（岩土工程专业论文）水下小间距浅埋暗挖隧道相互影响研究.pdf

、 p ：! l 。ff o 一立i 0 l 五 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：是监日期：上生年月鱼日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：越导师签名篮趣毂日期：业犁二月兰日 摘要 随着我国经济的飞速发展，公路隧道的数量日益增多，由于受特殊地形 地质条件等因素的限制，传统的分离式隧道难以满足要求，小间距隧道的使 用日益增多。但在我国，小间距隧道的出现和研究较晚，特别是水下小间距 浅埋隧道，目前还没有较明确的规范，理论研究滞后于工程实践。因此，对 水下小间距隧道进行深入的研究是具有重要理论意义和工程应用价值的。本 文以长沙市浏阳河水下浅埋小间距隧道为依托，采用现场测试与有限元数值 模拟相结合的研究方法，对水下小间距隧道的相互影响进行了研究。主要工 作如下： ( 1 ) 根据现场实际情况，制定了详细的监控量测方案。 ( 2 ) 对相邻两隧道进行了跟踪监控测试，获得了大量的第一手资料，包 括隧道洞周收敛、孔隙水压、围岩接触压力和衬砌表面应力等数据，分析了 小间距隧道施工中洞周收敛、孔隙水压、围岩接触压力和衬砌表面应力的变 化规律，并判断隧道是否处于安全的工作状态。 ( 3 ) 采用m i d a s g t s 有限元软件根据现场实际情况建立了有限元模型。 主要从双洞间距变化这个角度，对小间距隧道的相互影响进行了数模模拟， 得到了不同间距下的隧道位移及围岩塑性变形。并将计算结果与现场实测结 果进行对比分析。 关键词：7 k t d , 间距隧道，相互影响，现场测试，数值模拟 a bs t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m y , t h en u m b e ro ft u n n e l si s i n c r e a s i n g a si ti sr e s t r i c t e db yt h ef a c t o r ss u c ha ss p e c i f i ct o p o g r a p h yc o n d i t i o n s ， t h et r a d i t i o n a ls e p a r a t e dt u n n e lc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，t h en u m b e ro fs m a l l s p a c i n gt u n n e li si n c r e a s i n g b u ti nc h i n a ，t h ee m e r g e n c ea n dr e s e a r c ho fs m a l l s p a c i n gt u n n e lr e l a t i v e l ys h o wl a t e r e s p e c i a l l yi ns h a l l o wu n d e r w a t e rt u n n e lw i t h s m a l ls p a c e ，t h e r ea r en od e f i n i t es t a n d a r d ，t h e o r e t i c a lr e s e a r c hl a g g i n gb e h i n dt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h e r e f o r e ，t h es y s t e m a t i cs t u d yo fu n d e r w a t e rt u n n e lw i t h s m a l ls p a c ei ss i g n i f i c a n t b a s e do nt h ep r o j e c to fc h a n g s h al i u y a n gr i v e rs h a l l o w u n d e r w a t e rt u n n e lw i t hs m a l l s p a c e ，t h i sp a p e r s t u d i e st h ei n t e r a c t i o n s y s t e m a t i c a l l yb e t w e e nt h ec a v e so ft h eu n d e r w a t e rt u n n e l sw i t hs m a l ls p a c i n g u s i n gm o n i t o r i n ga n df e m ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o no ft h i sp r o j e c t ，ad e t a i l e dm o n i t o r i n g p r o g r a m w a sc o n s t i t u t e d ( 2 ) t h r o u g hm o n i t o r i n gt h ea d j a c e n t t u n n e la n dg e tal o to ff i r s th a n d i n f o r m a t i o n ，i n c l u d i n g t h el a wo ft h e d e v e l o p m e n t o f s u r r o u n d i n g r o c k c o n v e r g e n c e ，w a t e rp r e s s u r e ，s u r r o u n d i n gr o c kp r e s s u r ea n ds u p e r f i c i a lp r e s s u r e s t r e s so ft h el i n i n gw a sf o u n d a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fa n a l y s i s ，c o n c l u s i o nw a s m a d et h a tt h et u n n e l i ss a f e ( 3 ) a d o p t i n gm i d a s g t ss o f t w a r et oe s t a b l i s h 3 dm o d e l s i m u l a t et h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ec a v e so ft h et u n n e l sw i t hs m a l ls p a c i n gf r o mt h ea n g e lo f t u n n e ls p a c i n g t h r o u g hc o m p u t a t i o n ，g e tt h et u n n e l d i s p l a c e m e n ta n dp l a s t i c d e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ki nd i f f e r e n ts p a c e s t h e nt h ep a p e rc o m p a r e st h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h em e a s u r e dr e s u l t s k e yw o r d s ：u n d e r w a t e rt u n n e lw i t hs m a l ls p a c i n g ，i n t e r a c t i o n ，f i e l dt e s t ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 水下隧道的研究现状2 1 2 2 小间距隧道的研究现状4 1 2 3 现场测试的研究现状8 1 2 4 数值模拟的研究现状9 1 3 研究目的和意义。1 0 1 4 主要研究内容及研究方法1 0 第二章浏阳河隧道工程概况。1 1 2 1 隧道概况1 1 2 2 地形地貌与工程地质概况1 1 2 2 1 地形与地貌1 1 2 2 2 工程地质1 l 2 3 气象与水文概况1 4 2 4 隧道主体设计概况1 5 2 4 1 设计标准一1 5 2 4 2 主体结构设计1 5 2 4 3 防排水设计1 7 2 5 本章小结1 8 第三章浏阳河隧道现场监控量测及数据分析1 9 3 1 现场测试研究的目标一1 9 3 2 现场试验元件布置方案及水位观测1 9 3 2 1 洞内典型测试断面布置1 9 3 2 2 河道水位观测2 0 3 3 现场测试工作。2 1 3 3 1 测试元件埋设状态与测量目标2 1 3 3 2 测试元件的埋设2 2 3 3 3 内力及位移测试频率。2 6 3 4 测试数据整理与分析。2 7 3 4 1 孔隙水压力的测试分析2 7 ， 3 4 2 围岩与初期支护间接触压力的测试分析3 1 3 4 3 钢拱架表面应变计的测试分析3 7 3 4 4 锚杆应变计的测试分析4 2 3 4 5 二次衬砌应变计的测试分析4 4 3 4 6 洞周位移的测试分析4 8 3 5 本章小结。4 9 第四章浏阳河隧道数值模拟分析5 1 4 1 有限元理论简介。5 1 4 1 1 有限单元法的发展简介5 1 4 1 2 有限单元法的基本思想5 1 4 1 2 有限单元法的基本步骤5 2 4 2 岩土分析的本构关系5 4 4 2 1 线弹性分析：5 5 4 2 2 非线性弹性分析5 5 4 2 3 弹塑性分析5 5 4 3mi d a sg t s 有限元程序介绍。5 7 4 4 模型的建立5 8 4 4 1 计算范围5 8 4 4 2 单元类型5 8 i v 4 4 3 破坏准则5 9 4 4 4 边界条件5 9 4 4 5 计算参数的选取一5 9 4 5 小间距隧道数值模拟的基本假定”6 0 4 7 双洞间距对围岩稳定性的影响6 0 4 7 1 拱顶下沉“6 0 4 7 2 洞周收敛6 2 4 7 3 围岩塑性区特性6 4 4 8 数值计算结果和测试结果的对比6 8 4 9 本章小结“6 9 第五章结论与展望：”：”7 1 5 1 结论7 1 5 2 有待进一步研究的问题7 1 参考文献7 3 致谢”7 7 攻读硕士学位期间的论文发表情况及科研情况7 8 v 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 由于江、河、湖、海的存在将陆地分割成不同的区域，这些不同区域之间的联系方式 通常只有三种：轮渡、桥梁和水下隧道。当今，随着经济及基本建设的加速发展，不断膨 胀的城市规模导致人类有限的生存空间越来越小，尤其是因日益紧张的交通压力引发的各 种社会及经济问题越来越突出，迫切要求向地下空间努力拓展。选择跨越江河湖海的方式 时要慎重，应该综合考虑，选择最合适最经济的方式，以免为社会后期发展带来一系列的 新问题。值得注意的是，在越江跨海方式的选择上，国内外最初都是注重桥梁的发展，但 是很多国家已经意识到桥梁与通航的矛盾。为了满足海轮进入内河，有些国家在法律上规 定不允许在大河流上兴建桥梁，即便建桥，其通航净高也要求相当高。近几十年来，世界 各国在工程建设上逐渐注意挑选具有抵御自然灾害能力的工程结构，有优先考虑采用水下 隧道作为越江跨海方式的趋势。 我国地域辽阔，江河纵横，有绵长的海岸线及众多的岛屿，随着人们认识的提高和水 下隧道技术的不断发展，国内在跨越江河湖海方式的选择上也开始由“遇水架桥”向“桥 隧并举转变，在交通工程建设中出现了越来越多的水下隧道。长沙浏阳河隧道方案的选 择正是在综合考虑了城市经济发展、现有和未来交通状况、城市景观和城市形态保护等各 种情况而提出来的。 在水下隧道建设方面，虽然我国起步较晚，但发展很快，现已有多条水下隧道正在规 划和建设之中。随着建设水下隧道的国家越来越多，水下隧道的施工方法和技术不断发展 和完善。但是，相对于陆地上的隧道工程而言，水下隧道的修建仍面临着很多关键技术问 题亟待解决，主要包括合理覆盖层厚度确定、合理间距的选取、超前地质预报技术、不良 地质体的注浆加固技术、隧道结构防排水技术、隧道结构抗震技术以及施工过程中的质量 控制和安全风险管理等，这些远比陆地上的隧道工程复杂的多。目前制约我国水下隧道发 展的主要因素是资金。建设水下隧道投资大，回收期长。合理间距的选取又是决定水下隧 道建设造价和安全的一个主要因素之一。 随着隧道工程项目的日益增加，特别是我国交通事业的大力发展，在修建隧道时，为 了满足两洞间最小间距的要求，往往使隧道展线不灵活、占地面积大、高边坡等问题同益 突出，并由此导致工程造价、养护费增加，同时也不利于环境保护。因此，在特殊地段的 隧道建设中，连续中、短隧道多采用小间距隧道或连拱隧道型式，长大隧道的建设也常采 用洞身段为独立双洞，在洞口段渐变过渡为小间距或连拱隧道。小间距隧道和连拱隧道成 为独立双洞隧道的有效补充型式。某些工程由于特殊地质及地形条件、线桥隧衔接方式、 总体路线线形和工程造价等原因的限制，双洞隧道左右线问距不能保证达到规范的要求， 硕士学位论文 第一章绪论 必须采用小间距隧道及连拱隧道等特殊结构型式。 采用小间距隧道方案，不仅能很好地满足特殊地质及地形条件、线桥隧衔接方式、总 体路线线型的特殊要求，而且有利于公路整体线型规划和线型优化，能较好地解决连拱隧 道存在的缺点，取得良好的技术经济效果，具有显著的经济、社会、环境效益。但小间距 隧道设计、施工中较多关键技术未能解决，诸如对中间岩柱进行加固的判定条件和加固方 法、主体结构设计参数、爆破影响评价及控制标准、合理施工方法、监控量测体系和监控 基准、长期安全性评估等，因此加强针对小间距隧道研究是十分必要的。 因此，本选题结合湖南省长沙浏阳河小间距隧道相互影响的分析研究，并结合长沙市 浏阳河的具体地质条件，通过对洞周位移、地表沉降、围岩孔隙水压、围岩与衬砌之间的 接触压力、衬砌内力、锚杆轴力、掌子面渗水等的监测，为小间距隧道相互影响提供参考 数据，对本项目的顺利完成和今后类似项目的借鉴和参考，都具有十分重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水下隧道的研究现状 公元前2 0 0 0 年，巴比伦人用围堰明挖法首先建成了穿越幼发拉底河的水下隧道。大 约2 0 0 年前，人类才开始摸索和试验具有现代意义的水下隧道的设计与施工技术，直到本 世纪初期，人类才开始大量建造各种水下隧道。随着建设水下隧道的国家越来越多，水下 隧道的施工方法和技术也不断发展和完善。 对于水下隧道的修建，从最初采用围堰法建成穿越幼发拉底河的水下隧道开始，现代 科技的迅猛发展，在相当程度上改变了过去陈旧的施工方法，使得水下隧道的实现变得更 加可能，这也是近年来水下隧道迅速发展的一个重要原因。目前修建水下隧道主要有以下 几种方法：围堰明挖法、顶管法、钻爆法、盾构法、沉管法。 围堰施工法是指在具有相当宽的河漫滩的河流上，在堤坝板桩围堰围护下，进行开挖， 逐次筑造区间，最终形成的外防水的隧道。由于在施工过程中使航道变窄，不仅限制了船 只的通行量，而且会产生危险。因此，对于水上交通非常繁忙的长江，这种施工方法不是 很适用。 顶管法是以一个事先准备好的地坑( 压坑) 为出发点，可用液压千斤顶将管子压入土中， 同时排除和运走挤出的泥土。从理论上讲千斤顶可以任意提高，从而也可以达到任意长度 的推进距离，但因千斤顶产生的顶力必须全部由管子来承受，所以顶力的提高应以管子的 承受能力为上限。 钻爆法又称为矿山法，因最早应用于矿石开采而得名，它包括传统方法和新奥法。采 用钻眼爆破进行开挖，历史上形成了很多变化方案。近年来，由于施工机械的发展，以及 传统矿山法明显不符合岩石力学的基本原理和不经济，已逐渐由新奥法所取代。该方法工 硕十学位论文 第一章绪论 艺成熟，施工条件易具备，对通航没有影响，工程投资较低，易维护。但防治水难度较大， 涌突水是制约工程进度的关键。 盾构法是1 8 0 4 年在伦敦泰晤士河底隧道首次正式推行的。这种方法是把一种断面比 隧道稍大的坚固钢制圆管外壳盾构向前推进，在它的庇护下进行开挖，随着盾构的推进进 行衬砌、回填、压筑等作业，把隧道建成。此方法施工时，开挖面和外周的围岩经常被盾 构和衬砌支撑着，围岩很少松动，因而是安全可靠的施工方法，是一种在软弱地层和含水 地层中修建隧道的高超技术，非常适合于人口密集，交通繁忙的大城市中。 沉埋法是先在预制场制成隧道沉埋管段，将其两端用临时隔墙封闭，然后利用水的浮 力以拖拽引到施工现场，沉放到已疏浚好的沟槽底，在水中进行管段联接，最后再回填的 修筑水下隧道的施工方法。 到目前为止，世界上己修建了许多水下隧道，其结构形式以水下深埋暗挖隧道或沉管 隧道为主。如日本于2 0 世纪4 0 年代在关门海峡修建的海峡隧道，是世界上最早的水底隧 道。此外日本于1 9 8 8 年在津轻海峡建成了迄今世界上最长的海峡隧道一青函海底隧道， 使同本的本州与北海道之问实现了铁路运输。最近建成开通不到1 0 年的东京湾公路海底 隧道对日本首都圈经济的可持续发展起到了重要的作用。英法海峡隧道从拿破仑时代( 18 0 0 年1 以来就曾两次开挖，但因种种原因均被搁置下来，直到1 9 9 3 年英法海峡隧道全部贯通， 并投入正式运营，从英国伦敦至法国巴黎只需要3 个小时，为英法两国的经济和社会发展 起到了巨大的作用。1 9 9 6 年丹麦的大海峡隧道竣工，使丹麦与欧洲本土连接起来。此外挪 威也修建了2 0 多座海底隧道。 日本青函海底隧道穿越津轻海峡，全长5 3 8 5 k m ，其海底部分全长2 3 3 0 k m ，陆地部 分长3 0 5 5 k m 。隧道在海面下最大埋深2 4 0 m ，其中水深1 4 0 m 左右，隧道顶部岩层平均厚 度l o o m 。隧道通过地层主要为受到很大扰动的火山质岩石和中新统沉积岩。地下水为基 岩裂隙水，并与海水有一定的水力联系，水压力值为2 4 m p a - 2 6 m p a ，沿线海底段有9 条 较大的断层( f 1 、f 2 、f i o 、f 1 1 、f 1 2 、f 1 3 、f 1 4 、f 1 5 、f s o ) ，地质条件十分复杂。隧道 由两条主洞和一条辅助坑道组成，主洞为双线马蹄形断面，内径9 6 m 。隧道采用钻爆法开 挖，1 9 6 4 年开挖超前导坑，1 9 7 1 年正式开工，1 9 8 8 年3 月正式通车运营。隧道施工期间 曾出现过四次较大的涌水事故，每分钟8 0 m 3 的一次，每分钟l o m 3 的三次。这四次涌水事 故，主要都是靠注浆来解决的，并辅以强有力的抽水系统。最严重的一次发生在吉冈工区， 1 9 7 6 年5 月6 日在作业坑道突然涌水，涌水量从0 7 m 3 r a i n 增加到7 0 m 3 m i n ，坍方1 0 0 0 m ， 隧道被埋长度约7 0 m 。后来采用筑挡水墙、抽水、迂回导坑、注浆等方法处理，花了半年 左右时间，才通过该点。根据这次经验教训，后来修建足够的断水闸门、排水泵和排水管 道【1 卅。 英法海底隧道是英国和法国之间交通联络的重要通道，英法海底隧道横贯多佛尔海 峡，从英国的福克斯通到法国的桑加特，把英伦三岛与欧洲大陆连接起来隧道全长4 9 k r n ， 海底段长3 7 k m ，由于一条直径4 8 m 的服务隧道和两条直径7 8 的铁路隧道组成，该隧道 程的发展产生的巨大影响。国内水下隧道的成功修建也为我国修建更多的水下隧道积累了 丰富的经验。 1 2 2 小间距隧道的研究现状 在同本及欧美等隧道修建技术比较发达的国家，从7 0 年代就开始了小间距隧道的相 关研究。日本铁道技术学会于8 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5 倍，并且规定平行公路隧道的中心距约为开挖宽度的3 倍，国铁单线隧 道的标准净距是2 0 m 每9 1 。 川田等结合田真新镇干线公路上的尾山大理隧道对小间距隧道设计、开挖方式进行了 4 硕士学位论文 第一章绪论 系统研究【l o 】；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1 ；今i l l 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利用平面应变和三维 有限元【1 2 1 ；s o l i m e 对小测距隧道进行了丌挖模拟；k w l o 等人作了多隧道相互影响的 现场量测川。 在我国，小间距隧道尚为新型隧道结构型式，出现的时间不长。2 0 世纪8 0 年代_ 才开 始双洞间距的研究。 朱敬民等采用模型实验研究双线隧道问题，提出了层状岩体中开挖洞室的围岩扰动范 围为一椭圆形区域，其水平长半轴为2 5 倍洞室跨度，垂直短半轴为两倍洞跨在复合式衬 砌的支护下，洞周围岩的破坏亦属剪切破坏，破坏受变形控制，且始于岩体抵抗变形能力 最弱的部位，并非受力最不利的部位两洞空间隔墙的厚度若大于2 3 m 时，在开挖时将不会 产生相互影响等重要结论。 钟世航等以宁波招宝山隧道为依托，进行了“并行隧道超小间距施工技术研究”，并 在三、四级围岩间距3 5 4 2 米下取得了成功，其总结的诸多参数、安全措施对小间距隧 道有重要参考价值。- 鼻 田尚志等在综合分析多孔隧道研究成果的基础上，以矿山法施工的深圳地铁一期工程 老街一大剧院区间双孔重叠、交错隧道为背景，以平面f l a c 计算分析得到的结论为指导， 利用三维有限元施工动态模拟及模型实验，得到了先行洞室的应力、结构内力、位移和围 岩应力，地表位移的影响范围，还对各指标与围岩类别、两洞间距及相互位置的关系进行 了考察；同年刘伟等提出在研究山区高速公路结构选型时，系统研究小问距隧道的设计施 工技术，编制设计、施工细则、全面确保小间距隧道的安全实施，并在京福路上进行了实 践。 胡元芳利用有限元数值分析软件针对浅埋条件下，不同围岩级别、不同隧道间距的情 况，分析了双线隧道的围岩稳定性特征。得出小线间距城市双线隧道最小问距的参考值， 并对厦门仙岳山隧道进行了围岩稳定性计算。 陈先国和高波采用a n s y s 程序对对近距离双孔平行隧道开挖相互影响因素( 包括围岩 类别、隧道问的间距、开挖和支护方式等) 进行了分析，揭示了这类隧道在开挖之后地表和 拱顶下沉的规律。 潘家铮【1 4 】对在内水压力下两对称相邻布置的等尺寸圆形水工隧洞进行了应力分析，并 获得了近似的应力解。刘新宇和侯学渊1 1 5 】对两平行布置的圆形隧洞进行了应力分析。 早期关于并行隧道的研究主要集中在城市地铁建筑项目中，小间距的双线隧道是大多 数城市地铁中的一种常见结构形式，早在1 9 4 2 年国外就有文章报道了双洞净| 、日j 距为0 4 2 5 d 的并行隧道建设。另方面，铁路隧道的复线大量建设，促使大量小于分离式隧道间距规 定的并行隧道出现，而招宝山隧道则是我国早期最为著名的小间距公路隧道。时至今日， 随着隧道建设的大力发展，受地形、地物、水文地质条件以及规划要求等因素的影响，国 s 硕士学位论文 第一章绪论 内外高速公路、双线铁路、城市地铁等工程项目越来越多的采用小间距隧道方案。国内外 关于小间距隧道的研究主要集中于以下几个方面：洞室之间的相互影响、中间岩柱的稳定性 及加固措施、设计方法与施工技术、施工监测等问题。 早期关于并行隧道的研究主要集中在城市地铁建筑项目中，小间距的双线隧道是大多 数城市地铁中的一种常见结构形式，早在1 9 4 2 年国外就有文章报道了双洞净间距为0 4 2 5 d 的并行隧道建设。另一方面，铁路隧道的复线大量建设，促使大量小于分离式隧道间距规 定的并行隧道出现，而招宝山隧道则是我国早期最为著名的小间距公路隧道。时至今同， 随着隧道建设的大力发展，受地形、地物、水文地质条件以及规划要求等因素的影响，国 内外高速公路、双线铁路、城市地铁等工程项目越来越多的采用小间距隧道方案。国内外 关于小问距隧道的研究主要集中于以下几个方面：洞室之间的相互影响、中间岩柱的稳定性 及加固措施、设计方法与施工技术、施工监测等问题。 相互影响是小间距隧道区别于分离式独立隧道的本质所在，分离式隧道最小间距的要 求正是基于将隧道置于相邻洞室的影响范围之外的原则制定。开挖洞室时，紧邻洞室的围 岩初始应力场会产生很大变化，随着距孔洞距离的增大，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开挖引起的影响，这就是洞室丌挖的影响区范围问题。对于两 个或多个邻近洞室，若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 单个洞室，进行应力分析时可忽略洞室之间的相互影响【l6 。而对于小间距隧道，两个隧道 的影响范围相互叠加，相邻洞室之间存在相互作用，从而使隧道的施工力学特征有别于独 立单洞。 早期的相互影响研究建立在现场监测的基础上，有限单元法也在研究中起到了重要作 用。工程对象普遍为土体( l o n d o nc l a y ，c h i c a g oc l a y ) 修建的圆形隧道，涉及工程的净 间距范围为o 2 5 1 0 倍隧道直径1 1 6 】【1 7 】。众多研究从不同方面证明：邻近隧道相互影响的作用 表现在地表沉降、围岩应力、支护结构内力等方面，由于相邻隧道的存在，使各测试指标 数值增大，隧道的稳定性条件趋于恶化；相互影响程度与隧道间净间距密切相关，隧道近 中间岩柱侧受邻近隧道影响大于远离中间岩柱侧；由于相邻洞室的存在，后行隧道所处的 初始应力环境被破坏，且由于相邻洞室的衬砌结构改变了地层刚度条件，使地层与衬砌的 相互作用产生变化。 1 9 7 7 年，g h a b o u s s i 和r a n k e n t l 8 】利用有限元方法，系统分析围岩( 特别是中间岩柱) 内 力、隧道位移、衬砌内力、地表沉降等参量，研究了中间岩柱厚度、隧道埋深、支护情况 及开挖顺序等主要因素对并行隧道力学特性的影响，指出相互影响程度随中间岩柱厚度的 增大而减小，还与隧道埋深、支护状态、开挖顺序相关。 1 9 8 1 年d h a r 0 9 1 对不同位置关系的双线隧道进行了洞室失效机理的研究试验，结果表 明：双线隧道的破坏应是应力集中引起的，主要发生在两洞之间的中间岩柱；在竖向荷载 的作用下，两洞上下布置( 背驮式) 时的稳定性比水平并行或两洞呈4 5 。布置时的稳定性好。 1 9 9 3 年a d a c h i 2 0 ! 等利用铝棒进行模型试验研究了隧道之问的相互影响与隧道埋深、隧道 6 硕士学位论文 第一章绪论 间距的关系，并对双洞不处于同一水平面的情况进行了分析。研究表明，处于同一水平位 置的隧道相互作用可用埋深一间距系数刀b ( z 为隧道埋深，b 为两隧道间距) 进行评价；文 章对后建隧道与已有隧道不同位置关系时的施工影响进行了分析，结果显示，后建隧道的 埋深大于已有隧道时对后者的影响，大于埋深小于已有隧道时对其产生的影响。 2 0 0 5 年，蔡小林在文献【2 l 】中指出：两隧道相互之间的影响，不仅与围岩类别、隧道间 距、开挖和支护方式有关，而且不同的丌挖顺序，会有不同的结果，两隧道同时交替掘进 比先后修建的相互影响大，但总体衬砌受力要小。 关于隧道之问相互影响的系统研究，日本走在世界前列。1 9 9 6 年，在总结日本地铁实 践基础上，日本铁道综合技术研究所发表的“近接隧道施工指南”口2 j 给出了近接隧道影响 范围的分类、相应措施及具体影响范围划分。指南中将相互影响范围分为三类：无影响范围、 要注意的影响范围和必须采取措施的范围。具体相互影响范围的划分与隧道之间的相对位 置关系相关。相互影响判定时采用的隧道外径值，指隧道衬砌外缘的垂直高度或水平宽度 中的最大值。根据相对位置的不同，影响范围的划分有所区别，当后建隧道处于先建隧道 下方位置处时，需要注意和采取措施的范围比处于先建隧道上方位置时大；当两隧道为左 右关系时，同样是相对高程高的隧道对邻近隧道的影响范围要小 2 0 0 3 年仇文革f 2 3 】在其博士论文中通过对平行、交叉等在既有隧道旁近接施工隧道的间 距影响程度进行了研究，提出影响分区标准的划分主要受围岩力学特征、新建结构及尺寸、 新建与既有结构的位置关系、地质条件等因素的影响，他将近接施工区域划分为强影响区、 弱影响区和无影响区三种类型。对于两平行近距离隧道得到结论是：当双洞间距b = i s d 时， 近接区为强影响区；当双洞间距b = i 5 3 0 d 时，近接区为弱影响区；当双洞间距b 3 0 d 时，近接区为无影响区。 s w e e n e y l 2 4 l ( 2 0 0 6 年) 和c h e h a d e 2 5 】( 2 0 0 7 年) 分别对两隧道处于不同位置时的相互影响 特性进行了分析研究。根据两隧道相对位置的不同，将小间距隧道分为三种布置形式：并排 布置( 无竖向间距) 、斜交布置( 既有水平间距也有竖向间距) 、上下布置( 无水平间距，又称 背驮式) ，两隧道位置的不同使得施工顺序成为影响施工力学特征的一个重要因素。当两隧 道之间存在竖向间距时，先施卫上部洞室所产生的最大位移、弯矩等均比先施工下部洞室 时要小；对于同一洞室，洞室先行被开挖时的塑性发展程度要小于作为后行洞室时的塑性。 总结已有研究成果，小间距隧道之间的相互影响主要决定于以下几方面： ( 1 ) 隧道间距与围岩级别； ( 2 ) 隧道的相对位置关系； ( 3 ) 隧道的开挖方法及施工工序； ( 4 ) 隧道的断面大小及衬砌结构型式。 综上所述，相互影响是一个范围较广的研究领域，影响因素众多，虽然己有许多学者 从不同方面对相互影响进行了分析研究，但其产生机制还有很多不明确的地方，因此，有 必要对隧道问的相互影响机理及影响因素进行深入的探讨和研究。 7 硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 现场测试的研究现状 与室内试验相比，现场测试往往能比较准确地反映实际，但是，由于地下工程比较复 杂且相对庞大，需要较大的经费投入。对于小间距隧道而言，由于双洞之间的相互影响， 围岩受力情况比较复杂，施工过程中的现场监控量测显得尤为重要，这既是对先行洞结构 安全性的检测，也是对后行洞施工的妥当性以及加固措施有效性的评价。所以，针对小间 距隧道的特点，除了对规范规定的必测项目要认真执行外，中间岩的内部位移、支护内力、 后行洞的爆破振动速度、围岩松弛范围也是监控量测的重要内容【2 6 】【2 n 。特别是对于在已运 营隧道附近丌挖新的隧道这样的小问距隧道，由于运营中的大部分隧道都存在不同程度的 病害，要保证其在新隧道施工期中的稳定安全，监控量测是重要手段【2 引。 t e r z a g h i ( 1 9 4 2 ) 介绍了在芝加哥粘土中施工隧道的量测情况1 2 引。隧道采用马蹄形断面， 支护则采用了钢拱架和衬砌板。隧道直径为6 1 m ，并且洞室施工的中心距为8 7 m ，即净岩 柱宽度为2 6 m ( w d = 0 4 2 5 ) 。经过现场量测发现，随着第二孔隧道开挖经过，第一孔隧道 最接近第二孔隧道的起拱线位置产生了向外的5 m m 位移，而另一侧起拱线仅产生了l m m 向外的位移，这样导致第一孔隧道产生的变形为aa a = 0 1 。 w a r d 和t h o m a s ( 1 9 6 5 ) 介绍了在伦敦粘土中施工的两平行隧道1 3 例，这些特殊的隧道用 2 3 c m 厚的预制混凝土构件作为衬砌，洞室的直径约为4 m ，两洞室中间岩柱体最小厚度为 2 4 m ( w d = 0 6 ) 。经过现场量测发现，当第二孔隧道掘进时，第一孔隧道产生的附加最大变 形a a = 0 2 ，且作用在第一孔隧道上的平均径向压力增加了5 7 k p a 。 王景春等( 1 9 9 5 ) 借助某引水隧道现场测试与理论分析对比研究指出：合理的相邻隧道中 心距必须经过综合分析确定【3 。分析隧道所处的地质条件、断面形状、现有隧道的衬砌情 况、施工方法等因素，尽可能减少不利于围岩和隧道结构稳定因素的影响，通过类比初步 确定间跨比，再进行分析验证，是确定最佳相邻隧道中心距的有效途径。 l o 等( 1 9 9 8 ) 针对多隧道相互影响的现场量测做了详细介绍1 3 2 】。在新加坡高速公共交通 系统中，对处于回填土、海相粘土硬冲积层的四孔平行隧道，利用测斜仪、孔隙水压计、 竖管、应力计及应变仪等测量了土体水平位移、土体竖直沉降量、地表沉降量、孔隙水压 力、振动、衬砌应力等项参数。根据量测结果，对地层侧向位移、竖向位移及衬砌弯矩和 轴向力等作重点分析，研究多孔隧道相互影响。 需要指出的是，我国现阶段监控量测方法和稳定判断标准主要是参照分离式隧道的监 测方法和判断标准得到的，国外的己有研究也主要是针对在己有隧道旁修建近接隧道时的 量测方法及相应标准。因此，目前尚未形成针对小间距隧道特点的方法和标准。针对小间 距隧道自身的特点的监控量测方法及判断标准是今后研究的一个方向，开发新的先进测量 仪器也将提高监控量测的准确性，并能提高反馈信息的权威性和指导性。 近年来，在总结前人研究的基础上，又发展起来隧道的信息化设计和施工的新方法。 这种方法是在施工过程中布置监控量测系统，从现场岩体的丌挖和支护过程中获得各种监 测信息，通过及时分析研究，反馈到施工中去，及时调整开挖方式方法和支护参数。整个 8 硕士学位论文 第一章绪论 过程随着每次开挖和支护的循环进行一次。这种方法集各种以往方法于一身，发挥各自特 长，形成以施五监控量测、力学计算分析和工程经验方法相结合的特有的设计施工程序， 从而能有效的达到工程安全经济的目的，是一种很有发展前景的方法【3 3 4 3 。 1 。2 4 数值模拟的研究现状 电子计算机的应用，给人类带来了一场革命性的变革，在此基础上发展起来的数值模 拟技术有着其无可比拟的优势。到目前为止，已有许多研究者利用多种数值方法来解决多 连通域问题。与其它方法相比较而言，利用数值方法研究多连通域问题的优势在于：1 、更 贴近工程实际，如可以模拟复杂的地形、各种不同的材料，采用不同的本构模型、荷载及 边界条件，可以模拟不同的初始应力场；2 、更方便，如可以模拟隧道整个施工过程，可 以直观地“看到”隧道丌挖引起的应力场、位移场以及衬砌内力的变化；3 、更经济，就 弹性分析而言，其效果比试验还要好，但其所需的经费开支却非常少，且没有材料及资源 的浪费【4 4 】。 数值模拟应用于隧道工程，可以非常方便地模拟实际演化过程，有助于了解隧道施工 过程中的力学、变形特点，是确定最佳设计和施工方案的得力工具。模拟方法从最初的采 用释放系数模拟隧道开挖效应的平面应变分析方法到可以模拟开挖、支护施工过程的三维 模拟，各国的学者针对不同的问题做了大量的研究工作【4 5 4 9 1 ，所取得的成功经验为小问距 隧道研究提供了有力支持。 一 有限单元法是小间距隧道研究中应用最为广泛的一种数值模拟方法，有限元计算结果 可以和监控量测结果比较，共同指导施工，使新奥法施工用于建造复杂地下工程成为可能。 德国波鸿地铁隧道施工期间进行了相应的三维数值模拟，为间距仅1 2 m 的两地铁隧道建 设成功提供了有力的技术支持。前文所述的许多关于小间距隧道的数值模拟工作是通过有 限单元法完成的。 s o l i m a n 等( 1 9 9 3 ) 建立了并排密布的双圆孔隧道的二维和三维有限元数值模型，计算考 虑了间距为r 和o 5 r ( r 为隧道半径) 两种不同情况，分析了用丌挖加喷混凝土支护的双孔 盾构隧道相继先后推进的相互影响，分别得出了施工单孔隧道与施工两孔隧道时，隧道不 同的位移、衬砌的法向力和弯矩的比值与刚度系数a 的关系图，结果表明，可用单孔隧道 的分析来近似得到双孔隧道的解1 5 川。 y a m a g u c h i 等( 1 9 9 8 ) 采用有限元法研究了四条平行隧道( 上两条，下两条) 在应用盾构法 施工过程中的相互影响，研究表明：当两水平平行隧道同时掘进引起的地表沉降比两竖向平 行隧道同时掘进时引起的地表沉降要大p 。 张玉军等( 1 9 9 9 ) 紊j 京珠国道粤境沿线近距离双孔隧道开挖与支护过程，使用平面和三 维粘弹塑性有限元方法进行了数值模拟，分析对比了围岩与支护结构的受力、变形及塑性、 受拉区的演化状况，对围岩支护体系的稳定性进行了评价1 5 引。 有限元法本身计算的准确性和精度是毋庸霄疑的，但是应用于隧道工程乃至所有地下 工程中，计算结果往往与实际情况之间存在着定的差距，“定量分析，定性应用”是当 9 现场测试，获得了该隧道拱顶沉降、洞周收敛变形和衬砌表面应力变化等第一手资料，并 通过观察它们的变化规律进一步分析隧道围岩、衬砌的工作状态随时间和施工阶段产生的 变化，并对隧道在该种间距和掌子面间距的工况是否安全做出评价和判断。 2 、小间距隧道相互影响的数值分析 借助大型有限元分析软件m i d a s g t s ，以现场测试为背景，对小间距隧道的相互影 响进行建模分析。本文主要从洞室间距这个因素进行分析，对各工况下的拱顶沉降、洞周 收敛、围岩塑性区等关键参数进行对比分析，从而得出小间距隧道相互影响的因素及规律。 1 0 硕士学位论文 第二