（岩土工程专业论文）复杂地质条件下连拱隧道变形规律及施工方法研究.pdf

扯瘟銮亟太堂亟堂僮淦塞虫塞擅爰 中文摘要 摘要：随着公路建设的快速发展，公路隧道的修建越来越多，不可避免的会 遇到诸如浅埋偏压、软弱岩层、节理、裂隙和软弱夹层等不良地质情况；“新奥 法”的应用和推广，支护结构被赋予了新的支护理念，现有的设计理论( 松散压力 理论) 满足不了工程的需要；连拱隧道以其独特的优点得以广泛的采用，但其工序 复杂，相互交叉作业，尤其修建浅埋偏压的连拱隧道时，使得围岩与隧道结构受 力更加复杂多变，难以把握。 本文结合三维数值模拟和现场监控量测分析了三导洞法、中导洞台阶法和中 导洞全断面法的多种不同施工方案，具体分析了特定围岩和施工方法下的各种不 同方案的优劣。 富溪隧道进口段依照实际的浅埋偏压状况建立模型，采用三导洞法开挖模拟 了1 2 种方案，确定了合理的施工顺序和左右主洞掌子面错距，系统地分析研究了 软弱破碎围岩浅埋偏压段施工的隧道变形和围岩应力变化规律，提出了防止施工 病害的针对性建议；洞身段按深埋隧道建立模型，分别采用中导洞台阶法和中导 洞全断面法模拟了l o 种方案，确立了适合深埋隧道的合理施工顺序、台阶长度和 掌子面错距，系统分析研究了围岩较好深埋段施工的隧道变形和围岩应力变化规 律，提出了兼顾施工安全和节省工期的合理施工方案：由于受到多次扰动，中隔 墙的位移和应力变化规律较为复杂，通过对各种方案的对比分析，得出了中隔墙 在施工不同阶段的位移变化规律、应力变化规律和应力分布规律，尤其对于浅埋 偏压段隧道施工时中隔墙位移和应力变化规律做了深入研究，提出了合理的施工 建议。 现场监控量测分析了拱顶下沉、周边收敛、喷射混凝土内应力、钢支撑内力 和围岩与初期支护间压力，通过与数值模拟的对比，验证了数值模拟的正确性， 并且结合数值模拟结果提出了能够确保施工安全和节省工期的合理施工方法。 关键词：偏压连拱隧道；中隔墙；监测分析；数值模拟 分类号： w 也t h ed c v c l o p m 明to f 懿p r e 刚璐咖c t i ，a 卵t 彻m l b e ro fh i g h w a yt 叽l s b a v cb 嘲啪s 虮l c t c do f 衄d l c fo 眦i 吼m c l i ，砒i ti sd j 伍c u l t 幻a v o i dt h eb a d 、，i i 加m c 峨跏c h 雒s o f tr o c k 、j o i n t 、c k 柚ds o ni n l 蒯h y e r ；t h cn e w 跚鲫o n i n g t h f y i sp i i 叩e da l g w i m 。m 姗旷a p p l i c d 硝d c l y ，m co l dd c s i 弘t h f y 锄t m e c tp i 嚣e 虹te n g i n l i n 茹m o 堵出m b l c 砌伽眦b 蛳咖s m i 戍c dd u ct ot h c i r p a n i c i l l a ra d v 孤t a g 瞄，h o w e v c t h cw 伽1 噶a 他啪p l c x 瓶dd i s t u r b e dc 越- ho t h e l b p i a i l 弘i ti sd i 蚯c i l l tt o m 栅l c t 眦哟佃哪e 懒l 曲u b l e 眦ht i l ：哪b b ，稍t ht h e i r a p p h c ds t f e 豁啪p l 强蛐d 硼r i a t i 伽i a l t h e 也酷i s 锄a l y 缁t h ed i 压醯即t 咖髓m c 6 m c t h o d s 讪o l v i 鸥t h ct h 僦h d i n g 衄加l c t i m c t h o d ，t h e 嘲t r a lh e a m n gb e n c hc 毗m c m o d 柚dt h c 咖t r a lh d i n g f l l ua n 嗽m e t h i d dw i n l3 1 ) i 血a l t 硫咖m c r i c a l 如i l l a t i 锄dd a t ao fm c 丘e l d ，。删c l ya n a l y s 鹤t h c 鲥l v 跹t a g c 锄dm 翻小憎n 协g e0 fd i 矗h e n t 瑚咀蚍m c t i o n 删瞅si n 叩蒯酬肛啊m d i n g c k 咖d i t i a n d 伽删缸t i n gp i 搿鼠 t h e 锄啪c t i o ff l i ) 【i d 伽m e 砌c d l _ l l n i i s m o d c i c d i n t h c c to f 臼c t i l a l s h a l l o wb i l i i c da n d l s y m m c h i l 辫伪跚犯啪m 吐o ma d 0 咖t kt h i 优h c 瓤垃n g 璐t r u 棚蛐m 砌| 0 dt os i m l l l a l c 细c i l 【i n d so f n s t r i l a i p 啊眺，鲫缸 托啪舱m c 翻咀曲m c t i 0 f d e 鹉a n di c f ta n dr i g h tn i n n c l 白i n l c r y a l s y s t c m a t i c a l l y 啦i y 距d 嘣啪f c ht h ec h 柚g i 略岫yo f 也c 劬n dd e f o 】嘲a l i a n d 辄咖n d i n g l k 砒瞄si n 鲫疵跹da a 洲伽d i 咖o f 鲫n 嘲d i n g 咄，b r i n gf 0 蚪旧l dp c n i n 锄t a d v i o 瞄咖tc o 璐t n l c t i d i 泐靶；勘n dt h ed 唧b u f i c dn 删潮m o d d 缸m i d d l e s e c t 硫o f m 加d ，p 鼬t c l ya d 0 讲t h c 啪响lh c a d i n gb c n c hc 眦b c n c h i 】唱m 劬0 d a n dt h c 加n a lh 船d i n gf i l l lc f o 鼹m e t h o d 幻如m a t ct e n 韬n d so fc m s m l c t i 加 p r 嘲t s ，髂b b l i s ht h c 聆蠲o n a _ b l c 璐岫l c t i o no r d 口窘，s i d e s t 印l e n g t h 龃dn l n n e l 白c c i n t 删，w h i c ：ha d u et o 也ed e 印b u l i c d 协n n 吐s y s t c m a l i u y 龃a i y z ea n d 托s e a 础 t h ed 瑚g eh wo ft h ct l l n n c ld c f 咖龇i 加a n ds 咖岫m n g c ：ks 仃e 豁i nt h e 骶洳 硒t h 伊0 ds 哪u 删吨m c k n d i t i ，b r i n gf 0 1 w a r dt h c 暇郾埘b l e 啪s t n l c i i p 蚵e 吣w 蚯c h 伽埘妇s u o f 璐t n l c t i 鼢f e t y 锄ds a v e 姻咖c l i t i m e ； b i 锄t h e 伽t r a lw a l li sd i s t i l r b e dm a n yt i m 鹤蛐g 啪s t r i l c 吐n gp l 饿治鼹，i 协 d i s p l 咖ta n ds 仃c 鹧d i s n i b u 曲ni sv e r y 咖p l 旺b y m p a r i n g 嘶sk 蛔d s0 f c o n s m l c 吐p r o j e c 晦s y s t c m a t 砌i yr e s e a r c ht h e 曲【锄g i n g 觚dd i s t r i b u t i i mh w o ft h c d i s p l a c 锄即t 粕ds 仃c 鼹o f 曲峙啪t r a lw a l li nd i 施删l to o 咖c c i n g 凹蛾燧，e s p e d a l l y f b ft h e 虹l a l l o wb i l r i e da n du n s y l 啪e t r i c a l 翻潞s u d o u b i c 砌t i l 如e ia 弧吲岫k 蛞。玛 b r i n gf 0 ，羽也cr c 醛m 阻b l ec 0 璐m j c t i o na d v i c 豁 t h et h e s i sa n a l y z 酷d a 恤o ft h e 丘e l da n dd i 托u s s 路t h ec h 柚g i n gl a wo ft h c 涨l 锄e n t o ft h ea 砧t o p ，t h c 咖u n d c k 仪m v c 曜即i o e ，t h ei n n 盯s 灯e 鹤o fs p 邮t 咖c r 耽e ，t h c i n n e r 丘 r c ea fs 删触m e w 讲ka n dt h es 缸璐sb d 阳，咖s u 册岫dr o c k 衄de a f l i e r 鲫即叫b y n l p a r i 雌i 协豫譬l l l to f 姗c r i c a ls i m l l l a t i 咖，v a l i d a t e st h e r t 锄e 路o f 硼m c r i c a ls i m l l l 砒i o n a n db i f i l l 星零f o a 删t h c 越峨明b i ca m 甜m c t 湎a d v i o 略w 蛐 锄m a l c e 飘l r co f o 啪惦仃咧s a l 毫l v 觚ds 羽，cc s 岫l d 幻nl i m e k e y w o 劝s ：埘聊姗砌c a lp r c 咖m 啪- a r c ht i l n 毗m i dp 枷妇；m o n i t o l ：吨 i n t 唧删；n 姗e r i c a ls i m u l a 妇 c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名：歹尼纱t 签字日期：哆矿占年l 佣名日 绎 裴知 少 娩彻 枷靠 者 纱 作 ，： 文 期 沦 日 位 字 学 签 致谢 本文是在我的导师乔春生教授的精心指导下完成的。两年多来，导师对我在 生活上备至的关心，在学习上热情耐心的指导，都将让我终身难忘。和导师的每 一次交流都让我受益匪浅，导师的每一句话，字字铭刻在我的心里。导师忘我的 敬业精神、朴素的生活作风、认真严谨的治学态度，渊博的知识和高尚的情操， 深深地感染了我，在我的灵魂深处留下了永不褪色的烙印，将不断激励我踏踏实 实地前进。值此论文完成之际，谨向导师致以最真诚的敬意和最衷心的感谢。 感谢岩石力学教研室刘保国教授、刘开云老师的悉心指导和无私关怀，他们 在论文研究过程中给了我大量宝贵意见和建议，使我受益匪浅，事半功倍 感谢教研室的博士师兄阎文发、刘勇、滕文彦、张志刚、朱正国、赖永标、 焦健和高保彬的大力支持，感谢硕士师弟白海卫、阮松、陈扬勋、卢国营、朱天 然和王鹏的积极配合。 感谢同窗好友王伟峰、曲军彪、曹磊、吴金刚、张彦斌、唐智伟、刘运生、 赵瑾、王彪、齐曲、李业龙等同学给予我学业和生活上的热心帮助和大力支持。 最后感谢赐予我身体发肤、哺育我成长的父母，这么多年他们默默地支持我， 鼓励我，使我能够专心读书，完成学业。祝他们身体健康，平安幸福。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 目前我国的交通基础设施建设日新月异，特别是公路的发展异常迅速，全国 有大批公路正在如火如荼的建设中，由于我国是一个多山的国家。为缩短交通里 程和提高公路等级，山区公路建设需要修建大量的隧道，因此公路中的隧道工程 不断增加，随着我国交通运输业的飞速发展，特别是西部大开发战略的进一步实 施，大量高等级公路将要修建，医此公路隧道的建设会越来越多。经过近2 0 年的 积累，我国公路隧道的修建在质和量上都有较大的飞跃。在公路隧道建设中，主 要采用分离式的隧道、连拱隧道、小间距隧道三种形式。目前，在地形、地质条 件允许的情况下，一般高速公路和一级公路通常设计为上下行分离的两座独立隧 道，两隧道间最小间距应以不受相互施工影响为原则，并依据围岩类别、断面尺 寸、施工方法等因素确定。但在一些特殊地段及地形条件复杂的地区，由于各方 面的不利因素，综合考虑还是采用连拱隧道。连拱隧道以其结构新颖、选线方便 等特点逐渐受到人们的青睐，在公路隧道建设中大量采用，这是近几年高速公路 建设中的新特点。不可否认连拱隧道在一些特殊地形条件下，是一种很有效的结 构型式，特别是在山区修建短隧道( 隧道长一般 z 。盘王 - 。；一瞄一o f ) 号 - 0 r 5 一瞄一一) 奇 a 梦- o f ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) h - k + 号g( 3 3 3 ) 卜：。n 吾g 式中：f 为体积模量，口为剪切模量。 在f l a 矿中应用m o h r - c o u l 伽b 模型，首先通过全应变增量缸口利用胡克定律 计算出假设弹性应力增量a 。5 和一5 ，经坐标变换可以得到a ；、a ；、仃；，如满足 ( 3 2 3 ) 或( 3 2 4 ) 屈服准则，利用 p - d ；) 函数判别破坏类型( 剪切、张拉) _ i l a ，一一+ 口p p ，一o p ) ( 3 3 4 ) 上式中口p 。口p 为常量，且有： l 口9 一、f “；+ ( 3 3 5 ) 1 0 9 一一2 。 如图3 4 所示，如果i i ( 西，；) o 说明发生剪切破坏，仃多，利用式 北京交通大学硕士论文 ( 3 3 0 ) 算：若i l ( 彳，口；卜。则说明发生张拉破坏，茚，盯多，可用式( 3 3 2 ) 计算 若p f ，蠢) 位于破坏准则曲线以下，则没有塑性变形发生，新的主应力即为一， i - 1 ，2 3 。 、7 。 圈3 - 4 虹_ c l o 曲流动准则中的区域划分 3 3 模型的建立 3 3 1 浅埋偏压段计算模型及计算参数 依据地勘资科所述，进口段为v 级围岩偏压段，围岩较差，偏压严重，所以 计算中对该段进行模拟时的有限元模型所取地层范围如下：根据地层及山体的实 际情况，计算范围沿隧道轴线方向取5 0 米，水平方囱长度约为洞跨的7 倍，长1 6 0 米；垂直方向由隧道底部到下边界约为洞径的5 倍，取5 0 米；上部近似地表起伏 的自由边界。模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束，地表为自由边界， 未受任何约束。 计算过程中，围岩均采用八节点六面体实体单元加以模拟，此段模型共划分 了6 3 6 9 9 个节点和5 9 9 0 0 个三维单元，根据隧道初步设计资料确定初期喷射混凝 土参数和锚杆的位置及力学参数，喷射混凝土和锚杆采用结构单元模拟，锚杆为梅 花桩形排布如图3 5 为进口段v 级围岩模型。如图3 _ 6 为v 级围岩喷锚支护示 意图。 第三章f l a c 3 d 原理及计算模型的建立 图3 5v 级围岩模型 图3 6v 级围岩喷锚支护 本模型计算参数的选用，主要参考公路隧道设计规范( j t ge 静2 0 0 4 ) 各类围岩的物理力学指标一表，如表3 - 1 所示： 表3 一lv 级围岩的物理力学指标 材料类型 容重心4 m - 3 弹性模量，g p a泊松比内聚力皿胁内摩擦角。 围岩1 71o 4o 12 0 初期支护 2 51 0 50 2 5 北京交通大学硕士论文 锚杆特性参数如表3 2 所示： 表3 2v 级围岩锚杆特性参数表 锚杆 水泥砂浆 直径长度弹性模量抗拉强度 粘聚力刚度厚度 2 5m4m4 5a 毡2 4 0 h1 o 班1 81 4 肝a1 5 咖 3 3 2 深埋段计算模型及计算参数 依据地勘资料所述，洞身段均为级和级围岩。围岩较好，埋深均在7 0 1 2 0 m 之间，所以计算中对该段进行模拟时的有限元模型所取地层范围如下：根据 地层及山体的实际情况，计算范围沿隧道轴线方向取1 0 0 米，水平方向长度约为 洞跨的7 倍，长1 6 0 米；垂直方向由隧道底部到边界约为洞径的4 倍，取4 0 米； 垂直方向由隧道顶部到边界约为洞径的8 倍，取8 0 米。模型左、右、前，后和下 部边界均施加法向约束，地表为自由边界，未受任何约柬 计算过程中，围岩均采用八节点六面体实体单元加以模拟，此段模型共划分 了7 6 9 6 2 个节点和7 2 6 0 0 个三维单元，根据隧道初步设计资料确定初期喷射混凝 土参数和锚杆的位置及力学参数，喷射混凝土和锚杆采用结构单元模拟。如图3 - 7 所示为级和级围岩模型。 图3 7 级和i 级围岩模型 本模型计算参数的选用，主要参考公路隧道设计规范( j t gd 7 0 _ 2 0 0 4 ) 各类围岩的物理力学指标一表，如表3 3 所示 第三章f l a c 3 d 原理及计算模型的建立 表3 3 级和级围岩的物理力学指标 材料类型容重l 附n l - 3弹性模量，g p a 泊松比内聚力脚a 内摩擦角，。 级围岩2 020 3 50 3 2 7 级围岩2 37o 3 13 9 初期支护 2 5l o 5o 2 锚杆特性参数如表3 - 4 所示 表3 4 级和级围岩的锚杆特性参数 锚杆 水泥砂浆 直径长度弹性模量抗拉强度粘聚力 刚度厚度 2 2 哪3m4 5a k2 4 0 砸】al o 班h 1 4 肝a 1 5 哪 第四章浅埋偏压段数值模拟 第四章浅埋偏压段数值模拟 隧道进口段围岩较差，为v 级围岩，采用三导洞法开挖，按照先后顺序依次 贯通三个主洞，然后再进行两侧导洞的开挖支护，洞口段模型沿隧道轴向( y 轴 正方向) 长5 0 米，计算中共设六个断面( 即y = o l o ，2 0 3 0 ，加 5 0 ) 对围岩的变形 和应力进行监测，由于在旌工过程中第一个断面( 即y = 0 ) 位移释放时间最长久。 其变形和应力也最大，所以在分析结果时选取这一特殊断面的数据进行比对。如 图4 - 1 所示为第一个断面的监测点布置图。 4 1 导洞施工力学研究 闰4 一l 断面的监测点布置图 在实际施工过程中，对于先开挖浅埋侧导洞还是先开挖深埋侧导洞一直处于 盲目状态，以下就通过对两种方案的模拟结果分析，分析两种不同方案的优劣。 模型中隧道长度为5 0 米，每步开挖1 米，锚喷支护滞后1 米，锚杆以梅花形 布置，间距1 m ，整个模拟过程共分1 5 0 步，每步4 时步。先贯通中导洞，然后 开挖支护一侧导洞，贯通之后再开挖支护另一侧的导洞，方案一：先后贯通中导 洞一左导洞( 深埋侧) 一右导洞( 浅埋侧) ，方案二：先后贯通中导洞一右导洞( 浅 埋侧) 一左导洞( 深埋侧) 。实际施工中通常为了节省工期，而对两侧导洞设一定 错距，并行施工，在模拟中采用先后贯通互不干涉的工序，可以更好地突出体现 每步施工的作用和影响。以下通过对围岩变形，围岩应力的对比分析确定两种方 案的优劣。 北京交通大学硬士论文 4 1 1 两种方案的围岩变形 图4 - 2 左洞拱顶下沉( 涮点1 ) 图4 3 右洞拱顶下沉( 测点7 ) 图4 1 左洞水平收敛( 测点2 )图4 5 右洞水平收敛( 测点8 ) 圈4 _ 6 左洞底部隆起( 测点3 )图4 7 右洞底部隆起( 测点9 ) 以上是对两种不同的导洞开挖方案中各个测点变形的分析。如图4 2 和图4 3 所示，在导洞开挖的过程中监铡断面的左右主洞的两个拱顶测点并未临空，但是 左洞拱顶测点的最大沉降达到8 8 6 m m 。而右侧拱顶测点的最大沉降只有3 6 m m 充分说明了偏压对隧道开挖有较大的影响。从左右洞拱顶的分析可以看出，浅埋 侧先行比深埋侧先行时的沉降要小，但是变形差别不大。深埋侧的拱顶部位在主 动开挖之前就己经沉降8 8 6 m m 说明管棚或者其它的支护形式，在导洞开挖之前 就应该施作，而不是在三个导洞贯通之后，主动开挖之前再进行施工。如图4 3 3 2 第四章浅埋偏压段数值模拟 所示，在浅埋侧导洞开挖之前，右洞拱顶测点( 测点7 ) 处于隆起状态，在右导洞 开挖之后出现较大沉降，这一现象表明偏压时候浅埋侧会先隆起，后沉降 如图4 4 和图4 5 所示，左洞水平收敛( 测点2 ) 和右洞水平收敛( 测点8 ) 在这一施工过程中已经临空，同一测点两种不同方案的变形基本相同，但是深埋 侧最大变形达到1 8 3 5 衄，而浅埋侧最大变形只有1 2 2 嗌，所以在实际旄工过程 中，需要考虑偏压的影响，对深埋侧提高支护参数。如图4 6 和图4 - 7 所示，左洞 底部隆起( 测点3 ) 和右洞底部隆起( 测点9 ) 在两种不同方案中变形基本相同， 最大变形达到7 3 7 m m 。 在对这六个点的变形分析研究之后，两种不同施工方案对围岩变形的影响差 别不大，均可以满足施工要求，但是一定要注意及时支护，要遵循短进尺、早支 护的原则。 4 1 2 两种方案的围岩应力 施工结束后的围岩应力，直接影响到主洞开挖支护后的变形，所以截取y - l 的断面，通过图4 8 图4 1 1 对两种方案的围岩最大、最小主应力进行对比。 图4 8 方案一围岩最大主应力图4 9 方案一围岩最小主应力 北京交通大学硕士论文 图4 - 1 0 方案二围岩最大主应力图4 一l l 方案二围岩最小主应力 由以上各图可知，方案一( 深埋侧先行) 和方案二( 浅埋侧先行) 的围岩最 大、最小主应力基本没有差别，但是在已开挖的导洞上部围岩应力比周边要大， 在浅埋侧导洞周边明显出现应力集中。 4 2 主洞施工力学研究 表4 - 1 施工方案排序 导洞贯通顺序 主洞施工顺序主洞错距 工法排序 l o m方案l 左洞超前2 0 m方案2 中导洞 3 0 m 方案3 左导洞 右导洞 l o m方案4 右洞超前 2 0 m 方案5 3 0 m方案6 1 0 m方案7 左洞超前 2 0 m 方案8 中导洞 3 0 m方案9 右导洞 左导洞 l o m方案1 0 右洞超前2 0 m方案1 1 3 0 m方案1 2 如表4 1 为旌工方案排序，单独分析导洞的深埋侧先行和浅埋侧先行并未确定 两种方案的优劣，所以本节结合主洞开挖顺序和开挖错距的不同，制定了1 2 种方 案进行比对以确定浅埋偏压隧道的最优施工工序。在施工过程中，每步开挖l 米， 第四章浅埋偏压段数值模拟 锚喷支护滞后1 米，锚杆以梅花形布置，间距1 m ，每个始工步运行4 0 0 时步。 4 2 1 施工顺序研究 实际施工中对浅埋侧先行还是深埋侧先行存在较大争议，这个问题也成为双 连拱隧道施工难点研究的热点之一，所以本节选取左右主洞掌子面固定错距为2 0 m 时的四种方案( 即方案2 ，方案5 、方案8 和方案1 1 ) 进行比对，确定不同开挖顺 序对围岩位移和围岩应力的影响。在这四个方案中，支护参数相同，主洞开挖的 上下台阶错距相同，支护滞后距离相同。只有开挖顺序不同，其模拟结果充分体 现了开挖顺序这一因素对山体围岩变形、围岩应力和围岩塑性区的影响，由于在 前1 5 0 步的运算过程中均为三个导洞旖工时的围岩变形，所以在示意图去除了前 1 5 0 步的变形，以便使结果对比更为清晰明了。 在三个导洞贯通顺序相同时，左右主洞开挖支护顺序不同时方案的优劣 在先后贯通中导洞，左导洞、右导洞的情况下，对比方案2 ( 左洞超前2 0 m ) 和方案5 ( 右洞超前2 0 m ) 的各个监测点的围岩变形，如图4 1 2 一图4 1 7 所示为左 右洞的拱顶下沉、周边收敛、底部隆起六个测点的变形对比。 图4 一1 2 左洞拱顶下沉( 测点1 )圈4 _ 1 3 右洞拱顶下沉( 测点7 ) 图4 1 4 左洞水平收敛( 测点2 )图4 1 5 右洞水平收敛( 铡点8 ) 北京交通大学硕士论文 图4 一1 6 左洞底部窿起( 测点3 ) 圈4 - 1 7 右洞底部隆起( 测点9 ) 如图4 1 2 和图4 - 1 3 所示，方案2 ( 左洞超前2 0 m ) 的左洞最大拱顶下沉量为 5 3 3 哪，右洞最大拱顶下沉量为5 1 3 栅，方案5 ( 右洞超前2 0 m ) 的左洞最大拱 顶下沉量为4 9 5 锄。右洞最大拱顶下沉最为4 7 8 知蛐明显方案2 的变形要大干 方案5 ，所以在偏压的影响下，先开挖浅埋侧时主洞的变形要小于先开挖深埋侧时 主洞的变形。 如图4 1 4 和图4 - 1 5 所示，方案2 ( 左洞超前2 嘶) 的左洞晟大水平收敛量为 4 4 3 8 姗，右嗣最大水平收敛量为2 2 麒m m ，方案5 ( 右洞超前2 0 m ) 的左洞最大 水平收敛量为4 0 8 知衄，右洞最大水平收敛为2 4 1 l 咖，通过对方案2 和方案5 的对比，可以看出无论那种方案，深埋侧的水平收敛量远大于浅埋侧的水平收敛 量l 对于深埋侧测点来讲，方案2 的收敛量比方案5 大3 9 曲；对于浅埋侧测点 来讲，方案5 的收敛量比方案2 大2 0 4 啪。 如图4 - 1 6 和图4 1 7 所示，方案2 ( 左洞超前m ) 的左洞最大底部隆起量为 1 1 6 4 2 衄，右洞最大底部隆起量为7 7 9 7 舳，方案5 ( 右洞超前2 0 m ) 的左洞最 大底部隆起量为1 0 0 1 7 m m ，右洞最大底部隆起量为9 0 0 8 n 皿，通过对方案2 和方 案5 的对比可以看出无论那种方案。深埋侧的底部隆起量远大于浅埋侧的底部隆 起量；对于深埋侧测点来讲，方案2 的隆起量比方案5 大l 配5 衄；对于浅埋侧 浏点来讲，方案5 的隆起量比方案2 大1 2 1 l m m 。 由以上分析可知，左洞( 深埋侧主洞) 的拱顶下沉、周边收敛和底部隆起均 是方案2 ( 左洞超前) 的变形较方案5 ( 右洞超前) 要大很多，面右洞( 浅埋侧主 洞) 的现象恰好相反，方案5 的变形较方案2 要大，但是由于受到偏压的影响， 左洞的隧道变形量较右洞大很多，开挖支护均应该首先考虑控制左洞变形，所以， 右洞掌子面超前方案较为合理。 在先后贯通中导洞、右导洞、左导洞的情况下，对比方案8 ( 左洞超前2 0 m ) 和方案n ( 右洞超前2 0 m ) 的各个监测点的围岩变形，如图4 - 1 8 一图睨3 所示为 左右洞的拱顶下沉、周边收敛、底部隆起六个测点的变形对比。 第四章浅埋偏压段数值模拟 图4 - 1 8 左洞拱顶下沉( 测点1 ) 图4 - 1 9 右稠拱项下沉( 测点7 ) 图4 2 0 左洞水平收敛( 测点2 ) 图4 2 1 右洞水平收敛( 测点8 ) 图4 - 2 2 左洞底部隆起( 测点3 )图4 _ 2 3 右桐底部隆起( 测点9 ) 如图舢1 8 和图4 1 9 所示，方案8 ( 左洞超前2 0 m ) 的左洞最大拱顶下沉量为 5 2 0 1 姗，右洞最大拱顶下沉量为5 0 2 6 岫，方案l l ( 右洞超前2 0 m ) 的左洞最 大拱顶下沉量为4 9 4 8 m m ，右洞最大拱顶下沉量为4 8 嘶蛐，明显方案8 的变形 要大于方案1 1 ，所以在偏压的影响下，先开挖浅埋侧时主洞的变形要略小于先开 挖深埋侧时主洞的变形，两者的最终位移和变形过程基本相同。 如图4 2 0 和图4 - 2 1 所示，方案8 ( 左洞超前2 0 m ) 的左洞最大水平收敛量为 4 4 6 2 m m ，右洞最大水平收敛量为2 1 7 4 m m ，方案1 1 ( 右洞超前2 0 n 1 ) 的左洞最 北京交通大学硕士论文 大水平收敛量为4 1 9 7 m m ，右洞最大水平收敛为2 4 1 2 m m ，通过对方案8 和方案 1 1 的对比，可以看出无论那种方案，深埋侧的水平收敛量远大于浅埋侧的水平收 敛量；对于深埋侧测点来讲，方案8 的收敛量比方案1 1 大2 6 5 衄；对于浅埋侧 测点来讲，方案1 1 的收敛量比方案8 大2 3 8 m m 。 如图禾2 2 和图4 2 3 所示，方案8 ( 左洞超前2 0 m ) 的左洞最大底部隆起量为 1 1 5 6 1 m m ，右洞最大底部隆起量为7 7 3 7 m m ，方案l l ( 右洞超前2 0 m ) 的左洞最 大底部隆起量为l 蚰m ，右洞最大底部隆起量为8 9 9 9 啦，通过对方案8 和方 案1 l 的对比可以看出无论那种方案，深埋侧的底部隆起量远大于浅埋侧的底部隆 起量；对于深埋侧测点来讲，方案8 的隆起量比方案1 l 大1 4 7 l 锄；对于浅埋侧 测点来讲，方案1 l 的隆起量比方案8 大1 2 6 2 锄。 由以上分析可知，左洞( 深埋侧主洞) 的拱顶下沉、周边收敛和底部隆起均 是方案8 ( 左洞超前) 的变形较方案1 1 ( 右洞超前) 要大很多，而右洞( 浅埋侧 主洞) 的现象恰好相反，方案1 l 的变形较方案8 要大，但是由于受到偏压的影响， 左洞的隧道变形量较右洞大很多，开挖支护均应该首先考虑控制左洞变形，所以， 右洞掌子面超前方案较为合理。 通过本节研究进一步确定了导洞的施工顺序对围岩变形影响较小，而主洞施 工应该先开挖浅埋侧主洞为佳，在施工中应该提高深埋侧主洞的支护参数，并且 及时跟进初期锚喷支护，防止毛洞时期的大量位移释放。 4 - 2 4 方案2 竖直方向位移云图4 2 5 方案2 水平方向位移云图 第四章浅埋偏压段数值模拟 4 2 6 方案5 竖直方向位移云图 4 - 2 7 方案5 水平方向位移云图 4 - 2 8 方案8 竖直方向位移云图 4 2 9 方案8 水平方向位移云图 4 3 0 方案1 1 竖直方向位移云图4 3 1 方案l l 水平方向位移云图 如图4 _ 2 1 图4 3 1 为方案2 、方案5 、方案8 、和方案1 1 的竖直方向和水平方 向的位移云图，由云图对比可以得出，先开挖浅埋侧主洞比先开挖深埋侧主洞的 围岩变形要小；无论使用哪种方案，深埋侧的水平收敛和底部隆起总是比浅埋侧 北京交通大学硕士论文 大很多，所以在施工中必须及时施作锚喷支护，及早施作仰拱，使支护形成一个 封闭的受力结构，达到限制围岩变形的效果：在施工过程中需要考虑偏压的影响。 而对偏压侧主洞提高支护参数 从位移云图可以明显看出，竖向位移主要集中在拱顶以上和仰拱以下的竖直 区域，以隧道拱脚为分界线。向上为底层沉降区域，向下为地层隆起区域，围岩 的沉降量和隆起量均随着隧道埋深的增加而增大，无论是深埋侧主洞还是浅埋侧 主洞的最大位移区域均偏向于中隔墙一侧，由于没有中隔墙底部的加强段，导致 墙体本身发生了较大的沉降，这是拱顶处位移较大的主要原因之一水平位移均 发生在拱脚处，先开挖深埋侧主洞时中隔墙的顶部发生向浅埋侧的较大位移，而 中隔墙的底部则移向深埋侧，先开挖浅埋侧主洞是中隔墙的顶部和底部均发生向 浅埋侧的位移，先开挖浅埋侧主洞的中隔墙倾斜度( 顶部和底部的相对位移) 较先 开挖深埋侧主洞的倾斜度要小很多。 4 2 2 空间效应研究 本节就左右主洞在错距不同距离时的情况下对围岩变形进行研究，根据上节 的分析可知，浅埋侧主洞先行比深埋侧主洞先行方案优越，所以本节选取先开挖 浅埋侧主洞方案，两侧主洞掌子面错距o 5 d ( 1 0 m ) 、1 d ( 2 0 m ) 、和1 5 d ( 3 0 m ) 进行分析比对。故而选取先后贯通中导洞、左导嗣、右导嗣的情况下右洞超前的 三种方案( 即方案4 、方案5 和方案6 ) 进行比对，确定不同开挖错距对围岩位移 和围岩应力的影响。在这三个方案中，支护参数相同，主洞开挖的上下台阶错距 相同，支护滞后距离相同开挖顺序相同，只有右侧主洞掌子面超前左侧主洞掌 子面的距离不同，其模拟结果充分体现了主洞开挖错距这一因素对山体围岩变形 和围岩应力的影响，由于在前1 5 0 步的运算过程中均为三个导洞旅工时的围岩变 形，所以在示意图去除了前1 5 0 步的变形，以便使结果对比更为清晰明了。 图4 - 3 2 左洞拱顶下沉( 测点1 ) 图4 - 3 3 右洞拱顶下沉( 测点7 ) 柏 第四章浅埋偏压段数值模拟 图4 3 4 左洞水平收敛( 测点2 )图4 3 5 右洞水平收敛( 测点8 ) 图4 3 6 左洞底部隆起( 测点3 )图4 3 7 右洞底部隆起( 测点9 ) 如图4 3 2 和图4 _ 3 3 所示，左右主洞掌子面错距相同时，左洞的拱顶下沉量和 右洞的拱顶下沉量基本一致，错距0 5 d ( 1 0 m ) 时左洞拱顶下沉量为6 9 0 2 n l m ， 右洞拱顶下沉量为7 0 7 6 m m ，错距1 d ( 2 0 m ) 时左洞拱项下沉量为4 9 0 5 m m ，右 洞拱顶下沉量为4 7 8 2 ，错距1 5 d ( 3 0 m ) 时左洞拱项下沉量为4 9 0 7 m m ，右 洞拱顶下沉量为4 7 8 4 咖，错距1 d 和错距1 5 d 的左洞拱顶下沉量和右洞拱顶下 沉量非常接近，相比之下，错距o 5 d 的拱顶下沉量较之另外两种方案增幅较大， 达到2 0 m m 以上。 如图4 3 4 和图4 0 5 所示，左右主洞掌子面错距相同时，左洞的水平收敛量比 右洞的水平收敛量大一倍，错距0 5 d ( 1 0 m ) 时左洞水平收敛量为5 2 8 5 m m 右 洞水平收敛量为2 6 4 m m ，错距1 d ( 2 0 m ) 时左洞水平收敛量为柏8 9 n i m ，右洞水 平收敛量为2 4 1 l m m ，错距1 5 d ( 3 0 m ) 时左洞水平收敛量为4 0 8 8 m m ，右洞水 平收敛量为2 4 1 3 衄，错距l d 和错距1 5 d 的水平收敛下沉量和右洞水平收敛量 非常接近，相比之下，错距o 5 d 的水平收敛量较之另外两种方案增幅较大，达到 1 2 m 以上 北京交通大学硕士论文 如图4 3 6 和图禾3 7 所示，左右主洞掌子面错距相同时，左洞的底部隆起量比 右洞的水平收敛量大一倍，错距o 5 d ( 1 0 m ) 时左洞底部隆起量为1 2 4 4 5 衄，右 洞底部隆起量为1 吣0 7 衄，错距1 d ( 2 0 m ) 时左洞底部隆起量为1 1 7 m m ，右 洞底部隆起量为9 1 0 6 咖，错距1 5 d ( 3 0 m ) 时左洞底部隆起量为1 0 0 3 m m ，右 洞底部隆起量为9 1 1 m m ，错距1 d 和错距1 5 d 的底部隆起下沉量和右洞底部隆起 量非常接近，相比之下，错距帖d 的底部隆起量较之另外两种方案增幅较大，达 到2 0 m m 以上。 综合以上分析数据可知，无论左右主洞错距多少，偏压导致深埋侧主洞的变 形比浅埋侧主洞大很多，在及时跟进支护后，左右主洞的拱顶下沉量基本保持一 致，但是深埋侧的水平收敛和底部隆起较之前埋侧仍有很大增幅。方案4 ( 错距 0 5 d ) 的变形较之方案5 ( 错距1 d ) 和方案6 ( 错距1 5 d ) 变形增幅较大，而后 两种方案的变形过程和最终位移量基本一致，所以在实际施工过程中，应该使左 右洞的掌子面错距保持在l d 以上，以避免施工过程中使围岩变形过大带来的不便 和隐患 4 2 3 围岩应力研究 施工过程中围岩的应力变化主要集中的在离隧道结构较近的区域，包括围岩 的加固区、拱脚区和仰拱区，以上区域在施工中的应力变化幅度占整个围岩应力 变化幅度的8 5 以上。施工过程中拱顶和掌子面的稳定关系到围岩的稳定和结构 的安全，虽然旌工过程中拱脚区和仰拱区围岩的应力变化幅度也比较大，但我们 更关心拱顶加固区的和掌子面围岩的应力变化，故本节对围岩应力的分析主要侧 重于围岩的加固区和开挖区，通过分析围岩不同施工阶段的竖向应力研究工序的 优劣。 通过对主洞开挖顺序研究中四种方案( 即方案2 、方案5 、方案8 和方案1 1 ) 的比对，和对空间效应研究中三种方案( 即方案4 、方案5 和方案6 ) 的比对可知， 主洞的开挖应该从浅埋侧开始，并且浅埋侧掌子面应该超前深埋侧掌子面1 倍洞 跨以上，本节选取错距相同、主洞开挖顺序不同的方案和开挖顺序相同、错距不 同的方案进行比对，分别分析这两种情况下的三种方案( 方案5 、方案6 和方案 1 1 ) 对围岩围岩应力释放规律进行分析研究。应力云图分析断面选取y = 4 0 米的断 面，先后分析旌工开始前的初始地应力场、导洞完工后的应力场、右洞( 浅埋侧 主洞) 完工后的应力场和施工全部完成后的应力场。 第四章浅埋偏压段数值模拟 图4 一鹅7 初始地应力场( y = l 米) 图4 3 9 导洞施工完成后围岩应力( y ：4 0 米) 北京交通大学硕士论文 图4 4 0 方案5 右洞开通时围岩应力( y = 哇。米) 图4 4 l 方案5 左洞开通时围岩应力( y ：4 0 米) 第四章浅埋偏压段数值模拟 图4 4 2 方案6 右洞开通时围岩应力( y = 4 0 米) 图4 - 4 3 方案6 左洞开通时围岩应力( y ：4 0 米) 北京交通大学硕士论文 图4 4 4 方案l l 右洞开通时围岩应力( y ：4 0 米) 图4 4 5 方案1 l 左洞开通时围岩应力( y ：4 0 米) 第四章浅埋偏压段数值模拟 如图4 3 踮图4 4 5 所示分别为初始地应力场，导洞完成后的地应力场，方案5 、 方案6 和方案1 1 的右洞开通后的竖向地应力场和左洞开通后的竖向地应力场，选 取范围以中隔墙拱脚中心为中心左右取4 0 米，上下取3 5 米，在旌工过程中围岩 的最大应力就集中在隧道周边的区域。由以上应力云图分析可知，应力值在整个 旄工阶段的变化主要集中在中隔墙、中黼墙顶部、中隔墙底部、两侧拱脚附近区 域和拱顶附近区域，虽然围岩应力在每个旌工阶段都有一定的变化，但变化较大 的区域主要集中在离当前施工较近范围的区域，由于偏压双连拱隧道特定的偏压 初始地应力场，施工各阶段围岩地应力场较等压时有其特殊的地方，在偏压边界 附近和离隧道较远的区域里围岩应力场的分布和变化以地形偏压为主。 通过对方案5 ( 浅埋侧主洞超前深埋侧2 0 米) 和方案6 ( 浅埋侧主洞超前深 埋侧3 0 米) 的各施工阶段的应力云图对比可知，掌子面错距的不同对于围岩应力 影响较小，隧道周边围岩的变化规律基本一致，只是在中隔墙的顶部和底部交化 有细微差别，但是总的规律一致，这两种施工方案的中隔墙应力偏压较为严重， ! 顶部和底部均有较大的应力集中，在右主洞开挖完成后，中隔墙顶部和底部的围 岩两侧应力不对称，左侧围岩应力明显大于右边，而在左洞开通之后，中隔墙顶 部和底部的围岩两侧应力基本对称，左洞( 深埋侧主渝) 拱顶的围岩应力比右洞 ( 浅埋侧主洞) 大。所以，主洞掌子面的错距在大于1 倍洞跨时的围岩应力场变 化基本一致，掌子面错距这一因素对围岩应力场影响较小。 通过对方案5 ( 左侧导洞先行) 和方案1 1 ( 右侧导洞先行) 的各施工阶段的 应力云图对比可知，导洞开挖顺序的不同对于围岩应力影响较小，隧道周边围岩 的变化规律基本一致。导洞开挖顺序这个因素相比偏压因素的只产生较小的应力 场区别。在中隅墙的项部和底部变化有些差别，大致规律基本一致，这两种施工 方案的中隔墙应力偏压均较为严重，顶部和底部均有较大的应力集中，在主洞开 挖过程中，中隔墙顶部和底部的围岩两侧应力不对称，左侧围岩应力明显大于右 边，在主洞开挖完成后，中隔墙顶部和底部的围岩两侧应力基本对称，左洞( 左 侧导洞先行) 拱顶的围岩应力比右洞( 右侧导洞先行) 大。所以，先开挖浅埋侧 导洞还是先开挖深埋侧导洞对于围岩应力场影响不大。 4 3 本章小结 本章通过对1 2 种方案的对比分析，对施工的不同阶段围岩变形、围岩应力进 行了分析研究。 在4 1 节对导洞施工力学的研究，并不能得出两种不同施工方案的明显差异， 两种施工方案的围岩变形和围岩应力基本一致，没有较大差异，所以4 2 节结合主 北京交通大学硕士论文 洞的开挖支护，制定了1 2 种方案，在研究主洞施工力学的同时，仍然考虑了导洞 施工方法的影响，进一步研究三个导洞施工的不同方案的优劣。得出结论如下： ( 1 ) 浅埋偏压条件下在导洞施工阶段，深埋侧和浅埋侧导洞的先后开挖顺序 无关紧要，对隧道变形影响较小，旌工完成后两种方案围岩应力大小和分布规律 基本一致。 ( 2 ) 在偏压的影响下，深埋侧主洞的拱顶下沉、周边收敛和底部隆起量均是 深埋侧主洞比浅埋侧主洞大很多，所以施工中应该提高深埋侧主洞的支护参数， 以确保施工安全顺利的进行。 ( 3 ) 主洞的开挖顺序不同对隧道变形有较大影响。由于深埋侧主洞的隧道变 形较大，以深埋侧主洞的隧道变形大小为衡量标准，浅埋侧主洞先行开挖时有利 于控制隧道的变形。 ( 4 ) 掌子面错距不同对隧道的变形影响较大，由分析可知，掌子面错距在l 倍洞跨以上时隧道变形相对较小，能够有效减小左右洞施工的互相干扰和影响。 ( 5 ) 由于施工工序复杂受到多次扰动，各个不同施工阶段的隧道周边围岩应 力特征较为复杂，隧道左右主洞的拱顶和底部的应力较大，在中隔墙的顶部和底 部有明显的偏压特征，施工结束后中隔培右侧( 浅埋侧) 呈现明显的偏压。 ( 6 ) 主洞开挖后底部隆起量较拱顶下沉量要大很多，所以在施