（岩土工程专业论文）单拱四车道公路隧道断面设计优化与施工力学研究.pdf

摘要 经济的快速发展迫切需要提高交通运输量，而通常由于隧道的宽 度要比隧道以外的道路宽度要小，成为制约交通量的一个重要因素。 解决这个问题的办法就是修建多车道隧道，并且使隧道的宽度与隧道 以外的道路宽度一致，这就提出了单拱四车道公路隧道的建设问题。 从经济技术上考虑，单拱四车道公路隧道的扁平率远小于两车道和三 车道公路隧道，其断面力学特性和施工力学特性都明显不同于两车道 和三车道公路隧道，而且现行公路隧道设计规范对此也没有提及。因 此，针对单拱四车道公路隧道的设计和施工问题进行系统的研究具有 重要的意义。 结合岩土材料的非线性特性，对大跨度隧道开挖过程计算理论进 行讨论。在此基础上采用数值计算分析了不同扁平率下隧道断面的力 学响应和稳定性，分析其变化规律。在单一目标优化时，分别考虑了 应力集中、洞周收敛、塑性区面积及开挖面积为优化目标。在多目标 优化时，引入了层次分析法，介绍其基本原理、步骤，并计算分析了 以应力集中、洞周收敛、开挖面积等为优化目标的隧道断面优化决策 过程。介绍了大跨隧道施工方法，包括基本施工方法和辅助施工方法 的分类、适用范围、优缺点等。采用有限差分程序对全断面开挖法、 双侧壁导坑法、台阶法、中隔壁法等开挖过程进行数值模拟，分析了 各开挖法中围岩和支护的力学响应，并对各开挖方法进行比较，选择 适合大跨度隧道施工的方法，为大跨度隧道的设计和施工提供参考。 关键词单拱四车道公路隧道，数值模拟，断面优化，施工力学 a b s t ra c t t h ef a s td e v e l o po fe c o n o m yc r i e sf o ri m p r o v i n gt r a f f i cc a r r y i n g c a p a c i t y u s u a l l y , t h ew i d t ho fr o a di nt n n n e ln a r r o w st h a nt h ew i d t ho f r o a do u tt h et u n n e l ，w h i c hi sat h r o a tt oi m p r o v et r a f f i cc a r r y i n gc a p a c i t y t ob u i l dt u n n e lm o r el a n e sa n db r i n gas a m ew i d t hi na n do u tt u n n e li s t h ew a yt os o l v ei t t h es p a n - r a t i oo fs i n g l e a r c hf o u r - l a n er o a dt u n n e li s l e s st h a nt w oo rt h r e el a n e st u n n e l sg r e a t l yi ft e c h n o l o g ya n de c o n o m i c f a c t o r sa r et a k e ni n t oc o n s i d e r i t s s u r r o u n d i n gr o c ka n dc o n s t r u c t i o n m e c h a n i cc h a r a c t e r i s t i c sa l s od i f f e r e n tf r o mt w oo rt h r e el a n e st u n n e l s o b v i o u s l y ，a n dt h ea c t i v ec o d ef o rd e s i g no fr o a dt u n n e ld on o tt o u c h u p o ni tt o o t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt oc a r r yo nt h es y s t e m a t i cr e s e a r c h o nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f t h es i n g l e a r c hf o u r - l a n er o a dt u n n e l f o rg e o t e c h n i c a lm a t e r i a l sn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c ，t h ec a l c u l a t i n g t h e o r yo fl a r g e - s p a nt n l m e lc o n s t r u c t i o np r o c e s si sd i s c u s s e d t h e nt h e m e c h a n i cr e s p o n s er u l e sa n ds t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c kw i t hd i f f e r e n c e s p a n - r a t i oa r ea n a l y z e d f o ro p t i m u mo fs i n g l es t a n d a r d ，t h em e t h o d s b a s eo ns t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r s ，c o n v e r g e n c ea r o u n dt u n n e l ，p l a s t i c a r e aa n de x c a v a t i o na r e aa r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e a st h em a j o rm e t h o d o fm u l t i - s t a n d a r d o p t i m u m ，a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( 6 蝴) i s e m p l o y e d ，a n dt h e ni t sr a t i o n a l ea n ds t e p sa r ei n t r o d u c e d 1 1 l ei n n e r s e c t i o n o p t i m u mp r o c e s s b a s eo ns t r e s sc o n c e n t r a t i o n f a c t o r s ， c o n v e r g e n c e a r o u n dt u n n e la n de x c a v a t i o na r e ai s a n a l y z e d t h e c o n s t r u c t i o nm e t h o d so fl a r g e - s p a nt u n n e li n c l u d eb a s a la n da s s i s t a n t c o n s t r u c t i o nm e t h o d sa n dt h e i r c l a s s ，s e r v er a n g e ，a d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g ea r ea l s oi n t r o d u c e d m e a n w h i l e ，t h ep r o c e s s e so fw h o l e s e c t i o ne x c a v a t i o n m e t h o d t w o - s i d e g a l l e r y e x c a v a t i o nm e t h o d ， b e n c h i n gt u n n e l i n gm e t h o da n dm i d d l e w a l le x c a v a t i o nm e t h o da r e s i m u l a t e dw i t hf i n i t ed i f f e r e n c ep r o g r a m a n dt h es u r r o u n d i n gr o c ka n d s u p p o r tm e c h a n i cr e s p o n s ea r ea n a l y z e di ne a c h t h em e t h o d sa r ea l s o c o m p a r e dw i t he a c ho t h e rf o rs e l e c t i n ga p p r o p r i a t em e t h o dt oc o n s t r u c t l a r g e - s p a nt u n n e l t h er e l e v a n tc o n c l u s i o n so ft h i st h e s i sc a l lb er e f e r r e d b yd e s i g na n dc o n s t r u c tl a r g e s p a nt u n n e l k e yw o r d s s i n g l e a r c hf o u r - l a n er o a dt u n n e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， c r o s s s e c t i o no p t i m u m ，c o n s t r u c t i o nm e c h a n i c 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 l , j ) j i l 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已在在论文中作了明确的说 明。7 作者签名：日期：碰年 阴_ 上日 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者虢肇师签名乒巫魄必瑚1 l 日 i r 生馥太兰亟堂僮论塞簋=童绪i金 第一章绪论 i 1 问题的提出 随着我国高速公路建设的快速发展。尤其是随着国家西部开发战略的实施。 高速公路建设向山区不断延伸。山区及西部地区多崇山峻岭，地形地貌、工程水 文地质条件极其复杂，同时为了避免对山区地形的过度破坏、大挖大切、高填乱 弃、引发滑坡泥石流等地质灾害、破坏山区河谷水系统及生态环境；另一方面因 公路标准特别是高速公路标准的规定、线路平、纵曲线的要求和地形地质的限制， 在沿河谷或山区地段的复杂水文与工程地质条件下修建隧道的情况越来越多，如 湖南省张家界至桑植县二级公路、吉首至茶洞高速公路、邵阳至怀化高速公路和 3 1 9 国道及3 2 0 国道、1 0 8 国道四川西昌至攀枝花段高速公路、2 1 3 国道都江堰 至汶川段高速公路等线路上的隧道。最为典型的是对湘西、渝东南和黔东南经济 发展特别是湘西旅游资源开发和旅游经济发展起重要作用的长沙至重庆公路通 道吉首至茶洞高速公路段就有4 6 座隧道。 经济的快速发展迫切需要提高交通运输量，而通常由于隧道的宽度要比隧道 以外的道路宽度要小，成为制约交通量的一个重要因素。解决这个问题的办法就 是修建多车道隧道，并且使隧道的宽度与隧道以外的道路宽度一致。 于1 9 9 0 年建成通车的沈大高速公路全长3 7 5 公里，为双向四车道高速公路， 它的建设开创了我国高速公路建设的新纪元，素有“神州第一路”的美誉。随着 时间的推移和车流量的逐渐加大，沈大高速公路已不堪重负。2 0 0 3 年3 月2 1 日， 沈大高速公路全线封闭进行改扩建，经过专家的反复论证，沈大高速公路由双向 四车道改扩建为双向八车道，这也就带来了韩家岭四车道公路隧道的设计与施工 问题，该工程被国务院批准为“十五”期间重点改扩建项目，也是交通部确定的 高速公路改扩建示范工程【”。沈大高速公路改扩建工程方案吸取了我国高速公路 由于缺乏超前意识而带来的教训，它告诉我们不能用静止的观点规划高速公路， 眼光要长远，重复投资、重复建设是一种更大的浪费。因此，四车道公路隧道的 出现是时代的要求。 大断面隧道具有如下优点： ( 1 ) 在山区，特大桥一般为四车道，大断面隧道与特大桥衔接方便，无须 修建过长的引桥。 ( 2 ) 大断面隧道维修方便，维修费用低；隧道内路面维修时，隧道无须将 整个隧道断面封闭，保证交通正常有序运营。 同时，四车道公路隧道具有提高车速、缩短里程、节约燃料、节省时间等明 虫赢太堂亟堂焦论窑箍二童绪监 显的优点。但四车道公路隧道也有很多复杂的问题亟待解决。四车道公路隧道的 设计理论和施工工艺借鉴三车道公路隧道的理论，而三车道公路隧道的设计和施 工工艺又是借鉴双车道的理论【2 】。对于四车道公路隧道，从经济上讲，横断面与 双车道公路隧道相比，其跨度增大了近一倍，如果仍然按照双车道公路隧道的扁 平率来设计，则开挖断面积将大幅度增加，而隧道内空间的有效利用率将会显著 降低，其工程造价也会大幅度上升，而为了解决这一问题，只能通过降低扁平率 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，随 之也就会不可避免的带来新的技术问题：如对于围岩开挖后拱部岩体在自重应力 场作用下向洞内移动，并导致两侧岩体受压，反应在洞周位移上，拱顶下沉位移 要远大于水平收敛，由此而导致支护结构体系的破坏，与高跨比较大的单洞、双 线隧道有所不同。显然，对于四车道公路隧道的建设，如果仍然采用两车道公路 隧道的理论进行设计与施工是不合适的。对于单拱四车道公路隧道，设计与旄工 存在如下几个方面的问题【3 】： ( 1 ) 由于车道数的增加，宽度加大，而高度变化不大，使断面变得扁平， 这样以来，使开挖后的应力重分布状态变差，需要对大断面隧道洞室的次生应力 场进行深入研究，以确定隧道设计时的应力场分布。对于大断面隧道，降低商跨 比会带来直接的经济效益，但对结构的设计和施工会出现新的技术问题，即隧道 开挖后围岩拱部土体在自重应力场作用下向洞内移动，并导致两侧土体受压，反 映在洞周位移上，拱顶下沉要远大于水平收敛位移。显然，支护结构体系的破坏形 态与隧道高跨比有关。 ( 2 ) 围岩压力确定。目前围岩压力确定是根据我国铁路隧道围岩压力方法。 该方法在统计的基础上，确定塌方体的分布规律，以此确定围岩压力的大小。但 是，四车道公路隧道的塌方体分布规律明显不同于标准的铁路隧道塌方体分布规 律，因此，四车道公路隧道的围岩压力大小需要进一步研究。 ( 3 ) 围岩衬砌过厚，有时厚达2 m 以上，需要对拱结构的承载力的力学特征 进行研究，以便确定合理的衬砌厚度。 ( 4 ) 不同的地质条件下，每种断面形式有其独特的力学特征。需要进一步 研究隧道结构的力学特征和地质条件的关系。 ( 5 ) 在研究确定合理的净空尺寸上还存在不是，在净空尺寸上，净空过高， 拱部富裕量较大。 ( 6 ) 目前大断面隧道的施工方法还是采用常规小断面的施工方法，对其研 究还比较少。 ( 7 ) 大断面隧道在地震荷载作用下的力学响应方面的研究还不足【4 】。 2 因此，为了解决四车道公路隧道建设的难题，在技术可行、经济合理的范围 内，确保四车道公路隧道建设的质量和保证高速公路的安全畅通，对四车道公路 隧道洞室的应力集中系数，混凝土衬砌拱部结构的承载力，大断面隧道的施工方 法以及大断面隧道结构支护方法和参数的问题进行研究具有重大的意义。 上述问题中，有的内容还刚刚起步，有的还没有引起人们的重视，总之尚缺 乏系统全面和深入的研究没有系统的基础理论研究成果的支撑，也就没有形成 一套相对完整的设计、施工和检测技术方法，大跨度隧道设计和施工仍然还是“心 中无数”的重大技术难题，目前所进行的规模有限的类似隧道设计与施工还仅仅 是凭经验实现的。在此情况下不免出现了一些问题甚至事故，如四川都江堰至汶 川高速公路及西昌至攀枝花高速公路傍山隧道等。 前面提到的长沙至重庆公路通道吉首至茶洞高速公路地处武陵山脉中段， 湘、渝、黔三省市交界处，位于湖南省西部，在湘西土家族、苗族自治州的吉首 市、花垣县范围内，是长沙至重庆公路通道湖南省境内的最西段，也是该公路通 道中地形、地质条件最为复杂的一段。在吉茶高速公路的设计中为了与矮寨悬索 桥顺畅连接初选了四车道的大拱式隧道，开挖宽度达到了2 4 m ，开挖高度将近 1 3 m ，开挖断面面积达到2 4 0 m 2 。对于这种通长都采用超大断面的隧道国内外尚无 先例，新颁的公路隧道设计规范j t gd 7 0 - 2 0 0 4 里也没有提及。此类隧道与 二车道隧道一般断面相比，其开挖后应力重分布趋势变得更加复杂，拱脚处的应 力集中急剧变大，围岩自稳性较差的拱顶产生较大的松弛( 动) 荷载，整个隧道的 稳定性变差，隧道衬砌结构受力极为不利。对于这种隧道的断面形式如何优化、 衬砌结构围岩支撑体系计算理论、保证设计实现的可靠施工方法及监控检测 方法、初期支护结构模式及参数和二次衬砌支护时机确定及其控制等等都有待研 究。 在大断面隧道的开挖和使用过程中，特别是复杂岩体条件下，工程的稳定性 就成为设计和施工的首要考虑问题。由于岩体是一种天然形成的复杂的地质介 质，而非一种性质单一的工程材料，所以复杂岩体条件下的隧洞的开挖问题为科 技工作者日益关注。 当然，现实中由于施工技术不能满足工程的需要，施工技术基础理论，特别 是在力学理论和稳定性定量化分析方法方面尚没有得到很好的解决，全球岩土工 程由于开挖不当引起的灾害时有发生，生产安全无保障。就目前而言，隧道及地 下工程施工技术与施工方法的选择还主要依赖于该领域的专家知识和工程经验 的人工开挖。由于施工技术基础理论，特别是在力学理论和稳态平衡定量化分析 方面没有得到很好的解决，至今施工技术未能取得突破性进展。传统的开挖过程 力学行为研究只考虑材料因素，通过实验建立模型和方程式，其重点是处理本构 虫亩太堂亟芏鱼途塞筮= 童绪论 关系和在特定条件下求解。这除了要求较高的数学基础外，所能解决的实际工程 问题是相当有限的，也就是说侧重于从确定性因素和确定力学计算方法认识规 律，忽略了问题中的系统性( 工程、施工因素) 和不确定性问题( 大量界限不分明 的中间状的计算方式) 。 隧洞及地下工程的开挖过程不完全是静力学稳定问题，它是地质学、工程学 和稳态平衡的动态问题。隧洞的开挖破坏了岩体内原有的应力场。为获得新的平 衡，地下结构周围的岩体乃至地表将会发生移动变形，是一个十分复杂的物理力 学过程。开挖技术理论的研究，迄今只能停留在简单的结构分析，孤立的固体力 学、有限元、边界元、：无限元、离散元、损伤、断裂等研究领域，这些技术都是 基础性研究，但是至今并未把开挖技术理论推进到现代科学领域。 目前，对隧洞开挖过程的研究主要手段不外乎现场观测、模型实验、数值模 拟。现场观测得到的现场原位的真实数据，为以后相似清况的设计、反分析、施 工提供了宝贵的第一手资料，工程中是非常必要的，但受到现场条件、观测手段 限制，同时也受到人力、物力和财力的限制；模型实验虽直观，构造出与原形相 似的实物模型，可以模拟开挖过程，但需对原形及其边界条件做适当的简化，同 时也不很经济：相比而言，数值模拟方法利用计算机对原形进行数值模拟，能得 到原形中各点的位移、应力及其变化情况，通用性强，方便灵活，便于修改，能 反复进行实验，因此得到广泛应用。但该方法中计算参数的确定、模型的选用等 影响了计算结果。这主要是影响隧洞施工的各种因素错综复杂，很难用严密的、 完整的数学模型描述其作用全过程。 从某种意义上讲，一随着计算机技术的迅速发展和人们对岩( 土) 体认识的不断 深入，隧道及地下工程开挖过程的研究，必能取得突破性进展，完全可以预测， 在不久的将来，“入地”可以与“上天”一样能够实现，在开挖前利用计算机对 整个开挖过程进行虚拟研究，从而实现隧道及地下工程的施工过程自动化、智能 化、直观化。这也是岩土工程的一个很有前途的发展方向。 在隧道及地下工程的开挖过程中经常遇到的力学问题主要是需要确定开挖 前后的应力和位移的变化，以便为设计和施工提供可靠的定量或准定量依据。通 过检索国内外大量文献，隧道与地下工程开挖过程力学行为研究热点和难点主要 集中在以下几个方面【5 d 习： 1 、隧道及地下工程开挖过程优化问题，从技术角度来看，就是在若干个初 选方案中优选出的最佳开挖方案，包括开挖顺序优选、地下结构参数优选等；从 力学角度来看，就是开挖过程力学效应与开挖路径( 历史过程) 的关系问题。 2 、如何利用现代计算机技术，将现有的施工专家的经验总结出来，建立施 工智能辅助决策系统( 包括开挖方法选择、支护设计选择等) ，以满足工程的需要， 4 同时便于年轻的或缺乏相关经验的工程技术人员学习和使用。 3 、在开挖过程中，如何根据现场反馈的信息、监测的历史数据( 目前主要指 围岩位移) 预测地下工程( 特别是大型地下工程) 的位移演化规律，预报工程的稳 定性，并根据该结果修改或变更原设计方案，真正实现决策的科学化、施工的信 息化 1 2 国内外研究现状 随着西部高速公路和高等级公路交通网络建设向山区延伸，西部铁路干线建 设和水电、煤矿等能源基地建设，为了减少对山体生态环境的破坏，避免大挖大 切造成山体滑坡、大量弃土造成泥石流等地质灾害，以及保护山区生态环境系统 等，必然修建大量大跨度隧道。要做到既安全可靠又经济地建设好大跨度隧道， 其影响因素复杂，尚未解决的问题较多，国内外对该问题的研究还较少，目前与 此问题相关的研究的基本情况如下。 ( 1 ) 建设现状 我国目前已建成的四车道公路隧道为数甚少，主要包括贵州凯里市大阁山隧 道【1 4 1 ，全长4 9 6 m ，单洞双向四车道，最大开挖宽度2 1 0 4 m ，高度1 1 5 m ，净跨 度1 8 m ，是国内尤其是在市区罕见的大跨度扁坦公路隧道；位于同三、京珠国道 主干线绕广州公路东环段的龙头山隧道【l 绷，全长9 9 0 m ，隧道净宽1 7 5 ，净高 8 9 5 m ，为双向分离式单洞四车道公路隧道。辽宁沈大高速公路韩家岭隧道，全 长4 6 0 m ，为单向四车道公路隧道，净宽1 9 2 4 m ，高1 0 3 9 m ，其开挖宽度2 1 2 4 m ， 中轴线处开挖高度达1 5 5 2 m ，为我国目前断面尺寸最大的公路隧道，国内无任 何设计和施工经验。另外，在广州等地近期也有规划的和正在建设的少许四车道 公路隧道，为适应1 4 0 k m h 高速行车速度的要求，其断面积甚至达到1 7 0 2 0 0 m ， 局部断面积达2 3 0 m 2 的超大断面，开挖宽度达2 3 m 以上。有的地方提出建设五 车道，甚至六车道公路隧道的设想。 根据目前掌握的资料，韩国【1 6 1 在大跨度隧道的设计和施工方面己走在前列。 在上个世纪八十年代后期，韩国进行了大规模的以汉城为中心的四车道高速公路 改扩建为八车道高速公路，于是不可避免地出现了四车道高速公路大跨度隧道， 其中最早完工的是9 2 年开始建设的清溪隧道，左右线平均长度为5 0 0 m ，挖掘断 面积1 8 6 4 2 m 2 ，按隧道内衬砌轮廓线计算，净宽为1 7 9 4 m ，拱高为9 7 8 5 m ， 采用三心圆扁平拱式断面现在，韩国在建和竣工的四车道大跨度公路隧道有 1 1 座，均采用n a t m 法施工。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，在旌工期，结合n a t m 法的基本原理 和要求，在洞内进行严格的监控量测，主要内容有：拱顶部下沉测定、拱周边变 5 主亩太堂亟主堂焦盈塞筮二童绮j 垒 形测定、锚杆的轴力和锚固力测定、喷射混凝土与围岩间接触应力测定和围岩变 形测定。 ( 2 ) 研究现状 国外一些发达国家非常重视公路隧道建设，尤其是北欧国家【1 7 堋和日本 在发展公路隧道技术方面处于领先地位，在过去三十多年里，在大跨度扁坦公路 隧道建设中积累了一些经验。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。 国内在近十多年里也很重视公路隧道的建设技术的提高，在二车道公路隧道 的建设上积累了一些经验。也先后建成了几座三车道公路隧道，但总体上落后于 国外，主要表现在：由于岩石的物理力学特性及隧道工程地质条件相当复杂，再 由于国内在勘测设计上无统一规范，因此在大跨度扁坦公路隧道的施工上千差万 别，目前国内还极少关于大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【2 l 】等人作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 学王明年研究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吲。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。而对于针对四车道 公路隧道的研究论文却较少见到。 隧道施工力学研究在许多方面都还需要不断发展完善。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。对隧道的施工过程进行模拟，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施工力学数值模拟分析文献还很 少。 从所掌握的资料上来看，8 0 年代以前修建的大断面隧道，从修建技术上来 看，没有认真考虑和研究施工方法与衬砌结构之间、结构的受力特点和地质适应 性的关系。施工方法单调、衬砌过厚，有时厚达2 m 以上；在净空尺寸上，净 空过高，拱部富裕量较大，另外过于强调二次衬砌的作用，对初期支护的作用认 识不足。8 0 年代以后随着隧道技术的发展，逐渐强调根据隧道结构的受力特点 和地质变化的适应性来设置结构断面，开始重视初期支护和仰拱的作用，并在将 施工方法和结构形式相联系来考虑设计和施工等方面进行了一些有价值的尝试。 但是，在研究确定合理的净空尺寸、支护手段和参数上还存在不足，而且，目前 6 生窟太堂亟堂僮地室 筮二童绪j 金 的研究仅限于对某一特定隧道。公路隧道的研究从8 0 年代才开始，起步较铁路 系统晚，但随着高速公路的飞速发展，三车道以上的大断面隧道数日急剧增多， 使得传统修建技术所暴露出的问题越来越多。 目前国外已把大断面隧道的修建技术列为重大研究课题予以实施，如日本以 第二东名名神高速公路的建设为依托，从9 0 年代初开始有系统对大断面公 路隧道修建技术关键问题进行大规模的研究工作。目前大断面隧道研究工作已取 得一定的成果，并逐步走向标准化、系统化的道路。从我国的情况来看，四车道 公路隧道的设计理论和旌工工艺借鉴三车道公路隧道的理论，而三车道公路隧道 的设计和施工工艺又是借鉴双车道的理论。即四车道公路隧道的设计，一般仍按 常规标准设计，不能准确反映和考虑各特定工点随机变化的实际地形地质情况， 确定相应的施工方法、工序、支护手段及参数。在应用上存在一定的局限性。由 于四车道公路隧道在我国尚处于起步研究阶段，因此在设计理论与旌工工艺上只 是借鉴三车道公路隧道的建设方法，目前没有统一的标准执行。 ( 3 ) 设计现状 我国隧道设计推荐采用荷载一结构一弹性抗力模式的结构力学计算方法，同时 规范中也允许采用弹塑性数值解法或近似解析法进行计算，但都需结合工程类比 法和监控量测进行修正。 我国公路隧道设计中关于深埋隧道的围岩压力是直接采用原铁路隧道规范， 给定的围岩压力计算公式，虽经可行性分析结论是肯定的，但应看到公路隧道围 岩压力的计算有明显的不足之处。公路隧道与铁路隧道相比，在限界、跨度、高 跨比等方面有其自身的特点，铁路隧道经验公式是通过对1 2 7 座单线铁路隧道的 4 1 7 个塌方资料的统计分析，以5 m 为基本跨度整理而成的，这与普通公路隧道 的8 m 基本跨度相差较大，而与高速公路隧道的l o m 的基本跨度更相差达一倍。 虽然公路隧道规范中规定的围岩压力计算经验公式的适用跨度可以达到1 5 m ，但 其可靠性仍值得推敲。对于跨度超过1 5 m 的隧道( 常称大跨度隧道) ，应该说，目 前的规范己不具备指导性。不管是理论计算上还是施工要求上，这也严重制约了 越来越多的大跨度隧道的设计和施工，是当前隧道设计上急待解决的问题。 由于缺少大跨度隧道的设计经验以及设计规范的局限性，上述大跨度隧道都 是采用岩石力学中的数值分析方法进行设计和计算的。 ( 4 ) 施工技术的发展概况 隧道施工技术很早以前就被人们重视，可以说是起步早、实用性强、应用范 围广的工程技术，古代人为了生存，就开始进行原始的隧洞开挖，而施工作为技 术真正取得发展与突破，还是近世纪的事情t 2 3 。2 7 】。最典型的施工技术迸步当推“新 奥法”的提出和推广。新奥法( n a t m ) 的创立，给隧道工程实践的科学化和技术 7 主唐太堂魏主望焦逾塞箍= 童绪j 金 经济的合理化带来了根本性的变革，很快受到了国际隧道工程界的广泛重视并被 推广应用。我国于2 0 世纪7 0 年代开始了这种方法的引进和推广应用。 由于新奥法的适用范围广、经济、快速、安全适应性强、能有效地控制地表 下陷量，另外施工有较大的灵活性，适宜于做防水夹层。所以它的提出很快得到 了广泛应用。该方法强调施工方法的选择应主要考虑以下几个方面【碉： t ) 能最大限度地调动岩体强度。依靠被保存作为地下结构支护的围岩体的内 在强度，要求施工中尽可能减少对地下围岩的破坏和扰动。 2 ) 保持岩体的自稳能力。开挖终了时，及时实施初次支护，当然支护时必须 有合适的荷载一变形特性，选取正确的时刻进行。并且所采用的支护系统与岩石 完全接触并随之变形。 3 ) 实施施工监测与信息反馈。根据优化方案进行施工时，应勤量测，及时掌 握围岩变化动态和加固系统的工作状况，在此基础上不断深化和修正原有认识， 做好围岩动态响应的观察与监测工作，利用这些新的资料与原来预计情况进行对 比，以判断施工步序或施工方案的合理性，必要时应及早调整现有的施工步序甚 至支护方案，保证工程后续进程的安全和经济性。 4 ) 强调对特殊地段的特殊处理。比如碎胀软岩的处理，主要以断层岩、蚀变 闪长岩、闪长纷岩为主的围岩，一般石质软弱，岩体较破碎，因此自稳能力差， 易发生塌方。文 2 9 3 提出采用岩体锚注加固技术，该方法不仅能对围岩提供支护 阻力，同时又能通过各种作用机制，及时改进围岩自承能力。具体来说该方法对 围岩进行充填加固，改进围岩自身的物理力学性质，有机地改进支护系统的薄弱 环节，加强整个支护体系的稳定性，调整整个隧洞围岩自承能力的加固技术。 5 ) 采取积极主动支护，避免被动支护。积极主动支护包括喷混凝土、锚杆、 金属网、钢拱架等柔性组合施工。 随着隧道及地下工程施工中新奥法的发展和推广，用科学的方法指导隧洞的 设计、施工是非常必要可行的。数字计算机普及、岩土本构关系研究的进展、数 值分析方法的大量采用、实验和测试技术的进步，为地下结构设计理论的发展提 供了有利的条件。 1 3 本课题研究内容及拟采用研究方法 随着经济的发展和隧道施工技术的进步，大跨度交通隧道的建设越来越多。 但从目前的情况来看，还存在许多问题亟待解决。其中大跨度隧道的施工技术选 择是一个相当重要的问题。本文结合理论分析和工程实践经验，在利用f l a c 5 0 分析大跨隧道力学特性、稳定性的基础上，从经济及技术方面对隧道断面进行优 化，并研究了大断面隧道适用的施工方法，包括基本工法和辅助工法。 8 具体内容如下： 1 考虑岩土材料的非线性特性，对大跨度隧道开挖过程计算理论进行讨论。 2 大跨度隧道力学特性分析。介绍大跨度隧道基本力学特性，并计算分析隧 道断面力学特性随扁平率变化时的规律。 3 在单一目标优化时，分别考虑了以应力集中、洞周收敛、塑性区面积及开 挖面积为优化目标。 4 引入以层次分析法为主的多目标优化方法，介绍其基本原理、步骤，并计 算分析了以应力集中、洞周收敛、开挖面积为优化目标的隧道断面优化决策过程。 5 大跨隧道施工方法研究，包括基本施工方法和辅助施工方法的分类、适用 范围、优缺点等 6 采用有限差分程序对全断面开挖法、双侧壁导坑法、台阶法、中隔壁法等 开挖过程进行数值模拟，分析了各开挖法中围岩和支护的力学响应。 生壶太里亟堂焦监塞 筮三重隧道珏控过程让簋垄逾 2 1 引言 第二章隧道开挖过程计算理论 开挖问题几乎涉及岩土工程、地下结构所有领域。岩土开挖所带来的力学效 应也极为复杂，表层岩( 土) 体的开挖在宏观上为卸荷其结果为地表的回弹。隧 洞开挖可视为解除内部约束，是广义的加载( 符合塑性力学加载准则) ，随后施加 的支护( 支撑) ，又可能会导致局部的卸荷效应。因此说开挖所形成的隧道及地下 工程，其受力、变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系 相互约束，共同作用。这种共同作用正是地下结构与地面结构的主要区别。 基于隧洞或洞室群开挖存在分期分块的特点，在各项措施中，以采取合理的 开挖顺序、适时有效的支护方案最为经济有效，这就是隧洞施工力学的基本思想。 从己发表的文献1 3 0 - 3 2 中可以看出这一思想从萌芽到发展、深化的过程。文 3 0 认为岩体抗反复扰动的能力差，应尽量减少开挖的次数等。文 3 1 研究了开挖顺 序对围岩不同部位应力分布的不同影响。文 3 2 3 研究了隧道开挖破岩机理。文 3 3 通过研究认为应尽量使开挖洞型与地应力特征相匹配文 3 4 对洞群分部开挖做 了不同顺序的多方案较详尽的比较，得到了围岩状况显著改善的优化方案。文 3 5 则从科学方法论的角度强调岩石有记忆性，并应注意围岩功能分析的重要性。众 所周知，在地层中特别是软弱地层进行隧洞施工，采用不同的开挖支护方案及施 工步骤，会对围岩稳定性及施工成本产生不同影响。实际上，新奥法 3 6 1 ( n a t m ) 的一系列原则及其指导思想正是体现了这种人为因素的巨大反作用。新奥法着重 从施工措施的角度总结了隧洞施工的技术、安全、经济的统一，但却未能从更广 泛的角度和从较深刻的哲理或指导思想阐明其内在原因和根据。国内有学者提出 岩体动态施工力学的基本原理【3 ”，认为岩体动态施工力学的研究具有巨大的现 实意义和工程价值。因而也是岩体力学研究走向深化的一个重要标志，简略地说 就是要认真地深入研究岩石工程的施工和开挖过程。 本章主要概括和分析了隧道与地下工程的开挖过程力学特性和常用的计算 模型、破坏准则等理论，探讨了开挖过程中非线性f l a c 模拟的方法和分析步骤， 为开挖过程的计算机模拟提供理论依据与准备。 2 2 大跨度隧道分部开挖力学原理 岩体在初始应力状态、自重及残余构造应力状态等作用下处于一定的平衡状 态，当洞室开挖之后，由于扰动作用破坏了原先的初始状态，使洞室周围一定范 1 0 生直太堂熊堂毽垃塞 笙三童隧道珏控过程让篡理i 金 围内的原有岩体受到影响，受到影响范围内的那部分岩体即称之为围岩。围岩的 稳定性是指保持洞室结构旌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【3 鄹：崩落岩石在自重作用下形成冒落；0 上部岩层重 量引起的应力集中区的岩石破坏； 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。 由于隧道的横断面尺寸远远小于纵向长度，因此，围岩中应力分布可以视为 平面问题，而且除了在隧道两端围岩有可能同时产生沿隧道纵轴方向的变形外， 其余部位的隧道断面产生的沿隧道纵轴方向的变形可以忽略不计。 根据研究分析，当椭圆的长轴与最大主应力方向一致时，应力分布较为合理。 所以，当最大主应力为铅垂方向时，椭圆的竖轴大于水平轴；当最大主应力方向 为水平方向时椭圆的水平轴大于竖轴。虽然地下工程中直接采用椭圆形断面的实 例不多，但上述分析的基本概念可应用于所有地下工程。通常，公路隧道由于使 用功能要求以及其本身的特点和工程造价等因素的控制，一般做成扁平状。为了 便于分析，可近似的看成椭圆形，如图2 一l a 所示。实线为隧道实际轮廓线，虚 线为近似的椭圆。从以上的分析可知，对于此时的隧道而言，恰恰是水平轴大于 竖轴，所以是很不利于隧道围岩的稳定性，但是分部开挖施工将隧道划分为多个 竖直轴大于水平轴的椭圆进行逐步施工，使椭圆的长轴与最大主应力方向一致， 因此可以很好的解决大跨度隧道应力分布与开挖面积的矛盾。 ( ” 圉2 - 1 大垮魔隧道分部开挖力学原理 2 3 岩体开挖计算理论 岩体是天然的地质体，与人工建筑物相比，在开挖之前己存在着原岩应力， 它包括由于受岩层的重力，由于漫长地质历史时期内多次构造运动引起的并残留 至今的残余构造应力以及温度应力等，岩体的原岩应力是数值模拟中的重要原始 条件。因为一切的工程因素引起的岩体应力的变化都是在一定的初始应力状态下 发生的。根据现场地应力测量资料综合分析，估计一个接近真实情况的“原始应 力”状态，据此进行数值模拟分析可以认为是合理的。否则，数值计算不可靠。 当然对岩土体来说，初始应力场的构成主要是基于前述的重力。 生馥太堂亟堂僮监塞筮三童隧堂珏控垃捏让簋堡监 隧道及地下工程利用数值模拟计算除了要考虑到“原岩应力”外，另外要考 虑与之相关的荷载，即涉及到采用哪种计算模型来模拟开挖。在地下工程计算中， 通常采用的两种计算模型：一种是外加载模型，它是沿袭地面结构力学的常规计 算方法，即先存在着地下结构再施加荷载进行应力场和位移场的计算，但是该模 型与岩体应力变化的实际情况相差较远，所得计算结果不真实，此外，当隧洞断 面很大，须分多步开挖、支护交替进行时，这一方法无法模拟施工顺序对围岩变 形和应力状态的影响；另一种是内加载模型，它是一种增量计算方法。除了某些 外荷载，对工程施工及设计有实际意义的是由于某些边界的应力“解除”而引起 的应力变化。这些边界点( 如洞室周边等) 原来处于一定的原岩应力状态，开挖使 这些边界点的应力“解除”，从而引起围岩应力场的变化。模拟这一开挖效果是 按照所谓的“等效释放荷载”进行计算的。这些力可以认为是边界点的应力“解 除”而引起的。文 3 9 提出“等效释放荷载”可以沿预定的开挖边界线上的原岩 应力来决定。 ， 研究表明【帅】，当对岩体只进行弹性分析且不引入其它介质( 如充填、支护等) 时，用两种模型做一步开挖计算得到的最终应力和位移是一致的；作多步开挖计 算时，应力是一致的，对于位移，必须在外加载计算的结果中扣除开挖前的原岩 应力所产生的那部分后，才能与内加载模型一致；当岩体为理想塑性材料而处于 理想塑性状态并且在开挖区域不引入介质时，若作单步开挖时，两种模型所得结 果是一致的，作多步开挖时，两者的应力是一致的，弹性区的位移在扣除了开挖 前原岩应力所产生的那部分位移后，两者仍不相同；在开挖过程中引入新介质时， 即使材料是线弹性的，两种加载模型的计算结果也是不同的，外加载模型也无法 实现多步的开挖和支护模拟，若采用外加载模型进行开挖支护模拟，势必产生与 实际相差甚远的结果。工程施工中开挖顺序不同，介质引入的先后顺序不同，都 将影响结构的应力状态和位移大小，因此采用内加载模型对隧道及地下工程的开 挖过程的力学行为进行模拟才比较准确。 2 4 岩土的本构关系 本构关系是进行开挖过程力学分析的最基本关系，是研究各种变形体问题的 基础。开挖过程十分复杂，应该说与实际岩类、类介质和具体的开挖步序相符 合的本构关系，尤其对岩类介质而言，岩石断裂后的力学行为特征描述，还远没 有完成。目前计算技术己较为发达，关键问题在于正确地建立介质本构关系，使 它不仅能客观地反映实际情况而且便于计算。这也是力学正确解决工程技术问题 的关键之一。 本文采用了弹塑性模型的增量理论，材料屈服后的变形由弹性变形和塑性变 形两部分组成，即可恢复的弹性变形和不可恢复的永久变形( 塑性变形) 。其增量 形式为： 妞 = 协y + 妊 p ( 2 - 1 ) 式中上标e 、p 分别表示弹性和塑性，弹性应变增量( 可恢复的弹性应变) 矗矿，按弹性模型计算。塑性应变增量( 永久变形的塑性应变) d c p 可根据塑性 模型理论来计算 在f l a c 中，采用m o h r - - c o u l o m b 模型时用到了主应力o t ，盯，f l r 3 和平面外 应力a 2 ，主应力和主方向从应力张量分量计算。相应的主应变增量白，血：， 血，分解为【4 1 】： a e , = a e ；+ & ；i = 1 3 ( 2 - 2 ) 胡克定律的主应力和主应变的增量表达式为： 盯i = 口l + 口2 ( + ) i 盯2 = 口l + 口2 ( + ) ( 2 3 ) 仃3 = 口l a e ；+ 口2 ( q - ) i 式中：= k 4 - ( 4 1 3 ) g 和a 2 = k 一( 2 3 ) g 2 4 1 弹塑性本构方程 根据塑性变形和工作强化理论，屈服函数是应力矢量和强化参数的函数，即 f 啦，幻= o ( 2 - 4 ) 式中。为应力矢量，k 为强化参数。 弹塑性本构关系【4 2 由】可表示为 ) = 眈胁； 其中： 端d 日叫旦 ih 兰 ( 2 5 ) 这里【d j 为弹性矩阵：日、为反映强化条件的参数，对于理想弹塑性材料， h - - 0 。式中弹塑性矩阵在进行数值模拟时首先要确定的。当服从相关联的流动 法则( ，= g ) 时是对称矩阵，当服从非关联流动法则( f g ) 时是非对称的。需 要说明的是：，为材料的屈服函数，g 为非关联流动法则的塑