（岩土工程专业论文）大跨度小净距隧道施工力学行为研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 隧道工程是一个经验性极强的学科，长期以来都是凭经验设计施工。但对 于大跨度小净距隧道，可借鉴的设计与施工经验较少，隧道的设计和施工遇到 一些技术上的问题。本文以在建的二广高速公路西岸隧道为依托，较为全面地 介绍了监控量测的作用及实用方法，并对监测到的支护结构位移和内力数据进 行整理分析，判断大跨度小净距隧道支护结构的稳定性。同时，较为系统地介 绍了位移反分析方法研究的历史与现状，叙述了弹塑性问题的位移反分析理论， 研究了位移反分析在隧道工程中的应用。 首先，对现场监测的方法手段以及注意事项作了分析和总结，并将量测的 数据绘成曲线。通过对v 级围岩监测曲线的分析表明，在开挖过程中，仰拱开 挖会造成较大的围岩变形，因此应尽量缩短仰拱的开挖封闭时间。当洞内出水 较多时，为防止拱脚岩层的软化造成拱架坍塌事故，必要时应在导坑内加设横 向支撑。 其次，简要介绍了同济曙光反分析软件在隧道工程位移反分析中的运用及 操作流程，并以围岩及支护体的已知参数和拱顶下沉实测数据为基础，对围岩 进行反分析。结合各个施工步的监测数据，排除异常的监测数据。每次反分析 都基于对应的施工步进行，并对其它施工步的位移进行预测，与实测的位移进 行对比。通过多次的反演分析获取反演参数，反演参数取各次反分析结果的平 均值。并用a n s y s 建立大跨度小净距隧道的平面开挖模型，将反演得到的围岩 弹性模量值e l 和围岩加固圈弹性模量易，运用反演正算法检验反分析结果，及 应用反分析结果进行正分析。本文得出的最终反演参数正分析的结果基本符合 后续施工步的实测位移，较好的验证了本文的反分析模型，位移反分析方法。 最后，对v 级对围岩变形及应力的分析。在级围岩的开挖过程中， 围岩总的变形趋势为拱顶下沉，两侧边墙张开，而仰拱向上移动。最终在隧道 上方形成一个u 字槽，而两隧道间形成拱形。对于v 级围岩，在导坑开挖时， 由于临时钢架的与上部核心土的共同作用，有效的减小隧道上部围岩的变形。 上部核心土开挖时，围岩变形很大，必要时，应在隧道拱顶处加设锚杆，以避 免塌方事故的发生。 关键词：大跨度小净距隧道，监控量测，位移反分析，弹塑性，正演分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sw e l lk n o w nt h a tt u n n e lc o n s t r u c t i o ni sas u b j e c tm u c hd e p e n d e do n e x p e r i e n c e ，a n dt u n n e l sh a v e b e e nd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e db ye x p e r i e n c ef o r al o n g t i m e h o w e v e r , a st on e i g h b o r h o o dt u n n e lw i t hl a r g es p a n ，t h e r ei sl i t t l ee x p e r i e n c e t ob el e a r n e d ，a sar e s u l t ，m a n yp r o b l e m sc o m ei n t ob e i n gi ni t sd e s i g na n d c o n s t r u c t i o n b a s e do nx i a nt u n n e li ne r g u a n gh i g h w a yc o n s t r u c t i o n i n p r o g r e s s ， t h et h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h em o n i t o r i n gm e a s u r e m e n ta n dt h er o l eo fp r a c t i c a l m e t h o d se x p l i c i t l y , t h e na n a l y s e st h ed i s p l a c e m e n to ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r ea n d i n t e m a lf o r c e sf r o mm o n i t o r i n g ，a n dl a s tj u d g e st h es t a b i l i t yo fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e a tt h es a m et i m e ，t h eh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o no fd i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i si s s y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e d a n db a s e do na na c t u a lp r o j e c t ，t h et h e s i sp r e s e n t si t s a p p l i c a t i o ni nt h et u n n e lp r o j e c t t h i st h e s i sf i r s t l ys u m m a r i z e st h eo n - s i t em o n i t o r i n gm e t h o d sa n dt h ea t t e n t i o n s ， a n dt h e np l o t st h ec u r v et h r o u g ht h em e a s u r e dd a t a f r o mt h ea n a l y z i n go ft h ec u r v e s 0 fvl e v e lr o c ks u r r o u n d i n g , i ti n d i c a t e st h a t ，t h ee x c a v a t i o no fi n v e r t e da r c hw i l l c a u s eb i gd i s p l a c e m e n t ，a n di ti sb e s tt or e d u c et h ee x c a v a t i o n & e n c l o s e dt i m e t o p r e v e n tt h ec a v e i n ，l a t e r a lb r a c i n gi sn e e d e dw h e nt h eg r o u n d w a t e ri sr i c h s e c o n d l y , t o n # i s h u g u a n gs o f t w a r eu s e df o rd i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i si s b r i e f l yi n t r o d u c e d b a s e do nt h ep a r a m e t e r so fr o c ka n ds u p p o r tk n o w n ，a sw e l la s t h em e a s u r e dd a t a ，t h ep a r a m e t e r so fs u r r o u n d i n gr o c ku n c e r t a i na r eb a c ka n a l y z e d i n t e g r a t i n gt h ev a r i o u ss t e p s o ft h em o n i t o r i n gd a t aa n d e x c l u d i n ga b n o r m a l m o n i t o r i n gd a t a t h ep a r a m e t e r sa r ea c c e s s e d e a c hb a c ka n a l y s i si s b a s e do nt h e c o r r e s p o n d i n gc o n s t r u c t i o ns t e p ，a n dt h ed i s p l a c e m e n to fo t h e rc o n s t r u c t i o n s t e pi s p r e d i c t e da n dc o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dd i s p l a c e m e n t s t h r o u g hm u l t i p l eb a c k a n a l y s e s ，t h ep a r a m e t e r s f i eo b t a i n e df r o mt h ea v e r a g eo fb a c ka n a l y s i sr e s u l t s t w o - d i m e n s i o n a le x c a v a t i o nm o d e lf o rn e i g h b o r h o o dt u n n e lw i t hl a r g es p a ni s e s t a b l i s h e db ya n s y s ，w h i c hu s i n gt h er o c k se l a s t i cm o d u l u se 1a n dt h er o c k r e i n f o r c e m e n tr i n ge l a s t i cm o d u l u s e 2f r o m b a c ka n a l y s i s t h eb a c ka n a l y s i sr e s u l t s a r et e s t e dt h r o u g ht h ec o m p a r i n gw i t ht h en o r m a lc o m p u t a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h e u l t i m a t ei n v e r s i o np a r a m e t e r sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h ea n a l y s i so ft h er e s u l t so ft h e d i s p l a c e m e n t m e a s u r e di nt h ef o l l o w i n gs t e p ，t h eb a c ka n a l y s i sm o d e la n d d i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i sm e t h o dp r o v e dt ob er e a s o n a b l e f i n a l l y , t h ev a r y i n go fd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s so fi v & vl e v e ls u r r o u n d i n g r o c ki sa n a l y z e d d u r i n gt h ee x c a v a t i o no f l e v e ls u r r o u n d i n gr o c k t h ev a u l tg o e s d o w n ，t h eb o t hs i d ew a l l ss t r e t c h e sa n dt h ei n v e r t e da r c hr i s e s a n df i n a l l y , a “u ” i l 武汉理工大学硕士学位论文 s h a p e dg r o o v ei sf o r m e da b o v et h et u n n e l ，a n da na r c hs h a p e di sf o r m e db e t w e e nt h e t w ot u n n e l s a st ovl e v e ls u r r o u n d i n gr o c k ，t 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 k a b o v et h et u n n e li sr e d u c e de f f e c t i v e l yd u et ot h ec o o p e r a t i o no ft e m p o r a r ys t e e la r c a n dc o r es o i l w h e ne x c a v a t i n gt h eu p p e rc o r es o i l ，t h ed i s p l a c e m e n to ft h e s u r r o u n d i n gr o c ki sv e r yb i g , a n di ti sb e s tt or e i n f o r c et h er o c ka tt h et u n n e lc r e s tt o a v o i dc a v e i n 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 w i t h l a r g es p a n ，m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n t ， d i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i s ，e l a s t i c p l a s t i c ，n o r m a lc o m p u t a t i o nf o rb a c ka n a l y s i s l 独创性声明 本人声明，所呈交的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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丞趔垒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丝型垒 导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国是一个多山的国家，山地和丘陵占我国国土面积的2 乃，因而在公路特 别是高速公路修建过程中隧道工程众多。据最新资料统计，我国隧道总数已达 9 3 7 0 座，总长度5 2 0 0 k i n ，分别是改革开放之初的2 2 7 倍和9 0 8 倍，是世界上 公路隧道最多的国家。从最近几年的建设规模和速度来看，铁路隧道和公路隧 道分别约以每年3 0 0 k i n 和1 5 0 k i n 的建设速度增长。正在规划、设计和建设中的 南水北调、西气东输和水电工程也为隧道和地下工程事业的发展带来了新的、 更大的机遇。总之，从隧道和地下工程的数量、规模和建设速度来看，我国堪 称世界之最。这是值得我国广大的隧道和地下工作者引以为荣和自豪的口叫。 随着高速公路的快速发展，上下行分离式双洞隧道越来越多，隧道净距越 来越小。为了避免分离式及连拱式隧道的缺陷，隧道工程师提出了一种新型的 隧道结构形式，小净距隧道。所谓小净距隧道，是指隧道间的中夹岩柱厚度小 于规范建议值口1 ，双洞净距一般小于1 5 倍洞径的隧道。小净距隧道能很好地满 足特定地质和地形条件、线桥隧衔接方式，有利于公路整体线型规划和线型优 化。因此，小净距隧道的结构形式成为在特定地质和地形条件下修建隧道时采 用较多的一种结构形式。近年来已有多座公路隧道采用小净距隧道的结构形式， 如招宝山隧道( 隧道净距3 5 0 m ) 、董家山隧道( 隧道净距3 7 5 m ) 、金期山隧道 ( 隧道净距5 0 8 m ) 、里洋隧道( 隧道净距5 8 6 m ) 、丰泽街隧道( 隧道净距6 4 4 m ) 。 这些隧道的设计和建成为我国小净距公路隧道的设计和施工积累了初步的经 验。但小净距隧道设计、施工中仍有较多关键技术未能解决，诸如对中夹岩柱 的长期安全性评估、合理施工方法、监控基准、间距影响等等h 1 。而且，为了 满足通车的需要，隧道跨度往往较大，譬如广东省二广高速公路在建的下布隧 道、西岸隧道等。虽然我国自9 0 年代起，已相继建成了一些大跨度隧道，但同 发达国家相比，我国在大跨度隧道设计、施工及其关键技术、围岩稳定性研究 等诸多方面还不够，还存在着较大的差距。这样，当大跨度、小净距条件同时 出现时，隧道修建者及设计者的难度就更大了。 实际上，隧道工程是一个经验性极强的学科，长期以来都是凭经验设计施 工睁7 1 。但对于大跨度小净距隧道，可借鉴的设计与施工经验较少，隧道的设计 武汉理工大学硕士学位论文 和施工带有很大的盲目性。这样，或者会使隧道的稳定性不能得到保证，或者 会造成大量的浪费。因此，有必要对此类隧道做系统的理论分析。本文以二广 高速公路怀集至三水段的大跨度小净距隧道为研究对象，通过现场监控及对施 工的动态模拟，得出一些针对大跨度小净距隧道设计、施工和安全运营有实用 价值的结论。 1 2 国内外的现状研究 1 2 1 隧道工程设计与施工的两大理论 在修建隧道和地下工程的实践中，人们已普遍认识到，隧道及地下工程的 核心问题，是开挖和支护两个关键程序。针对上述核心问题，经过实践和研究， 人们提出了两大理论体系，即“松弛荷载理论和“岩承理论 。 “松弛荷载理论 于2 0 世纪2 0 年代提出，其代表人物是泰沙基( kt e r z a h i ) 和普氏( 坛n p o m o p a 5 t k o h o b ) 等专家。其理论要点如下： ( 1 ) 开挖隧道后，围岩产生松弛是必然的，但产生坍塌却是偶然的，故应 准确判断各类围岩产生坍塌的可能性大小； ( 2 ) 即使围岩不产生坍塌，但松弛同样向支护结构施加荷载，故应准确确 定荷载的大小分布； ( 3 ) 为保证围岩的稳定，应根据荷载的大小和分布，设计临时支撑和永久 衬砌作为承载结构，并使结构受力合理； ( 4 ) 尽管承载结构是按最不利组合荷载来设计的，但施工时应尽量避免松 弛的发展和坍塌的发生。 “岩承理论 是2 0 世纪5 0 年代提出的一种现代支护理论。其代表人物有 腊布希维兹( kwr a b c e w i c z ) 、米勒费切尔( m i l l e r - f e c h e r ) 、拉芬塔罗勃 ( f e n n e r - t a l o b r e ) 和卡斯特勒( hk a s t n e r ) 等学者。其理论要点如下： ( 1 ) 围岩是主要承载部分，故在施工中应尽可能地保护围岩，减少扰动； ( 2 ) 初期支护和永久衬砌仅对围岩起约束作用，它应既允许围岩产生有限 变形，以发挥其承载能力，又阻止围岩变形过度而产生失稳，故初期支护宜采 用薄壁柔性结构； ( 3 ) 围岩的应力应变动态预示着它是否能进入稳定状态，因此以两侧作 为手段掌握围岩动态进行施工监控和修改设计，以便适时提供适当支护，并先 2 武汉理工大学硕士学位论文 柔后刚，按需提供； ( 4 ) 整体失稳通常是由局部破坏发展所致，故支护结构应尽早封闭，全面 约束围岩，尤其是围岩破碎软弱时，应及时修仰拱，使支护和围岩共同构成一 个封闭的承载环。 显然“松弛荷载理论 更着重注意结果和对结果的处理；而“岩承理论 则更加注重过程和对过程的控制即对围岩的自承载能力的充分利用。 1 2 2 山岭公路隧道施工基本方法 山岭公路隧道的常规施工方法又称为矿山法施工。在矿山法施工中，多数 采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。在矿山法中，坑道开挖后的支护方 法，一般分为钢木构建支撑和锚杆喷射混凝土支护两类。作为隧道施工方法， 习惯上将采用钻爆开挖加钢木支撑的施工方法，称为传统的矿山法；而将钻爆 开挖加锚喷支护的施工方法称之为“新奥法。“松弛荷载理论 就是在传统矿 山法的基础上提出的；而岩承理论则是在新奥法设计施工的基础上提出的。 传统的矿山法是人们在长期的施工实践中发展起来的。它是以木或钢构建 作为临时支撑，待隧道开挖成型后，逐步将临时支撑换下来，而代之以整体式 后衬砌作为永久性支护的施工方法，其主要施工工序如图1 - 1 所示。 确 一訾卜 整 施定 开 临体 竣 工 施 时 上 式 准工支 衬 工 备方 挖 撑 叫鬻卜 砌 案 图1 - 1 传统矿山法施工顺序图 新奥法即新奥地利施工方法的简称，原文是n e w a u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ， 简写为n a t m 。它与法国称收敛约束法或有些国家所称动态观测设计施工法原 则一样。它是以既有隧道工程经验和岩体力学理论为基础，将锚杆和喷射混凝 土组合在一起作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，便于充分发挥围 岩的自承能力的施工法。其主要施工工序如图1 2 所示： 新奥法与传统的矿山法相比，不仅仅是手段上的不同，更重要的是工程概 3 武汉理工大学硕士学位论文 念、力学概念和设计原理的不同，是人们对隧道及地下工程问题的进一步的认 识和理解。新奥法应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点， 采用锚喷为主要支护手段，能及时地进行支护，达到控制围岩的变形和松弛， 使围岩亦成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护结构的测量、监控来 及时而正确的指导隧道和地下工程设计施工。因此，目前新奥法已在世界范围 内得到广泛的应用。 图1 - 2 新奥法施工顺序图 1 2 3 隧道施工力学行为研究的发展现状 隧道的施工过程，严格地说就是开挖和支护两个过程。这样，对施工力学 的研究，也即对这两个过程的力学行为研究。目前，主要的研究方法有经验类 4 武汉理工大学硕士学位论文 比法、数学解析法、数值模拟法及物理试验法。 经验类比法在一定历史时期和一定条件下发挥了一定的作用，但在精度方 面仍然不能很好地满足实际工程的需要。数学解析法在研究隧道施工力学行为 问题时，对岩体进行了简化，通过实验建立模型和方程式，重点是处理本构关 系和在特定条件下求解，这除了要求较高的数学基础外，其所能解决的实际工 程问题相当有限，而且忽略了问题中的系统性和不确定性。隧道围岩不是一般 的工程材料，而是一种复杂的地质体，它具有非均质性、非连续性和各向异性 等特征，这使得力学行为问题无法用其他方法简单地求解。相比之下，数值模 拟分析具有较广泛的适用性。它不仅能够模拟隧道动态开挖过程中围岩复杂的 力学行为，而且也可以方便地分析支护结构的受力状况。物理试验法由于难度 大、周期长、成本高且需要专门设备等不足而使用较少。所以数值模拟也是研 究者选用最多的一种的方法。不过数值模拟受围岩力学参数影响很大，而围岩 的一个重要特性就是参数的不确定性和离散性，这样得出的模拟结果往往与真 实情况相差较大。为了解决这一问题，国内外学者提出了数值模拟与现场监控 量测相结合的方法。 监控量测实质也是新奥法施工的核心，是监视围岩稳定性，检验设计与施 工是否正确合理及安全的重要手段。只有进行围岩变形量测，才能获得进行观 测与控制围岩稳定性所需的关键性宏观信息。因此，进行现场监控量测，实施 动态化设计、动态施工已经成为当前隧道及其地下工程设计和建设的发展方向。 对动态化设计、施工进行系统的研究，不但具有重要的理论意义，而且具有可 观的经济效益。马健俊哺3 ，郭建新睁m 1 研究表明施工过程中通过位移监测一信息 取得一反馈信息一指导设计、施工等环节，不但能显著地减少了工程造价，而 且可以缩短工期。 而且现场量测的大量数据，同时为反分析方法提供了许多信息，从而也促 进了反分析方法的发展。目前地下工程数值模拟反分析方法己经成为一种十分 有效的方法，采用反演分析得到的等效本构模型及等效计算参数，综合反映了 围岩的性质和工程施工的各种影响因素，为工程的准确预报提供了保证口。我 国同济大学的杨林德、朱合华等n 2 1 在隧道及地下工程数值模拟反分析方面作了 较多的研究工作。印度的晟跏加等n 3 1 认为由于隧洞围岩裂隙传播受到周围岩 体约束及初始地应力对岩体的预应力作用，其强度将会有显著的提高，并通过 反分析得出了变化的强度参数及变形模量。李世辉等u 钉提出了典型类比分析法 5 武汉理工大学硕士学位论文 隧道位移反分析技术，并编制了反分析程序( 凇0 0 0 ) 。针对用隧道位移量测 结果进行反分析中存在的结果可靠度与精度问题，日本的谷河正也等n 剐提出用 三维反分析及双重反分析来提高结果的可靠度与精度。 研究对象方面，国内外学者研究比较多的是大跨度隧道，分离式隧道及连 拱隧道。余健，何川等n 明以渝黔高速公路二期工程的笔架山隧道为工程背景， 采用对现场主体工程施工过程和隧道建成初期的跟踪监测，与三维弹塑性数值 模拟相互对照的方法，得出了高速公路隧道施工期间和建成初期的力学行为及 变化规律。张延新，蔡美峰等n 7 1 采用三维快速拉格朗日法，对分离式公路隧道 开挖与支护过程中的力学行为进行研究。夏雷n 踟对深埋连拱隧道的施工力学进 行三维数值计算分析，指出了深埋连拱隧道的基本受力规律。吴志军，尚岳全 等n 们应用平面弹塑性模型，对偏压浅埋拱隧道不同的施工过程进行了有限元数 值模拟。姚勇，田志宇啪3 采用二维弹性、弹塑性数值计算方法，对v 级围 岩条件下平行布设的双洞隧道中夹岩墙受力进行了研究。 但是对于大跨度小净距隧道，研究并不多见。夏才初，龚建伍等乜基于现 场监测结果，分析了大跨度小净距隧道围岩和支护系统的变形及受力特点。谢 圣纲一1 通过现场取样对大坪隧道围岩进行m t s 力学单轴及三轴实验，提出 了大坪砂岩的力学本构关系；然后利用2 d o 数值软件对大跨度小净距隧道的 稳定性及中夹岩柱的可靠度进行研究与探讨。胡建明一1 结合大跨度小净距公 路隧道施工监测方案和监测成果，反演分析出围岩力学参数。然后根据反演参 数，研究了围岩类别、埋深和净距对隧道的位移场、应力场和塑性区的影响。 总得来看，研究成果集中在静态的围岩受力变形研究，并没有考虑动态施工的 影响。 1 3 本文的主要研究内容与技术路线 1 3 1 本文的主要研究内容 本文选取二广高速公路怀集至三水段大跨度小净距隧道为研究对象。采用 同济曙光，a n s y s 等数值模拟软件，通过模拟隧道的施工工艺，研究了后挖隧 道对先挖隧道的影响，以及隧道中夹柱的应力变化，获得了先挖隧道结构位移 和应力等的分布规律以及围岩的塑性区分布范围。并针对分析结果，对隧道的 施工工艺及设计提出建议。从而为今后此类隧道的设计和施工提供科学依据和 6 武汉理工大学硕士学位论文 技术指导。具体研究内容如下： ( 1 ) 对相关问题的研究现状进行评述。 ( 2 ) 基于作者参与的二广高速公路广宁至怀集段大跨度小净距隧道监测项 目，对地表下沉、围岩内部位移、洞周收敛、拱顶下沉、对拱顶沉降、围岩压 力、衬砌内力等监控量测数据进行分析处理，评价围岩的稳定性。 ( 3 ) 利用监控量测数据和成果，选择具有代表性的监控量测数据，反演算 出二广高速公路广宁至怀集段v 级围岩的主要力学参数。 ( 4 ) 利用反演参数，对双侧壁导坑开挖法以及上下台阶开挖法进行数值模 拟，计算隧道围岩内力和变形。并与监测结果相比较。 ( 5 ) 利用反演参数，采用数值模拟方法研究了双侧壁导坑施工过程力学行 为，指出了施工过程中应注意的关键问题，并提出了建议。 1 3 2 本文的主要技术路线 本文研究的技术路线见图1 3 。 隧道监控量测理论介绍 隧道监控量测数据处理 上 围岩稳定性分析及施工建议 反演分析理论介绍 反分析获得& v 级围 岩参数e 1 ，e 2 & v 级围岩开挖数值模拟 验证反演分析：分析开挖过程中围岩的应变 及应力变化，并提出相关建议 削 图1 - 3 研究技术路线 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章监控量测方法及监测数据分析原理 2 1 概述 隧道监测理论是在岩体力学特性和岩体变形特性以及莫尔学说的基础上， 综合考虑隧道掘进时的空间效应和时间效应对围岩应力与变形的影响而形成的 一套理论体系口。它集中体现在支护结构种类、支护结构的构筑时机、岩体压 力以及围岩变形四者的关系上，贯穿在不断变更的设计与施工的全过程中。本 章首先对隧道监测的作用和分类进行了简要说明，然后详细介绍了公路隧道中 常见的监测项目及其监测方法，监测频率，监测数据的分析和应用等。 2 2 隧道工程监测的作用及项目分类 2 2 1 监控量测的作用 在隧道工程支护结构的设计问题上，许多学者曾寻求用数学方法求解，但 是，在隧道的构筑过程中，由于开挖方法、支护方法、支护时机、支护结构的 刚度等对围岩的稳定性都产生一定的影响，而这些影响要通过数学解析方法来 表达就非常困难，有时甚至不能实现。在新奥法设计中，主要是在理论基础的 指导下，参考已建工程的设计参数进行初步选择设计方案，在隧道的具体施工 过程中，通过对围岩的监控量测，进一步修改并完善设计方案。因此，监控量 测手段是监视隧道围岩是否稳定、施工方法是否合理、支护结构是否稳定、可 靠的正确、最直接手段，它伴随着隧道施工的全过程。隧道监控量测工作在隧 道工程中的作用主要表现在： ( 1 ) 通过监测，掌握围岩及支护体的工作状态；通过隧道施工过程不同阶 段的量测结果，修改和完善隧道初期设计，以期指导工程施工。 ( 2 ) 通过监测，可以预见和及时发现工程中的事故及隐患，并提出相应的 处理措施，防忠于未然。 ( 3 ) 通过对量测数据的及时处理与计算，可以分析及预测工程实际情况， 为施工单位提供可靠的信息，以保证施工过程的安全和稳定。 2 2 2 隧道工程监测项目分类 8 武汉理工大学硕士学位论文 隧道施工过程中监测的主要目的在于收集可反映工程施工过程中围岩动态 的信息，据以判定隧道围岩的稳定性，并进一步确定所设计的支护结构的安全 性以及施工方法的合理性。当然，监测的项目越多，对工程提供可参考的数据 及信息就越多，越有利于隧道的施工及安全。但是，由于种种条件的限制，并 不能对太多的项目进行现场监测。因此，在隧道施工过程中，有针对性地进行 监测就显得尤其重要。隧道工程监测项目可分为必测项目和选测项目两大类1 。 2 2 2 1 隧道工程监测必测项目 隧道工程必测项目是指必须进行常规量测的项目，是为了在设计施工中确 保围岩稳定、判断支护结构工作状态、指导设计施工的经常性量测项目。这类 量测项目的特点是：测试方法比较简单、费用少、可靠性高，但对所监视的围 岩及支护体的稳定性及指导设计施工却有巨大的作用。一般地，必测项目主要 包括： ( 1 ) 地质和支护状态观察 目测观察的主要目的是：预测开挖面前方的地质条件；为判断围岩、隧道 的稳定性提供地质依据；根据锚喷层表面状态及锚杆的工作状态，分析支护的 可靠程度。目测观察的内容主要包括： 对开挖后没有支护的围岩的观测 1 ) 节理裂隙发育程度及其方向； 2 ) 开挖工作面的稳定状态，顶板有无坍塌； 3 ) 涌水情况：位置、水量、水压； 4 ) 底板是否有隆起现象。 对开挖后已支护地段围岩的动态观测 1 ) 有无锚杆被拉断或垫板脱离围岩现象； 2 ) 混凝土有无裂隙和剥离或剪切破坏； 3 ) 钢架有无被压变形情况； 4 ) 锚杆注浆和喷射混凝土质量是否复合规定要求。 观察围岩破坏形态并分析 1 ) 危险性不大，不会发生急剧破坏，如加临时支护之后就可稳定的情况； 2 ) 应当引起注意的破坏，如拱顶混凝土喷层因受弯曲压缩的影响而出现的 裂隙； 3 ) 危险征兆的破坏，如拱顶混凝土喷层出现有对称性局部崩落，侧墙内移。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 周边收敛量测 它是判断围岩动态的最主要的量测项目，特别是当围岩为垂直岩层时，内 空收敛位移量测更具有非常重要的意义。此项量测设备简单、操作方便。 周边收敛位移量测的主要目的是：周边位移是隧道围岩应力状态变化的最 直观反映，量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠信息；根据变位 速度判断围岩的稳定程度为二次衬砌提供合理的支护时机；指导现场施工与设 计。 ( 3 ) 拱顶下沉量测 浅埋隧道通常位于软弱、破碎、自稳时间极短的围岩中，施工方法不当极 易发生冒顶塌方或地表有害下沉，当地表有建筑物时会危及其安全，所以拱顶 下沉量测对浅埋隧道具有十分重要的意义。 拱顶下沉量测的主要目的有： 1 ) 了解地表下沉的范围及下沉量； 2 ) 掌握地表下沉与工作面推进之间的关系； 3 ) 了解地表下沉趋于稳定所需时间的长短。 ( 4 ) 锚杆拉拔力量测 锚杆拉拔力是指锚杆能够承受的最大拉力，它是锚杆材料加工与施工安装 质量优劣的综合反映。锚杆抗拔力的大小直接影响着锚杆的作用效果，如果抗 拔力不足，会使锚杆起不到锚固围岩的作用。 锚杆抗拔力量测的主要目的是： 1 ) 测定锚杆的锚固力是否达到设计要求； 2 ) 判断所使用的锚杆长度是否适宜； 3 ) 检查锚杆的安装质量。 2 2 2 2 隧道工程监测选测项目 隧道工程选测项目是对一些有特殊意义和具有代表性的区段进行补充测 试，以求更深入地了解围岩的松动范围和稳定状态以及支护的效果，为未开挖 区段的设计与施工积累一定的现场资料。这类量测项目的测试一般都比较麻烦， 费用也相对的较高。 我国公路隧道施工技术规范关于隧道施工过程中的监测项目要求如表2 - 1 所示。对隧道工程现场监测项目及量测方法如表2 2 所示阳1 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 隧道工程监 测内容及方法 表2 - 1 隧道工程监测项目 应力应变监测 位移 f 应力应变量测法 原岩石力量测 水压致裂法 i 水发射测试 围岩与初衬间接触压力量测 l 围岩应力量测j 围岩应力应变量测 o l 围岩应变量测j 【 【 变形位移监测 竖菁老鬈茎雾 位移监测1 萎耋差薹兰耋： 霎羹柔旱釜鬈盖雾 压力监测 轰篆粢篆雾监测 表2 - 2 隧道围岩监测方法 合应力量测 应力增量量测 表面应变量测 域内应变量测 量测问隔时间 项目名称方法及工具仪器布置 1 6 - 11 句 3 个月 1 1 5 天 个月个月以上 地质及支护 岩性结构面产状及 全长度，开挖后及初期支 支护裂缝观察和描每次爆破后及初期支护后 状态观察护后进行 述、地质罗盘等 必 周边位移各种类型收敛计 每1 0 - - 5 0 米一个断面1 - 21 也1 0 1 次2 天 测每断面2 _ 3 对测点次天次周次月 项水平仪、水准尺、钢每1 0 - 5 0 米一个断面1 - 21 - 21 _ 3 目 拱顶下沉1 次2 天 尺或测杆每断面2 0 对测点次天j ! j r , 周次月 洞室中心线上，并与涧轴开挖面距量测断面前后 2 d 2 0 5 0 d h 2 d1 0 2 0 h d5 1 0 地表下沉量在横断面至少布置1 1 个测点，两测点的间距为2 - - 5 m 。在隧道 中线附近测点应布置密些，远离隧道中线应稀疏。 2 2 3 2 围岩周边收敛量测及拱顶下沉量测 围岩周边收敛量测主要是采用收敛计进行量测，可根据隧道不同的跨径及 设计精度要求选择相应的收敛计。亦可利用高精度全站仪并通过简单的几何计 算对围岩周边收敛位移进行量测。在距开挖面2 - 5 m 范围内尽快布设测点，尽 量在爆破后2 4 h 内或下一次爆破前测读初次读数。测点布置根据施工方法、地 质条件、量测断面所在位置、隧道埋置深度等条件确定。每个量测断面设置3 5 对测线，测点分别布置在拱顶及两侧。埋设测点时，先在测点处用小型钻机在 待测部位成孔，然后将带膨胀管的收敛预埋件敲入，旋上收敛钩后即可量测。 利用高精度全站仪进行量测时，首先要做好基点埋设工作，以尽量避免遭 受扰动或破坏为前提，一般选择设置在拱脚处。埋设测点时，先在测点处用小 型钻机在待测部位成孔，然后将带膨胀管的收敛预埋件敲入，再在预埋件上缠 上胶布( 或在同一断面相应位置的锚杆上缠上胶布) ，贴上全站仪反射贴片。 拱顶下沉测点布设与周边位移量测点布置在同一断面，在每个量测断面的 拱顶中心及两侧埋设收敛预埋钩。可用水准仪进行拱顶下沉量测，选择一个高 程位置相对不变的后视点( 基点) ，就可用较为简单的方法得到拱顶下沉量。注 意提醒施工方施工过程中不要扰动和破坏测点。用高精度全站仪量测拱顶下沉 也很方便。 2 2 3 3 围岩压力及衬砌之间压力量测 可采用压力盒进行测试，在围岩与初衬之间以及初衬与二衬之间布设压力 盒。测点应布置在关键部位( 一般设置在拱顶、两侧拱肩及边墙上) 。 在围岩与初衬之间埋设压力盒，可在钢架立好后，混凝土喷射前进行。由 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 于爆破开挖的隧道壁凹凸不平，所以在埋设压力盒时，往往不易使压力盒受压 面和隧道壁很好地接触。根据现场实际的经验，可先用水泥砂浆或锚固剂将测 点处的隧道壁抹平，然后再埋置压力盒。当埋设断面处存在超挖现象时，可在 隧道壁上钻眼，打上膨胀螺丝或细钢筋条，放置好压力盒后再用铁丝固定。为 了使压力盒与隧道壁有更好的接触，可在埋设前用胶布在压力盒的受压面裹上 装有细沙的薄塑料袋并压实。注意尽量避免导线暴露在外，否则很容易被高速 喷射出的混凝土打断。导线可沿着钢架的内侧走线，对于悬空的导线应有保护 措施，同时提请施工人员注意施工，避免喷射混凝土时正对导线。仪器埋设完 成后，需要再测一次埋设仪器的数据。 在初衬与二衬之间布设压力盒时，可在埋设前用胶布在压力盒的受压面裹 上装有细沙的薄塑料袋，使压力盒与初衬能更好的接触。埋设时，在每个测点 位置沿压力盒周围均匀钻四一五个孔，并打入膨胀螺丝或细钢筋条，亦可打入绑 有细铁丝的木条，放入压力盒后固定。注意将压力盒的受压面对着初衬面，并 记录好每个测点所对应的压力盒编号。 2 2 3 4 钢支撑内力量测 钢支撑可采用型钢和格栅钢架，采用的型钢有日型钢、u 型钢等。安装前， 在钢架待测部位并联焊接钢弦式钢筋计，先用湿布缠在钢筋计中间部分，在焊 接过程中，注意对钢筋计淋水降温，防止钢筋计因高温损坏。然后将钢架搬至 洞内立好( 亦可在立好钢架后再焊接钢筋计) ，记录下钢筋计型号和编号，用透 明胶布将写在纸上的编号紧密粘贴在导线上。注意将导线集结成束保护好，避 免在施工过程中被破坏。 2 2 3 5 衬砌混凝土内应力量测 混凝土应力量测包含喷射混凝土和二次衬砌混凝土应力量测。目前主要有 2 种方法测定混凝土应力：用混凝土应力计量测混凝土应力值；用混凝土应变 计先测定混凝土应变，再根据混凝土的弹性模量值计算出应力值( 弹性模量可 根据混凝土的强度等级查得) 。两者量测基本原理一致，均可采用钢弦作为传感 元件，以线圈结构激荡为工作方式。埋设混凝土应变计位置的选择与压力盒的 选择一致。一般情况下，隧道测试断面内应同时布设压力盒与混凝土应变计。 埋设混凝土应变计时，应注意应变计规格的选择，应根据混凝土的强度等级选 择相应的混凝土应变计，使两者合理匹配，避免出现超载损坏应变计或混凝土 应变计灵敏度太低而影响量测精度的情况。可在混凝土应变计的薄壁圆管外侧 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 包一层塑料薄膜，以消除测试误差，避免混凝土与应变计敏感部分直接接触而 损坏应变计。埋设中为了使应变计与混凝土共同受力变形，理论上应将应变计 无约束地搁置在混凝土中间。根据现场经验，可将应变计直接