（道路与铁道工程专业论文）大跨浅埋隧道的地表变形数据分析.pdf

东南大学硕士学位论文 摘蜜 摘要 监控量测是新奥法三大核心之一，地表沉降是反映隧道建造过程中其变形大小的最直接指标之 一，浅埋隧道的地表下沉量测的重要性随埋深变浅而增大。本文结合茅山隧道的地表下沉实测资料， 对大跨浅埋山岭隧道施工期引起的地表沉降进行了研究。主要的研究内容如下： ( 1 ) 根据新奥法原理和隧道的实际情况，从量溯手段、测点布置、断面选择、量测频率以及信 息反馈等出发，提出了切实可行的量测方案。 ( 2 ) 通过对地表沉降数据的分析，得出了地表沉降的分布特性和沉降稳定时间，确定了沉降槽 宽度范围，研究了地表最大沉降及沉降槽宽度系数与中心点覆土厚度的关系。根据p e c k 经验公式对 地表沉降进行了计算并与实测值比较，结果表明p e e k 经验公式能很好的模拟地表沉降实际趋势。另 外根据最b - - 乘原理对地表沉降分别进行了g a u s s 模型和l a g r a n g e 模型拟合，结果表明，两种模型 都能很好的模拟地表实际沉降，有一定的工程推广意义 ( 3 ) 对采用c r d 工法施工引起的地表纵向沉降数据进行了分析，得出了沉降基本分两个阶段 的结论。总结了各阶段沉降量占总沉降量的百分比，并对纵向沉降曲线进行了两段拟合，拟合曲线 能反映出实际下沉趋势，并且误差波动小，可用来分析地表纵向沉降。 ( 4 ) 根据量测信息，对旌工过程进行了信息反馈，达到了动态指导施工的目的。分析了中隅墙 对地表沉降的影响，提出了合理拆除中隔墙的建议。比较了上下台阶法和c r d 工法对地表沉降的影 响，及时预测了围岩偏压现象并提出相应的整治措施。 ( 5 ) 利用人工神经网络模型处理非线性问题盼优势，根据影响地表沉降大小的主要因素。建立 了b p 网络模型。运用b p 神经网络模型分别对地表横向沉降和纵向沉降进行了预测，预测结果表明， 只要建立合理的网络模型，神经网络不失为一种预测地表沉降的有效工具 关键词：隧道；新奥法；大跨浅埋；监控量测；地表沉降；信息化施工；人工神经网络 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t ，n m o n i t o r i n gs u r v e yi so n eo f t h r e e n u c l e a rc o n t e n t so fn a n 订( n e w a u s t r i a nt u n n e l m e t h o d ) 。g r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n ti so n eo ft h em o s td i r e c ti n d e x e si nt h ec o n s t r u c t i o no ft h e s h a l l o wc o v e r e dl a r g es p a ns o f tr o c kt u n n e l ，a n di t sm e a s u r e m e n tb e c a m e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tw i t h t h et u n n e lb u r i e dd e p t hd e c r e a s e c o m b i n e dt h es i t e - m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n td a t a , t h ep a p e rr e s e a r c h e st h e g r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n t d u r i n g t h e p e r i o d o f t h e c o n s t r u c t i o n t h e p r i m a r y c t c n t s a r e a s f o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n g t o t h e p r i n c i p l e o f n a t m a n d t h e a c t u a l i t y o f t h e t u n n e l ，t h e f e a s i b l e m o n i t o r i n g p r o j e c t i s p r o p o s e d 。w h i c hi n c l u d em e a s u r e m e n tm e a n s ，t h el a y o u t o fm o n i t o r i n gp o i n t s ，t h es e l e c t i o no f m o n i t o r i n gc r o s ss e c t i o n ，t h ef r e q u e n c yo fm o n i t o ra n dt h ei n f o r m a t i o nf e e d b a c k , e r e ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s i st ot h ed a t a o fg r o u n ds e r l e m e n t , t h ed i s t r i b u t i o na n dt h es t a b l et i m eo f s e t t l e m e n ti so b t a i n e d t h ew i d t ho ft u n n e lt r a n s v e r s es e t t l e m e n tg r o o v ei sd e f i n e d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h et h i c l m e s so fm i d d l eo v e r l a p p e ds o i la n dt h em o s td e f o r m a t i o na sw e l la st h ec o e f f i c i e n to fl a t e r a l s e t t l e m e n tt h r o u g hi sd i s c u s s e d c o m p a r e dw i t ht h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa c c o r d e dt ot h ep e c k e x p e r i e n c e d f o r m u l aa n dt h es u r v e yd a t a , t ov e r i f yt h ep e c kf o r m u l ac a ns i m u l a t i o nt h ef a c tt e n d e n c yo ft h es e t t l e m e n t i nf i n e i na d d i t i o n ，t h es u r f a c es e t t l e m e n ti sf i t t e dw i t ht h eg a u s sm o d e la n dt h el a g r a n g em o d e la c c o r d i n g t ot h em o s tl e a s ts q u a r e sp r i n c i p l e ，t h e s ec o n c l u s i o na r ec o n t r i b u t e dt oo t h e re n g i n e e r i n g ( 3 ) l o n g i t u d i n a lg r o u n ds e t t l e m e n tc a u s e db yu s i n go f t h ec r de x c a v a t i o ni sa n a l y z e d ，t h es e t t l e m e n t i sd i v i d e dt ot w os t a g e s ，t h er a t i o so fs e t t l e m e n ti nd i f f e r e n tp e r i o da r ec o n c l u d e d ，a n dt w os t e p sf i t t e dt ot h e c u r v eh a sb e e nf i n i s h e d i ti si n d i c a t e dt h ea p p r o a c h e dc u r v ec a nr e f l e c tt h ec o n n n o nt e n d e n c yo ft h e s e t t l e m e n tw i t hl e s sf l u c t u a t i o n ，s oi tc a nb eu s e dt h ea n a l y z e dt h eg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n t ( 4 ) d y n a m i ci n s t r u c t i o na n di n f o r m a t i o n a lc o n s t r u c t i o ni sr e a l i z e db yf c o d b a c ko fm o n i t o r i n gs u r v e y t h er e a s o n a b l es u g g e s t i o nh o wt or e m o v em i d - b o a r di sw e s e n t e da f t e rt h ei n f l u e n c et os u r f a c es e t t l e m e n t w a sa n a l y z e d c o m p a r i n gw i t hu p - d o w nb e n c he x c a v a t i o na n dc r de x c a v a t i o n ，w h i c hh a v ea ni m p a c to n t h es u r f a c es e t t l e m e n t , t h i sp a p e rp r e d i c t st h es u r r o u n d i n gr o c kb i a st i m e l y , a n dp u t sf o r w a r dt h e c o r r e s p o n d i n gt r e a t m e n t ( 5 ) b a s e do nm a i nf a c t o nw h i c ha f f e c tt os u r f a c es e t t l e m e n t , t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e li s e s t a b l i s h e dt o p r e d i c t t h et r a n s v e r s ea n d l o n g i t u d i n a lg r o u n d d e f o r m a t i o nu t i l i z i n gt h e s t r o n g n o n l i n e a r - m a p p i n gc a p a c i t yo ft h ea n n ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea n n i sav a l i dm e t h o dt op r e d i c tt h e g r o u n ds u r f a c ew h e ny o ub u i l dt h ea p p r o p r i a t en e t w o r km o d e l k e yw o r d s ：t u n n e l ；n a t m ；l a r g es p a ns h o l l o wb u r i e d ；m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n t ；g r o u n d $ 1 1 r f a c e s e t t l e m e n t ；d y n a m i cc o n s t r u c t i o n ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ； n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书面使用 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。 研究生签名： e t 期：丑卫。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，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，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 导师签名：王牲日期：嗥鸯 期：沁，2 乏2 s 东南大学顸士学位论文第一章绪论 第一章绪论 二十一世纪将是隧道工程和地下工程大发展的个世纪，这与世界各国交通运输、水利水电工 程和城市地铁与地下空问的开发利用迅猛发展趋势相关0 1 1 二十世纪五十年代以来，也是我国隧道 工程与地下工程大发展的时代，穿越秦蛉山脉的秦岭终南山特长隧道( 1 8 4 k i n ) 通车是我国二十一 世纪隧道工程高速发展的一个前奏，青藏铁路、南水北调工程和正在施工的厦门东通道海底隧道工 程将使我国的隧道工程走在本世纪各国的前列。 新奥法( n e wa u s t r i a nt u n n e l l i n gm e t h o d ，简称n a t m ) 是8 0 年代后期发展起来的隧道修建方 法。它是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要 支护手段，及时地进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护系的组成部分，并通过对围 岩和支护的测量、监控来指导隧道和地下工程设计施丁的方法和原则”i 。量测监控是新奥法三大核 心之一，它是监视设计、施工是否正确的眼睛，是监视围岩是否安全稳定的手段，它始终伴随着施 工的全过程，是新奥法构筑隧道非常重要的一环。 地表沉降是广大隧道建设者所共同关心的，它也是反映隧道建造过程中其变形大小的最直接的 指标之一。通过地表沉降观测监控围岩稳定情况，验证支护参数，确定仰拱、二次衬砌施作时间， 预测险情，利用信息反馈为施工提供及时的指导。 1 1 国内外研究现状 国内外很多学者对其进行了研究，主要从连续介质理论和非连续介质理论分析了隧道地表沉降 的规律并得到了一些地表沉降的计算公式。如目前广泛使用的弹性、塑性有限元法、边界法和离散 元法等都是建立在连续介质理论的基础上；而非连续介质力学中最有成效的是随机介质理论”j 。预 测地表变形的方法主要有下列几种： 1 1 1 经验法 1 9 6 9 年，p e e k 通过对大量隧道开挖所引起的地表沉降实测资料分析后，在墨西哥国际土力学地 基基础会议上系统地提出了地层损失的概念和估算隧道开挖地表沉降的方法”j 。p e e k 认为：在不排 水的情况下，隧道开挖所形成的地表沉降槽的体移 戍等于地层损失的体积。他假定地层损失在整个 隧道长度上均匀分布，隧道施工所产生的地表沉降横向分布近似为正态分布曲线，因此提出如下地 表沉降分布的预测公式，即著名的p e c k 公式： ，工2 、 j 【砷2 3 。e x p ( 一：圳 埘 ( 1 1 ) = 忐 ( 1 2 ) 式中：s ( 力距离隧道中心轴线为茗处地表沉阵值( m ) ； v 施工引起的隧道单位长度地层损失( m 3 m ) ； 鼠。隧道中心线处地表最大沉降量( m ) ； f 地表沉降槽曲线拐点到开挖体轴线的距离( m ) 上述公式中，需要确定v 和i 两个参数。这些参数与隧道开挖深度、断面尺寸、地层条件和施 工条件密切相关，一些学者对这些参数进行了大量的研究，给出了经验取值。 c o r d i n g 和h a n s m i r e 1 作了中密到密砂的统计实验发现沉降槽体积k 与开挖体的土体损失体积 ，相等，在粘性土中也发现了同样的规律。因此，地层体积损失可以表示为 y = e = w s ( x ) 一 n 蚋 式中：w 沉降槽宽度的一半 开挖体的土体损失为 东南大学项士学位论文第一章绪论 v = s ( x ) 芴 0 r e i i l y 和n e 瞅为i 隧道深度的线性函数，给出了以下的公式 i = 0 4 3 z + 1 1 f = 0 2 8 z - 0 1 ( l4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 式( 1 5 ) 适用于粘性土，式( 1 6 ) 适用于非粘性土；上两式中的z 为隧道深度。 a t t e w e l l l 6 1 1 等还通过假定横向地表沉降为一正态分布形式，纵向分布为二次抛物线形态，得出 了隧道施工引起的三维地表运动公式。对估计i 值的其它经验法进行了总结，发现大多数研究显示i 值与开挖体几何形状关系密切，其近似计算公式为： 二= 足( ) “ a、2 a 。 ( 1 7 ) 式中： 口开挖体的半径( m ) ： k ，n 与覆盖层的经验参数 我国刘建航，侯学渊等根据上海地铁试验段等隧道的现场实测和监控，提出了负地层损失，对 p e c k 公式进行了修正，用于上海地铁的地表沉降预测1 8 1 1 9 1 1 ”i 1 1 2 解析法 1 ) s a g a s e t a 方法 s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 提出了一个能够在初始状态为连续、均匀、各向同性不可压缩土体中发生一 个近地表层地层损失情况下，获得闭合解析公式的方法。s a g a s e t a 将这一问题视作应变控制问题， 这一应变场的获得仅仅依靠了不可压缩这一条件，并且使用虚镜像方法考虑顶层自由边界，其它的 结果是在弹性半空间的前提下获得的，其公式为： 疋( 加詈丢 n 8 ) 疋炉刍叶了雨y 尹 ( 1 9 ) 式中： 易( 功与隧道走向轴线正交的平面穴土层的竖直位移( 皿) ； 工距中心线的距离( m ) ； 疋( y ) 与隧道轴线平行的平面内土层的竖直位移( m ) ； y 该点距中心线的距离( 皿) ； k 土体损失体积( m m ) ； 日隧道的埋深( m ) 。 后来，6 0 n z a l e z 和s a g a s e t a 对以上公式进行了修正，得到如下公式： 疋( 力= 2 z r ( 百r 尸南( 1 + p ( 1 1 0 ) 式中：r 隧道的半径( m ) 5 径向应变； 工距隧道轴线的相对距离( m ) 5 口系数： p 相对椭圆度 所有的参数都与土的性质和开挖过程有关。 在s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 提出的地层损失引起的地层变形理论下，v e r r u i j t 和b o o k e r ”l ( 1 9 9 6 ) 提出了 弹性半空间内隧道开挖引起的地层沉降解析公式在这一公式中考虑了两种隧道的基本变形机理： ( 1 ) 一致径向位移，代表隧道开挖施工过程中出现地层损失的第一次近似： ( 2 ) 隧道衬砌的椭圆变形。 即使在实际施工过程中非常仔细地控制变形因素，例如采用各种减小变形的施工技术( 包括在衬砌外 2 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 围注浆来填补地层损失) ，上述两种变形机理仍然是隧道开挖引起的地层变形计算中必须考虑的因 素。v e r r u i j t 和b o o k e r ( 1 9 9 6 ) 的解答是s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 方法的一个推广，不仅考虑了不可压缩土 体的情况，而且考虑了泊松比可以取任意值的情况。但v e r r u i j t 和b o o k e r ( 1 9 9 6 ) 解答的不足在于其 预测的沉降槽宽度和水平位移均大于观测值。l o g a n a t h a n 和p o u l o s 【l ”( 1 9 9 8 ) 考虑地层损失参数，提 出了基于一致地层损失假定的地层沉降预测解析公式。 2 ) n l o g a n a t h a n 方法 土层的损失包括两个阶段：( 1 ) 在开挖面通过后，立即产生的不排水状态的损失；( 2 ) 由于固结 和蠕变产生的损失。但是，过去的土体损失系数仅考虑了第一阶段的损失，该方法对土层损失给出 了新的定义，提出了等效损失的概念。n l o g a n a t h a n 等认为地表位移是由地层损失引起的，但是隧 道的径向位移不是均匀的，其形状近似椭圆形；地层的沉降主要发生在隧道轴线与水平方向夹角为 4 5 。的范围内。因此，地层等效损失为 铲警哪 一 器+ 警 ) n 式中：日隧道的埋深( m ) ； r 隧道的半径( m ) ； g 等效地层损失参数，为隧道超挖损失、地层的弹塑性变形和工艺水平的影响的三部分 之和 把上式代入y e r r u i j t 和b o o k e r 提出的基于地层损失沿隧道径向均匀分布假设的地表沉降解析 解，得到预侧地表位移公式。 垂直方向的位移： 驴r 3 z - h 丽郴一知) 五z 而+ hf _ 2 z 五x 2 + 石( z - 丽h ) 2 ，1 、 u 1 2 ) 簪唧 _ l 器+ 等l 水平方向的位移： 驴靠2 工z - h 丽 i - 茄叫z 湍， 警唧 - | 器+ 0 - h 6 9 。z z l 该公式在硬粘土中的预测值很好，但高估了软粘土中的沉降；预测的沉降槽的宽度比观测值宽； 对各向同性的粘土的地层位移和水平位移的预测与观测值很吻合。 另外，g e e x a d a k t y l o s 等基于复杂势函数( c o m p l e xp o t e n t i a lf u n c t i o n s ) 和正投影定位法 ( c o n f o r m a lm a p p i n gr e p r e s e n t a t i o n ) ，推导出了开挖于受静态水压力且均匀各向同性的线弹性土 中的“d ”形断面隧道周围的应力和位移场的解析解。 因为影响地层沉降的因素很多，到现在还没有考虑所有与沉降有关的因素的解析解。到现在， 得到的解析解都是在简单情况下的近似解，但还是可以定性的来判断得到的数值解的正确性 l 1 3 数值计算法 计算机的出现为数值分析提供了强有力的工具因为影响地表沉降的因素很多，任何简单实用的 计算方法都无法反映众多因素的综合因素。借助计算机，可以较全面地考虑地表沉降的各主要影响 因素，较为准确地预测隧道施工引起的地表移动和变形，并提出有效的控制地面沉降的方法常用 的预计地表沉降的数值计算方法主要有有限单元法( f e m ) 、有限差分法( f d m ) 、边界元法( b e m ) 、 离散元法( d e m ) 和刚性有限元法( r l = e m ) 等”。 采用有限单元法预测隧道施工引起的地表沉降时，将沉降视为力学过程，不仅能够计算出地表 的移动和变形，而且可以得到地层内部的应力，变形状况。根据地层条件及隧道施工情况，可以将 东南大学硕士学位论文第一章绪论 地层假定为弹性、弹塑性或者粘弹塑性等不同类型的介质。 弹性介质有限单元法一般适用于地层和施工条件较好的情况。日本大阪地区曾采用弹性有限单 元法对隧道开挖施工引起的地表沉降进行了估算，取得了较为满意的结采：日本学者总结弹性有限 单元法计算结果，根据地表沉降实测结果加以整理，提出了估算地表沉降的实用公式【7 l 。 由于在隧道施工过程中，周围的土体可能受到较大的扰动，采用弹性介质有限元法常常使估算 值偏小，因此通常需要将土体视为弹塑性介质进行非线性分析。非线性有限元法不仅能够考虑隧道 施工引起的地层损失，而且可以考虑土体的失水固结、土体本身的压缩性等，并且能够考虑多种施 工方法对地表沉降的影响，并可以考虑各种断面形式，因而获得了广泛的应用”。目前己经开发出 了各种成熟的二维及三维线性与非线性有限元程序，能够考虑不同类型土的本构关系和各种施工因 素。常用的程序有a n s y s ，f l a c - 3 d 等程序。 1 1 4 模型试验 在现场实测、理论分析的基础上，为了对隧道施工引起的地表变形特征、影响地表变形的因素 等进行探讨，许多学者还通过模型试验方法对这一课题进行研究。这些模型试验方法主要有相似材 料模型试验、离心模型试验等。k i m u r a 和m a i r 等通过离心模型试验对伦敦几种地层中隧道施工所 产生的地表沉降预计参数进行了探讨1 1 6 10 1 1 5 智能预报系统 除了根据变形体的地质条件、力学条件以及应用变形几何分析法获得的变形量作定性的解释与 预报外，愈来愈多的学者歼始致力于定量的解释与描述。定量预报有两种途径：一是先通过变形观测 的物理解释，建立起变形与变形原因之间正确的函数关系再进行预报：二是直接对变形观测获得的时 间序列，采用有关的数学理论与方法进行预报。通称为网络智能预报系统，包括卡尔曼滤波和灰色 系统理论等。 根据北京地铁施工的实践，张弥7 1 等开发出了预测盾构法隧道施工地表沉降的专家系统。针对 上海地铁一号线工程，上海隧道股份有限公司等单位开发了盾构施工技术专家系统，可以对盾构隧 道施工引起的地表沉降进行估算”。 1 1 6 随机介质理论 波兰学者李特威尼申( j l i t w i n i s z y n ) 提出了随机介质理论，该理论将岩土体视为一种。随机 介质”，将开挖岩士体引起的地表下沉视为随机过程。刘宝深”等在随机介质概念的基础上建立了 横向和纵向地表沉醉槽预测公式。随机介质理论是把地层移动看成一个随机过程，并用柯莫哥洛夫 方程表示，其本质是沿用了矿山开采中引起地面位移的一种方法。 隧道结构及岩土介质材料一般呈不均质、各向异性和非线性，且通常都处于二维或三维的复杂 应力状态，因而隧道结构的开挖问题具有非线性的路径相关性，即随着施工进程的变化，结构的形 状也在不断发生变化。隧道施工引起的地表变形具有三维性，因此凡是文献中提及的以两维平面问 题对地层变形研究都是对该问题的简化处理，具有局限性。目前对土体三维位移采用三维有限元来 进行研究比较合理，但计算量大、时间长，特别是在非线性弹塑性土占主导地位的软土中，这种研 究的优点减少。一般来讲，纯解析法得到的是理论解，精度高。计算量小，但解题范围有限。面纯 数值方法则相反，其优点是解题范围广，适用于各种复杂几何形状、边界、载荷和材料特性，其不 足之处是近似解。且计算工作量大。借助人工神经刚络的自适应性，自学习性，适合处理非线性问 题等特点，用人工神经网络建立地表沉降预测的模型，是一个很有意义的尝试。目前国内外对此的 研究已取得不少成果。 1 2 研究目的 茅山隧道群地处宁常高速公路镇江市句容段，由西、东隧道组成，采用上下行分离式六车道大 断面( 开挖跨度达1 7 3 3 m ) 隧道。西隧道上行洞：e k 2 4 + 8 7 5 e k 2 5 + 3 2 7 ，长度4 5 2 m ：下行洞： f k 2 4 + 7 4 0 f k 2 5 + 3 2 2 ，长度5 8 2 m ；东隧道上行洞：e k 2 5 + 5 7 0 e k 2 5 + 8 1 5 ，长度2 4 5 m 下行洞： f k 2 5 + 5 1 4 f k 2 5 + 7 8 2 ，长度2 6 8 m 。地貌属剥蚀丘陵，穿越围岩岩性较复杂，地质条件较差，西隧道 上行洞、类围岩占6 5 7 ，下行洞i i 、类围岩占7 4 2 。东隧道上行洞i 类围岩占6 7 3 ， 下行洞类围岩占8 8 8 ，且埋深较浅，围岩稳定性差，结合地质情况，施工设计主要采用新奥法 原理，开挖方案结合地质勘探采用c d ( c e n t e rd i a p h r a g m ) 、c l t d ( c r o s sd i a p h r a g m ) 法施工。为 4 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 了确保施工安全进行，并及时了解围岩在开挖时的情况，达到动态控制及指导施工的目的，设计采 用现场监控量测结合施工设计的方法。 本文根据茅山隧道群的现场监测资料进行研究，具体达到如下目的： ( 1 ) 通过地表沉降监测，监测围岩的发展趋势。对地质灾害和施工险情提前预警；研究覆土厚 度、地下水条件等与地面沉降的关系；分析施工方法和施工速度对地表沉降的影响，及时调整支护 参数，优化设计和施工方案，确保工程的安全与稳定。 ( 2 ) 了解地层与隧道结构间的相互作用力，为建立和调整新奥法的施工参数提供依据，同时为 阱后类似工程积累经验和提供指导。 ( 3 ) 建立人工神经网络模型，对地表沉降迸行准确的超前预报，验证用人工神经网络模型预测 地表沉降的可行性和可靠性。 ( 4 ) 在学握隧道开挖引起地表移动与变形规律的基础上，及时进行信息反馈，对指导施工和保 护环境有重要意义。 1 3 本文主要研究内容 ( 1 ) 根据现场采集的数据，研究影响地面沉降的因素，得出新奥法施工引起的山岭隧道地表沉 降的一般规律和影响地表沉降值大小的主次因素； ( 2 ) 进行数据分析，研究横向和纵向变形的历时关系，即沉降与时间之间的关系； ( 3 ) 研究最大沉降、沉降槽宽度系数与隧道覆土厚度之间的关系； ( 4 ) 利用现场地表沉降的监控量测数据进行地表沉降的曲线拟合，与传统经验公式的计算曲线 对照，得出适合该隧道用岩地质条件下的沉降槽宽度系数，对p e c k 公式进行验证推广应用； ( 5 ) 根据影响地表沉降大小的主要冈素，建立人工神经网络模型： ( 6 ) 根据“误差分级迭代”思想运用b p 网络模型对学习样本进行学习，确立模型参数，利用 训练好的b p 网络模型分别对横向和纵向地表沉降进行预测。 5 东南大学顽士学位论文 第二章新奥法监控量涮规划与信息化反馈 第二章新奥法监控量测规划与信息化反馈 作为工程监控手段的现场景测，其目的在于了解围岩的动态、稳定情况和支护系统的可靠程度， 是直接为支护系统的设计和施工决策服务的。这是进行晕测规划的基本出发点。量测规划是否合理 不仪仅决定了这种现场景测能否顺利进行，雨且关系到量测结果能否反馈于工程的设计和施工。从 这个意义上可以说，没有经过合理、周密的规划而进行的现场量测可能仅仅是一场游戏“ 现场量测规划的主要内容是： ( 1 ) 量测手段、仪表和工具的选择，量测项目的确定； ( 2 ) 施测部位和测点布置的确定； ( 3 ) 实施计划的制定，包括测试频率的确定等。 2 1 工程背景 2 1 1 概况 茅山隧道群是宁( 南京) 常( 州) 高速公路镇江段的控制性工程，分东西两座隧道，隧道群穿 越江南丘陵山区，气候湿润多雨，茅山断裂横穿其间。隧道采用双洞分离式方案。分别由上行线( 南 京一常州) 和下行线( 常州一南京) 两个单向三车道隧道组成。隧道起止桩号和围岩分类情况见表 2 1 。从表2 1 可知茅山东、西隧道平均超过6 0 穿过i i 、类围岩，岩体破碎，稳定性差。隧道 衬砌断面采用三心圆形式，上下行线最小净距为3 4 3 5 m ，最大开挖跨度1 7 1 5 m ，最大开挖高度 1 1 9 8 a ，洞身最大面秋1 6 2 8 2 m 2 ，形状扁平，而且8 0 以上的隧道埋深在5 0 m 以下，最浅处不超过 2 m ，是典型的大跨浅埋隧道【i9 j 【那i 。茅山隧道群的主要特点可总结为“跨度大、埋深浅、围岩差、超 扁平”。 表2 i 隧道起迄桩号及围岩分类一览表 序隧道长度 衬砌围岩类别 、类围岩 号名称 线位起迄桩号长度占隧道长 ( m ) i l l 度的比重 l 茅山上行线 e k 2 4 + 8 7 5 4 5 21 8 58 21 8 55 9 西隧 e k 2 5 + 3 2 7 f k 2 4 + 7 4 0 2道下行线 5 8 23 2 01 0 21 6 07 3 f k 2 5 + 3 2 2 3茅山 上行线 e k 2 5 + 5 7 0 2 4 51 6 5 8 0 6 7 3 东隧 e k 2 5 + 8 1 5 f k 2 5 + 5 1 4 4道下行线 2 6 82 3 83 08 8 8 f k 2 5 + 7 8 2 小计 1 5 4 2 5 0 5 5 8 74 5 57 0 2 1 2 隧址区工程地质条件 1 ) 地层岩性 ( i ) 第四系土层 岩性为可塑硬塑状亚粘土层，含少量砾石。层厚度0 5 2 米。 ( 2 ) 卵( 块) 石土( q 2 ) ( 地层编号为4 层) 岩性为呈散体状结构，灰褐色，灰紫色，卵( 块) 石含量在2 0 5 0 ，下部含量可达5 0 7 0 ； 卵石粒径一般5 2 0 c m ，部分可达5 0 8 0 c m ，呈次棱角次圆状，大小混杂。大体上上部卵石粒径 较小，含量较少，往深部粒径增大，含量增多。卵石成份较为单一，主要为灰白色石英砂岩和灰紫 色岩屑砂岩。填隙物为祜性土混砂粒，硬可塑状，部分具铁质胶结。目前对该层成因尚有争论，可 能为残坡积层，卵石原岩似为志留系茅山砂岩。钻孔揭露该层厚度最大达3 5 米。 ( 3 ) 白垩系浦口组( 1 【2 p ) ( 地层编号为6 层) 6 纠由大学硕l 学位瞪文 第一章新舆法监控量删规划与信息化反馈 岩性为灰紫色砾岩，卵砾石含量哥达5 0 咖o ，其霸份主要为石英砂岩、岩屑砂岩和灰岩。卵 石次圆状、次棱角状，分选性差，大小涅杂，粒径1 l o 衄( 个烈可达2 0 5 0 c m ) 。钙质、硅质胶 ，该层属硬质岩石单转抗压强度r 稍3 5 8 2 6 卸b 。 ( 4 ) 侏罗系龙土山组( j 3 l ) ( 地层编譬为7 层) 岩性为深灰色安山质凝灰岩、安d ，岩、安山质角砾岩，多绢云母化、碳酸盐化、高岭1 一化等蚀 ；在岩浆岩侵入体附近的安山岩具硅化。 安山岩( 火山溶岩) 岩右坚硬，属硬质岩石锤击反弹，单轴抗压强度5 0 7 0 m p a ( 经验值) 。 u 质凝灰岩，质地较硬，单轴抗压强度约为3 0 j ；i p a ( 经验值) 。其中在西遂道东坡和东隧道西坡的 山凝灰岩具碎裂结构，强度明显降低，r a f 7 6 3 73 m p a 。 ( 5 ) 花岗斑岩 磨盘山岩体呈小岩株状产出，侵入于侏罗系龙王山组安出岩中，出露蕊积约】5 k m 2 ，岩性为浅 一夹紫红色，斑状结构，斑晶为长石、石英。岩样质地坚硬，属硬质岩石。目前仅在地质调查中在 畔扯区东隧道南侧发现有露头，而在线路轴线附近尚无勘探砘耨露。 。一地质构造 ( i ) 区域地质构造 茅山断裂带 茅山山脉两侧皆有断裂构造，东侧为茅山东侧断裂，西侧为茅山荫僻断裂，两者合称为茅山断 苗。 茅山东侧断裂沿茅山山脉东侧曲折延伸，总体走向为北托东向，长度纷1 3 5 公里，断裂影响带 。童1j 4 公里，该断裂有较强活动性，是江苏南部著名的活动断裂，辩断裂带删近，曾发生多起 一 、性地震。茅山山脉阳侧为溧水、旬辑中哦盆地；东侧为新生代断陆即桠溪港凹陷( 南段) 和 ：桥凹陷( 北段) 。 夹持在茅山西侧断裂和茅山东侧断裂之间的茅山断块，是由志留系至三叠系缉成的褶镀系。据 咒，茅山是典型的推覆构造，其主断面( 茅两断裂) 东颟，茅出出体宴际为幂牛根的外来岩片。 妻憔覆构造生成时问为早白垩世束期，即在( k 1 ) 葛村纽沉截之后，e 置2 ) 海盈缀沉积之前。 地震与新构造运动 茅l 【j - 地区是苏南地震活跃地区之一，1 9 7 9 年曾在溧限上沸发生6 级破坏髓选震。据南京至太 仑奇速公路南京至常州段工程场地地震安全性评价工作报告( 江苏省地震互程研究院，2 0 0 3 1 0 ) ， 采山隧道区地震5 0 年超越概率1 0 的地震烈度为6 8 v n 度) ，基岩地震旃农平向峰值加速度为 o9 6 9 。 ，( 2 ) 测区地质构造 据物探资料推测，西隧道东口处，浦口组砾岩与侏罗宅王山维蝰层之辩存一逆断层。其断面产 砂t 走向北北东，倾向东。洋勘z k 4 3 4 1 孔在穿透厚层( 3 8 4 m 厚) 安山凝滚耋摸断崮产状为走向：e 东，倾向东。但在两岩i 生接触带处，钻探岩芯巾来观察骛田显破礴现j 睡。落新层可能为茅山西侧 断裂一分支。 i 据医域地质资料( 1 ：5 0 0 0 0 地质图) ，东隧道处岩层较复杂，花蹴斑嚣鼹凡于安山岩之中两者 。鬟入接触，但该侵入体( 花岗斑岩) 目前钻孔均末遢辩；安吐l 岩羹卷性较复杂，既有安山岩( 溶 j 又有安山质凝灰岩和碎裂状安山质角砾凝灰岩，其岩样强度有嚼显区鬟。 。茅山东隧道出臼处东侧地表见志留系坟头组泥岩，泥质砂岩，撂隧醯螽型鬟蓉的z 弛孔钻孔，在 烈深0 米处( 标高约为3 0 米) 穿过坟头组，见侏罗装安山岩。谎瞬谈齄坟头缡势茅山西例断层上 拱。疰覆体( 逆冲断晨上楫) 。 东隧道南侧安山岩采石坑露头处观察到节理构造有； 走向1 4 5 。倾向 6 6 。，节理间距2 0 4 0 c m 。 走向1 5 0 。倾向k w 5 5 。和上一节理组成。x 骨形节理。 走同7 0 。倾向n w 8 0 。 3 i 域水文地质条件 隧址区地处桃山南缘，地势高亢，第四系襄士屠簿，仅为o - 蟊2 米。地_ f 东类型为孔隙潜水、 ； 裂隙水，主耍受大气降雨入渗所控制，总体水量小。 蝎地质探井水样水质分析，地下水对钢筋混凝土无腐蚀性( 霓地勘报告之水质检测报告) 。 7 东南大学硕士学位论文第二章新奥法监控量测规划与信息化反馈 2 1 3 设计施工情况 茅山隧道衬砌结构除洞口和洞身浅埋段结合地形、地质条件设置明洞，采用明挖法施工外，其 余隧道段均按新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌。设计中考虑充分发挥周岩的自承能力，采用 柔性支护体系的复合式衬砌结构，即以锚杆、喷射混凝士( 掺入聚丙烯纤维) 、型钢钢架等为初期支 护，使其与二次衬砌共同受力，以便减薄衬砌厚度、保证施工安全、便于机械化快速施工、提高隧 道衬砌抗震性与防水效果。二次衬砌使用模筑钢筋混凝土。在初期支护与二次衬砌之间敷设土工布 加e v a 防水卷材作为防水层，防止地下水渗入隧道内。 茅山隧道埋深浅，开挖跨度大。围岩自稳能力差，控制围岩变形、确保施工安全是本隧道篪工 的难点。根据新奥法施工原理，软弱破碎围岩隧道要以监控量测为主要手段，严格遵循“管超前、 严注浆、短开挖、弱爆破、控下沉、早成环、勤量测、紧衬砌”的施工原则。 隧道主要施工方法为：、类围岩采用“c r d ( c r o s sd i a p h r a g m ) ”工法施工：类围岩采用“c d ( c e n t e rd i a p h r a g m ) ”工法施工( 见图2 - i ) 。实际施工时，东隧道在围岩变好阶段由c d 法改为上 下台阶法，西隧道由西往东单向掘进，东隧道由东往西单向掘进。 c r d 法 c d 法 上下台阶法 图2 - l 新奥法旌工工艺示意图 2 2 监控量测的实施 2 2 1 监测目的 监控量测是新奥法施工三大核心之一，通过施工监测判断围岩和衬砌是否稳定，及时调整支护 参数，进行信息化施工，从而保证工程质量，保障施工安全”“。浅埋隧道通常位于软弱、破碎、自 稳时间极短的围岩中，施工方法不妥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。对于山岭隧道浅埋段地表沉降量大小及沉降的发展趋势是判断隧道围岩稳定性的一个重要 标志，浅埋隧道地表下沉量测的重要性随埋深变浅而增大，如表2 2 所示8 i 。 埋深重要性量测与否 3 d h 小 不必景测 2 d h 3 d一般最好最测一下 d h 2 d重要必须进行 h d 非常重要必须列为主要量测项目 注：d 为隧道直径，h 为埋深 在浅埋大跨软弱围岩隧道施工中开展信息化监控量测工作尤为必要，其主要目的有： 掌握隧道围岩在开挖过程中的变化趋势； 掌握支护结构的适应性、性能状况及支护施工速度； 了解施工条件及施t 速度对隧道围岩变形的影响； 预测各类灾害与施工险情； 确保施工安全和隧道结构稳定。 2 2 2 量测方法 用水准仪在地面量溯，简易可行，量测结果能反映浅埋隧道开挖过程中围岩变形的全过程。本 次量测采用了t o p c o n 的d l - i o i c 电子水准仪和玻璃纤维尺，最小读数0 o l m m ，i k m 往返中误差达到 8 东南大学硕士学位论文第二章新奥法监控量测规划与信息化反馈 0 4 i n t o ”j 。 2 2 3 测点布置 1 ) 基准点设置 基准点应设置在预计破裂面以外3 0 米处：且尽量埋设在视野丌阔的地方，以利十观测。基点 的埋设要牢固可靠，用c 2 5 混凝土浇注5 0 c m 深，中问埋设一根4 0 c m 长并外露2 c m 的中2 0 钢筋( 如 图2 2 ) 。同时廓至少埋设两个基点，以便相互校核；基准点应与附近等级水准点按二等水准精度进 行联测，以确定其高程，在沉降观测期间，应定期复测。 图2 2 基准点和设示意图 尺寸单位：c m 2 ) 横向沉降点的埋设 沉降观测点横向布置如图23 ：最边缘两点之间间距为8 米，其他点与点之间的距离为3 米。 观侧断面与隧道轴线方向垂直，中心点正对隧道拱项。测点埋设应牢固，埋设深度大于2 5 c n l ，用素 混凝土浇注，中间插一根中2 0 的螺纹钢。钢筋头应平整，最好