以及离散元法，它们的主要区别如表2 1 所示。目前，数值计算方法不 仅由线性发展到高度非线性，由二维发展到三维，同时已考虑到粘性流变、渗 流与应力场耦合，损伤，断裂等动力现象。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章工程扰动对现役隧道稳定性影响的研究方法述评 表2 1 几种数值模拟方法对比【1 5 】 t a b l e 2 it h ec o n t r a s ta m o n gs e v e r a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s 为了克服有限元法在无限域问题应用中的限制，b e t t e s s 于1 9 7 7 年提出无 限单元这一单元形式后，印度的p k u m a r 1 6 】结合无限单元与有限单元，运用有 限元计算程序，对围岩稳定性问题进行了一系列的计算分析。边界元法是继有 限差分法、有限元法之后发展起来的又一数值计算方法，与有限元法相比，它 具有降一维的特性及占计算机内存小、计算时间省等优点。特别是由于边界元 法本身适用于无限域和半无限域的特点而在岩土工程中得到特有的青睐。边界 元法分为直接边界元和间接边界元，间接边界元法是依据求解对象的微分控制 方程的基本解与假想的虚拟量在边界上的分布密度的乘积建立基本积分方程的 方法。同济大学的朱合华等对边界元法在隧道等岩土工程中的应用进行了大量 研究。台湾的k j s h o u r 7 】采用模拟地下洞室的虚拟力法和求解不连续面问题的 位移不连续法两者相结合的混合模型，提出了三维混合边界元法。除有限元法 和边界元法外，离散元法是用来计算具有不连续变形性质的节理岩层的一种新 的数值计算方法，它不受节理岩体相对微小位移的限制，即使是不稳定的围岩， 变形可以计算到围岩坍落。c h a r l e sf a i r h u r s tb s 】等对运用离散元法和有限元法分 析节理岩层中洞室围岩稳定性进行了比较。 许多数值分析方法是在最近几十年内才发展起来的，但目前国内各家自己 开发的软件大都只3 5 人年的开发积累，1 0 人年以上的就很少，其功能、 可靠性、精度、前后处理等方面无法与国外的大型软件( 一般均有5 0 - - 1 0 0 人年 的开发积累) 相比，且普遍存在着功能单一、应用范围窄、适用条件差，无法 处理常见的病态方程，没有经过严格的验证与考验等问题【l 训。从发展历史来看， 国内外具有较大影响的岩土工程数值分析程序主要有以下几种【2 0 】： ( 1 ) n c a p 2 d 程序：1 9 7 8 年西安矿业学院刘怀恒教授开发了平面非线性 有限元程序n c a p 2 d 。该程序可以模拟开挖面的“空间效应 和支护时间的影 东北大学硕士学位论文第二章工程扰动对现役隧道稳定性影响的研究方法述评 响。8 0 年代初期，同济大学黄伟、杨林德等用f o r t r a n 语言编制出锚喷支护 地下洞