（岩土工程专业论文）大跨度隧道施工方法数值模拟与动力响应分析研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着大跨度隧道建设的不断涌现，所遇到的问题也越来越多，比如现行的 设计与施工规范已经不能满足大跨度隧道设计与施工的需要了，但国f q 夕l - 有关 的研究成果并不多，可借鉴的设计与旄工经验较小，大跨度隧道的设计与施工 带有一定的盲目性。因此，如何进一步提高大跨度隧道的设计与施工质量，是 目前急需解决的问题。解决这问题的关键是要对大跨度隧道的开挖与支护过程 进行研究，获取大跨度隧道在不同的施工方法过程中隧道围岩与支护体系的力 学性状信息，为大跨度隧道设计与施工提供依据和指导。为此本论文进行大跨 度隧道施工方法数值模拟及隧道的爆破地震动力响应分析研究，该研究不仅具 有理论价值，而且具有重要的工程意义。 本论文在前人的研究成果的基础上，以燕前二号大跨度隧道( 跨度：2 3 3 2 m ) 为研究对象，运用弹塑性理论、动力学原理以及数值分析方法对大跨度隧道施 工方法数值模拟及隧道的爆破地震动力响应进行了研究，主要取得的研究成果 有： ( 1 ) 利用弹塑性理论和有限元法基本理论，建立了燕前二号隧道平面弹塑性 有限元模型以及弹塑性屈服准则。采用a n s y s 软件，对v 级围岩中的c d 法和 c r d 法以及双侧壁导坑法的开挖施工过程进行了动态数值模拟研究，得到了三 种工法每步开挖过程中的围岩应力场、位移场、弯矩、剪力以及轴力的变化 情况，对计算结果进行了详细的分析，比较了三种开挖工法的优缺点，同时综 合考虑安全性以及经济性，得到对于燕前二号隧道采用c r d t 法是比较科学合 理的，该研究成果与结论为燕前二号隧道的设计和施工提供了依据。 ( 2 ) 运用弹塑性理论、结构动力学和数值分析方法，进行了在爆破荷载作用 下的隧道围岩与支护结构的动力响应研究，结果表明：在小净距隧道的施工中， 后行修建隧道爆破开挖将对先修隧道产生极大的影响，影响最大的部位是先修 隧道的迎爆侧，迎爆侧峰值速度、峰值加速度是另一侧爆破侧峰值速度、峰值 加速度的几倍到几十倍，而且迎爆侧峰值位移大于另一侧峰值位移，说明在施 工过程中，迎爆侧是隧道爆破地震效应最强烈的部位，应重点对迎爆侧进行监 控：计算实例各个隧道特征点的应力都远远小于围岩结构的极限承载力，可以 武汉理工大学硕士学位论文 得出爆破产生的应力对围岩衬砌结构影响较小；先行修建隧道初期支护结构对 隧道动力响应控制有一定的效果，尤其对低类别围岩效果较为明显；在后建隧 道爆破开挖前，先建隧道应进行支护，形成封闭结构，有利于减小爆破振动的 影响。 ( 3 ) 基于在侧向爆荷下岩洞在厚度为跨度三分之一围岩中具有厚壁受弯构 件的力学特征，而在该围岩区外即基本上接近自由场应力状态这一结论，用厚 板理论方程在自由场压力的外载下进行求解，地下结构与围岩动力相互作用， 町用分别代表衬砌及介质的基于薄板与厚板理论的受弯构件动力议程来描述， 围岩和衬砌二者之间的相互作用力用接触压力函数q ( x ，t 1 加以联系，通过解一 组联立方程，给出了计入与弹性半空间相互作用效应的直墙拱顶衬砌时动力分 析的解析解，同时列出了函数q ( x ，t 1 的解析表达式。 关键词：大跨度隧道，施工方法，围岩，支护结构，稳定性，动力响应，弹塑 性有限元法 i i 茎坚型三奎堂堡主兰堡堡苎 a b s t r a c t i nc o m p a n yw i t hn o n s t o pr u s h i n go ft h el o n g - s p a nt u n n e lc o n s t r u c t i o n ，am a t t e r s t a t i o ne n c o u n t e rm o r ea n dm o r e f o ri n s t a n c e ，t h ed e m a n do ft h ep r e s e n td e s i g na n d c o n s t r u c t i o nc o d ei s a l r e a d yi n s a t i a b i l i t yw i t h t h en e e do fl o n g s p a nt u n n e l e n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n a n db o t l ld o m e s t i ca n df o r e i g nc o n c e r n e d r e s e a r c ho h t p u ti sn o tt o om n c ht or e f e r s ot h eo n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n 0 1 l o n g s p a n t u n n e lh a sd e f i n i t eb l i n d n e s so ft h ea p p r o v eu s ef o rr e f c f e n c e c o n s e q u e n t l y ，i tw a sf o rt h ep r e s e n tu r g e n c yp r o b l e mo nt h a th o wa b o u ti n c r e a s ei n a d v a n c eq u a l i t yo nt h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h el o n g s p a nt u n n e l t h ek e yt os o l y et h i sm a t t e ri sm a k i n gr e s e a r c hd i r e c tt o w a r d so ne x c a v a t i o na n d s u p p o r tc o u r s eo ft h el o n g - s p a nt u n n e l t h ee x c a v a t i o na n ds u p p o r ts y s t e m a t i c m e c h a n i c sc h a r a c t e ri n f o r m a t i o no fl o n g - s p a nt u n n e ls u r r o u n d i n gr o c ku n d e rt h e c o u r s eo fd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nm e t h o di sa c h i e r e dt os u p p l yd e s i g nb a s i sa n d s u p e r v i s ef o rt h el o n g - s p a nt u n n e l f o rt h i sr e a s o n ，i nt h et h e s i s ，t h en u m e r i cv a l u eo r t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o do ft h el o n g - s p a nt u n n e li ss i m u l a t e da n dt h ee x p l o s i o n e a r t h q u a k ed y n a m i cr e s p o n s eo f t u n n e li sa n a l y t i c a ls t u d i e d a n dt h i sr e s e a r c h p o s s e s s e sn o to n l yt h e o r e t i c a lv a l u e b u t a l s oi m p o r t a n te n g i n e e r i n gs e n s ea sw e l l b a s e do nt h er e s e a r c ho u t p u to fp r e d e c e s s o r ，i nt h et h e s i s ，w i t hy a n q i a n s h a n n o 2 l o n g - s p a nt u n n e l ( 2 3 3 2 m ) f o rs u b j e c ti n v e s t i g a t e d ，t h el o n g - s p a nt u n n e l c o n s t r u c t i o nm e t h o dn u m e r i cv a l u ei ss i m n l a t e dw i t ht h ep l a s t o - e l a s t i c i t yt h e o r y ， d y n a m i cp r i n c i p l ea n dt h en u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d 。a n dt h ee x p l o s i o ne a r t h q u a k e d y n a m i cr e s p o n s eo nt u n n e l i ss t u d i e d m o s t l ya c q u i s i t i o nr e s e a r c ho u t p u ta sf o l l o w ： 1 t h ep l a s t o e l a s t i c i t ya n df i n i t ee l e m e n tm e t h o de l e m e n t a r yt h e o r yi su s e dt o c r e a t ey a n q i a n s h a nn o 2t u n n e lp l a n ee l a s t o p l a s t i c i t yf i n i t ee l e m e n tm o d e la n d e l a s t o p l a s t i cy i e l d i n gc r i t e r i a h a n d i n ge l a s t o p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d a d o p t i n ga n s y ss o f t w a r e ，t h et u n n e le x c a v a t i o nm e t h o dc o n s t r n c t i o nc o u r s ew h i c h a d o p tt h ec e n t o rd i a g r a mm e t h o da n dc e n t e rc r o s sd i a g r a mm e t h o da n db e t hs i d ed r i f t m e t h o df o rv 1 e v e ls u r r o a n d i n gr o c ki ss i m u l a t e dw i t l ld y n a m i cn u m e r i c a la sw e l l 。 a n ds u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sf i e l d ，d i s p l a c e m e n tf i e l d , b e n d i n gm o m e n t ，s h e a r i n g f o r c ca n da xf o r c ev a i l a t i o nc o n d i t i 0 1 1 5i sg a i n e dd u r i n ge x c a v a t i o no na l ls t e po f t h r e ec o n s t r u c t i o nm e t h o d s t h ed e t a l l e da n a l y s ei sd o n ef o rc a l c u l a t i o no u t p u t a t t h es a l t l ct i m et h e s a f e t ya n de c o n o m y i s g e n e r a l l yc o n s i d e r e d t h ec r d c o n s t r u c t i o nm e t h o di sa d o p t e dy a n q i a n s h a nn o 2t u n n e lf o rs c i e n t i f i cr e a s o n a b 【c c o n s e q u e n t l y ，t h er e s e a r c ho u t p u ta n dc o n c l u s i o ni ss u p p l i e df o rd e s i g nb a s i sa n d s u p e r v i s ef o rc o n s t r n c t i o no fy a n q i a n s h a nn o 2t u n n e l i l l 箜竖里三叁堂堡主兰垡笙奎 2 h a n d l i n gp l a s t o - e l a s t i c i t y ，s t r u c t u r a ld y n a m i c sa n dn u m e r i cv a l u ea n a l y s i s m e t h o d ，t h et u n n e ls 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 a ld y n a m i cr e s p o n s ei s r e s e a r c h e du n d e rt h ea c t i o no fd e m o l i s hl o a d w h i c hs h o w t h a t ：d u r i n gc o n s t r u c t i o n o fs m a l l n e s sc l e a rd i s t a n c et u n n e l ，t h ed e m o l i s he x c a v a t i o nb a c k i n go fc o n s t r u c t i o n a l t u n n e ls h o u l de f f e c t i v em o s t l yp r i o r i t yc o n s t r u c t i o n a lt u n n e l t h ei n f l u e n c em a x i m a l r e g i o ni st h eb l a s tf r o n ts i d eo fp r i o r i t yc o n s t r u c t i o n a lt u n n e l t h ep e a kv a l u ev e l o c i t y a n da c c e l e r a t e dv e l o c i t yo fb l a s tf r o n ts i d ei sf a rs e v e r a lf o l df r o mw h i c ho ff a r d i s t a n c eb l a s t ，f u r t h e r m o r e ，t h ee x p l o d ef r o n ts i d ep e a kv a l u ed i s p l a c e m e n ti sg r e a t e r t h a nt h a to ff a rb l a s t i te x p l a n a t i o nt h a ti nt h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i o n ，t h eb l a s tf r o n t s i d ei sv u l n e r a b l er e g i o no fd e m o l i s he x c a v a t i o nc o n t r o l l i n g ，a n dr e s p o n de x p l o d e f r o n ts i d ei sa t t a c h e di m p o r t a n c et om o n i t o rf o rl e v e rh e a d i n gv e l o c i t y t h es t r e s so f a l lt u n n e lc h a r a c t e r i s t i cp o i n t si sf a rs m a l l e rt h a nt h eu l t i m a t eb e a r i n gp r e s s u r eo ft h e s u r r o u n d i n gr o c ks t r u c t u r e ，a n dt h ec o n e l u s i o nw h i c ht h ei n f l u e n c eo fd e m o l i s hs t r e s s f o rs u r r o u n d i n gr o c kl i n e rs t r u c t u r ei ss m a l lc a nb ed r a w n t h ep r i m a r ys u p p o r t f a c i l i t y o fp r i o r i t yc o n s t m c t i o n a lt u n n e lh a sd e f i n i t ee f f e c tf o rb l a s tc o n t r o l l i n g ， e s p e c i a l l yi nt h el o w e r l e v e ls u r r o u n d i n gr o c k b e f o r ea d v a n c e dc o n s t r u c tt u n n e l d e m o l i s he x c a v a t i o n ，p r i o r i t yc o n s t r u c t i o n a lt u n n e ls h o u l db es u p p o r tt of o r ms e a l i n g ， f a v o rf o rr e d u c i n go fb l a s tv i b r a t i o ni n f l u e n c e 3 b a s e do nt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i e so ft h eh e a v ys e c t i o nm e m b e ri n b e n d i n gi nt h es u r r o u n d i n gw a l lw h o s et h i c k n e s sj st h i r do fg r o t t os p a nu n d e rt h e c r o s s r a n g ee x p l o d el o a da n dt h ec o n e l u s i o na b o u tt h ef r e ef i e l ds t r e s ss t a t e i s b a s i c a l l ya p p r o a c h e do u t s i d eo fs u r r o u n d i n gr o c k , a n dw i t hm a s s i v ep l a t et h e o r e t i c a l u n d e re x t e r u a l a p p l i e d1 0 a d o ff r e e f i e l ds t r e s s ，t h es o l u t i o nc a nb e g i v e n c o n s e q u e n t l y ，t h ed y n a m i ci n t e r a c t i o nb e t w e e ns u b s t r u c t u r ea n ds u r r o u n d i n gr o c k ， t h em e m b e ri n b e n d i n gd y n a m i cr a n g ew i t hr e p r e s e n t i n gs e p a r a t e l yl i n e ra n d d i e l e c t r i cb a s e do nl a m e l i aa n dm a s s i v ep l a t et h e o r e t i c a lc a nb ed e s c r i b e d t h e c o n t a c tp r e s s u r ef u n e t i o nq ( x 。ni su s e dt oc o n t a c tw i t ht h ei n t e r a c t i o nf o r c eb e t w e e n t h es u r r o u n d i n gr o c ka n dl i n e r n u g l it h ev o l u m eo fs o l u t i o ns i m u l t a n e o u s n e s s e q u a t i o n t h ea n a l y t i cs o l u t i o n a b o u ts t r a i g h tw a l li n v e r t1 i n ed y n a m i c a lo ft h e g i v e ne l a s t i ch a l f - s p a c ei n t e r a c t i o ne f f e c t i sa p p l l e d , a n da n a l y t i cs o l u t i o no f e x p r e s s i o no nf u n c t i o nq ( x ，t ) i si i s t e d k e y w o r d ：t h el o n g - s p a nt u n n e l ；c o n s t r u c t i o nm e t h o d ；s u r r o u n d i n gr o c k ；s u p p o r t s t r u c t u r e ；s t a b i l i t y ；d y n a m i cr e s p o n s e ；e l a s t o - p l a s t i c f i n i t ee l e m e n t m e t h o d i v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 当代经济发展都离不开交通这重要基础设施。而交通的支柱是交通机能， 尤其是陆上交通担当着主要任务。陆上交通的发展，尤其是在多山地区，必然 伴随着大量隧道的出现。所谓“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下空间。由于经济、交通和隧道技术的发展，隧道的定 义范围也出现相应扩大，社会对隧道的需要已不仅存在于铁道、公路、航运之 中，而且近年城市高速发展，为满足其交通要求，对各种城市道路隧道的建设 也越来越多。我国正处在社会经济大发展的重要时期，国民经济结构中基础设 施建设一直占有举足轻重的地位。近些年来在工程建设的众多技术领域中隧道 和地下工程技术十分突出。它有着越来越多的广泛运用和诱人的商业前景。隧 道和地下工程技术以开发利用地壳潜在资源为目的，进而能够更好地实现环保、 安全、便利、节能和经济的工程要求。我国广大工程技术人员在这方而己经做 出了大量的努力和杰出的贡献，并且取得了举世嘱日的成就。在新的世纪，我 们更需要进一步加强对隧道和地下工程技术的运用研究。促进其更加快速的发 展。同时对我国扩大内需拉动经济增长，早日实现小康社会，加强国防安全有 着十分重要的作用，据来自各方面的统计资料表昵，至2 0 0 3 年年底，我国大陆 上己建成的铁路隧道有七干四百余座。总延长4 2 0 0 k i n ；公路隧道一千九百七十 余座，总长度近1 0 0 0 k m ；己建成运营的城市地铁总长近2 0 0 k i n ；此外，还建成 大批地下厂房、地下设施等洞库工程。从最近几年的建设规模和速度来看，铁 路隧道和公路隧道分别约以每年3 0 0 k i n 和1 5 0 k m 的建设速度在增长。正在规划、 设计和建设中的南水北调、西气东输和水电工程也为隧道和地下工程事业的发 展带来了新的、更大的机遇。总之，从隧道和地下工程的数量、规模和建设速 度来看，我国堪称世界之最。这是值得我国广大的隧道和地下工作者引以为荣 和自豪的【1 】 2 1 。 就隧道工程的修建技术水平而言，我国经历了上个世纪五十年代及以前的 武汉理工大学硕士学位论文 钢钎、铁锤和人力斗车为代表的人工操作的时代；六、七十年代以手持风钻、 风动装岩机和电瓶机车、斗式矿车为代表的小型机具施工阶段；八十年代以进 口液压凿岩台车、履带或轮式装载机、轨行式扒装机和大型运输汽车、组合列 车为代表的大型机械化作业时期；九十年代以西安至安康铁路秦岭隧道使用大 型全断面隧道掘进机口b m ) 为代表的现代化施工水平出现。在克服不良工程地 质修建长大隧道的能力上，我国所取得的成就也是非常突出的。六十年代我们 建成的号称“地质博物馆”的成昆铁路；七十年代我们建成的位于溶岩发育地 区的湘黔、枝柳和贵昆铁路；八十年代我们建成了难度空前的衡广铁路复线和 规模宏大的大秦重载铁路。特别是战胜了突泥、涌水的地质灾害，通过了长达 数百米的断层破碎带以及大量的软弱地层。成功地修建了长1 4 2 9 5 k m 的大瑶山 隧道、6 0 6 k i n 的南岭隧道和8 7 k m 的军都山隧道；九十年代我们又建成了侯月、 宝中、京九、南昆和朔黄铁路。隧道工程所遇到的主要不良地质为煤层瓦斯、 膨胀性围岩、占河槽及湿陷性黄上。进入二十一世纪初。新建成通车的内昆铁 路桥隧，占线路总长的比率为国内运营干线铁路之最。多座隧道通过滑坡体和 岩堆。突出的如曾家坪一号隧道，进口端二线大跨，车站入隧道内约2 7 0 m ，最 大开挖跨度达2 0 6 m ，全部处于岩堆内。施工难度极大。日前正在紧张施工的 渝怀铁路，隧道占线路总长的比重超过内昆铁路，线路中段所经过的石灰岩地 层岩溶极其发育。历史上曾被宣告为铁路修建的“禁区”。其中圆梁山隧道长 1 1 0 6 8 k m ，大部分地段通过富水区和高压富水充填性溶洞区，灾害频发。被国 内工程专家共认为是“世界级技术难题”。但是这只“拦路虎”己被隧道建设 者们所制服。正在修建的青藏铁路，建设者们克服了高原缺氧的恶劣条件在多 年冻上中完成了昆仑山隧道、风火山隧道，刨造了叉一世界之最。公路隧道的 修建水平提高很快，长隧、大跨及连拱相继出现。近十多年来，我国尤其在大 断面隧道和洞室的修建上有了突出的业绩。湖北清江水电站的导流洞最大开挖 断而为1 8 m x 2 4 m 黄河小浪底水利枢纽工程导流洞开挖断而为圆形直径1 8 m ； 一些大型水利水电工程的地下发电洞室，断而达几百平方米乃至上千平方米。 北京国家计委大楼下的地下停车场为暗挖施工双层双洞，跨度达1 3 m ，创城市 地下洞室暗挖的成功范例。之后，北京地铁人安门西站、人安门东站的暗挖施 工技术都有新的发展。广州地铁越秀公园站设计形式独特，山多条暗挖隧道组 成，周边高层建筑耸立，施工难度很大，己建成投入运营。地下储气、储油工 程的开发为建设大断面洞室提出了新的需求。已经投入运营的汕头l g p 工程最 武汉理工大学硕士学位论文 人开挖断而达3 0 4 m 2 。日前正规划和在建l g p 工程的城市有青岛、宁波和珠海 等。 近年来在国内外出现的大跨隧道工程逐渐增多，具代表性的有德国瓦尔德 克1 1 号水电站( 地下厂房宽度x 高度= 3 4m 5 4m ) ，我国广州环城公路白石隧道 ( 宽度达3 1 5 m ) ，福州象山四联拱隧道( 宽达3 5 4 i n 2 ，为大跨隧道施工提供了一 些成功的经验。目前，我国已设计完成并竣工的大跨度隧道还很少，如贵州省 凯里市的大阁山隧道，市政道路四车道隧道，长4 9 6 m ，最大开挖宽度为2 1 0 4 m ， 最大开挖高度为1 1 4 5 m ，高跨比为0 5 4 4 ；杭州市的三车道高速公路黄鹤山隧 道，最大开挖宽度为1 6 3 6 8 m ，最大开挖高度为1 1 6 4 m ，高跨比为0 7 1 1 ，隧道 断面设计为三心圆曲墙，左右线平均长度为1 4 k m 。铁路隧道方面，目前跨度 较大的是位于云南省大关县的内昆线三线铁路车站隧道曾家坪一号隧道，全 长2 5 6 3 m ，其中有2 6 9 米为三线隧道，最大开挖宽度为2 0 6 8 m ，最大开挖高度为 1 3 8 3 m ，高跨比为0 6 6 9 。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1 5 1 1 1 5 2 1 。 随着大跨度隧道的不断涌现，所遇到的问题也越来越多，现行的设计与施 工规范已不能满足设计与施工的要求了，但是国内外有关大跨度隧道的研究成 果并不多，可借鉴的设计与施工经验较少，大跨度隧道的设计和施工带有很大 的盲目性。因此，如何进步提高大跨度隧道的设计与施工质量，是目前急需 解决的问题。解决这一问题的关键是要对太跨度隧道的开挖与支护过程进行研 究，获取大跨度隧道在不同施工方法过程中隧道盈岩与支护体系的力学性状， 为大跨度隧道的设计与施工提供依据和指导。 1 2 大跨度隧道的主要施工方法 1 2 1 山岭隧道工程的特点 隧道施工过程通常包括：在地层中开挖出土石，形成符合设计轮廓的坑道 武汉理工大学硕士学位论文 进行必要的初次支护和砌筑最后的永久衬砌，以控制坑道围岩变形，保证隧道 长期的安全使用。 进行隧道施工时，必须充分考虑隧道工程的特点，才能在保证施工安全的 条件下，快速、优质的完成隧道旌工。隧道工程有如下特点：工程地质和水文 地质条件对隧道施工的成败起着很重要甚至决定性作用：隧道施工过程比较慢， 工期也比较长，往往成为新建铁路通车的关键；地下施工环境较差，甚至施工 过程中还会恶化；由岭隧道大多穿越崇山峻岭，施工过程中运输不便，供应困 难；山岭隧道埋于地下，一旦建成难以修改。 1 2 2 隧道施工方法及其选择 一个多世纪以来，世界各国的隧道工作者在实践中已经创造出能够适应各 种围岩的多种隧道施工方法。习惯上将它们分为：矿山法( 传统的矿山法和新 奥法1 、掘进机法、沉管法、顶进法、明挖法等【5 】。 矿山法因最早应用与矿石开采而得名，包括传统方法和新奥法。由于在这 种方法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称钻爆法。 掘进机法包括隧道掘进机法( t u n n e lb o r i n gm a c h i n e ，简写为t b m ) 法和盾 构掘进机法。前者应用与岩石地层，后者则主要应用于土质围岩，尤其适用于 软土，流沙，淤泥等特殊地层。 沉管法和顼进法等则是用来修建水底隧道，城市市政隧道等。 明挖法主要用来修建埋深很浅的山岭隧道和城市地铁隧道。 选择旌工方案时，要考虑的因素主要有：工程重要性；隧道所处工程地质 和水文地质条件；旌工技术条件和机械装备情况；施工中动力和原材料供应情 况；工程投资与运营后的社会效益和经济效益；施工安全情况；有关污染、地 面沉降等环境方面的要求和限制。 1 2 3 新奥地利隧道施工法 n a t m 法施工的过程和方法是多种多样的嗍。目前在国内外经常采用的方 法大致有全甑面开挖法、台阶法、侧导坑法三大类及若干变化方案。下面详细 介绍一下各种方法的适用条件及其特点1 2 5 】。 d 武汉理丁大学硕士学位论文 ( 1 ) 全断面开挖法 该种方法从隧道开挖后的应力重分布的观点看是非常有利的，但从地质条 件上看，适用于岩质较均匀的硬岩中，即用于比较稳定的围岩。其优点是工序 少，相互干扰少，便于组织施工和管t 里；s e 作空问大，便于组织大型机械化施工。 ( 2 ) 台阶法 台阶法视台阶长度大体分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种，三种 方式中的台阶长度是依初次支护形成闭合断面的时间决定的，围岩越差，闭合 时间要求越短。对于一般的隧道断面，适当地选择台阶长度，能适应从土到岩 质比较广泛的地质。 长台阶法是将断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖，一般上台阶 超前5 0 r n 以上或大于5 倍澜跨，上断面和下断面相距1 0 0 1 5 0 m 左右，可采取 循环开挖，亦可采取平行开挖。 短台阶法的台阶长度在2 0 5 0 m 左右，一般上台阶长度小于5 倍但大于1 1 5 倍洞跨，两个断面比较接近，作业之间会有干扰。由于短台阶法可缩短支护 结构闭合时间，改善初次支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值， 所以适用范围很广，i i 到v i 类围岩都能采用，尤其适用于i i i l i 类围岩，是 n a t m 施工中主要采用的方法。 超短台阶法的台阶长度一般都小于坑道跨度，约在3 5 m 左右。由于超短 台阶法初次支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形，更有效地控制 地表沉降，所以，更加适用于膨胀性围岩及土质围岩，要求及早闭合断面的场 合。这种方法的缺点是上下断面施工干扰大，生产效率较低，施工速度慢。采 用超短台阶法施工时应注意以下问题，在软弱围岩施工时，应特别注意开挖工 作面的稳定性，必要时需采取辅助施工措施，如向围岩中注浆或达入超前水平 小钢管，对开挖面进行预加固或预支护。 ( 3 ) 侧导坑法 侧导坑法一般分为单侧壁导坑法和双侧壁导坑法。适用予大断面隧道，而 且围岩的承载力较低的情况，但其施工工艺更加复杂，掘进速度慢，施工效率 氐 4 6 1 。 单侧壁导坑法一般是将隧道断面分成三块：侧壁导坑1 、上台阶2 、下台阶 3 。其施工作业顺序为：开挖侧壁导坑1 ，并进行初次支护，并尽快使导坑的初 次支护闭合；开挖上台阶，进行拱部初次支护，使其一侧支撑在导坑的初次支护 武汉理上大学硕士学位论文 上，另一侧支撑在下台阶上；开挖下台阶，进行另一侧边墙的初次支护，并尽快 建造底部初次支护，使全断面闭合；拆除导坑临空部分的初次支护；最后施工二次 衬砌。由于单侧壁导坑法是将断面分成三块，每部开挖的宽度较小，而且封闭 型的导坑初次支护承载能力大，所以，单侧壁导坑法适用于断面跨度大，地表 沉降难于控制的软弱松散围岩中。 双侧壁导坑法，又称眼镜工、法【”。当隧道跨度很大，地表沉降要求严格， 围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。 这种方法一般是将断面分成四块或更多，如四块的情况：左、右侧壁导坑1 、上 部核心土2 、下台阶3 。其施工作业顺序为：开挖一侧导坑，并及时将其初次支 护闭合；相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并建造初次支护；开挖上部核心土，建 造拱部初次支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初次支护上：开挖下台阶，建造底 部的初次支护，使初次支护全断面闭合；拆除导坑临空部分的初次支护；最后施工 二次衬砌。 双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初次支护全断面的闭合时闻 跃，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发 展，施工安全、可靠，但速度慢，效率低，成本高【4 8 】。 1 3 国内外大跨度隧道稳定分析方法研究现状 地下工程所处的环境条件与地面工程是完全不同的，早期的地下工程建时 都是沿用适用于地面工程的理论和方法来指导地下工程的设计和施工，因而常 常不能正确的阐明地下工程中出现的各种力学现象和过程，经过较长时间的实 践，人们才逐渐认识到地下结构受力、变形的特点，并形成以考虑地层对结构 变形约束为特点的地下结构计算理论和方法【1 9 】1 2 8 1 。 地下工程支护结构理论的发展已经有百余年的历史，它与岩土力学的发展 有着密切的关系。土力学的发展促使着松散地层围岩稳定和嗣岩压力理论的发 展，而岩石力学的发展促使围岩压力和地下工程支护结构理论的进一步飞跃。 随着新奥法施工技术的出现以及岩土力学、测试仪器、计算机技术和数值分析 方法的发展，地下工程理论正在逐渐成为一门完善的学科。 地下工程支护结构理论的一个重要问题是如何确定作用在地下结构上的荷 载以及如何考虑围岩的承载能力。 6 武汉理工大学硕士学位论文 从这方面来看，支护结构分为3 个阶段：刚性结构阶段、弹性结构阶段和 连续介质阶段。 由连续介质力学建立地下结构的解析计算法是一个困难的任务，目前仅仅 对圆形衬砌有了较多的研究成果。典型的有h s c h m i d ，r w i n d e i s ，得出了有压水 工隧到的弹性解；费道洛夫得出了有压水工隧洞衬砌的弹性解；a m m u i r w o o d 得出了圆形衬砌的简化弹性解析解：d j c u r t i s 又对a m m u i r w o o d 的计算方法 作了改进；我国学者也按照弹塑性和粘弹性本构模型进行了很多研究工作，发 展了圆形隧道的解析解理论，利用地层与衬砌之间的位移协调条件，得出圆形 隧道的弹塑性解和粘弹性解。 2 0 实际6 0 年代以来，随着计算机技术的推广和岩土介质本构关系研究的进 步，地下结构的数值计算方法有了很大的发展。有限元法、边界元法以及离散 元法等数值解法迅速发展，模拟围岩弹塑性、粘弹塑性以及岩体节理等大型程 序已经很多了，使得连续介质力学的计算应用范围得到扩大。这些理论都是一 只与围岩共同作用和需得之地应力及施工条件为前提的、比较符合地下工程的 力学原理。然而，计算参数还难以准确获得，如原岩应力、岩体力学参数以及 施工因素等。另外，人们对岩土材料的本构模型与围岩的破坏失稳准则还认识 不足。因此，目前根据共同作用所得计算结果，一般也只能作为设计参考依据。 与此同时。锚杆与喷射混凝土以类新型支护的出现和与此对应的一整套新 奥法隧道设计施工方法的兴起，终于形成了以岩体力学原理为基础的、考虑支 护与围岩共同作用的地下工程现代支护理论。 众所周知，随着人们利用地下洞室的日益需要，隧道工程得到了很大的发 展，尤其是近十几年来，新奥法( n a t m ) 的成功应用使得隧道工程设计施工及管 理技术得到较快发展。但作为隧道及地下工程的根本问题之一一围岩稳定性分 析理论，从现状看并没有形成统一的理论，而是过多地强调隧道工程的技术利 用。可以说，围岩稳定性是自古以来隧道工程利用必须首先回答的问题，但至 目前，仍然大多停留在定性地甚至经验的评价水平上，未形成定量指标。世界 上采用的评价方法主要为围岩分级法( 因它简单易操作) ，辅助以数值的、力学的 以及专家系统的分析方法。正由于此，基于围岩稳定的支护设计及其开挖方式 的选择也大都采用类比方式进行，这就不可避免地将人为的因素带进隧道工程 中。另外从投资开发利用的角度看。也未形成风险性，支护结构的安全度多大 以及是否经济合理均未从理论上给出答案睁“。 武汉理工大学硕士学位论文 随着科学技术的发展，一些理论方法和技术开始在隧道工程中得到应用， 如采用力学计算中的有限元、边界元，离散元等建立的确定型模型和采用数理 统计、模糊数学、分形几何理论等建立的不确定模型来分析隧道工程围岩稳定 性，以及接收固体力学中一些弹、塑性、流变性理论来建立围岩体的物理关系 等。近年来又兴起采用人工智能来建立专家系统评价围岩稳定性并在工程中得 到较好的应用。 但从工程角度看，上述几种方法所得到的分析结果往往不能满意。造成这 种局面的因素有二：一是为了工期的目的而未采纳分析方法：二是也是主要的因 素，是采用的模型所分析的结果与实际情况有较大出入。从理论上说，计算错 误般情况下是不可能的，其实际就是在分析计算的模型上或者说对围岩与支 护结构的认识上与实际有出入，所以对隧道围岩与支护结构的力学行为，尤其 是大跨度隧道围岩与支护的力学行为，是十分必要的。为此，本论文提出了大 跨度隧道施工方法数值模拟与动力响应分析研究，以便获取一些有益的结论， 为提高大跨度隧道的设计与施工提供一定的科学依据。 1 4 本文研究的主要方法以及内容 本文以新建铁路温福线福厦线引入福州枢纽工程中的燕前二号大跨度三线 铁路隧道为背景，运用弹塑性有限元法对大跨度隧道的施工方法进行了模拟研 究，以便获得最优的施工方法，同时运用弹塑性理论，结构动力学和数值分析 方法对隧道在爆破动荷载作用下动力响应进行研究，具体研究内容有： ( 1 ) 利用弹塑性理论和有限元法基本理论，建立燕前二号隧道平面弹塑性有 限元模型以及弹塑性屈服准则。 ( 2 ) 运用a n s y s 的“生死单元”方法，对燕前二号隧道v 级围岩衬砌断厩 所备选的三种施工开挖方法( c d 法，c r d 法，双侧壁导坑法) 进行动态数值模拟， 研究大跨度隧道在开挖与支护过程位移场与应力场的变化情况，获取最优施工 方法及一些力学性状参数，为设计和施工提供依据和指导。 ( 3 ) 在爆破动荷载作用下的隧道围岩与支护结构的动力响应研究，获取隧道 围岩与支护结构的动力响应研究，获取隧道围岩与支护结构位移、加速度、速 度以及应力在爆破动荷载作用下的变化情况，为隧道工程实践提供一定的参考 依据。 武汉理工人学硕士学位论