（水工结构工程专业论文）有限元法辅助浅埋暗挖输水隧洞结构设计的研究.pdf

中潮水利承电科学研究院学位论文 摘要 在都市内采用浅耀暗挖法修建大型的输水隧洞，正程条件复杂。技术难度太，有必 要进行专门碜 究。有限元法辅助浅埋酸挖输拳隧灞绪槐设诗，是具亳熬要现实意义襄疆 论意义的课题。本文以有限元法为手段，研究和浅埋暗挖隧洞结构设计密切相关的几个 内容；浅埋嚷挖隧洞的围岩皮力路径、扭期支护的模拟方法，地表沉蹲评价、对甄有结 构( 桥基、魏下通道、管线) 的影晌等，提留使用有限元法辅助浅埋暗挖隧洞结构设计 的基本方案。本文的研究为水利行业使用有限元法系统地分柝浅埋暗挖输承隧洞提供参 考，瓢丽达到雅广有隈元法在辅韵浅壤暗挖隧洞结构设计领域应用静弱的。 研究依托南水北调中线北京西四环暗涵工程进行。西四环暗涵属乎大型输水工程， 采焉浚埋碴挖法撬工，掰在戆层软弱，沿线穷越缝下通道、警线、桥蒸多处，整个工程 有相当大的难度，在圆内尚属首例。 零文研究戳数篷诗算兔圭，结合灌论分据、与瑗场益测数据篦较，褥虱珏下主要成 果： ( 1 ) 攫零了麓羔撬费使骧潺垂爨圭瘟力大冬帮方商发生镶显羧交静篷域，绘窭了 隧洞嗣岩8 个媳型区域在施工过程中所经历的复杂加、卸载过程和主应力方向变化规律。 本文磷究发瑗：入髑j 舞广泛认霹的“隧漏嚣挖本质是联始建成力场懿耱载”黪溪熹，瓣 于在软弱地层中浅埋睹挖的隧洞而言并不确切。提出了在采用有限元辅助隧洞结构设计 时，农不同的施工阶段，围岩使用加、卸载参数的实惩蠢法。 ( 2 ) 提出了有限元法辅助浅埋暗挖隧洞设计时，采用开挖的同时施加初期支护来 模拟及时支护，对支护早期力学参数进行折减以模拟喷混凝的滞后，井考虑支护於力 学参数随龄期变化。论证了丽这种方法计算得剐的初期支护应力成果，可以为设计经济 合理的支护结构提供依据。 ( 3 ) 提国了依据缝表整向位移裔限元计箨值评价沉降是否满足设计控制标准鹩方 法。该方法可供北京地区第四纪地层中的浅埋暗挖隧洞工程参考。所采用的留肖安全掭 度豹襻法霹供菸它戆酝豹类骰王程僭蕊。 ( 4 ) 研究了隧洞暗挖施工对地下通道、管线和既有桥基的影响。三维有限元方i 去 努辑疆道蓬王对既有瀵遴麓影响，哥为隧灞设计稻评徐逶道蜜全状态提供更准确静依 据，降低工程成本。掇出了分析浅埋隧洞施工对地下管线影响时，根据管道的剐度和尺 寸不鞠孬采取不凑数摸羧方法。提出了嚣个隧灞透接穿越辑基辩豹寿戳元疆韵浚诤豹诤 算方案。据此方案，对隧洞近接穿越钻孔桩、挖孔桩和沉箱桩进行研究，总结规律，为 类歙瓣芏程秘窍鞭盂法穗助设诗提供参考。 中国水利水电科学研究院学位论文 ( 5 ) 磅究7 隧洞布鬟越出东翻翘蕊限制懿特殊瓣题。在隧濑穿越辑基瞬，嚣今隧 洞闻距过小，遂超出水工髓洞设计规范豹限翎，隧溺邋接桩基，施蠢条侔非常不嗣。研 究表明，采用适当的施工方法，施工期隧洞和桥基的安全均可得到保证。这已得到现场 监测结果的验证。此研究可为类似工程军n 有限元法辅助设计提供有价值的参考。 ( 6 ) 建藏了骞羧元法辘麓浚瑾疆挖麓承隧漏缮梅设谤静基本秀案。凌寿案臻韵设 计的大量计冀成果的有效性已得到了现场监测资料的验证。采用该方案进行计算分析， 可以为浅埋暗挖隧洞结构设计提供更科学的依据。 本文的磺究丰富了在软基中修建输农管涵分辑璞谂秘方法，j l 雩设诗窝藏工篡毒重要 豹指导意义。为承群行监健用有限元法辅助浅埋渚挖输永隧洞结构设计提供了较为系统 的参考。对使用浅埋暗挖法施工的市政、交通、地铁铎隧道工程同样具有重要的借鉴价 俊。文中大量的计算实例为北京西四环峨涵工程的设计和施工提供了依据。 关键词；输水隧洞，浅埋暗挖，有限元，辅助设计，j 敷力路径，她袭沉降，既蠢结梅 珏 中国零幂j 水嘏辩学研究院学位论文 a b s t r a c t c o n s t r u c t i n gw a t e rd i v e r s i o na t r m e lw i t hs h a l l o wt u r n e lc o n s t r u c t i o nm e t h o d ( s t e m ) 弧 m e t r o p o l i t a n sh a st w of e a t u r e s ，n a m e l y , t h ec o m p l e xc o n s t r u c t i o ne n v i r o n m e n ta n dt h e d i f f i c u l tt e c h n o l o g yi m p l e m e n t a t i o n i tm e r i t ss t u d y t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a i d e d w a t e rd i v e r s i o nt u n n e l ss t r u c t u r a ld e s i g ni sar e a e a g e hh a v i n gi m p o r t a n tp r a c t i c a la n d t h e o r e t i e a lv a l u e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w i t ht h em a i nt o o lo ff e m , m a n ya s p e c t sc l o s e l y r e l a t e dt ot h es t r u c t u r a ld e s i g no f t u n n e lw i t hs 熨ma r es t u d i e d , i n c l u d i n g ：t h es t r e s sp a t ho f t u n n e l s u r r o u n d i n gs o i l s ，t h e s i m u l a t i o no fp r i m a r y s u p p o r t , t h ee v a l u a t i o no fg r o u n d s e t t l e m e n t , a n dt h ee f f e c t so nn e a r b ye x i s t i n gs u a g i u r e s ( p a s s a g e s , c u l v e r t sa n db r i d g e f o u n d a t i o n s ) a n dab a s i cf e ma n a l y s i sf l e a ) g u i d e l i n ei sp u tf o r w a r dt oa i dt h es t r u c t u r e d e s i g no ft u n n e lw i t hs t c m t h es t u d yo ft h i sd i s s e r t a t i o no f f e r sas y s t e m a t i cr e f e r e n c et o f e ao f t h ew a t e rt u n n e lw i 也s t e m , a n de x t e n d st h ea p p l i c a t i o n so f f e mt oa i d t h ed e s i g no f t u l m e ls t r u e t a r e n es t u d yo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ea e i j n gx i s i h u a nw a t e rd i v e r s i o nt u n n e l p r o j e c t , w h i c hi sap a r to f t h em i d d l er o u t eo f t h ec h i n a ss o u t h - t o - n o r t hd i v e r s i o np r o j e c t 1 1 塘p r o j e c ti so f l a r g e s c a l ea n de m b e d d e di nv e r ys o f ts t r a t u mc r o s s i n gal o to f u n d e r g r o u n d e x i s t i n gs t a u e t u r e s , a n dc o n s t r u c t e dw i t hs t c m i t sc o n s t r u c t i o ni sr a t h e rd i f f i c u l t , a n di ti s t h ef i r s te a s eo f s i m i l a rp r o j e c t si nc h i n a n l cs t u d yo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sd o n ew i t ht h em e t h o d so fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nw i t hf i e l dm e a s u r e m e n td a t a 弧er e s u l t so b t a i n e da g ea s f o i l o w s ： ( 1 ) t h ez o n e so ft u n n e ls u r r o u n d i n gs o i l s , w h e r eb o t ht h ev a l u ea n dd i r e c t i o no ft h e p r i n c i p a ls 舡镐sc h a n g eo b v i o u s l ya r ed i s c o v e r e d t h ec o m p l e xp r o c e s s e so fl o a d i n ga n d u n l o a d i n ga n d t h ec h a n g eo f p r i n c i p a ls t r e s sd i r e c t i o ni n8z o r e sa r cg i v e n i ti ss h o w nt h a tt h e c o m m o n l ya c c e p t e dc o n c e p t t h ee x c a v a t i o no ft u n n e li sr bu n l o a d i n gp r o c e s so ft h ei n i t i a l g e o s t a t i cs t r e s s ”i s n o te x a c t l yt r u e ap r a c t i c a lm e t h o d , w h i c hu s e ss u r r o u n d i n gs o i l s m e c h a n i c sp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h el o a d i n go ru n l o a d i n gp r o c e s sw h e nt h ef e ma n a l y z e s c i r c u l a rt u u n e lw i t hs t c m 。i sp r e s e n t e d ( 2 ) as i m u l a t i o nm e t h o do fp r i m a r ys u p p o r ti sp r e s e n t e d i ti n c l u d e sa d d i n gt h ep r i m a r y s u p p o r t 鼓t h e ；龆i n et i m eo fe x c a v a t i o n , s i m u l a t i n gt h es u p p o r tl a gw i t hr e d u c i n gt h e m e c h a n i c sp a r a m e t e r so ft h ee a r l ys u p p o r t , a n ds i m u l a t i n gt h em e c h a n i c sp a r a m e t e r sc h a n g e w i t ht h ec o n c r e t ea g e i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r i m a r ys u p p o r ti m e s sg o t t e nw i t ht h i s m e t h o dc a no f f e rar e f e r e n c e1 0d e s i g na l le c o n o m i c a la n dr a t i o n a lp r i m a r ys u p p o r t ( 3 ) am e t h o d , w h i c he v a l u a t e st h eg r o u n ds e t t l e m e n tw h e t h e ri ts a t i s f i e st h ed e s i g ne o n t r o l c r i t e r i aa c c o r d i n gt ot h ef e mc a l c u l a t i o nv a h l e , i sp u tf o r w a r d 。i t 饿b eu s e da sar e f e r e n c et o t h et u n n e lw i t hs t c mi nt h eq u a t e r n a r yp e r i o ds t r a t u mo fb e i j i n gd i s t r i c t , a n da l s ot h e s i m i l a rp r o j e c to f o t h e rd i s t r i c t ( 4 ) 糯e f f e c t so ft u n n e l i n go i lt h ee x i s t i n gs t r u e b l r e s ( p a s s a g e , c u l v e r ta n db r i d g e n l 中国水利水电科学研究院学位论文 f o u n d a t i o n ) a r es t u d i e d 1 1 圮r e s u l t ss h o wt h a tt h e3 - d i m e n s i o n a lf e a o ft u n n e l i n ge f f e c t so n p a s s a g ec a no f f e r a na c c u r a t er e f e r e n c et oe v a l u a t et h ep a s s a g e ss a f e t yr e l i a b i l i t ya n dt o d e s i g nt h et u n n e l a l s oi tc a l lr e d u c et h ep r o j e c t sc o s t i na d d i t i o n , i td i s c u s s e sh o w t oc h o o s e c u l v e r ts i m u l a t i o nm e t h o da c c o r d i n gt ot h ec u l v e r t ss t i f f n e s sa n ds i z e ar a t i o n a ls c h e m ei s b r o u g h tf o r w a r da n a l y z i n gt w ot u n n e l sa d j a c e n t l yc r o s st w ob r i d g ef o u n d a t i o n s w i t i lt h i s s c h e m e ，t u n n e l sc r o s s i n gb o r e dp i l e ，e x c a v a t e dp i l ea n dc a i s s o np i l ea r es t u d i e d t h e c o n c l u s i o n sh a v er e f e r e n c ev a l u e sf o rs i m i l a rp r o j e c t sa n df e ma i d e dd e s i g n s ( 5 ) as p e c i a lp r o b l e mt h a tt h et u n n e l sa r r a n g e m e n te x c e e d st h el i m i to fh y d r a u l i ct u n n e l s d e s i g ns p e c i f i c a t i o ni ss t u d i e d w h e nt w ot u n n e l sg 1 0 5 5b r i d g ef o u n d a t i o i l s ，t h ed i s t a n c e b e t 、 f nt u n n e l si st o os h o r ta n dg r e a t l ye x c e e d st h es p e c i f i c a t i o n sl i m i t , a n dt h et u n n e l sa r e a d j a c e n tt ob r i d g ef o u n d a t i o n s s u c hs i t u a t i o n sm a k et h ep r o j e c td i f f i e u l t l yt oc o n s t r u c t 砸圮 a n a l y s i sr e s u l 招s h o wt h a t , w i t hr e a s o n a b l ec o n s t r u c t i o nm e t h o d s t h es a f e t yo ft u n n e l sa n d b r i d g ef o u n d a t i o n sc f l nb eg u a r a n t e e d t 1 1 i sc o n c l u s i o ni sp r o v e db yt h ef i e l dm e a s l u e m e n t d a t a t 1 l i ss t u d yh a sr e f e r e n c ev a l u ef o rs i m i l a rp r o j e c t sa n df e ma i d e dd e s i g n s ( 6 ) ab a s i cf e ag u i d e l i n ei sp r e s e n t e dt oa i dt h ed e s i g no fw a t e rd i v e r s i o nt u n n e lw i t h s t c m n 站v a l i d i t i e so fr e s u l t sc a l c u l a t e dw i t ht h i sg u i d e l i n e 瓣p r o v e db yt h ef i e l d m o 醐l s u r c m e n td a t a s ou s i n gt h i sg u i d e l i n et oc a l c u l a t ec a no f f e ram o r es c i e n t i f i cr e f e r e n c et o t h ed e s i g no f t u n n e lw i t hs t c m n 蛇s t u d yo ft h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p st h ea n a l y s i st h e o r ya n dm e t h o do fc o n s t r u c t i n g w o t 盯d i v e r s i o nt u n n e li ns o f ts t r a t u m , a n dg u i d e st h es t c mt u n n e ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o n i to f f e r sas y s t e m a t i cr e f e f e n c et of e ma i d e dd e s i g no f t h es t c mw a t e rd i v e r s i o nt u n n e l ，a n d a l s ot h em u n i c i p a lt u n n e l i r a n s p o r t a t i o nt u n n e la n ds u b w a yt u n n e le t e n er c s e a l c h $ c a l c u l a t i o nr e s u l t sa l t ea d o p t e db yt h ed e s i g n sa n dc o n s t r u c t i o n so ft h eb e i j i n gx i s i h u a n p r o j e e t k e y w o r d s ：w a t e rd i v e r s i o nt u n n e l ，s h a l l o wt t t r m e lc o n s t r u c t i o nm e t h o d , f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，a i d e dd e s i g n , s t r e s sp a t h , g r o u n ds e t t l e m e n t e x i s t i n gs t r u c t u r e 分类号密级 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注 和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他 人为获得中国水利水电科学研究院或其他教育机构的学位或证书等而使用过的 材料。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 糊姗躲辑隰冲7 月日 中国水利水电科学研究院学位论文 1 1 研究目的和意义 1绪论 1 1 1 工程背景 本文的研究依托南水北调中线北京西四环暗涵工程进行。结合南水北调中 线北京西四环路、五环路、京石高速路暗涵等系列工程的施工可行性和安全性 研究【l 一1 ，展开全文的研究工作。 北京西四环暗涵是南水北调中线总干渠的最后控制性工程，全长1 2 6 4 公 里，工程等别为一等，主要建筑物为l 级，建筑物抗震设防烈度为8 度暗涵 采用浅埋暗挖法施工。暗涵的大部分位于北京西四环公路路面以下，所在的地 层为凝聚力接近于零的卵砾石地层，围岩十分软弱。工程沿线穿越桥基、地下 通道、管线等既有结构多处【6 。7 1 。 浅埋暗挖法在地铁、市政、铁路、公路等工程中有较多的应用【s ，9 1 像北 京西四环暗涵这样的大型输水工程，十几公黾长的输水管线全部建在城市快速 路下暗挖的，国内尚属首例。在既有结构下的软弱地层中开挖输水管涵，是有 较大难度的工程问题，也是水利行业较特殊的一类问题。在都市内修建大型的 输水隧洞，有必要进行专门研究，使有限元法成为辅助设计的重要手段。有限 元法辅助浅埋暗挖输水隧洞结构设计，是具有重要现实意义和理论意义的课题。 1 1 2 研究目的 本文研究的主要目的是推广有限元法在辅助浅埋暗挖隧洞的结构设计领 域的应用，为水利行业使用有限元法系统地分析浅埋暗挖输水隧洞提供参考 为此，本文以有限元法为手段，研究和浅埋暗挖隧洞结构设计密切相关的几个 内容：浅埋暗挖隧洞的围岩应力路径、初期支护的模拟方法、地表沉降、对既 有结构( 桥基、地下通道、管线) 的影响等，提出使用有限元法辅助浅埋暗挖 隧洞结构设计的基本方案。 中国水利水电科学研究院学位论文 1 1 3 研究意义 近年来，我国大规模调水工程的不断出现，使用浅埋暗挖法施工的暗涵在 工程中会经常遇到。有限元法辅助浅埋暗挖隧洞结构设计，可以更好地评估隧 洞的施工可行性和结构安全性，寻求经济合理的设计方案。 本文的研究丰富了在软基中修建输水管涵分析理论和方法，对设计和施工 具有重要的指导意义。为水利行业使用有限元法辅助浅埋暗挖输水隧洞结构设 计提供了较为系统的参考。本文的研究对使用浅埋暗挖法施工的市政、交通、 地铁隧道等地下工程同样具有重要的借鉴价值。文中大量的计算实例为北京西 四环暗涵工程的设计和施工提供了依据。 1 2 北京西四环暗涵和浅埋暗挖法 1 2 1 西四环暗涵工程 1 2 1 1 简介 南水北调中线总干渠由北京市区西南进入市内，先在五环路下穿过，后进 入西四环路下。西四环暗涵进口位于丰台区大井村西，穿越永定路及京石高速 路后沿高速路北侧向东北约1 4 k m 处由岳各庄桥进入西四环路下，中心线和西 四环路中心线重合，沿西四环路从南向北行进，在四海桥处离开西四环路，北 行约5 0 0 m 最终与团城湖明渠相接。工程沿线穿越铁路、公路、桥梁、水道及 管线多处其中，穿过西长线铁路、五棵松地铁、五路居等铁路；穿过京石高 速公路及西四环路上的岳各庄路、莲花河东路、复兴路、金沟河路、阜石路、 田村路、杏石口路、远大路，西郊机场路、蓝靛厂路、昆明湖路等公路，以及 立交桥和高架桥；穿过永引渠、郭水沟、水衙沟、永引渠等水道；穿越电力、 电信、天然气、供水供热及雨污水等管道6 5 处 工程区穿越京西冲洪积平原，地势平坦，地面高程4 9 0 0 5 9 o o m ，总体呈 西南高东北低。区内钻孔揭露的地层为第四系全新统冲洪积物。地层结构的总 体特征呈上部为人工填土及第四系冲洪积壤土砂壤土、砂；下部为第四系冲洪 积圆( 卵) 砾夹砂、壤土砂壤土透镜体。卵砾石磨圆度较好，粒径一般3 6 c m ， 最大3 5 e m 以上，卵砾石含量沿洞线由6 0 4 5 过渡到4 0 - 3 0 。 工程区内钻孔揭露地下水为孔隙潜水，含水层主要为卵砾石层，渗透系数 5 0 8 0 m d ，具强透水一一中等透水性。地下水位一般为3 3 6 3 8 7 m 。 2 中国水利水电科学研究院学位论文 暗涵最小覆土厚度约2 5 m ，最大覆土厚约1 7 m 。暗涵主要处在卵砾石层中， 其承载力标准值为3 5 0 k p a 。地下水多数处于设计洞底高程之下。 西四环暗涵工程为输水隧洞，断面形状由过流能力和承载能力两个因素确 定通过水力和承载能力计算比较，两方面的最优断面均为圆形。最终确定暗 涵采用并行的2 个输水暗涵，以圆形隧洞为主，开挖直径5 2 m ，部分使用方形 断面( 穿越公路、铁路时采用) 和圆拱直墙断面( 辅助施工廊道采用) 。采用正 台阶式开挖、小导管注浆超前支护、复合式衬砌，详细见1 2 2 中的说明。 1 2 i 2 特点 西四环暗涵线路于1 9 9 5 年最终选定，因为西四环快速路于1 9 9 8 年先于南 水北调工程竣工通车，原来的明挖施工方案被迫改为暗挖施工，需在不影响道 路交通的情况下，在西四环快速路下实施，工程较复杂，技术难度较大。 工程穿越由古永定河等古河道多次洪水冲积物而形成的第四系砂卵石地 层，卵砾石层的凝聚力接近于零，开挖容易引起失稳，暗挖施工难度大，施工 方法的选择直接关系到工程的成败在凝聚力接近于零的地层中开挖隧洞，支 护不及时或失效，容易出现洞壁坍塌、冒顶，危及施工人员生命安全；极有可 能进一步引起路面塌陷，无法行车类似的事故在城市地铁施工中多有发生， 其结果是阻断交通，延误工期，经济损失巨大。 暗涵工程施工在公路路面以下进行，穿越西四环主路高架桥和跨线桥2 3 座，人行天桥8 座，各类市政管线7 0 余条，相关部门对于路面沉降、桥基位移， 地下通道和管线变形等有严格的控制指标。对设计和施工提出了挑战。工程沿 线穿越水道4 条。水道渗水对旌工的威胁，对施工技术及施工配合都将是严竣 的考验。 在含水地层中对地下水处理效果的好坏关系着浅埋暗挖法的成败，浅埋暗 挖法必须保持无水作业，采取降水和防水措施【1 0 】。北京西四环暗涵多数场地的 地下水位较低，处于暗涵底板以下深处，对工程的施工基本没有影响。因此， 本文研究不考虑地下水的影响。 1 2 2 浅埋暗挖法 隧道深埋或浅埋并非单纯指洞顶地层厚度而言，还应结合上覆地层的水文 地质工程的地质特征、松散状况、围岩结构构造特征、风化、破碎、断层影响 的程度、结构强度，以及地下水等因素综合判定。根据隧道塌方统计高度、国 3 中国水利水电科学研究院学位论文 内外资料、规定和理论计算的基础，卵砾石地层隧洞( 道) 深埋和浅埋的分界 埋深为2 5 3 5 倍洞径；其中，埋深小于0 4 倍洞径的为超浅埋隧洞1 9 l 。西四环 暗涵工程属于浅埋隧洞的范畴。 浅埋暗挖法沿用岩石隧道新奥法( n e w a u s t r i a n t u n n e l i n gm e t h o d ) 的基本 原理，是2 0 世纪8 0 年代在第四纪软土中修建北京地铁时开创出的新方法o3 1 。 浅埋暗挖法施工在欧洲国家、南荚、日本、韩国也应用较多 1 4 - 1 8 。它主要适用 于不宜明挖施工的土质或软弱无胶结的沙、卵石等第四纪地层，修建覆跨比大 于0 2 的浅埋地下洞室。对于高水位的类似地层，采取堵水或降水、排水等措 施后也适用。尤其对于结构埋置浅、地面建筑物密集、交通运输繁忙、地下管 线密布，且对地面沉陷要求严格的都市城区，如修建地下铁道、地下停车场、 管线，这项技术更为适用。 浅埋暗挖法与其它方法相比具有显著的优点。与明挖法( 盖挖法) 相比， 具有拆迁占地少、不扰民、不干扰交通、节省大量拆迁投资等优点；与盾构法 相比，具有简单易行，无需多种专用设备，灵活方便，适用于不同地层、不同 跨度、多种断面，可以提供大量就业机会等优点，是适合我国国情的好方法。 浅埋暗挖法也有其缺点，如速度较慢，喷射混凝土粉尘较多，劳动强度大，机 械化程度较低，以及高水位地层结构防水比较困难等。 下面对与西四环暗涵工程有关的主要内容作简要说明。 1 2 2 1 浅埋暗挖法施工原理 浅埋暗挖法沿用了新奥法的基本原理，创建了信息化量测反馈设计和施工 的新理念：采用先柔后刚复合式衬砌的新型支护结构体系，初期支护承担全部 基本荷载设计，二次模筑衬砌作为安全储备；初期支护和二次衬砌共同承担运 行期荷载。应用浅埋暗挖法进行设计和施工时，同时采用多种辅助工法，超前 支护加固围岩，调动部分围岩的自承能力；采用不同的开挖方法及时支护、封 闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系；在施工过程中应用监控量测， 信息反馈和优化设计，实现不塌方、少沉降、安全生产与施工1 9 j 。 由于浅埋暗挖法大多应用于第四纪软弱地层中的地下工程，围岩自身承载 能力很差，为避免对地面建筑物和地中构筑物造成破坏，需要严格控制地面沉 降量。因此，要求初期支护刚度要大，支护要及时。此原理可以用特征曲线法 表示，图1 2 1 为围岩特征曲线与支护刚度曲线，横轴u 表示洞壁位移，纵轴 p 表示压力，u a 表示支护参与工作前洞壁的位移，支护刚度曲线和围岩特征曲 4 中国水利水电科学研究院学位论文 线的交点c ( 稳定点) 应尽可能靠近a 点，即支护所承受的荷载p c 越大越好， 只有这样才能尽可能减小围岩的承载力和洞瞳的位移，并作为支护和围岩的共 同作用的安全储备。这种设计思想的施工要点可概括为“管超前、严注浆、短 进尺、强支护、早封闭、勤量测、速反馈”1 9 1 。 图1 - 2 1 围岩特征曲线与支护刚度曲线示意图 西四环暗涵工程的地质条件不利，要保证施工期安全( 成洞) 、尽可能减 小对地表路面和既有结构物影响，浅埋暗挖施工需严格按以上要点执行。 1 2 2 2 施工方法 采用浅埋暗挖法施工时，常见的施工方法是正台阶法以及适用于特殊地层 条件的其它施工方法，如全断面法、单侧壁导坑超前正台阶法、双侧壁导坑正 台阶法( 眼镜法施工) 、中隔墙法等。施工中，应根据不同的围岩条件、水文地 质条件、工程条件、工程建筑要求、机具设备、施工技术水平、施工经验等多 种因素，选择行之有效的一种或多种施工方法。 西四环暗涵采用了正台阶法施工，采用人工及小型机械施工，每次掘进 0 5 m ，施工进度卜2 m d 。 1 2 2 3 超前支护和成洞条件 在浅埋、软弱地层中施工时，当围岩自稳时间短或不能自稳，不能保证安 5 t i i 时i 上 中国水利水电科学研究院学位论文 全地完成初次支护时，为确保施工安全，加快施工进度，必须在开挖前对工作 面前方的围岩进行超前支护，即通常所谓的“先支后挖”。超前锚杆、超前小导 管和超前长管棚是浅埋暗挖法施工中常用的超前支护方法。此外，超前预切槽 衬砌、顶板法、水平旋喷注浆等超前支护方法也有应用 1 9 - 2 1 l 。 西四环暗涵所在的卵砾石地层不能自稳，必须超前支护。采用小导管双液 注浆支护，即在开挖面前方沿隧洞开挖轮廓线( 一般是上半洞) 打入小导管( 花 管) ，小导管向洞外倾斜一定的角度，管体外露端支撑于开挖面后方的网构钢拱 架上，向小导管内压入浆液，扩散到卵砾石地层中。其本质是既加固土体、又 支护土体1 2 0 1 。通过超前支护，使砂砾石地层具备了一定的自稳能力，在控制进 尺、留核心土、及时封闭开挖面、及时强支护的前提下保证成洞条件。 1 2 2 4 衬砌支护 浅埋暗挖法工程一般采用复合式衬砌支护结构，包含初期支护和二次模注 衬砌。初期支护是施工期自j 的承载结构，承受施工期的主要荷载( 土压力、部 分水压力) 。二次衬砌一股在初期支护变形基本稳定后开始施作，二次衬砌和初 期支护共同承担永久荷载。对于输水隧洞来说，二次衬砌除了要承受外部压力 以外还要承受内水压力，减小了过水断面的糙率，改善水力条件。初期支护有 多种组合形式，包括喷射混凝土支护，喷射混凝土和钢筋网支护，喷射混凝土 和锚杆支护，超前小导管、喷射混凝土、钢筋网和钢拱架支护等。二次衬砌一 般有素混凝土和钢筋混凝土两种 西四环暗涵采用复合式衬砌支护结构，初期支护为网构钢拱架喷射混凝 土，每o 5 m 设l 榀网构钢拱架，喷射厚3 0 0 m m 的c 3 0 混凝土；二次衬砌为厚 3 0 0 m m 的c 3 0 模筑钢筋混凝土。在初期支护和二衬之问铺设1 2 r a m 厚的e c b 防水板。 1 2 2 5 监控量测和信息反馈 由于地下工程的复杂性，有必要在浅埋暗挖施工中通过监控量测和反馈分 析，及时获取围岩变动与地下工程结构的动态信息，把握结构所处的安全状态， 基于量测结果进行反馈分析以修正支护参数与施工措施，达到施工安全与经济 合理的目的。监控量测是浅埋暗挖法施工中检测设计参数、地面稳定性、评价 施工方法的主要依据1 9 1 。监控量测有地表位移、拱项下沉、隧道周边收敛、土 压力、土体位移、支护应力等项目。反馈分析把量测的数据和记录综合评判后， 6 中国水利水电科学研究院学位论文 指导施工、修改设计，判定围岩的稳定性和支护工作状态 1 3 课题的研究现状和主要问题 1 3 1浅埋暗挖隧洞结构设计计算 1 3 1 1 结构设计计算的主要方法 目前国内外采用的隧洞( 道) 结构设计模型可归纳为四种类型： ( 1 ) 以工程类比为依据的经验法( e m p i r i c a l m e t h o d ) 。工程类比法在国内 外地下工程的设计领域占据重要地位，许多工程结构设计以工程类比法为依据。 工程类比经验设计方法的关键在于建立正确的围岩分类体系，以及既有工程资 料的积累和整理，充分掌握和占有以往类似工程的资料和成功经验。由于条件 所限，目前没有一个完善的地下工程数据库，工程类比只是各单位依据局部有 限的经验进行类比。因此，设计者难以确定出最经济合理的设计方案【2 2 1 ( 2 ) 以测试为依据的实用法，包括收敛约束法( c o n v e r g e n c e c o n f i n e m e n t m e t h o d ) 、现场和实验室的岩土力学试验、应力( 应变) 量测以及实验室模型 试验1 2 3 1 。这类方法是地下工程支护定量分析与设计的实用方法之一。然而，还 有许多理论上的难题需要解决，难以推广。 ( 3 ) 作用反作用模型( a c t i o n r e a c t i o nm o d e l ) ，例如弹性地基框架、弹 性地基圆环( 全部支承或部分支承) 等这种模型亦可称为荷载结构法或简称 结构力学法。这种计算模型中，假定围岩已经发生松弛或塌落，支护结构上方 的荷载是上方塌落岩体的重量，结构内力( 或变形) 按结构力学方法计算。对 于浅埋隧洞( 道) 围岩的压力按松散荷载计算，超浅埋隧道按全土柱加地面动、 静换算荷载计算【l i 】这种模型事先假定了荷载，然后把荷载施加在结构上进行 计算，其力学概念清晰、计算过程明确。所以，这种模型是目前最常用的，也 是水利、铁路、公路、地铁等行业规范推荐的地下结构内力计算模型【2 4 也引。采 用这种方法进行计算的缺点在于，需要事先假定荷载，衬砌结构本身的内力和 变形由计算得出，围岩的变形只能由衬砌结构的变形间接估计，对于地层位移 有严格控制指标的浅埋暗挖隧洞而言，这种估计方法的准确性差，而且难以知 道周围岩士体的应力状况及其稳定性。 ( 4 ) 连续介质模型( c o n t i n u u mm o d e l ) ，亦可称之为地层结构模型，包括 解析法和数值法两种主要方法【2 2 2 9 30 1 。解析法分为封闭解和近似解两种。数 7 中国承利水电幂珲学研究院学位论文 魏法惫揍毒限嚣、透器元、褰教元等，其孛窍限元法是嚣藩瘦弱簸广泛豹。簿 析法目前逐渐被数值法所取代。连续介质模越中，豳岩和支护系统不再作为相 蠢终弱懿嚣令方瑟，瑟是薅为一令联会系绞翅缢考虑。诤舞浅埋戆挖隧溺维梅 内力时，围岩与结构的相互作用以变形协调条件来体现，阂岩应力重分布、围 裟对辩旗戆压力葙缕捻内力怒在谤雾巾“鑫劫”生成戆。辩臻亵溺岩豹寂力、 位移可逝接获得，围岩的稳定性也可以通过屈服状态的方式表达出来。 1 3 1 2 有限元法辅助浅埋暗挖隧洞结构设计 照蛰骞艰露法秘谤舞襁技术匏发震，戮毒限元法终为王吴磺究浅埋壤挖隧 洞( 道) 的文献屡见不鲜 一卜4 。然而，有限元法辅助设计和一般的科学研究 琴同，裴壹接隽工程设诤提供莰摆，爨全匿、慎重考虑。褒我国，王程波渗人 员已熟练掌握了工程类比、荷载结构法等这类传统方法，有限元法辅助工程设 计只是农近二专年左衣兴起，滏来被蛰遗掌握毒珏接受，赝以霹蠡纷泣筑蕊把骞 限元法列为隧洞( 道) 设计的辅助方法。然而，有限元法脊传统方法所不具备 弱优势。 有限元法分析浅墁暗挖隧洞的受力状卷，围岩与结构的相互作用以变形协 调条件寒体现，概念：穰理论上燹合理，较为接近支护结搀懿受力过程。鸯隈元 法可以适用于鼹有复杂性质的材料( 材料雅线性、非均质、各向异性) 、备种边 界条 牛任意萄载情提以及任意结搀足舞形状等条件 4 6 1 ，特嬲适会援羧复杂鲍结 构空日j 效应和时间效应等问题，可以模拟多个隧洞采用不同的施工次序，隧洞 多个工弦嚣错野施工、嚣挖秘支护交耱、凝瞬支护懿攥除，岩浚交、支护参 数随龄期变化等复杂问题。 使用待载续橡法或模型试验，难以分柝隧涸篪王中复杂盼空间秘时阍过 程，难以对隧涧在不同施工阶段的安余性和缀济性做出评价。由予隧洞所处的 水文地鹱条侔，埋涤、结构形 浅、临近氍鸯结构的形式、隧洞与鼹意结梅鹃樱 对位置关系等诸多方面原因，很难找剿两个工程条件非常相近的浅埋隧洞。因 此，如粜使用工程类比法，设计者难以确定如最经济会理黪没诗方案。 近年来，簇于对城市地下工程的馐视，一般对其重要部位，需要做专门研 究。有限元方法具有传统方法不具备的优点；在分辑隧洞的成瀛条 譬、匿容破 坏程度、结构受力过程和地表沉降等方面，和工程实际更为接近，可以更好地 评估隧溯施工可行性、结构安念性积经济会邂性。因此，健有限元成为重甓的 辅助设计手段。本文对话四环暗涵工程的研究就属予这种情况。本文的研究成 8 中国水利水电科学研究院学位论文 果，为有限元法辅助浅埋暗挖隧洞结构设计，提供了重要依据，迸一步推广了 有限元法在浅埋暗挖隧洞设计领域的应用。 1 3 2 隧洞围岩应力路径分析 地下工程施工会不同程度地对围岩( 土) 产生扰动影响。其扰动的主要影 响有：开挖和支护引起应力状态的改变、应力路径的改变、含水量及孔隙比的 变化、土体结构破坏、化学成分改变、土体压密状态或固结状态的改变以及其 他参数的改变等。其中，应力状态与应力路径的改变是施工扰动的关键影响因 素【4 7 1 。 土的试验和大量研究表明，土体力学行为和参数与应力路径关系密切，这 已被人们广泛认可【4 弘5 5 】。在土的常规三轴试验中，加、卸载状态下弹性模量e t 、 e 。，二者有很大差别，如图1 3 1 。有限元方法分析土木工程结构时，应该考虑 土体在应力路径改变时( 例如加载或卸载) 参数的改变，否则计算结果的准确 程度会大打折扣。例如：文献【5 6 】中采用d u n c a n c h a n g 非线性弹性模型研究三峡 二期围堰防渗墙的应力、位移规律，在不同的加载模量数与卸载