（地质工程专业论文）大跨度公路隧道动态施工围岩稳定性数值分析.pdf

摘要 随着我国高等级公路建设的快速发展，公路隧道特别是大跨度公路隧道也越 来越多。公路隧道施：r ：过程中，洞室周围岩体发生应力重分布作用，当这种重分 布应力超过围岩的强度极限时，将造成围岩的失稳破坏。因此，隧道施工过程中 洞室围岩稳定性评价与支护结构受力状态的研究显得日益重要。 广东龙头山隧道为国内最大的双向分离式单洞四车道隧道，最大开挖跨度 2 1 1 m ，晟大开挖高度1 3 | 2 m 。本文结合龙头山隧道工程，以大跨度公路隧道围岩 稳定性评价为主线，以保护围岩的自稳和指导施工为目的，采用定性评价和定量 评价、整体评价和局部评价相结合的方法，对隧道围岩稳定性开展了系统的研究。 首先，对大跨度公路隧道力学特性和围岩稳定判据进行了研究，确定了本文采用 的围岩稳定性判别依据。其次，从影响隧道围岩稳定性的工程地质因素入手，对 围岩的变形破坏机制进行了分析和探讨，确定了岩体坚硬程度、结构面发育程度、 软弱结构面特性是影响龙头山隧道围岩稳定性的主要影响因素。最后，通过对隧 道施工过程中围岩稳定性与支护结构相互作用的机理的深入分析，建立了隧道施 工过程的空间计算模型，用三维弹塑性有限单元法对隧道i 类围岩段施工过程围 岩稳定性和安全性进行分析，分析施工过程中围岩的位移、应力、应变变化规律， 得出了一些有益的结论，对大跨度隧道施工过程中的围岩稳定性和安全性评价有 定指导意义。 关键词：大跨度公路隧道；有限元；围岩：稳定性；破坏机制 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es t a t eh i g hg r a d ec o n s t r u c t i o n ，t h e r ea r em o r ea n dm o r e h i g h w a yt u n n e l s ，e s p e c i a l l yl a r g e s p a nh i g h w a yt u n n e l s i nt h ec o u r s eo ft h eh j i g h w a yt u n n e l s c o n s t r u c t i o n ，t h es t r e s si nr o c km a s sw i l lr e d i s t r i b u t ea r o u n dg r o t t o ，w h e nt h i sk i n ds t r e s s e x c e e d ss u r r o u n d i n gr o c k su l t i m a t es t r e n g t h ，s u r r o u n d i n gr o c kw i l ll o s ei t ss t a b i l i t ya n dd e s t r u c t c o n s e q u e n t l y , i tb e c o m e si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tf o rt h es t u d yo fs t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k a n di t sf o r c e dc o n d i t i o no f t h es t r u c t u r ed u r i n gc o n s t r u c t i o no f h i g h w a yt u n n e l s l o n g t o u s h a nt u n n e li ng u a n g d o n gp r o v i n c ei st h el a r g e s to n ec a v ea n d4 - l a n eh i g h w a y t u n n e li nc h i n a ，w h i c hi sb i d i r e c t i o n a la n dd e t a c h e d t h eb i g g e s te x c a v a t e dw i d t hi n c o n s t r u c t i o ni s2 1 1 m ，i t sb i g g e s tc l e a rh e i g h ti s1 3 2 m a s s o c i a t e dw i t ht h ep r o j e c to f l o n g t o u s h a nt u n n e l s ，s t i c k i n gt ot h ee v a l u a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k ss t a b i l i t yo fl a r g e s p a n h i g h w a yt u n n e l s ，i no r d e rt ou p h o l ds u r r o u n d i n gr o c k ss t a b i l i t ya n dd i r e c th i g h w a yt u n n e l s c o n s t r u c t i o n ，w i t ht h ec o m b i n a t i o no fq u a l i t a t i v ee v a l u a t i o n ，q u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o n , i n t e g r a t e a n dl o c a le v a l u a t i o n ，t h ep a p e rs t u d i e st h es u r r o u n d i n gr o c k ss t a b i l i t yo ft u l n n e l ss y s t e m a t i c a l l y f i r s t l y ，t h ep a p e rs t u d i e sc h a r a c t e r i s t i co f m e c h a n i c sa n d c r i t e r i o no f s u r r o u n d i n gr o c k ss t a b i l i t y f o rt h el a r g e s p a nh i g h w a yt u n n e l sa n dc o n f i r m sc r i t e r i o no fs u r r o u n d i n gr o c k 。ss t a b i l i t y s e c o n d l y , s t a r t i n gw i t ht h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lf a c t o r si n f l u e n c i n gs u r r o u n d i n g r o c k s s t a b i l i t yo ft u n n e l ，t h ep a p e rc a r r i e so nt h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n a b o u td e f o r m a t i o na n d d e s t r u c t i o nm e c h a n i s mt os u r r o u n d i n gr o c k ，t h ea u t h o rp u t sf o r w a r dt h es t r e n g t ho f r o c k ，g r o w t h d e g r e eo fd i s c o n t i n u i t y ，c h a r a c t e r i s t i co fs o f td i s c o n t i n u i t y a r e p r i m a r yf a c t o r si n f l u e n c i n g s x w r o u n d i n gr o c k ss t a b i l i t yi nl o n g t o u s h a nt u n n e l f i n a l l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eb a s i c t h e o r y a b o u tt h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo fs u r r o u n d i n gr o c ka n ds u p p o r ts t r u c t u r ei n c o n s t r u c t i o n ，as p a t i a lc o m p u t a t i o nm o d e li sm a d e ，an u m e r i c a lc o m p u t a t i o nm e t h o dw i t h3 - d e l a s t i c - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n ti sp r o p o s e dt oa n a l y z es t a b i l i t ya n ds a f e t yo ft h ei i is u r r o u n d i n g r o c ki nc o n s t r u c t i o n ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h ed i s t r i b u t i n gl a wo f d i s p l a c e m e n t ，s t r e s sa n ds t r a i ni n r o c km a s s f o l l o w e dw i t ht u n n e l sc o n s t r u c t i o n ，t h ea u t h o rg e t ss o m eb e n e f i c i a l c o n c l u s i o n s ，w h i c hi so fg u i d i n gm e a n i n gf o re v a l u a t i o no fs t a b i l i t ya n ds e c u r i t yi ns u r r o u n d i n g r o c kd u r i n gc o n s t r u c t i o no f l a r g e - s p a nh i g h w a yt u n n e l s k e yw o r d s ：l a r g e - s p a nh i g h w a yt u n n e l ；f i n i t ee l e m e n t ；s t a b i l i t y ；d e s t r u c t i o nm e c h a n i s m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 6 年5 月3 0 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的 内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大 学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：久7 i) 7 够 二 ， 2 0 0 6 年5 月3 0 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 当代国家的经济发展都离不开交通这一重要的基础设施。交通的发展，尤其是在 多山地区，必然伴随着大量隧道的出现。所峭“隧道”，是指“在保留上部地层前提下， 开挖出能够提供某种用途的地f 空问”。我国是一个发展中国家，举国正在进行大 规模的基础建设活动，尤其是西部大开发进行得如火如荼，西部j f 是我国高原多山地 带，由于隧道在缩短线路长度、穿越不良地质地段、提高道路的可靠性和安全性以及 在运营阶段比路堑因滑坡、落石等病害维修费用少等方藤的优点及国防意义上的隐蔽 性，我国已经设计及修建了大量的铁路、公路隧道，随着大规模高等级公路的建设， 大跨度高等级公路隧道的设计、施工也得以飞速发展。 目前，国内外在进行中等跨度及以下的隧道和其它地下洞室工程的建设中，设计 计算理论和施工方法工艺都已经比较成熟。近年来随着材料、工艺、设备机具的不断 进步和对岩石力学机理的深入认识与不断提高以及现实生活的迫切需求，修建大跨度 地下结构逐渐增多，随着国家“八五”、“九五”、“十五”重点公路建设项目的陆续建 成和启动，以前薄弱的公路隧道特别是大跨度扁坦公路隧道的勘察、设计、建设、营 运等一系列技术问题日益突出，近几年我国已建成( 含部分规划、在建) 的三车道隧道 主要有：北京一张家口高速公路的石佛寺1 号、2 号、3 号、潭峪沟、八达岭、昆玉高 速公路的山心坡、沪宁高速公路的南京市中山门、京珠高速公路广东省的大宝山、靠 椅山、长涪高速公路的铁山坪、渝黔高速公路的重庆市铁山坪、蚌壳山、义学大山、 真武山、三王岗、香港的西营盘至西九龙的双洞三车道海底隧道，以及广东省的白云 山、虎背山、白花山等，此外还建成了如小浪底试验洞、城市过街通道、地下运输廊 道等数目众多的扁坦地下洞室”1 。这些隧道在缩短行程、提高车速、保护环境等方面 都发挥了积极作用，取得了良好的社会经济效益。但近年柬，随着国内汽车工业的发 展，发达地区城市问主干线、城市快速干道及国道主干公路绕城段交通量增长迅速， 双向4 车道、6 车道公路已经不能满足交通量增长要求，双向8 车道公路隧道的建设任 务也越来越紧迫，国内双洞8 车道公路隧道的建设始于本世纪初，随着贵州凯里大阁 i h 公路隧道的贯通，掀开了国内单洞四车道公路隧道建设的序幕，2 0 0 3 年沈( 阳) 一大 ( 连) 的韩家岭隧道( 单洞四车道) 竣工，2 0 0 5 年双向八车道公路隧道深圳南坪快速路主 线的双向8 车道的雅宝隧道成功贯通。 隧道经过地段大多地质情况比较复杂，故隧道施工过程中围岩的稳定性显的十分 重要，对于p q 车道大断面公路隧道，这个问题就显的更突出。岩体是一种经历过地质 构造运动的变形与破坏，包含各种结构面的复杂地质体，在大跨度公路隧道施工过程 巾，由于岩体的天然应力平衡状态遭到破坏，引起隧道周围岩体的卸荷删弹和应力重 河海大学硕i 。学位论文 分布，当这种回弹应力和重分布应力超过围岩强度所能承受的范围时，将造成：l ：程岩 体的失稳破坏，给隧道施工和运营带来危害。四车道公路隧道横断面与双车道公路隧 道比跨度增加了一倍，如果仍然按照双车道公路隧道的扁平率( 高跨比) 来设计，则开 挖断面面积将大幅度增加，而隧道内空间的有效利用率将会显著降低，从经济上讲是 不合理的，只能通过降低隧道的扁平率来实现，而降低隧道的扁平率将会对围岩稳定 及隧道结构的稳定性产生极大的影响，特别是在以自重应力场为主的情况下，对这种 扁平结构的影响将会更大。故在四车道公路隧道设计和建设的各个阶段，正确及时的 对隧道围岩岩体质量和稳定性作出准确地评价是经济合理地进行围岩支护加固设计、 快速安全旌工以及高速公路隧道安全运营必不可少的条件。针对大跨度公路隧道岩体 工程的特点，可以根据工程实践和岩石力学试验研究将隧道围岩分成稳定程度不同的 若干级别，利用工程地质判别法。1 、模糊信息分析模型“1 和有限元数值模拟“1 对隧道围 岩的整体稳定性进行分析评价，利用地质几何图解法”1 和块体理论”对隧道围岩局部 稳定性进行预测评价，从而达到可以综合全面地评价四车道公路隧道围岩稳定性，为 隧道的顺利施工和围岩支护提供准确参考依据的目的。 鉴于围岩稳定性在四车道公路隧道设计和旖工中的重要性，本文紧紧围绕隧道施 工过程中围岩的变形和破坏，在进行大量地质勘察和岩石力学试验的基础上，定性和 定量的评价隧道围岩的稳定性，得出一些针对大跨度公路隧道设计、施工和安全运营 有实用价值的隧道围岩稳定性评价结论。 1 2 大跨度公路隧道的发展现状 国外一些发达国家非常重视公路隧道建设，尤其是北欧的瑞典、挪威、奥地利。“” 和我国的邻国韩国“o 、日本“”在发展公路隧道技术方面处于领先地位，过去三十多年 里在大跨度扁坦公路隧道建设中积累了丰富的经验，新奥法设计与施工技术、围岩动 态分析技术、中隔壁法、双侧壁导坑超前法、t b m 法等得到广泛应用，根据目前的资 料，韩国存大跨度隧道的建设方面已经走在世界前列，现在，韩国在建和已建成的阴 车道大跨度公路隧道已经有1 1 座，在设计方面，根据隧道所处的地质情况，采用土力 学和岩石力学中的数值分析方法进行计算，在施工期结合新奥法基本原理和要求在洞 室内部进行严格的监控测量，主要内容有：拱顶下沉监测，拱周边变形监测、锚杆轴 力和锚固力测定、喷射混凝土与围岩间接触应力的测定以及围岩变形监测。 国内在近十年里也很重视公路隧道建设技术的提高，在二车道公路隧道的建设上 积累了一些经验，也先后建成了一些三车道公路隧道，但总体上落后于国外，主要原 因是岩石的物理力学特性及隧道_ _ 程地质条件相当复杂，再由于国内在勘察设计卜无 统一规范，因此在大跨度扁坦公路隧道的施工【：1 ：差万别，而国内到日前极少关于大 第一章绪论 跨度扁坦公路隧道施工力学、断面结构、施工方法支护衬砌工艺等的研究。在8 0 年代 同济大学曾经用平面应力模型研究了大跨度矮墙洞室的开挖方法对洞室稳定性的影 响，1 9 9 5 年西南交通大学王明年、何川等人做了三车道隧道模型试验研究及有限元分 析“，1 9 9 8 年西南交通大学王明年通过大比例尺模型试验和有限元方法对三车道公路 隧道在不同构造应力作用下的力学行为进行了深入研究“”，研究结果表明，构造应力 对三车道公路隧道的承载能力、破坏形态、位移规律都有很大影响，2 0 0 0 年重庆交通 科学研究院的蒋树屏等以渝黔高速公路重庆段真武山隧道为例，对大跨度扁坦隧道的 开挖过程进行了l ：3 6 的大比例尺相似模型实验，并建立了相似模型四分部开挖方法及 全断面法、上下台阶法、左右分部法的三维力学模型，用3 d o 程序分别对其动态施工 过程进行了数值分析“。2 0 0 4 年黄伦海等人以韩家岭隧道为例，通过对四车道公路隧 道在两种不同围岩下三种开挖方案的相似模型实验研究，得出了四车道公路隧道在相 似模拟开挖中的位移规律和隧道围岩的最终位移“”。2 0 0 5 年王应富等用有限元方法对 四车道公路隧道的完整的开挖过程进行了动态模拟研究，模拟开挖采用能保证施工安 全的双侧壁导坑法；对围岩的位移、初期支护的剪力、弯矩以及锚杆轴力动态变化进 行监控，提出大跨度隧道施工中容易出现的问题并指出了相应的解决措施“。 我国目前建成的四车道公路隧道有：贵州凯里市大阁山隧道全长4 9 6 m ，为单洞双 向四车道，其最大开挖宽度达2 1 0 4 m ，高度1 1 5 m ，净跨1 8 m ，为国内尤其是在市区 目前罕见的大跨度隧道；沈( 阳) 一大( 连) 的韩家岭公路隧道，韩家岭隧道是沈大高速 公路扩建为八车道时出现的单洞四车道隧道，隧道位于大连市金洲区北部约6 5 k m 处， 全长5 2 1 m 、宽2 3 m ，最大开挖深度超过3 0 m ，于2 0 0 2 年3 月完成设计，2 0 0 3 年9 月 主体工程结束；深圳南坪快速公路雅宝隧道单洞开挖跨度达2 1 1 m ，高度为1 3 6 8 m ， 矢跨比居全国之首，亚洲第三。 1 3 隧道围岩稳定性在国内外研究现状 围岩稳定性指隧道施t 过程中，在无支护条件下隧道洞室围岩的自稳能力“。由 于高等级公路隧道对围岩有着极为严格的要求，因此对高等级公路隧道围岩稳定性做 出正确合理的评价，对隧道设计、施工和安全运营有着极为重要的指导意义。 现行高速公路隧道围岩稳定性评价，一般分为定性评价和定量评价。定性评价是 一种粗略的围岩稳定性评价方法，主要用于中小规模的浅埋隧道，常与定量评价方法 结合使用，工程实践中最常用方法是工程地质判别法。定量评价是在岩体物理力学性 质指标的基础上，采用解析分析法、图解分析法和数值分析法来评价围岩稳定性，是 工程实践中准确评价围岩稳定性的极为常用的方法。 工程地质判别法主要用于小规模浅埋隧道，这类隧道围岩应力较低且影响范围较 l i 海人学碰! l 擘位论义 小，变形破坏总是发生在围岩强度显著降低的部位，不稳定的地质标志较为明显，通 过一定的地质工作便能够对围岩稳定性加以研究和评价。在进行隧道围岩稳定性评价 时，运用工程地质理论阐述隧道围岩的变形破坏机制和影响围岩稳定性的地质因素， 按照高速公路隧道围岩分类标准对隧道围岩进行分段和分类，给出相应各段各类围岩 的稳定性级别，供隧道设计和施工使用。 近年来，各国都在借助各类地下工程实践经验编制高速公路隧道围岩分类方案以 使公路隧道设计和围岩分类标准化，针对不同的围岩类别，直接定量地给出山岩压力 和支护衬砌的形式和厚度。国外著名的围岩分类方案有：普氏固结系数法( 前苏联) 、 d e e r 的r q d 分类法、奥地利的m a t m 分类法、b a r t o n 的o 系统法等以及国际岩石力 学协会的基本地质描述法。我国科技工作者在国外岩石分类的基础上，编制了各行业 专门的地下工程围岩分类方案，例如岩体构造类型分类法、围岩稳定性动态分级、坑 道工程围岩分类、地下洞室围岩分类、铁路隧道岩体分级建议方案，b q 分级法 ( g b 5 0 2 18 - 9 4 ) 等。 目前，工程实践中通常采用的隧道围岩定量评价方法有解析分析法、图解分析法 和数值分析法。 解析分析法是通过对地质原型的高度抽象获得简单的计算模型，借助数学力学工 具计算围岩中的应力分布状态，从而进行隧道围岩稳定性评价。其中张倬元教授、王 士天教授等介绍了( 似) 均质围岩稳定性，含单一软弱结构面稳定以及顶拱围岩中简单 块体稳定性分析的解析计算方法”1 。美籍华人石根华教授的关键块体理论”1 于1 9 8 5 年出版问世后，我国学者迅速将此理论和相关分析方法应用到隧道围岩局部块体的稳 定性分析中。此外，加拿大t o r o n t o 大学的e h o e k 等“人依据石根华博士的块体理论 研制出u n w e d g e 分析计算软件，应用于坚硬岩体中开挖所形成的块体稳定性分析，我 国的许强博士也开发出类似功能的s a s w 软件。 图解分析法是通过作图来分析各结构面之问、结构面和开挖临空面之间的空间组 合关系，确定出在不同工程部位可能形成块体的边界，进而分析其稳定性，常用的有 赤平极射投影法、实体比例投影法、地质几何法( 关键块体法) 等。在应用赤平极射投 影法乘i 实体比例投影法进行地下工程围岩稳定性分析方面，中科院地质所的王思敬院 士，孙玉科教授、刘竹华教授等进行了系统地、开拓性地研究。”。北京8 9 0 0 3 部队的 邢念信教授( 1 9 8 3 ) 运用地质几何法从更为简单、直观和易懂的角度对有限软弱面切割 成的不稳定块体进行了稳定性分析。 数值分析法是通过对地质原型的抽象并借助有限元等分析方法计算不同工况荷载 下岩体的应力状态和围岩稳定性问题。2 0 世纪7 0 年代以来，随着数学，力学和计算机 的发展，数值分析法在岩土工程领域得到越来越广泛的应用。数值分析作为解决复杂 介质、复杂边界条件下各类 ：程问题的重要工具而加以推广，在岩石力学有关领域的 数值分析方法中，蕾要使用的方法为有限译元法( f e m ) 、边界单，法( b e m ) 、离散单 第一章绪论 元法( d e m ) 、拉格朗日单元法以及块体理论等，或是上述几种方法的耦合分析。在众 多的数值分析方法中，有限单元法被最早用于隧道结构计算，在这方面做出重要贡献 的的代表学者有：s f 瑞亚斯和d v 迪尔( 1 9 6 6 ) 。“、o + c - 辛克维奇( 1 9 6 8 1 9 7 4 ) “”“、 e l 威尔逊( 1 9 6 8 ) ，f h 库尔荷威( 1 9 7 5 ) 1 、w 维特基( 1 9 7 7 ) ”等。由于有限单元法 能较容易的处理分析域的复杂形状及边界条件，材料的物理非线性和几何非线性性状， 具有很强的适应性，所以其应用发展非常快，目前己成为隧道数值分析的主要手段。 有限单元法在解决高维、奇异、耦合、无限域等复杂问题时存在计算工作量大和 计算精度不高等问题，因此，将解析法与数值法相结合的半解析数值方法开始应用于 隧道结构分析中。有限层法、有限条法、有限元线法、无限单元法、边界单元法等都 属于半解析法，其中以无限单元法。”和边界单元法。”“应用较多。在此基础上，有 限元与半解析元耦合分析的数值方法也开始出现，并在隧道中得到广泛应用。国内在 这方面进行深入研究并作出重要贡献的学者有曹志远、张佑启等。“。 有限单元法是建立在连续介质力学基础上的数值分析方法。在地下工程分析中经 常会遇到节理、层理以及断层面等不连续问题，岩体的运动往往主要受制于这些弱面 的影响，为了能够处理岩体非连续的特性，1 9 7 1 年p c u n d a l l 提出并发展了离散单元法 ( d e m ) 嘲，它以受节理分离离散的块体为研究对象。8 0 年代中期王泳嘉。”等将其引 入我国，并进行了进一步的研究和发展。 1 9 8 8 年石根华教授提出的非连续变形分析法( d d a ) 是另一种用于分析非连续节 理岩体的数值方法，十多年来已经有了很大的发展，为将连续和非连续介质统一进行 处理，石根华教授又于1 9 9 2 年提出了流形元法( m e m ) 。”。它以拓扑流形和微分流形 为基础，利用“流形有限覆盖技术，把连续和非连续的计算统一到数值流形中去， 成为当前数值分析方法研究的热点之，其应用前景看好。 一般的有限元法解决的问题仍局限于小变形的假设，即忽略因变形造成几何尺寸 的改变所导致应力的微小变化，且略去应变的二次幂，对于几何大变形问题，虽然原 则上可以通过将荷载分成若干级来处理，但计算繁杂，工作量大。为处理隧道中遇到 的大应变问题，拉格朗f j 元法1 得到了发展。它是一种分析非线性大变形问题的数值 方法，这种方法依然遵循连续介质的假设，利用差分格式，按时步积分求解，随着构 形的变化不断更新坐标，允许介质有大的变形。 隧道围岩是自然的、历史的产物，其分布和物理力学性质参数往往具有随机性， 同时，隧道衬砌材料性能、几何尺寸、荷载等也具有不确定性。为了充分考虑这种随 机性和不确定性，7 0 年代开始，随机有限元法”开始出现，运用它可以分析材料参数、 几何形状或荷载具有某种不确定性时的位移、内力及可靠性的分析，到8 0 年代后期， 随机有限元法得到了迅速发展，大量文献开始涌现”“1 。 对隧道开挖的研究通常以应力场的变化为主，在特殊情况下会涉及到其它场，比 如地下水丰富地区隧道的渗流场与应力场耦合问题，寒区冻土隧道丌挖的温度场、渗 河海大学硕l + 学位论文 流场和应力场的耦合问题。为了研究这些特殊问题，多场耦合的数值分析方法开始得 到了发展，其中以有限元数值耦合分析最为常见“。 在数值分析计算中，材料本构模型的选取是否合适在很大程度影响其计算精度。 在隧道数值计算中，围岩的本构关系最初采用线性弹性模型，它以广义虎克定律为基 础；其后有弹塑性模型，其以塑性增量理论或全量理论为基础，最常用的弹塑性模型 有t r e s c a 模型、d r u c k e r - p r a g e r 模型、m o h r - c o u l o m b 模型等。隧道围岩材料具有蠕变 性，其应力一应变关系与时间有关，考虑时间效应则采用粘弹塑性模型，常用的粘弹 性模型有m a x w e l l 模型，k e l v i n 模型等，常用的粘塑性模型有b i n 曲a l t l 模型等，常用 的粘弹塑性模型有三元件粘弹塑性模型等“3 1 。 在对隧道及地下工程进行数值模拟的过程中，为了真实模拟隧道围岩实际状念和 支护结构的作用效果，除对围岩一般采用等参数单元进行模拟外，对支护结构的模拟 也有了一定的发展，比如对锚杆的模拟就有多种单元，从轴力杆单元到三维杆单元“” 等，对围岩节理面的模拟也有能反映节理面、接触面特性的节理单元”、接触面单元、 界面应力元模型等1 。在静力数值模拟分析的基础上，为了求解隧道围岩受动荷载作 用时任一时刻各点的反应值，了解动荷载传递的规律，进行隧道的抗震设计，动力分 析数值方法开始在隧道及地下工程中得到发展和应用。动力反应数值分析方法包括有 限单元法、有限差分法和边界元法等。目前国内隧道及地下工程中动力反应分析的数 值模拟主要集中三个方面：一是隧道施工过程的爆破振动对隧道结构及其周围环境的 影响分析，在这方面铁道部科学研究院的刘慧等对邻近爆破作用下马蹄形隧道的动态 响应特点进行了分析“7 “。二是列车振动荷载作用下隧道结构的动力响应问题，这方 面兰州铁道学院的潘昌石教授等人作了较多的研究探讨。三是在软土地区地下建筑物 ( 地铁) 的抗震稳定分析，这方面同济大学的周健等作了较深入的研究“。但是总体来 说以地震响应分析方法、随机振动分析方法、动力可靠性分析方法等为基础的动力分 析方法还有待进一步完善。 近十几年来，数值模拟反分析方法得到了较快的发展，在隧道及地下工程中得到 了越来越多的应用。数值方法的发展为近似求解复杂的地下工程问题提供了有力的手 段，但其近似程度完全取决于所用本构模型在多大程度一l 反映围岩介质的特性以及计 算参数在多大程度上代表岩土体的真实情况。现场量测监控技术的发展，为反分析方 法提供了许多量测信息，从而促进了反分析方法的发展。目前地下工程数值模拟反分 析方法已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。在我国同济大学的杨林德、朱合华等在隧道及地下工程数值模拟反分析方面作 了较多的研究l 作o 。反分析方法通常包括模型力学参数的反分析和模型识别过程的 反分析，力学参数反分析主要指根据现场量测信息反演分析隧道围岩的力学参数、倚 载参数等；模型识别反分析主要指根据现场量测信息进行模型奉构关系的识别并进行 第一章绪论 工程预测，它是反分析方法的更高层次。 数值模拟分析的优点可简略概括如下：可以分析形状十分复杂、非均质的各种 实际的工程结构，可以模拟各种材料的本构关系、荷载及边界条件，应用的领域也较 宽，可以用来模拟土体里的渗流场、初始应力场及动荷载作用下的结构响应等；更 经济，如用数值分析方法模拟所进行的施工过程，可以直观的“看到”隧道开挖引起 的应力场和应变场的变化。就弹性分析而言，其效果比实验还要好，且其所需的经费 开支却非常少，且没有材料及资源的浪费。 鉴于数值分析方法以上的优点，计算机数值分析方法不断发展进步，并在隧道力 学与工程中的应用日臻完善，取得了较大的经济效益和社会效益，与此同时，也有一 些方面需要进一步改进，特别是隧道的开挖施工是一个动态过程，其每一个开挖步骤 都会引起隧道周边围岩内应力场、位移场等的变化。对隧道的旎工过程进行模拟，能 较准确的获得定量或半定量的成果，并能用来较好的指导实际设计和施工。同济大学 对隧道施工动态响应过程进行了较为深入的研究，并取得了一定的成果，但其研究主 要针对上海地下铁道盾构施工方法进行，真正结合新奥法施工山岭隧道进行旋工力学 数值模拟分析文献还很少。本文结合龙头山隧道的施工过程进行数值计算，为大跨度 公路隧道旌工力学的发展作一些有益的尝试。 1 4 本文的所做的主要工作 围岩的稳定性是公路隧道旌工的关键问题，尤其在大跨度公路隧道建设过程中， 这个问题显得更为突出，本文以公路隧道围岩稳定性评价为主线，以保护围岩的自稳 和指导施工为目的，结合理论分析和工程实践经验，主要做的工作如下： 1 ) 通过对大跨度公路隧道施工力学理论及影响隧道围岩稳定性的工程地质因素的 分析和研究，对龙头山隧道围岩稳定性进行定量评价。 2 ) 用大型有限元分析软件a d i n a 编制程序，对龙头山隧道i 类围岩进行三维地 质建模，对隧道在不同开挖方案下动态旋工过程进行数值模拟，分析隧道在丌挖过程 中不同施工工序下围岩不同部位的应力一应变和位移的变化规律，提供围岩支护参数和 监控量测的重点，对四车道公路隧道的安全施工提供理论和事实依据。 总之，本文紧紧围绕大跨度公路隧道围岩的稳定性，从地质因素( 定性) 和岩体力 学( 定量) 方面综合评价大跨度公路隧道围岩稳定性，为隧道施工的顺利进行和高速公 路的安全运营提供警示信息和指导。 7 u j 海人学碳l ：学竹沦义 第二章大跨度隧道岩体力学理论 2 1 大跨度隧道的施工力学理论 岩体在初始应力状态、自重及残余构造应力等状态下处于一定的平衡状态，当洞 室开挖之后，由于外力的作用破坏了原先的初始状态，使洞室周围一定范围内的岩体 受到影响，围岩的稳定性是指保持洞室结构施工时形成的暴露面形状和尺寸的性质。 通常围岩丧失稳定性主要有三种形式：1 ) 、崩落岩石在白重作用下形成冒落；2 ) 、上 部岩层重量引起的应力集中区的岩石破坏；3 ) 、由于岩石塑性变形，岩石裸露表面无 明显破坏的大幅度位移n “。 大跨度隧道的基本力学特性可以概括为： 1 ) 大跨度隧道由于宽度加大，而高度基本保持不变，因此形成一个扁平的拱形结 构，其在力学分析上可近似看作椭圆。 2 ) 由于跨度加大，使得开挖引起的应力重分布趋于不利，如果围岩的单轴抗压强 度比重分布的应力小，隧道周边围岩将出现塑性化，为此，需要强大的支护结构来控 制变形。 3 ) 底脚处的应力集中过大，要求地基承载力较高。 4 ) 拱顶稳定性降低。根据1 9 9 4 年挪威修建冬季奥林匹克运动会冰球场的研究成 果可以知道，在开挖宽度为2 倍高度的情况下，目前采用的支护结构可以有效的防止 岩块的崩塌，若开挖宽度大于2 倍高度，则需要采用其他的有效措旌，保证拱顶的稳 定。 5 ) 会产生较大的松弛地压。开挖宽度和开挖高度越大，要求拱底埋深越大，在埋 深小、拱作用不能充分发挥作用时，就会产生很大的松弛地压，因此，对大断面隧道 而言，会产生较大的松弛荷载。 断面型式、扁平率及仰拱对大跨度隧道的力学特性具有重要的影响，本节主要将 断面型式对大跨度隧道的力学特性的的影响论述如下。 2 1 1 断面型式对大跨隧道围岩力学特性的影响 在双向应月场假定的基础上，常见几种洞室的幽岩应力分布论述如下： 1 ) 圆形洞室的应力分布特征 当圆形洞室的围岩承受如图2 一l 所示的作用力时，这时围岩中的径向应力仃，切 向应力以及剪应力r 。可分别按照公式( 2 1 ) 进行计算： 自式( 2 1 ) 可以看出，围岩中的应力与岩石的弹性常数f e ，) 无关，而且也与洞 室的尺寸无关( 因为公式中包含着洞室半径与矢径长度r 的比值，因此，应力的大小 与此比值直接有关) 。其次，从切向应力的表达式可以看 j ，洞壁处有较大的切向应力， 由此可知在洞室边界附近产生应力集中现象”“。 第三章公路隧道刖岩稳定性t 程地质评价 第三章公路隧道围岩稳定性工程地质评价 3 1 岩体力学参数研究 3 1 1 研究方法评述 在岩石力学分析中，随着计算机技术的应用，数值方法取得了很大的进步，由于 数值方法所得出结论的可靠性很大程度上依赖于岩体力学参数的选取，不同力学参数 的选取将会造成不同的计算结果，不当的力学参数还会对工程实践起误导作用，因此， 如何选择岩体的力学模型足一个值得研究的问题。然而由于岩体材料的复杂性，因此 目前在力学参数选取方面还存在不少问题，以米勒m u l l 既l 教授为代表的奥地利学派 认为，就目前而言完全不依靠昂贵的现场实验，要描述岩体性质几乎是不可能的，只 有通过现场实验结果才可能正确地判断岩体的强度和变形性质。但是以约翰( j o l l n k w )为代表的更多学者则相信，通过室内小试件实验得出的岩石材料性质与现场观测到的 岩体结构结合起来，通过一定的理论研究和实践检验就可以应用经验法或分析分解法 确定不同条件下岩体强度和变形性质“7 3 所得到的结果可以满足工程要求。下面简述一下各种方法的研究进展：1 ) 现场原位试验方法 用原位试验的方法确定岩体强度及变形参数能较好地反映岩体的自然特性，大尺 寸的原位试验首次由萨尔茨堡的英特菲尔斯(intemls)在日本进行的，并由约翰(joilll， 1961年)和诺斯(nose，1964年)加以阐述，但是原位试验周期长、费用高，而且由于 验的1 2 1 3 ( s h u r i ) ，由单轴试验获得的值比膨胀仪值大2 5 倍，而由地震方法确定的 值比膨胀仪值大2 倍( k a l l e s h i r o j y 等) 。可见，不同的试验方法得出的试验结果也具 有很大的差异。据日本学者o d a m ( 1 9 8 8 年) 的研究，当岩石试样尺寸大于3 倍节理 迹长时，其试验相对误差才可接受，实践中这样大的原位试验是比较困难实现的。 2 ) 分析分解方法 这是从岩体的等效连续体与其具有相同属性的角度研究岩体强度及变形属性的一 种方法，y o s h i n a k a 和y u m a b e 在1 9 8 6 年运用节理刚度的概念，视岩体的变形是岩块和 节理两者之和，得到两组节理的岩体等效模量和等效刚度，k u l a t i l a k e 和朱维申等根据 节理几何参数模型，应用m o n t e c 撕i o 模拟不同尺寸岩体试件，然后应用有限元解出 岩体的强度值和变形参数，该方法较好地解决了节理岩体的介质模型，且从统计学的 观点出发，研究思路完整，但是计算工作量太大，k a w a m o t o 和周维垣等则运用损伤力 第二章人跨度隧道岩体力学理论 ：丁pm(m+2)-2pm2=比ia一五+1)( 2 _i o - r = 0 , r r 口= 0 当0 = 2 ，3 2 时，可求得洞室顶底版中点处的切向应力，因为s i n 9 0 。= 1 ，s i n 2。= l ，c o s 9 0 。= 0 ，c o s 2 9 0 。二o ，代入( 2 4 ) 式，得： = 二! ! 掣= p c z i + ，丑一t c ， 。：一i o r = 0 ，2 o = 0 由式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 中可以看出，当原岩应力( p ，2 p ) 为定值时，切向应力o 0 值的小是随轴比m 变化的，即轴比是影响应力分布的唯一因素。 3 ) 矩形洞室的应力分布特征剞 图2 4 圆角矩形洞室周边的切向应力 ( a ) - b h = 0 2 5 ；( b ) - b h = 0 5 ；( c ) 一b h = i ；( d ) 一b h = 2 ；( e ) - b h = 4 与圆形和椭圆形洞室相比，矩形洞室围岩应力的理论计算要复杂的多。因此， 矩形洞室围岩应力分布的确定，过去常采用光弹试验，近年来多采用有限元法。图(2一薷掣 第章人跨度隧道岩体力学理睑 含有速凝剂的混凝土喷射液，可在喷射后2 n l o m i n 内凝固，及时向围岩提供支护 抗力p i ( 径向力) ，使围岩表层岩体由未支护时的二向受力状态变为三向受力状态，提高 了围岩强度，如图2 5 正所示 i i 1 徐 o p i lip l d _ 一 。：卅 = 昂 t 2 r 2 以2 十7 + 卑； 一卑； 当r = a 时，作用在隧道周边上的径向应力q 和切向应力分别为： q 2p(2-10) o - a = 2 p 0 p 其摩尔应力圆如图2 5 ( b ) 所示 喷层是一种柔性支架，它允许围岩因寻求新的平衡所产生的有限位移，并可发挥 町海人学坝| 学位论文 自身对变形的润节作用，逐渐与围岩变形协调，从而改善围岩的应力状态降低围岩应 力，充分发挥围岩的自承能力，如图2 一所示。 p 尸 p 线 i i 夕。已 一l 一4 卜 i1 i 。 i 以 j i 2 气 - “ 一“d 1 j 图2 6 柔性支架的工作原理 由于传统支护不能与围岩均匀接触，围岩与支架间易造成应力集中，使围岩或支 架过早破坏；喷射混凝上能使混凝土与围岩紧密均匀接触，并可通过调整喷层厚度， 调整围岩变形，使应力均匀分布，避免应力集中，因此，喷锚支护比传统支护更能发 挥混凝土的承载能力。 2 2 2 锚杆的力学作用 锚杆支护对保持隧道围岩的稳定性有重要的作用，从直观上来说，其作用是保持 开挖面和洞壁面的稳定，另外，对危险岩块和层状围岩起到悬吊和加固作用，从理论 上来讲，则是限制围岩过大变形，并形成承载拱圈，使围岩一体化，而处于更好的三 维应力状态。 锚杆对日岩所起的力学效应，主要有以下一些作用： 1 ) 悬吊作用 认为锚杆的作用是将不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上，以阻止围岩移动滑落。锚 杆本身受拉，其拉力即为所悬吊岩体的重量，如图2 7a 所示，在块状结构或裂隙岩 体中，使用锚杆可将松动区内的松动岩块悬吊在稳定的岩体上，也町把节理弱面切割 形成的岩块连接在一起，阻止其沿滑面滑动。 2 ) 减跨作用 在隧道顶板岩层中打入锚杆，相当于在顶板上增加了支点，使隧道跨度由k 减为 l 。，从而使顶板岩体的应力减小，起到维护隧道的作用，如图2 7 所示，当然，要 使锚杆能有效的起到减跨作用，锚杆顶端必须锚同于坚硬稳定岩层中。 4 洲海大学倾i 学位论义 2 3 围岩稳定性分析的基本判据研究 公路隧道是公路穿越山岭修建的工程结构物，它与周围的岩体( 一般简称围岩) 有 密切关系，相互影响、相互作用，不同的围岩在修建隧道时会有不同的地质现象，例 如，在有些围岩中开挖隧道后隧道不会坍塌，能很好的保持稳定，而在有些围岩中开 挖隧道后，隧道不能保持稳定，容易坍塌，要得到需要开挖的空间就必须修筑衬砌加 以支护，这些情况说明了在不同围岩中开挖隧道，围岩会表现出不同的稳定性。 影响隧道围岩稳定性的因素有两个方面，一是内在因素