（岩土工程专业论文）富水强风化花岗岩地层浅埋大跨隧道施工地层变形机理研究.pdf

中文摘要 摘要：随着我国城市地下交通工程的迅速发展，相应出现了诸多新的施工技术问 题急需解决：一方面，大断面隧道不断涌现，而受城市环境的限制，施工引起的 地面沉陷往往有严格的控制要求；另一方面，针对不同区域的地质条件，施工时 采取的处理措施各不相同。本文以厦门机场线( 仙岳路演武大桥) j c 3 标浅埋暗 挖隧道为背景，利用理论分析、室内土工试验、数值模拟和现场实际施工验证等 相结合的方法，对在广泛分布于我国东南沿海的富水强风化花岗岩地层中修建的 国内文献中未见报道的大断面小间距隧道施工地层变形机理及控制技术进行了专 门研究，成功的指导了施工，并可以在以后的工程中推广应用。通过综合技术研 究，取得以下研究成果： ( 1 ) 对浅埋暗挖隧道上覆地层结构特征进行理论分析，指出控制地层变形的 前提是对其力学特性进行充分研究；核心是对已开挖段提供及时的变形约束和对 掌子面前方破裂段实施超前预变形约束。 ( 2 ) 研究了强风化花岗岩的物理力学特性。结果表明，其整体抗剪强度较差。 试样在含水率较低时( 1 4 ) ，内摩擦角较大而粘聚力很低；随着试样含水率的增 加，粘聚力将显著增加，而内摩擦角变化并不明显，直至接近塑限( 1 9 - - 2 0 ) ； 当试样含水率超过塑限后，由于内部孔隙贯通，导致内摩擦角急剧降低，抗剪强 度变差，而这时的粘聚力变化则并不明显；其在水中的崩解过程分为缓慢剥落、 块状崩落、整体崩解三个阶段；并根据实验结果分析了富水强风化花岗岩地层堵 水加固的机理及措施。 ( 3 ) 数值模拟分析了隧道几种开挖顺序对地表沉降的影响，指出小间距隧道 采用c r d 法施工时，将远离中隔岩柱的导洞同时开挖，对地表的最终沉降影响比 左右洞分别开挖略有增加，但只要支护得当，地面沉降仍可控制在允许范围内， 同时能显著提高施工进度。 ( 4 ) 数值模拟分析了隧道开挖的空间效应。通过全断面注浆，不仅能够控制 掌子面的稳定性，而且能够显著降低地表沉降，这也证实了理论分析的结果。 关键词：富水地层；强风化花岗岩；大跨隧道；浅埋暗挖法；地层变形；土工试 验；数值分析；现场试验 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f t h eu r b a nu n d e r g r o u n dt r a f f i ce n g i n e e r i n g i nc h i n a , al o to fn e wc o n s t r u c t i o np r o b l e m sa r ec o m i n g ：o no n e h a n d ，l a r g e s p a n t u n n e l se m e r g ei nl a r g en u m b e r s ，b u tu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h eu r b a ne n v i r o n m e n t ，t h e g r o u n ds e t t l e m e n ts h o u l db es t r i c t l yc o n t r o l l e d ；o nt h eo t h e rh a n d ，b a s e do nd i f f e r e n t g e o l o g yc o n d i t i o n s ，d i f f e r e n tm e a s u l - t , = e s 3s h o u l db ep u tf o r w a r dd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n b a s e do nt h eb a c k g r o u n do f m i n i n ge x c a v a t i o no fs h a l l o wt u n n e lx i a m e na i r p o r tr o a d ( f r o mx i a n y u er o a dt oy a n w ub r i d g e ) ，u s i n gt h em e t h o d so ft h e o r ya n a l y s i s ，s o i lt e s t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ea c t u a lc o n s t r u c t i o ns i t ev e r i f i c a t i o n , a n ds oo n , t h i sp a p e ra i m s a tt h em e c h a n i s ma n dc o n t r o l l i n go f t h es t r a t u md i s p l a c e m e n tc a u s e db yt h el a r g e s p a n a n ds m a l li n t e r v a lt u n n e lc o n s t r u c t e di nt h ei n t e n s e l yw e a t h e r e dg r a n i t ew i ma b u n d a n t w a t e ri ns o u t h e a s tc o a s t a la r e a so fc h i n a , w h i c hi ss e l d o mr e p o r t e di nl i t e r a t u r eo f d o m e s t i ca n df o r e i g n i tn o to n l ys u c c e s s f u l l yd i r e c t e dt h ec o n s t r u c t i o n , b u ta l s oc a nb e a p p l i e di nt h ef o l l o w i n gp r o j e c t t h r o u g hac o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g yr e s e a r c l l ， a c q u i r e dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w ： f i r s t l y , b ya n a l y z i n gt h es t r a t u ms t r u c t u r eo ft h en l i i l i n ge x c a v a t i o no fs h a l l o w t u n n e l s o v e r l a ye a r t h ，p o i n to u tt h a ts t u d y i n go nt h em e c h a n i c sc h a r a c t e ro ft h es t r a t u m i st h ep r e m i s ef o rc o n t r o l l i n gt h ed i s p l a c e m e n t ；t h ec o r ei st og i v eb i n d i n gf o r c ef o rt h e e x c a v a t e da r e aa n dg i v ep r e - b i n d i n gf o r c ef o rt h eb r e a ka r e ab e f o r et h ep a l mf a c e s s e c o n d l y , s t u d yo nt h em e c h a n i c so f t h ei n t e n s e l yw e a t h e r e dg r a n i t e t h er e s u l t s s h o wt h a tt h es h e a rs t r e n g t ho f t h es p e c i m e n sw a sl o w i f t h ew a t e rc o n t e n tw a sl o w e r t h a n14 ，t h ec o h e s i v es t r e n g t hw a sh i g ha n dt h ea n g l eo fi n t e r n a lf r i c t i o nw a sv e r yl o w ； a st h ew a t e rc o n t e n ti n c r e a s i n gt ot h ep l a s t i cl i m i t ( 19 ，2 0 ) ，t h ec o h e s i v es t r e n g t h w a si n c r e a s e do b v i o u s l ya n dt h ea n g l eo fi n t e r n a lf r i c t i o nw a sc h a n g e da l i t t l e ；w h e nt h e w a t e rc o n t e n tw a sh i g h e rt h a nt h ep l a s t i cl i m i t ，t h ea n g l eo fi n t e r n a lf r i c t i o nr e d u c e d r a p i d l yb e c a u s et h ei n s i d ep o r ew a st h r e a dt o g e t h e r t h es p e c i m e n s c o l l a p s ep r o c e s sc a l l b ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ：s l o w l yp e e l e do f f p i e c e m e a lc o l l a p s e da n dm o n o l i t h i c l y c o l l a p s e d ；a n d a tl a s t , a n a l y z e dt h em e c h a n i s ma n dm e a s u r e so fc o n t r o l l i n gt h e a b u n d a n tw a t e ra n dr e i n f o r c i n gt h ei n t e n s e l yw e a t h e r e dg r a n i t e t h i r d l y ，s t u d yo ng r o u n ds i n k i n gw h i c hi sc a u s e db yd i f f e r e n tw a y so fc o n s t r u c t i o n b yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n p o i n to u tt h a ti ft h es m a l li n t e r v a lt u n n e lc o n s t r u c t e db y c r d ( c e n t e rc r o s sd i a g r a m ) m e t h o d ，c o m p a r e dw i t hs o l e l ye x c a v a t e dt h et w ot u n n e l s ， e x c a v a t e db o t ht h el i f ta n dr i g h ts i d e sp i l o th e a d i n g sw h i c hw e r ef a rf r o mt h er o c kp i l l a r b e t w e e ns m a l li n t e r v a lt u n n e l sa tt h es a m et i m ec a u s eal i t t l eg r e a t e rg r o u n ds i n k i n g ，b u t 硒l o n g 硒t h et u n n e li ss u p p o r t e dp r o p e r l y , t h es e t t l e m e n tc a l ls t i l lb ec o n t r o l l e di ns c o p e p e r m i t t e d ，a n di tc a na l s oo b v i o u s l ys p e e du pt h ec o n s t r u c t i o n f o u r t h l y , a n a l y s i st h es p a t i a le f f e c t sw h e ne x c a v a t i n gt h et u n n e l st h r o u g h3 一d f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n f u l l c r o s s s e c t i o ng r o u t i n gc a l ln o to n l yc o n t r o lt h es t a b i l i t y o ft h ep a l mf a c e s ，b u ta l s oo b v i o u s l yr e d u c e dt h eg r o u n ds i n k ，a n di ta l s oc o n f i r mt h e r e s u l t so ft h et h e o r ya n a l y s i s k e y w o r d s ：s t r a t u mw i t ha b u n d a n tw a t e r ；i n t e n s e l yw e a t h e r e dg r a n i t e ；l a r g e - s p a n t u n n e l ；m i n i n ge x c a v a t i o no fs h a u o wt u n n e l s ；s t r a t u md e f o r m a t i o n ；s o i lt e s t ； n u m e r i c a la n a l y s i s ；i n - s i t et e s t c i 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) 学位论文作者签名： 黻 签字日期：w ，矿年f 月7 日 导师签名 期瓣钿广 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名： 签字日期： 渺夕年歹月7 日 致谢 本论文是在导师黄明利教授的悉心指导下完成的，从选题、资料收集、现场 实验、科研直到最终定稿，其间的每一个环节都凝聚着导师的心血。导师严谨的 治学态度、高屋建瓴的学术见解、求实创新的工作作风以及谦逊无私的高尚人格 魅力给我留下了深刻的印象，是我一生取之不尽、用之不竭的宝贵精神财富，也 将激励我以后在学习和工作上不断努力拼搏。两年来，在导师的亲切关怀和谆谆 教诲下，我取得了长足进步，在此成文之际，谨向导师表示诚挚的感谢和崇高的 敬意! 感谢谭忠盛教授、项彦勇教授、何平教授、傅洪贤教授，两年来，他们在我 的学习、科研上给与了很大的关心和帮助：同时也感谢学院从事研究生管理的各 位老师，正是他们默默无闻的工作，给我创造了良好和舒适的求学环境。 在现场试验和撰写论文期间，得到了厦门机场线j c 3 标段项目部、科研部工 作人员的大力支持和帮助；师兄徐恒国，师弟黄烨、于清浩、王飞也帮助我做了 许多工作，在此谨向他们表示深深的谢意和良好的祝愿。 求学期间，同学问的真挚情谊是珍藏在我心中的最美好回忆，由衷的感谢他 们的关心和帮助，他们是聂楠、黎新亮、夏瑞萌、崔亚男、杜超、席连海， 在此祝他们前程似锦! 深深感谢为我的成长呕心沥血的父母和一直关心和支持我的所有亲人，没有 他们就没有我的今天和未来，他们永远是我不断进取的动力。 最后，感谢各位专家、教授在百忙之中对我的论文进行评阅和批评指正，恳 请您们提出宝贵意见。 路威 2 0 0 8 年5 月于交大红果园 1 绪论 1 1问题的提出 进入2 1 世纪以来，随着我国经济的发展和综合国力的不断增强，我国的城市 地下交通工程得到了飞速发展。截至2 0 0 7 年底，中国大陆共有近7 0 0 k m 的轨道交 通线路在运营。除北京、上海、广州、天津、大连、深圳、南京、重庆等已有地 铁的城市仍在进行继续修建外，青岛、沈阳、西安、杭州、成都、武汉等约2 0 个 大中城市都进行了轨道交通系统的规划，部分城市已经开始进行全面的施工建设。 与此同时，厦门、青岛两个城市正在进行着大规模的海底隧道施工建设，大连湾 海底隧道也已进入了开工前的最后准备阶段。可以预见，2 1 世纪必将成为城市地 下工程建设的高峰时期。 当然，大规模、高难度的工程项目建设也为我国地下工程施工技术的发展和 完善带来了前所未有的机遇和挑战。中国工程院院士王梦恕根据我国山岭隧道硬 岩新奥法施工的经验，并结合我国国情和水文情况所创立的地下工程浅埋暗挖施 工技术在得到广泛应用的同时，在理论和技术上也得到了不断的完善，形成了一 套完整的配套技术。它基于新奥法的基本原理，从保护围岩、充分调动和发挥围 岩的自承能力的角度出发，形成了以超前小导管支护为主的施工技术。它包括“8 字形网构钢拱架设计与制造技术、正台阶环形开挖留核心土施工方法以及相应的 检测仪器、监测方法和用变位进行反分析的计算方法。它强调了新的施工要点， 突出时空效应对防止塌坊的重要作用，提出了在软弱地层必须快速施工的理念。 以北京地铁工程为背景总结形成的“隧道与地铁浅埋暗挖工法 ，已经被国家建设 部批准为国家级工法，该工法正式提出的“管超前、严注浆、短进尺、强支护、 早封闭、勤量测十八字方针，广为流传，推动了该工法的广泛应用。 浅埋暗挖法的出现毫无疑问提高了现代隧道的修筑水平，施工技术乃至隧道 设计思想方面都发生了重大变革，成为当今隧道修筑的主要施工方法。它不拘泥 于一种具体的施工方法或开挖、支护技术，而应理解为一种“原则 ，一种“概念， 或者说是一种“综合途径。其基本精神只有一条：运用各种手段( 开挖、支护、现 场监测及地层的预处理等方面) 控制围岩的变形，最大限度地保护和调动围岩的自 承能力。 随着城市地下空间的大力开发和利用，城市地下工程浅埋暗挖施工又出现了 新的问题：随着我国城市基础设施建设高潮的到来，大断面小间距隧道的数量急 剧增长，隧道多导洞开挖所造成的相互影响给施工带来了很大难度，地层的变形 难以控制，但是由于受城市条件的制约，对地表沉降往往有严格的要求，这给施 工带来了很大的挑战；此外，在我国地下工程设计中，往往采用工程类比法，由 于地层条件复杂多变，导致设计中的支护参数带有很大的盲目性，而且偏于保守， 因此控制围岩的变形，维护施工过程中的地层稳定，保证工程的安全、经济也成 为一项重要课题。 因此，本论文依托北京交通大学隧道中心承担的课题，对在我国东南沿海广 泛存在的富水强风化花岗岩地层条件下修建的浅埋大跨隧道施工过程中的地层变 形机理及控制技术进行专门研究。有关这类问题的理论建立和问题的解决，将为 我国东南沿海城市隧道工程中遇到类似难题提供依据。 1 2研究现状 1 2 1 风化花岗岩物理特性研究现状 风化花岗岩作为花岗岩风化壳的一部分，由于其工程性质的多变性和工程地 质因素的区域性而受到了极大的关注。自上世纪8 0 年代以来，世界上很多国家， 例如英国、美国、新加坡、土耳其、印度等都开展了花岗岩风化壳的研究工作； 在我国，风化花岗岩地层广泛分布在长江以南的云南、贵州、湖南、江西、福建、 广西、广东和海南等几个省，其中很多省份也开展了花岗岩风化壳工程地质性质 的研究工作。 通过查阅资剃2 1 1 1 ，对目前专家学者、科研工作者在花岗岩风化问题和地理信 息系统应用研究两方面所开展的科研活动进行回顾与总结，可以看到在花岗岩的 岩石学、地球化学、矿床学、土壤学、地貌与第四纪地质等方面取得了令人瞩目 的科研成果，地理信息系统在理论的建设，工程实际应用上面取得了非常大的进 展，但仍有不足，主要包括以下两个方面： ( 1 ) 目前对于花岗岩风化壳的研究集中在花岗岩残积土方面，针对全风化花 岗岩等其他风化带的研究还不是很多，特别是富水风化花岗岩地层的工程特性研 究，国内外鲜有报道； ( 2 ) 由于花岗岩风化壳的形成过程与历史气候条件、地貌条件、历史地理环 境条件和不同类型花岗岩母岩有关，因此目前的研究主要是以点带面式的研究， 即通过具体地点开展的研究，对特定地区花岗岩风化壳的化学、矿物学、结构变 化特征等指标的研究十分广泛，但是对我国分布面积广大的花岗岩风化壳而言， 需要多开展特定地区发育的花岗岩风化壳工程特性研究工作。 2 因此，对于在富水风花花岗岩地层中修建的浅埋暗挖隧道地层变形控制，必 须首先对该地层的工程特性进行研究。 1 2 2 浅埋隧道地层稳定性研究现状 对浅埋隧道开挖引起的地层应力与变形认识，国内外在模型试验、数值模拟 以及现场量测方面都开展了大量工作【1 2 - 2 7 。这里就各方面有代表性的文献概述如 下： 在模型试验方面，日本对软弱或砂质地层隧道开挖的围岩动态，进行了一系 列覆跨比( z d = o 纠，z 为隧道埋深，d 为隧道开挖直径) 的模型试验。研究表 明：隧道开挖时，工作面围岩的水平、垂直位移都比较大。特别是工作面的上 半部，集中了很大的变形量，是隧道开挖最危险的区域；隧道开挖后，上方围 岩发生松动，松动范围与隧道埋深以及几何尺寸有关。对软弱或砂质地层，松弛 区域高度约为隧道开挖直径的两倍。 俄罗斯针对上覆有饱水砂层的粘土隧道开挖，对其应力与变形问题，做了比 较系统的模型试验( 相似比l ：2 0 ，覆跨比1 7 5 ) 。实测的拱顶上部l m 处的围岩 应力分布规律为：随隧道推进，上覆地层产生了“应力波形一。在工作面前方4 m - - - 9 m 处，围岩应力较原始应力增加7 1 8 ，在工作面前2 m 4 m 处达到最大值； 然后在工作面前0 5 m 一- 2 5 m 距离处降低到原始应力，并在已安装的衬砌处降到原 始应力的4 0 5 0 。在开挖面处为原始应力的7 0 - - - 9 5 。工作面通过一段距离 后，围岩应力逐渐增加而接近原始应力。而变形测点表明，无支护空间愈大，围 岩的松弛区域愈大，短开挖有利于工作面的稳定。 在数值模拟方面，正如n e g r o ( 2 0 0 0 ) 的评论，尽管文献甚多，但大都基于有 限元( 大部分为2 d 分析) 对施工后的浅埋隧道给予地层变位与施工变形量测的比 较研究，而未能就施工中的隧道围岩动态问题进行分析。这方面有代表性的文献 如樱井( 1 9 8 8 ) 基于监测资料与有限元模拟对浅埋( 覆跨比为1 ，砂粘土地层) 隧 道开挖中的围岩动态作了研究。其结论是：对浅埋隧道，采用超前锚杆或管棚 及喷射混凝土等预加固技术，可保证隧道开挖过程中的围岩稳定；当开挖面接 近l d = - o 5 左右时( l 为测点距工作面的距离) ，地表即首先开始发生下沉，随之 发生围岩内部下沉。当l d = 一0 2 左右时，围岩内部的下沉速度变大，且与地表发 生相对位移。当l d = o 2 o 5 时，围岩内部的相对位移为最大。当l d = i 0 左右 时，则增量消失；对浅埋隧道，拱部上方0 。5 d 处能形成地层拱；支护未起作 用之前的地表下沉量为总下沉量的3 0 似o ，而围岩内部( 拱顶) 则为5 0 7 0 。 因此为了控制地表下沉，超前预加固措施是重要的。 3 o r e s t e 等( 1 9 9 9 ) 利用f l a c - 3 d 分析了粘性土和无粘性土，覆跨比z d 分别 为1 、2 、5 条件下，隧道的应力与变形规律。研究认为：对无粘性土，若不进 行地层预加固，则隧道开挖形成的塑性域，即使覆跨比为2 ，也能达到地面，而有 预加固后则可控制；对粘性土，塑性域的扩展明显不同于无粘性土，其趋势是塑 性域集中在工作面前方而很少向上部扩展，认为与深埋隧道规律一致；对无粘 性土，若正面采用锚杆预加固，则开挖面前方8 m 处的应力即恢复为原始应力条件； 而对粘性土，在没有正面锚杆的条件下，应力集中位于开挖面前方1 d 位置。 国内这方面，中铁1 6 局以及刘维宁等利用3 d 有限元对浅埋隧道的施工效应 进行了分析。研究认为：施工开挖的超前影响大于一倍洞径，对工作面后方洞室 稳定的影响范围约1 5 2 o 倍洞径，其最大变形约在工作面洞室的0 5 1 0 倍洞 径处。 在现场量测方面，国内8 0 年代铁道部复合衬砌研究专题组，曾对南岭、下坑、 普济、腰岘河等山岭隧道的进出口浅埋段利用拱部钻孔预埋变形和应变元件，以 及声波和电阻率等量测技术对工作面开挖前后围岩的变形动态作了专项研究。大 量的实测资料表明：在开挖面前方( 1 0 2 0 ) d ( 软弱地层( 2 0 3 0 ) d ) 处， 围岩开始变形呈相对压密状态。开挖面通过后，围岩变形剧烈，由压密变为松弛， 距离开挖面( 2 o 4 0 ) d 后，围岩变形基本稳定。 王梦恕等通过军都山隧道浅埋段以及北京地铁复兴门折返线的现场量测，认 为地铁隧道横向地表沉降槽符合p e c k 正态分布曲线，隧道轴线纵方向地表下沉分 三个变形阶段：前方隆起段( 测点距工作面距离一1 5 d 一o 5 d ) ；急剧变形阶 段( 一0 5 d 1 o d ) ；收敛变形阶段( 大于1 o d ) 。同时围岩应力量测表明，浅 埋隧道地层也存在承载拱效应。上述规律也在广州地铁实测中得到验证。如广州 地铁l 号线林和村段，不同地层条件下的实测值分别为6 3 ( z d 为1 2 3 ，隧道 下半断面为风化岩层) 和3 l ( z d 为1 1 7 ，隧道下半断面处于粘土层上) 。国外 统计的2 0 个城市环境条件下的浅埋隧道，其围岩径向应力与上覆地层荷载比值为 2 3 7 9 。 上述研究，无疑为研究浅埋隧道开挖的地层动态，提供了许多有价值的观点。 但我们应该注意到，上述研究对讨论隧道工作面在开挖通过前、通过中、通过后， 地层的响应规律分析尚不完整，难以得出浅埋暗挖隧道施工过程中的地层变形规 律，因而也无法提出有针对性的控制地层变位、发挥地层稳定的方案，所以，需 要建立地层结构模型，分析浅埋隧道地层变形的力学原理，对这一问题进行进一 步的研究。 1 。2 3 大断面小间距隧道的研究现状 4 随着我国经济的发展，基础设施建设迎来新的高潮，大跨度、大断面隧道的 数量急剧增长。一方面，由于隧道跨度增大，引起开挖断面面积大幅度增加，工 程量和工程造价也会随之大幅度上升，经济性方面要求应尽量以低扁平率( 高度 与最大跨度之比) 来降低造价：另一方面，在这种条件下修建隧道，在技术上会 造成很大困难。对已建成的为数不多的浅埋大跨度隧道，也尚未开展全面深入的 科研工作，可借鉴的工程经验极少。根据已收集的资料【2 ”1 1 ，欧美及日本等国正 在修建的新的高速路网中，近几年开始大规模修建三车道公路隧道，随着这类隧 道数量的增加，各国均把大跨度、大断面隧道作为重点课题，组织力量进行研究。 如日本公路公团直至现在针对第二东( 京) 一名( 古屋) 、名( 古屋) 一神( 户) 高速公路中将出现大量三车道大断面隧道，并专门成立了以相关大学、研究所、 设计、施工单位为主体的研究委员会，从降低扁平率着手对相应的设计施工问题 正在展开研究。但严格地说，修建此类隧道的技术研究各国都不充分。对于不同 围岩条件下，设计施工方案也不相同，因此可利用施工监控量测体系、监控基准 和信息反馈等手段来研究这些重大技术问题。 小间距隧道【3 瑚】，在日本及欧美等隧道修建技术比较发达的国家，从7 0 年代 就已经开始了研究。日本铁道技术学会于7 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，则为开挖宽度的五倍，并且规定平行公路隧道的 中心距为3 0 米( 约为开挖宽度的三倍) ，国铁单线隧道的标准净距是2 0 米。t 川 田等结合田真新镇干线公路上的尾山大理隧道对小净距隧道设计、开挖方式进行 了系统研究；h i r o s h ik u r i y a m a 等人结合福岗市地铁3 号线对中岩墙加固方法、 监控量测进行了研究，并进行了三维数值模拟分析；今田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。同时，日本在1 9 8 7 年出版了近接施工的设计与指南一书，对小间距隧 道近接施工问题进行了论述，并初步给出了隧道结构相互影响的基本条件、影响 范围的分类及划分、影响预测和施工对策。 在我国，小间距隧道做为新的结构形式，出现的历史较晚。但是，近年来， 随着我国城市地铁地下工程建设的飞速发展，深圳、广州、南京、北京等地铁的 修建过程中，均出现了近距离施工和交叉重叠隧道的情形，给施工带来很大挑战。 因此，需要对双洞小净距隧道设计、施工关键技术、合理施工工序和施工方法、 施工过程中的相互影响评价及控制标准、施工监控量测管理体系和监控基准等进 行全面研究。 综合分析可知，大断面小间距隧道在施工过程中，不仅同时具有大跨隧道和 小间距隧道各自的力学问题，同时由于相互影响，导致这些问题加剧。 ( 1 ) 开挖引起围岩应力重分布加剧 根据弹性力学的解答，在隧道为圆形( 或近圆形) 、围岩为完全弹性体的情 况，在侧压力系数为1 作用下，隧道周边的最大主应力大致为原始应力的2 倍， 当围岩的单轴压缩强度低于重分布后的应力时，围岩开始进入塑性。根据有限元 分析结果，在隧道以扁平率0 6 5 开挖时，当侧压力系数为1 时，开挖引起的隧道 周边围岩应力重分布为原始应力的3 倍左右，当侧压力系数为0 7 时上升至4 倍， 如以o 6 0 的扁平率、o 5 以下的侧压力系数计算，围岩的应力重分布增幅更加剧 烈，甚至可能会出现塑性流动区域或较常规双线隧道增加数倍。 ( 2 ) 变形及总体失稳形态产生变化 如前所述，对于低扁平率大跨隧道，除两侧部因应力重分布而导致应力剧增 外，因开挖跨度大，支护与围岩的联合结构体中产生的压力区域也增大，并集中 传递到侧部或拱脚处压向围压，尤其是浅埋隧道，在侧压力系数较小，以竖向应 力为主的情况下，不同于常规隧道结构，水平位移甚至会出现向着围岩的方向变 形，从而在失稳模式上有别于一般隧道。 ( 3 ) 松弛压力增大引起局部失稳 对于浅埋隧道，由于开挖跨度大，较难形成围岩的拱部效应，对于条件差的 地层，可能会出现小型塌方，如果不及时控制，甚至诱发大塌方，给工程带来灾 难性破坏。因此需要人为进行地层加固来促成这一效应，如果加固手段不合理， 隧道结构有可能会承受上覆土柱的全部重量，这不仅会降低施工期间的安全性， 还会给二次衬砌造成很大负担。 ( 4 ) 多导洞开挖造成的相互影响 对于大跨隧道，往往采用分步开挖，施工会对地层会产生二次甚至多次扰动， 理论上难以计算出多次扰动后地层中的应力分布，给支护结构设计和施工控制带 来困难。 1 3 所依托的工程背景 本论文以厦门市成功大道( 仙岳路演武大桥) 机场路一期工程j c 3 合同浅 埋暗挖区间隧道为背景。 j c 3 合同段起讫里成为k 7 + 0 1 8 一k 8 + 1 5 0 ，单线全长11 3 2 米，其中梧村山隧道 浅埋暗挖段右线起点y k 7 + 5 0 0 ，左线起点z k 7 + 4 8 5 2 ，终点里程均为k 8 + 1 5 0 ，单线 长6 5 0 m ，如图1 1 所示。 6 图1 1j c 3 标段暗挖段平面示意图 该区间隧道的设计为双线六车道，单洞断面开挖宽度约1 6 m ，高度约1 2 m ，开 挖面积超过1 3 0 m 2 ，隧道埋深l o 6 r 一2 0 m ，按照国际隧道协会制定的“隧道断面划 分标准 ，该隧道属于大跨度隧道。同时，双线隧道部分地段平均净距不足1 5 0 c m ， 按照隧道设计规范，属于小间距隧道。 在隧道的设计中，根据施工特点，关于埋深也有了很多的提法，如深埋、浅 埋、超浅埋等等，埋置深度不同，隧道的设计和施工方法也有很大区别。按照铁 路隧道设计规范( t b l o 0 0 3 2 0 0 1 ) 规定，当单线或双线隧道拱顶埋深小于： 级围岩5 _ _ 7 m 、i v 级围岩1 卜1 4 m 、v 及围岩1 8 - 2 5 m 、级围岩3 5 _ - 4 0 m 为浅埋 隧道。同时，中国工程院院士王梦恕综合考虑了围岩级别、施工工艺、隧洞直径 ( d ) 之间的关系，给出了深埋浅埋隧道分界深度的建议值：级围岩钆6 d ，v 级 围岩2 扣3 5 d ，级围岩1 5 2 5 d ，m 级围岩0 5 - 1 0 d ，i i 级围岩0 3 o 5 d ， i 级围岩0 1 5 o 3 d ；若采用新奥法施工，光面爆破，且施工技术水平高，则可取 小值，否则应取大值。本工程中，隧道单洞跨度约1 6 米，埋深仅为1 0 心o 米， 根据上面的划分方式，应属于浅埋隧道。 隧道纵向地质剖面图如图1 2 所示。隧道洞顶围岩以泥质粗砂、残积亚粘土、 强风化花岗岩为主，洞身围岩主要以砂砾状强风化花岗岩、强风化闪长岩为主， 局部为微风化花岗岩；基底围岩主要为砂砾状强风化闪长岩和花岗岩，围岩为v ，洞室围岩稳定性很差；工程区间地下水位埋深弘5 m ，地下水属于潜水类型， 部分区段不采取任何止水措施的涌水量及富水程度如表i - i 所示： 表卜i 隧道涌水量及富水程度表 7 右洞 y k 7 + 5 0 0 。7 + 5 6 0 z k 7 + 5 6 0 7 + 5 7 2 v 0 2 0 3 9 1 7 1 0 4 3 强 强 霭毒 湃嚣 篙毛 酲 纂 够 8 徽缎搿鬈撼麓 舻镁艇缀搿叛 激嘛警钕咿彩瞄群酥 嗽缎薯暇 醛眩箍憋嚣星番no匦 本区间隧道位于厦门市中心地带，隧道所处的地面环境复杂，两侧多为3 7 层老旧民用住宅，结构安全度低，因此在施工时要有足够的安全保证措施，同时， 隧道在里程k 7 + 6 5 1 一k 7 + 6 7 0 处要斜穿一栋七层砖混结构住宅楼，勘查发现该楼屋 顶楼板钢筋锈蚀严重，混凝土保护层严重脱落，可明显看见钢筋外漏，因此，施 工时要制定严格的地层沉降控制措施，保证隧道穿越过程中楼房结构的安全稳定。 小间距c r d 法施工的隧道支护参数如表1 - 2 所示。 表1 - 2 隧道支护参数表 1 4 本论文的研究内容及方法 1 4 1 本论文的研究内容 浅埋大跨小间距隧道的基本特点是作业面小，工序流程多，地质影响范围大， 多导洞开挖造成的相互影响使地层变形更难以控制；同时，由于本工程所处的地 理位置和地质条件，对工程本身的施工控制提出了更高的要求，因此需要详细研 究，在满足工程本身施工的安全基础上，为以后的类似工程提供理论指导。本论 文主要研究以下内容： ( 1 ) 根据浅埋暗挖隧道施工过程中围岩应力变化规律，建立隧道地层径向和 纵向结构模型，分析浅埋暗挖隧道施工过程中地层变形的力学原理及地层稳定的 影响因素； ( 2 ) 研究本工程浅埋暗挖段强风化花岗岩的物理力学特性，特别是水稳定性， 并根据研究结果，分析富水强风化花岗岩地层的堵水加固机理及措施； ( 3 ) 采用数值模拟分析，对大跨度隧道施工关键步序进行优化： ( 4 ) 对实际工程进行现场监测，根据监测数据对研究成果进行检验，并为以 9 后施工提供指导。 1 4 2 本论文的研究思路 本论文的思路如下图所示： 实测隧道拱顶 围岩压力荷载 浅埋隧道地 层变形规律 室内试验 分析隧道施工过程 中围岩应力变化 分析浅埋隧道地 层径向结构特征 分析浅埋隧道地 层纵向结构特征 浅埋隧道地层变形力 学原理及影响因素 强风化花岗岩 地层工程特性 含水率对 强风化花 岗岩抗剪 强度指标 的影响 强风化 花岗岩 的水稳 定性 强风化 花岗岩 的基本 物理力 学指标 模型参数 富水强风化花岗岩地层i 加固方案 堵水加固机理及措施i 综合比较分析 数 值 模 拟 强风化花岗岩地层大跨 隧道施工关键步序优化 隧道开 挖工序 优化分 析 开挖方案l 加固 i 隧道 叫方式 f 比较 数值模拟计算结果 富水强风化花岗岩地层浅埋大 跨隧道地层变形机理及控制 剑嚣鬻裟嚣 l 段工程进行现场监测 图1 3 论文研究内容及思路图 l o 2 浅埋隧道上覆地层变形力学原理 2 1隧道围岩的应力分析 2 1 1 隧道开挖后围岩的应力状态 在隧道开挖之前，岩体处于静止平衡状态，在隧道开挖以后，岩体的初始应 力场遭到破坏，隧道周围各点的应力状态发生变化，产生了变形，围岩应力在隧 道变形过程中重新调整，并达到新的平衡。在隧道围岩应力调整过程中，会产生 应力释放，并可能导致隧道的崩塌破坏，因此，围岩的应力状态与相应的隧道稳 定程度密切相关。目前，对于隧道开挖后围岩应力的研究多是基于以下四个假定 围岩为均质的、各向同性的连续介质；只考虑围岩由自重造成的初始应力场； 假定隧道形状为圆形；隧道位于一定的埋置深度，因此可以采用无限大平板 中的孔口问题来求解围岩的应力【4 l 删。 基于以上假定，隧道开挖后围岩的应力、位移计算视围岩的临界强度有两种 情况，一是假定隧道开挖后周边围岩仍处于弹性应力状态，这种情况适用于抗压 强度较高的i 、i i 类围岩。此时，围岩除因破坏产生稍许松弛外，其本身是稳定 的，为弹性二次应力状态，可以采用弹性力学中的吉尔西解表达；二是对于稳定 性较差的一类围岩，由于其抗压强度较低，因此假定开挖后隧道周围一定范围 内围岩应力超过了岩体的单轴抗压极限强度而处于塑性甚至几乎完全失去承载力 的松动状态，而此范围以外的岩体处于弹性状态。处于塑性状态的岩体在洞周形 成一个塑性区，围岩发生塑性破坏后，原有应力一部分变成向内的径向位移而释 性区范围内围岩应力状态如图2 1 所示。 由上所述，隧道开挖后在围岩中产生了一系列的力学现象，隧道周边围岩由 于产生应力重分布而造成性质发生改变，这是发生在隧道未施做任何支护之前的 情况下的。 2 1 2 隧道支护后围岩的应力状态 前面分析了隧道开挖后未支护之前围岩的应力状态变化。通常，隧道在开挖 后，为了保证地层稳定，会施做初期支护，相当于在隧道周边施加了一个阻止隧 道围岩变形的阻力，从而改变了围岩的应力状态，这种应力状态的改变，与支护 结构的施做方式、时间和刚度有直接关系。 隧道支护后，岩体的弹性应力按弹性理论中的厚壁圆筒来判断可知，隧道周 边岩体的应力状态从二维变成三维，隧道应力重分布的结果，也会伴随着变形而 发展，表现为隧道洞室收敛；隧道支护后岩体的塑性应力，与隧道开挖后形成的 二次应力状态原理相似，根据莫尔一库伦准则，引入隧道周边有径向支护反力p 来计算，并且分析可知，随着支护反力p 的增加，围岩的塑性半径相应减小，这 说明，径向支护反力p 的存在对形成塑性区范围有直接影响，它在维护地层稳定 中起重要作用。 但是，实际上，支护结构的施做是在隧道开挖到一定时候才能进行的，这时 围岩已经发生了塑性变形，并且不断继续，所以，支护结构的施做后，将与围岩 共同形成一个承载体系，阻止塑性区的发展。隧道开挖后，应力会持续释放，支 护结构作用的越晚，稳定围岩所需要的支护抗力p 越小，但是围岩的变形也越大。 2 2浅埋隧道上覆地层径向结构模型 2 2 1浅埋隧道围岩压力荷载 根据大量的观测结果发现，围岩在变形过大时，会在隧道上方形成稳定塌落 拱，阻止变形的继续发展。大量的统计资料证明，当隧道埋深大于2 倍塌方高度 时，才有可能形成塌落拱，因此，能否形成自然塌落拱成为界定隧道深埋与浅埋 的主要标准，因此可知，对于浅埋隧道，是不能够形成自然塌落拱的，因此，对 于浅埋隧道，通常假定作用在支护上的荷载为上覆土柱的全部重量。 传统方法中对浅埋洞室围岩压力的确定主要有以下几种模型。 1 2 ( 1 ) 全自重模型 这一模型认为，洞室上作用的竖向荷载由覆盖层全部自重引起 q = r h + q o ( 2 1 ) 式中g 为竖向荷载( k n m 2 ) ；7 为围岩重度( k n m 3 ) ；h 为隧道埋深( m ) ；q o 为地面荷载( k n m 2 ) 。 通常全自重模型只适用于浅埋隧道，一般认为h 2 5 b 。即当隧道埋深较小 时，由于建造隧道而导致岩体的位移一直可延续到覆盖层表面，因此覆盖层的岩 石不作为承载结构来看待，即不考虑覆盖层与隧道结构共同作用的效应。全自重 模型计算的竖向荷载为岩体产生的竖向荷载的最大形式，即为最保守的计算方法。 ( 2 ) 折减模型( 考虑摩擦力的岩柱模型) 岩柱法，考虑到隧道两侧的岩体也可能下滑，须将可能下滑的岩柱宽度适当 增加，计算简图如图2 2 。 霹一l 图2 2 岩柱模型计算简图 取：a l = a + h t g ( 4 5 0 - 昨) 作用在岩柱侧面距地面深度z 处夹制力( 摩擦力和粘结力) 为： t = c + e g 妒 式