（岩土工程专业论文）瓦屋山水电站引水隧洞施工期围岩稳定性监测及支护结构优化研究.pdf

四川大学硕士学位论文 瓦屋山水电站引水隧洞施工期围岩稳定性监测 及支护结构优化研究 岩土工程专业 硕士研究生张作光指导教师何江达教授 四川瓦屋山水电站位于眉山市洪雅县瓦屋山镇，距离洪雅县城7 6 k 血，电站 总水头3 0 1 m ，设计水头2 5 3 m ，引用流量1 2 0 m 3 s ，装机容量是2 4 万千瓦，多 年平均发电量6 9 9 亿千瓦时，引水隧洞为圆形，内径为6 2 m ，总长4 8 1 3 m ，具 有多年调节性能。 瓦屋山水电站引水隧洞工程的地质力学环境复杂，在洞室开挖过程中，不 同洞段的地质条件、岩体结构、风化程度和地应力特征不易掌握，力学参数难 以确定，施工临时支护措施的合理性也难以判定。因此，加强施工期监测，注 重信息反馈分析工作，是保证施工期围岩稳定性和进行支护结构优化的基础。 本文针对该工程引水隧洞开挖开展了系统的研究工作，主要成果包括： ( 1 ) 根据瓦屋山引水隧洞围岩的特点，完成了引水隧洞监测方案设计，提 出了重点监测项目和监控指标。 ( 2 ) 通过近一年施工过程中的跟踪监测及信息反馈分析，着重研究引水隧 洞围岩变形的时空变化规律，提出了v 类围岩开挖过程洞壁收敛变形警戒指 标，以及洞壁收敛速率与二次支护( 衬砌) 的关系。 ( 3 ) 结合前期的监测资料分析，明确不同典型洞段洞周围岩变形发展的过 程和关键部位，总结了。v 类围岩施工过程中临时( 一次) 支护的型式和效果， 为下一步施工支护参数的选择提供实测依据。 ( 4 ) 结合隧洞监测成果分析，确定引水隧洞不同地段、不同类别日岩地应 力特征与围岩力学参数，围岩时空变化规律以及锚杆受力情况等，为瓦屋山水 电站引水隧洞复杂地质区域应力变化作出判断与分析，提出利于洞室稳定的优 摘要 化支护方案。 ( 5 ) 根据不同洞段的地质情况，运用声波检测方法确定开挖过程中围岩松 动范围，通过相关分析和工程类比，提出不同类别围岩变形模量建议值。 ( 6 ) 论证了围岩变形模量( 弹性抗力系数) 对隧洞混凝土衬砌结构受力与 配筋影响显著的结论，并结合围岩变形监测和声波检测成果，提出了隧洞衬砌 结构配筋优化结果。 关键词：引水隧洞围岩变形监测支护衬砌结构优化 四川大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ha b o u tt h eo p t i m i z a t i o no ft h et i m b e r i n g s t r u c t u r ea n dt h em o n i t o r i n gt ot h es t a b i l i t yo ft h ew a l l r o c k s o ft h ew a w um o u n t a i nh y d r o e l e c t r i cs t a t i o nd u r i n gt h e c o n s t r u c t i o np e r i o d m a j o r ：g c o - t e c h n i c a le n g i n o e r i n g p o s t g r a d u a t e ：z h a n gz u o g u a n g t u t o r ：p r o f h ej i a a g d a t h ew a w um o u n t a i nh y d r o e l e c t r i cs t a t i o ni sl o c a t e di nw a w ut o w n ，h o n g y a c o u n t y , m e i s h a nc i t yo fs i c h u a np r o v i n c ea n di s7 6k ma w a yf r o mh o n g y ac o u n t y t h e g r o s s h e a d o f t h es t a t i o n i s3 0 1 m h i 曲a n d t h e d e s i g n h e a d 2 5 3 m i t s d i s c h a r g e i s 1 2 0 m 3 s ，t h ei n s t a l l e dc a p a c i t yi s2 4 0t h o u s a n dk w ha n dt h em u l t i y e a ra v e r a g e g e n e r a t e de n e r g yi s6 9 9b i l l i o nk w h t h ec r o s s - $ p 戈t i o no fd i v e 岱i o nt u n n e li sr o u n d ； i t si n t e r n a ld i a m e t e ri s6 2 ma n di t st o t a ll e n si s4 8 1 3 m ，h a v i n gt h ef u n c t i o no f p l u r i e n n i a lr e g u l a t i o n t h ec o m p l e xa e r o m e c h a n i c a le n v i r o n m e n te m e r g e si nt h ed i v e r s i o nt u n n e lo f w a w um o u n t a i np o w e rs t a t i o n i nt h ep r o c e s so fe x c a v a t i n g ，t h ed i f f i c u l t i e so f m a s t e r i n gt h eg c o l o 百c a lc o n d i t i o n , t h er o c km a s ss t r u c t u r e ，t h ew e a t h e r i n gd e g r e e a n dt h eg c o s t r e s sf e a t u r eo fd i f f e r e n tt u n n e ls e c t i o n se x i s t b e s i d e s 。“i sh a r dt o d e f i n et h em e c h a n i c a lp a r a m e t e ro rt oj u d g et h er a t i o n a l i t yo ft h et e m p o r a r ys u p p o r t m e a s u r e m e n t t h e r e f o r e ，i ti st h eb a s ef o rt h es t a b i f i t yo fw a l lr o c ka n dt h e o p t i m i z a t i o no fs u p p o r ts l r u c t u r et or e i n f o r c et h em o m t o d n gw o r ka sw e l la st o 埘 s t r e s st ot h ea n a l y s i so fi n f o r m a t i o nf e e d b a c ki nt h ec o n s t r u c t i o np e r i e d hv i e wo f t h ee x c a v a t i o no ft h ed i v e r s i o nu a m e lt h i sp a p e rp r e s e n t ss o m es y s t e m a t i cr e s e a r c h t h a tm a i n l yc o n t a i n st h ef o l l o w i n gp o i n t s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fw a l lr o c ki nt h et u n n e lo fw a w up o w e rs t a t i o n , 摘要 c o m p l e t et h ed e s i g no ft h em o n i t o r i n g ，a n dp r o p o s et h em a j o rm o n i t o r i n gt e r ma n d t h ei n d e x ( 2 ) t h r o u g i lt h et r a c em o n i t o r i n ga n di n f o r m a t i o nf e e d b a c kn e a ro n ey e a r , p r o v i d et h ep a r a m e t e ro fr e i n f o r c i n gb a r s f o rt h ew a l lr o c ki nt h en e x tp e r i o d , p r o p o s et h ea l e r ti n d e xf o rc o n v e r g e n c ed i s t o r t i o no fw a l li nt h ee x c a v a t i o nf o r3 - 5 k i n d so fw a l lr o e la n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec o n v e r g e n c er a t ea n dt h es e c o n d s u p p o r t ( 3 ) i nt h el i g h to ft h em o n i t o r i n gd a t ag o ti nt h ep r i o rp e r i o d ，d e f i n et h e d e v e l o p m e n ta n dt h ek e yp a r to ft h ew a l l r o e kd i s t o r t i o ni nd i f f e r e n tt y p i c a lt u n n e l s e c t i o n sa n dg e n e r a l i z et h et y p e sa n de f f e c t i v e n e s so ft e m p o r a r ys u p p o r tf o r3 - 5 k i n d so fw a l lr o c k , i no r d e rt op r o v i d em e a s u r e db a s i sf o rt h ec h o i c eo ft h es u p p o r t p a r a m e t e ri n t h ef o l l o w i n gc o n s t r u c t i o n ( 4 ) c o m b i n i n gw i t ht h ea n a l y s i so fm o n i t o r i n gd a t a ，d e t e r m i n et h eg r o u n ds t r e s s f e a t u r ea n dt h em e c h a n i c a lp a r a m e t e ro fd i f f e r e n tk i n d so fw a l lr o c ki nd i f f e r e n t d i v e r s i o nt u n n e ls e c t i o n s ，a n dt h el a wo ft h ew a l lr o c kd i s t o r t i o na n dt h es t r e s so n a n c h o ra r m , m a k cj u d g m e n ta n da n a l y s i sa b o u tt h es t r e s sc h a n g eo ft h ec o m p l e x g e o l o 百c a lr e g i o no ft h ed i v e r s i o nt u n n e li nw a w um o u n t a i nh y d r o e l e c t r i cs t a t i o n , a n dp r o p o s et h eo p t i m i z e ds u p p o r ts c h e m ei nf a v o ro f t h es t a b i l i z a t i o no f t u n n e l s ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tg c o l o # c a lc o n d i t i o no fd i f f e r e n tt u n n e ls e c t i o n s 。 f r e do u tt h er a n g eo fl o o s e n e s sf o rd i f f e r e n tk i n d so fw a l lr o c k si nt h ed i v e r s i o n t u n n e lb yt h es o u n d - w a v ec h e c k i n gm e t h o d b yt h er e l a t e da n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n , p r o p o s et h ed e f o r m a t i o nm o d u l u sf o rd i f f e r e n tk i n d so f w a l lr o c k s ( 6 ) d e m o n s t r a t et h ec o n c l u s i o nt h a tt h ed e f o r m a t i o nm o d u l u so fw a l lr o c ki s e f f e c t i v ef o rt h es t r e s so nt h ec o n e r e ml i n i n go ft u n n e la n dr e i n f o r c i n gb a r s ，a n d p r o p o s et h eo p t i m i z a t i o no fr e i n f o r c i n gb a r si nt h el i n i n go ft u n n e lw i t ht h er e s u l t so f t h ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n ga n ds o u n d - w a v ec h e c k i n g k e yw o r d s ：d i v e r s i o nt u n n e l ，w a l l r o c kd i s t o r t i o n ，m o n i t o r i n g ，s u p p o r t i n g ，l i n i n g 。 o p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r e i v 四川大学硕士学位论文 1 概论 1 1 论文选题的依据及意义“哪 随着我国改革开放的进一步深入，特别是西部大开发的全面展开，基础设 施的建设如火如荼，特别是水电工程建设中，引水隧洞的稳定性将会对工程修 建的可行性决策起到控制作用，并在很大程度上影响工程建设的投资和经营效 益，会给国民经济建设造成重大损失，甚至危及人民群众的生命财产安全。在 水电站的勘察设计、施工、运行期间，引水隧洞稳定问题是最主要的工程地质 问题之一引水隧洞的稳定性已成为制约水电站选点，施工进度、投资和安全 运行的关键因素。因此人们越来越重视对引水隧洞稳定性的监测与研究。近年 来，随着国内一大批大中型水电站的勘测、兴建，人们对于引水隧洞稳定性的 监测积累了丰富的监测经验，并总结了许多关于监测方面的指导理论，开发了 多种新的监测技术，研发了一些行之有效的分析评价方法。这些成果在解决一 系列水电工程引水隧洞稳定性问题中发挥了重要的作用。引水隧洞的塌方及变 形是常见的工程施工中最严重的灾害之一，特别是在复杂地质段尤为突出，由 于引水隧洞稳定性这一问题的复杂性，人们对于引水隧洞的稳定性的认识与监 测仍处于感性阶段，它已经成为制约水电工程建设，影响国民经济发展的重大 科研技术问题，受到了人们的高度重视。因此，引水隧洞稳定性监测研究具有 重大的现实和历史意义。 各种地下工程建造在地质构造复杂、岩石特性不均匀的地基上，在各种力 的作用和自然因素的影响下，其工作性态和安全状况随时都在变化。如果出现 异常，而又不被我们及时掌握这种变化的情况和性质，任其险情发展，其后果 不堪设想。1 9 5 4 年建成的坝高6 6 5 m 的法国马尔巴塞( m ai p a s s e t ) 双曲拱坝， 蓄水后在压力作用下左坝肩部分岩体产生了不均匀变形和滑动。由于没有必要 的安全监测设施，结果在管理人员没有丝毫的觉察下，于1 9 5 9 年1 2 月2 日突 然溃决，短短4 5 分钟，使坝下游8 k m 处的一兵营5 0 0 名士兵全部丧生，距坝 l o k m 的一城镇变成废墟，直接经济损失6 8 0 0 万美元。但是，如能在事前运用 必要的有效观测手段对这些工程进行监测，及时发现问题，采取有效的措施， 上述灾难就可避免。1 9 8 5 年6 月1 2 日在长江三峡的新滩，发生大滑坡，2 0 0 0 万m 3 堆积体连带新滩古镇一起滑入江中可是险区的居民却全部提前安全撤 t 概论 出，无一伤亡，这全靠安全监测所作出的准确预报。上述正反两方面的实例充 分地阐明了采用仪器进行安全监测，对各种工程和人民的安危是何等的必要。 安全监测除了及时掌握建筑物的工作性态，确保其安全外，还有多方面的必要 性：一是诊断的需要，包括验证设计参数改进未来的设计；对新的施工技术优 越性进行评估和改进；对不安全迹象和险情的诊断并采取措施进行加固及验证 建筑物运行处于持续良好的正常状态。二是预测的需要，运用长期积累的观测 资料掌握变化规律对建筑物的未来状态作出及时有效的预报。三是研究的需 要，观测资料是建筑物工作性态的真实反映，为未来设计提供定量信息，可改 进施工技术，利于设计概念的更新和对破坏机理的了解。 瓦屋山水电站引水隧洞推荐采用“两机一洞 有压引水隧洞方案，引水线路区 属中山区，地形起伏大，地面高程9 6 0 1 5 1 3 m ，最大高差5 5 0 m ，出露基岩主 要为侏罗系上统蓬莱镇组( j 3 p ) 、白垩系下统夹关组( k i j ) 与灌口下组( k 1 9 1 ) 地层，地质结构复杂，引水隧洞开挖过程中围岩稳定性问题突出。本文结合瓦 屋山水电站引水隧洞工程，采用收敛和声波检测的方法，系统研究引水隧洞围 岩开挖后的围岩卸荷效应，揭示工程开挖过程中可能出现的失稳区域，寻求相 应的加固处理对策，分析评价“新奥法”在工程旅工中的作用，其研究成果具有 较高的学术和工程实用价值。 1 2 国内外研究现状及评述 1 2 1 围岩稳定性监测技术的发展 岩石隧洞监测的对象主要是围岩、衬砌、锚杆和钢拱架及其他支撑，监测 的部位包括地表、围岩内、洞壁、衬砌内和衬砌内壁等，监测类型主要是位移 和压力，有时也监测围岩松动圈和声发射等其他物量。为了监测洞周表面或围 岩不同深度的位移，可采用单点位移计法、多点位移计法、滑动式位移计法、 收敛位移监测法等。压力监测包括地下洞室内部和支衬结构内部的压力，以及 围岩和支衬结构间接触压力的监测。压力监测通常采用应力计或压力盒。在支 衬内部及围岩与支衬接触面上的压力盒的埋设，只需在浇注混凝土前将其就位 固定，监测围岩压力的压力盒则需专门的钻孔，将压力盒放入钻孔内预定的深 度后，用速凝砂浆充填密实。 岩土工程的安全监测起步较晚，它是随着岩土工程的失事为人们提供教训 2 四川大学硕士学位论文 后，不断地寻求监测和监测手段而逐步发展起来的。2 0 世纪5 0 年代以来，地下 工程的事故主要是岩石主体所致。如果能够在事故发生前得到信息，进行准确 的判断，及时采取有效的防范措施，可以制止事故的发生，于是监测工作逐步 受到重视。由于岩体复杂，岩石力学又是一门新的科学，尚属半经验半理论的 性质。因此，在时间和空间上对岩石地下工程的安全度作出准确判断还有很大 困难，有关岩石工程安全问题的解决，更多地是依靠测试和观测，所以，人们 更多地把工程安全情况的判断，寄希望于工程建设过程中的原位监测。通过监 测保证工程的施工、运行安全；同时，又通过监测验证设计，优化设计和提高 设计水平岩石工程的失稳破坏都有从渐变到突变的发展过程，一般单凭人 们的直觉是难以发的。必须依靠设置精密的监测仪器进行周密监测。为了做到 更进一步，首先要作出符合实际的观测设计，然而准确地作出一项监测布置和 预计一项工程监测需用多少仪器和仪器的类型是很困难的，特别是对工程安全 有控制作用的仪器更为困难。因为仪器的选择要考虑整个工程的地质条件和岩 体的工程技术性质。此外，仪器的埋设、布置和测量，不但依靠计算，还要根 据已知条件和分析条件，以工程和工程周围的特性决定。所以，2 0 世纪7 0 年代 以来，对于监测项目的确定、仪器的选型、仪器的布置、仪器的埋设技术与观 测资料的整理分析等项目的研究工作逐步加深。在工程设计中也同时进行监测 数据布置，编写实施技术要求。但是由于起步较晚，还远不能适应岩土工程建 设发展的需要。已经做过的工作，由于经验不足，存在许多亟待解决的问题。 安全监测设计，由于无规范性的实施方案可循，很难做到经济合理、安全可靠， 当然也达不到时间和空间上连续性的要求。尤其是针对工程和地质结构特点进 行布置，使其做到行之有效并经济合理尚缺乏经验。因此，情况不清，盲目布 设仪器等造成浪费的现象时有发生。同时，在实际监测设计选用仪器时如何考 虑仪器的技术性能、埋设和测读的简繁以及费用的合理性，还缺少可靠的依据。 由于仪器种类很多，各具特色，技术性能和运用条件各不相同，要做好安全监 测，就是仪器的选型问题。许多工程由于没有质量标准和全面的选型原则，盲 目采用进口仪器，或者主观采用自己习惯的和自制的仪器，造成仪器失效或测 得的资料不符合计量标准，无法分析。仪器埋设技术和观测方法，缺少标准， 随着原位监测的发展，问题也越加突出，有些新仪器虽然性能可靠，但由于实 际应用较少，在环境恶劣的岩土工程中，不敢使用；用得多的仪器安装埋设技 3 1 概论 术要求得不到保证，监测方法又不当，大量的仪器因此而失效，或得不到满意 的结果。在我国从2 0 世纪8 0 年代初开始，科技攻关和工程实践对所存在的问 题进行了广泛而深人地研究，监测设计和监测方法不断地改迸。在一些大型工 程中深入研究了安全监测布置，些考虑地质地貌条件、岩体工程技术性质、 工程布置、监测空间和时间连续性的要求等因素的安全监测布置原则和方法， 相继提出。在充分研究工程安全监测仪器的使用经验和效果、仪器种类和技术 性能、质量评定标准的基础上确认了一批供仪器选型用的仪器对这些仪器 的技术指标、适用条件、稳定性等也有了评定标准。安全监测仪器安装埋设与 观测的标准化、程序化和质量控制措施也逐步的形成、完善。相继编制了各种 建筑物安全监测规程、规范、指南和手册。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，岩土工程安全监测手段的硬件和软件迅速发展， 监测范围不断扩大，监测自动化系统、数据处理和资料分析系统、安全预报系 统也在不断的完善。岩土工程设计采用新的可靠度设计理论与方法以来，安全 监测成为必要的手段，成为提供设计依据、优化设计和可靠度评价不可缺少的 手段，成为工程设计、施工质量控制的重要手段。 二滩、三峡、小浪底等大型工程的设计和施工，采用了大批2 0 世纪9 0 年 代的先进技术，监测工程的设计、施工、观测、资料整理分析和质量控制基本 实现标准化、自动化，监测技术水平有较大的提高，岩土工程安全监测将以一 个新的面貌迎接未来各项工作的挑战【”】。 1 2 2 地下洞室支护结构设计方法的进展【1 乒1 7 l 地下工程支护结构理论的发展至今已有百余年的历史了，随着新型支护结构 的出现，岩土力学、测试仪器及计算机技术和数值分析方法的发展，地下工程 支护结构理论正在逐步形成一门完善的学科。 1 2 2 1 地下工程的受力特点 地下工程所处的环境和受力条件与地面工程有很大不同，沿用地面工程的 设计理论和方法来解决地下工程问题，显然不能正确地说明地下工程中出现的 各种力学现象，当然也不可能由此作出合理的支护设计。 地下工程的受力特点大致可归纳成如下几点： 4 四川大学硕士学位论文 ( 1 ) 地下工程是自然状态下的岩土地质体内开挖的，因而地下工程的这种 地质环境对支护结构设计有着决定性意义。地下工程的地质环境包括地质体的 形成及其经历，工程地质和水文地质状况，原岩应力场及地质体的物理和力学 特性。与地面结构不同，地面结构的荷载比较明确，而且荷载的量级不大。地 下工程上的荷载取决于当地的地应力，但地应力不仅很难测准，而且难以进行 测试。目前，一般工程都不作地应力量测，这就使地下工程的计算精度受到影 响。其次，地面工程中材料的物理力学参数可通过试件测试获得；而地质体力 学参数与试件力学参数往往有很大不同，试件力学参数没有代表意义，地质体 力学参数一般要能过现场测试，不仅难以进行而且不同地段区别很大，这也使 地下工程的计算精度受到影响。因此对地下工程来说，只有正确认识地质环境 对支护结构体系的影响，才能正确地进行支护结构的设计。 ( 2 ) 地下工程周围的地质体不仅会对支护结构产生荷载，同时它本身又是 一种承载体。作用在地质体上的原岩应力是由地质体本身和支护共同来承载的。 作用在支护结构上的压力除与原岩应力有关外，还与地质体强度，采用的施工 方法与施工时间，支护的形式与尺寸及洞室开关等因素有关。充分发挥地质体 自身的承载力是地下支护结构设计的一个根本出发点但对地面结构来说不存 在这一问题，荷载只由结构来承受。 ( 3 ) 作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工时机的影响。某些情况 下，即使选用的支护尺寸已经足够大，但由于旌作时机和施工方法不当，仍然 会遭受破坏。因而地下支护结构设计的另一特点是将受到施工因素和时间因素 的影响。 ( 4 ) 与地面结构不同，地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结构 能否承载，又要考虑围岩会不会失稳。这两种原因都能最终导致支护结构破坏。 支护结构的承载力可由支护材料强度来判断，但围岩是否失稳至今没有妥善的 判断准则，一般都按经验来确定。 ( 5 ) 地下工程支护结构设计的关键问题在于充分发挥围岩自承力。要达到 这点，就必须要求围岩在一定范围内进入塑性。但当岩土地质体进入塑性后， 其本构关系是很复杂的。因此，由于本构模型选用不当亦会影响到计算精度。 可见，在力学模型上，地下工程也要比地面工程复杂。 5 1 概论 1 2 2 2 地下洞室围岩压力计算理论 岩石隧洞最早的设计理论是来自俄国的普氏理论。普氏理论认为在山岩中 开挖隧洞后，洞顶有一部分岩体将因松动而可能塌落，塌落之后形成路拱型， 然后才能稳定，这块拱形塌落体就是作用在衬砌顶上的围岩压力，然后按结构 上承受这些围岩压力来设计结构，这种方法只适合于明挖回填法施工的岩石隧 洞。随后，人们逐渐认识到了围岩对结构受力变形的约束作用，提出了假定抗 力法和弹性地基梁法，这类方法对于覆盖层厚度不大的暗挖地下结构的设计计 算是较为适合的。 另一方面，把岩石隧洞与围岩看作一个整体，按连续介质力学理论计算岩 石隧洞及围岩的内力。由于岩体介质本构关系研究的进步与数值方法和计算机 技术的发展，连续介质方法己能求解各种洞型、多种支护形式的弹性、弹塑性、 粘弹性和粘弹塑性解，已成为岩石隧洞计算中较为完整的理论。但由于岩体介 质和地质条件的复杂性，计算所需的输入量( 初始地应力、弹性模量、泊松比 等) 都有很大的不确定性，因而大大地限制了这些方法的实用性。 6 0 年代起，奥地利学者和工程师总结出了以尽可能不要恶化围岩中的应力 分布为前提，以反分析( b a c ka n a l y s i st h e o r y ) 为导向，在施工过程中密切监 测围岩变形和应力等，通过调整支护措施来控制变形，从而达到最大限度地发 挥围岩本身自承能力的新奥法( n e w a u s t r i a n t u n n e l i n g m e t h o d ) 隧洞施工技术 由于新奥法施工过程中最容易而且最直接的监测结果是位移及洞周收敛，而要 控制的是隧洞的变形量，因而，人们开始研究用位移监测资料来确定合理的支 护结构形式及其设置时间的收敛限制法设计理论 在以上研究的基础上，近年来又发展起来了岩石隧洞的信息化设计和信息 化施工方法。它是在施工过程中布置监控测试系统，从现场围岩的开挖及支护 过程中获得围岩稳定性及支护设施的工作状态信息，通过分析研究这些信息以 间接地描述围岩的稳定性和支护的作用，并反馈于施工决策和支持系统，修正 和确定新的开挖方案和支护参数，这个过程随每次掘进开挖和支护的循环进行 一次。 与地面工程不同，在岩石隧洞设计施工过程中，勘察、设计、施工等诸环 节允许有交叉、反复。在初步地质调查的基础上根据经验方法或通过力学计算 进行预设计，初步选定支护参数。然后，还须在施工过程中根据监测所获得的 6 四川大学硕士学位论文 关于围岩稳定性和支护系统力学和工作状态的信息，对施工过程和支护参数进 行调整。施工实测表明，对于设计所作的这种调整和修改是十分必要和有效的。 这种方法并不排斥以往的各种计算、模型实验及经验类比等设计方法，而是把 它们最大限度地包容在自己的决策支持系统中去，发挥各种方法特有的长外。 我国在地下洞室监测方面起步比较晚，但近几年理论发展比较快，监测理论已 成为一门独立的科学体系，目前国内监测技术的研究也取得了长足的发展，监 测理论也逐步走上成熟。 i 2 2 3 支护结构的设计方法 地下工程的受力特点表明，地下工程的计算，无论在原理上或计算参数的 选用上都比地面工程复杂得多，尤其是当仿效地面结构，按假设的荷载和岩块 试件的力学参数作为计算依据，那是不可能获得精确结果的。目前，还没有一 种很合理的地下支护结构的计算和设计方法。一般地，地下工程支护结构的设 计都是采用以经验为依据的工程类比设计法为主，再辅以量测为手段的现场监 控设计法和计算为根据的理论分析设计法。 地下工程支护结构设计是一门经验性很强的学科。长期以来，地下工程都 是凭经验进行设计施工的，这些经验来自大量的工程实践，有一定的科学依据。 此外，工程类比设计法本身也在不断的发展，除了日益增多的经验积累之外， 还要使经验愈来愈符合理论观点和不断地使经验的处理科学化。如在经验设计 法中引用各种量测数据，以及采用统计数学、模糊数学和数值分析等现代手段。 近3 0 年来，弹塑性力学、流变学及岩土力学等现代学和计算机技术的发展， 克服了理论分析中数学和力学上的障碍，使理论设计法有了极大的进展。然而， 计算参数和计算机理方面的一些障碍仍然存在，理论设计法一般还只能作为设 计的参考依据。 最近l o 多年来，由于量测技术和计算技术两方面的互相渗透，现场监控设 计方法有了很大进展。现场监控量测是将旌工前和施工过程中测得的测试数据 反馈于设计和施工，以期获得最佳的设计和施工方法。应当指出，地下工程的 设计含义还应包括旅工方法和施工参数的选择在内。 现场监控设计有测试的科学依据，又能适应多变的地质条件和各种不同的 施工方法，同时，它能以现场测试数据反算出比较准确的计算参数，或者直接 7 1 概论 以测试数据为计算参数对围岩与支护的受力状态作出分析，这就克服了理论计 算法中计算参数获取的障碍。由此可见，它比理论设计法更能体现地下工程支 护结构的特点，比工程类比法有更强的科学依据，这正是监控设计法能够迅速 发展的原因。当然，监控设计法也还存在一些问题，除需有较完备的测试仪器 和作较多的量测工作外，量测数据的分析和反馈计算成果的判断，仍然依赖于 人们的经验。另外，耳前还缺少比较完善的反馈理论和反馈计算方法，所以， 现场监控设计法还有待于不断发展和完善。 1 2 2 4 现代支护结构原理与类型 随着岩石力学的发展和锚喷支护的应用，逐渐形成了以岩石力学理论为基 础的，支护与围岩共同作用的现代支护结构原理，应用这一原理就能充分发挥 围岩的自承力，从而能获得极大经济效果。当前国际上广泛流行的新奥地利隧 洞设计施工方法，就是基地现代支护结构原理基础之上的。归纳起来，现代支 护结构原理包含的主要内容有以下几方面： ( 1 ) 现代支护结构原理是建立在围岩与支护共同作用的基础上，即把围岩 与支护看成是由两种材料组成的复合体。按一般结构观点，亦即把围岩通过岩 石支承环作用使之成为结构的一部分。显然，这完全不同于传统支护结构的观 点，认为围岩只产生荷载而不能承载，支护只是被动地承受已知荷载而起不到 稳定围岩和改变围岩压力的作用。 ( 2 ) 充分发挥围岩自承能力是现代支护结构原理的一个基本观点，并由此 降低围岩压力以改善支护的受力性能。 发挥围岩的自承能力，一方面不能让围岩进入松动状态，以保持围岩的自 承力；另一方面允许围岩进入一定程度的塑性，以使围岩自承力得以最大限度 的发挥。无论是岩石的应力应变还是岩体节理面的摩擦力与位移的关系都具有 同样的规律，即起初随着应变或位移的增大，岩石或岩体的强度逐渐获得发挥， 而进入塑性后，又随着应变或位移的增大，强度逐渐丧失。可见，围岩刚进入 塑性时，发挥的自承力最大。 按上所述，现代支护结构原理一方面要求采用快速支护，紧跟作业面支护， 预先支护等手段限制围岩进入松动；另一方面却要求采用分次支护，柔性支护， 调节仰拱施作时间等手段允许围岩进入一定程度的塑性，以充分发挥围岩的自 四川大学硕士学位论文 承能力。 ( 3 ) 现代支护原理的另一个支护原则是尽量发挥支护材料本身的承载力。 采用柔性薄型支护，分次支护或封闭支护，以及深入到围岩内部进行加固的锚 杆支护，都具有充分发挥材料承载力的效用。喷层柔韧性大且与围岩紧密粘结， 因此喷层主要是受压或剪破坏，它比受挠破坏的传统支护更能发挥混凝土承载 能力。我国铁道学院铁建所曾进行过模拟试验，表明双层混凝土支护比同厚度 单层支护承载能力高，一般能提高2 0 3 0 。所以分次喷层方法，也能起到提 高承载力作用。 ( 4 ) 根据地下工程的特点和当前技术水平，现代支护原理主张凭借现场监 控测试手段，指导设计和施工，并由此确定最佳的支护结构型式，参数和最佳 的施工方法与施工时机。因此，现场监控量测和监控设计是现代支护原理中的 一项重要内容。 ( 5 ) 现代支护原理要求按岩体的不同地质、力学特征，选用不同的支护方 式，力学模型和相应计算方法以及不同的施工方法。如稳定地层、松散软弱地 层，塑性流变地层，膨胀地层都应当分别采用不同的设计原则和施工方法。而 对于作用在支护结构上的变形地压，松动地压及不稳定块体的荷载等亦都应当 采用不同的计算方法。 1 新奥法基本原理【1 8 - 2 3 1 “新奥法”是“新奥地利隧道修建方法”的简称，其英文为“n e wa u s t r i a t u n n e l i n gm e t h o d ”，常简写为“n a t m ”，是由奥地利土木工程师r a b e e w i e z ( 拉布舍维奇) 、m t i l l e r ( 缪勒) 在6 0 年代总结隧道建造实践经验的基础上创立 的。1 9 3 4 年，奥地利土木工程师r a b e e w i c z 提出了在隧道中应用“喷浆”的技术； 1 9 4 2 - 1 9 4 5 年，该技术在奥地利阿尔卑斯山一深埋硬岩隧道施工中被采用；二战 以后，混凝土喷射机和速凝剂的出现，使喷浆技术有了很大的发展；锚杆出现 以后，r a b c e w i c z 以喷锚支护( 1 0 c kb o l ts u p p o r tw i t hs h o t c r e t e ) 的实践和岩体力 学理论为基础，提出了“n a t m ”；1 9 6 3 年，该方法在一次国际土力学会议上 被正式命名为“n a t m ”并获得专利。2 0 世纪6 0 年代中期m i i n e r 把新奥法用于法 兰克福、慕尼黑等城市地铁软岩( 土) 隧道中，m i i l l e r 同时强调，硬岩隧道与软 岩( 土) 隧道用新奥法应有区别。 由于新奥法在隧洞工程中的成功应用，当前已被国内外作为隧洞结构设计 9 1 概论 和施工的重要指导。新奥法的理论基础是最大限度地发挥围岩的自承作用。以 喷射砼、锚杆和量测技术为三大支柱的新奥法，有一套保护隧洞围岩原有强度， 容许围岩变形但又不致出现强烈松弛破坏、又能及时掌握围岩和支护的变形动 态的基本原则，以此作为指导隧洞结构设计和施工的信息，使隧洞围岩变形与 限制变形的结构支护抗力保持动态平衡，具有极大的适用性和经济性。新奥法 的基本原理如下： ( 1 ) 围岩是隧洞结构的主要承重部分； ( 2 ) 开挖后需对围岩进行加固，以使围岩在开挖卸载后不失去原有的强度； ( 3 ) 隧洞围岩支护过程中应尽量减少围岩卸载位移的程度； ( 4 ) 隧洞围岩支护过程中，一方面允许围岩有一定的位移，从而产生受力 环区；另一方面，又必须限制围岩位移的程度以避免围岩变形过大而产生严重 松弛卸载； ( 5 ) 初次支护主要作用不是用来承担隧洞围岩所失去的承载力，而是保持 围岩的自承状态，防止严重的松驰和卸载； ( 6 ) 初次支护的建造应是适时的，延时一定时间使围岩在开挖后来得及变 形并形成承力保护区，以达到较好的支撑效果； ( 7 ) 围岩自稳时间的评定，一方面通过对围岩地质条件的初步调查，另一 方面可通过在建造过程中量测隧洞洞周的位移来评定； ( 8 ) 由于喷射混凝土具有可填平凸凹面、与围岩密贴等特点，使围岩的受 力条件不发生严重的应力分布，常被用来作为初次支护，必要时还使用锚杆、 钢筋网和钢拱架； ( 9 ) 由于喷混凝土本身具有强度高和可变形的特点，其整体的结构效应通 常可视为薄壳，具有可塑性和可收缩性的能力； ( 1 0 ) 从静力学的角度看，孔洞的受力状态视为圆管时最好，隧洞开挖后 需及时建造仰拱，以形成封闭结构。 ( 1 1 ) 初次支护只要没有被腐蚀破坏，即可视为整体承重结构的一部分； ( 1 2 ) 孔洞从开挖到封闭所需的时间主要取决于施工方法，围岩的变化很 难定量解释，可经过施工前的地质调查资料进行估计，施工过程中通过测量来 控制和修改； ( 1 3 ) 从静力学角度来看，隧洞横截面为圆形时受力条件最为有利，因此， 1 0 四川大学硕士学位论文 设计的横截面应尽可能接近圆形或椭圆形，严格限制超挖和欠挖； ( 1 4 ) 应特别注意施工过程中工程荷载对隧洞受力的影响。为了尽量限制 开挖后隧洞围岩二次应力重分布发生和松动圈形成的范围，应尽可能减少开挖 次数，或至少拱部采用一次开挖方案； ( 1 5 ) 为了提高隧洞结构的安全度及达到密封的效果，可建造内薄层衬砌， 使结构内不产生过大的弯曲应力，内层与外层相互之间只传递压力； ( 1 6 ) 为了增加衬砌的强度，一般不增加其厚度而增加钢筋含量( 即钢拱) ， 增大整个结构的刚度可通过增加锚杆的个数或增大锚杆的长度以形成围岩受力 环区来实现； ( 1 7 ) 对整体结构系统的稳定性和安全度评价及设计结构需要加强的必要 性以及设计结构刚度的减小，均根据建造过程中的应力及变形状态的测量结果 来确定； ( 1 8 ) 控制外源水压和静水压力的手段是，通过在外壳( 必要时也在内壳) 上设置软管及足够的密封排水装置来实现。 ( 1 9 ) 设置固定的观测系统，监测围岩的位移及其变形速率，并进行必要 的反馈分析，正确估计围岩特性及其随时间的变化，以确定施作初期支护的有 利时机和是否需要补强支护等措施。 2 新奥法最重要的基本原则 缪勒( lm o i l e r ) 教授指出，根据岩石力学的理论，新奥法遵从一系列的 岩体规律和原则，只有遵从这些原则才能顺利施工而不出问题。他提出的原则 共2 2 条，归纳起来主要如下： ( 1 ) 在隧洞开挖过程中，应尽量避免过多地破坏扰动围岩，防止围岩松动。 开挖后应适时地进行支护，支护应全部与围岩紧密联结，而不是仅支撑几个点， 为此应采用喷射混凝土。喷射混凝土支护可全部封闭开挖表面，有效地防止围 岩松动，保持岩体强度，使围岩产生自己支撑自己的能力。 ( 2 ) 围岩在未开挖时处于三维应力状态，在三维应力状态下围岩是稳定的。 开挖使围岩成为二维应力状态，而在二维应力状态下的围岩强度是很低的，因 此应尽量避免出现这种不利的应力状态。开挖后适时采用喷射混凝土支护，可 使开挖面受到侧向约束，恢复与保持围岩原来的三维应力状态，并在围岩内形 成一个较小的支撑圈，支撑圈可承受住圈外的围岩压力，而支撑圈与衬砌间的 l l 1 概论 围岩压力则很小。 ( 3 ) 喷射混凝土支护一定要适时，最佳时间是开挖后岩体产生了一定的变 形时，这时支护承受的压力最小。支护过早，岩体尚未变形，支护会受到很大 的压力；支护过晚，岩体将产生大的变形，使支护受到更大的压力。另外，支 护的刚度也要合适，刚度太大，会因岩体变形产生较大的应力；刚度太小，则 不能满足支护要求。 ( 4 ) 不论是外层的喷锚临时支护还是内层的现浇混凝土永久衬砌，都要薄 一点。如果薄的喷混凝土支护强度不够，可以加设钢筋网、锚杆及钢拱架，而 不宜增加支护厚度。传统的厚壁衬砌结构是在受弯状态下工作，要承受很大的 弯曲应力；而薄壁柔性结构是在受剪状态下工作，可以充分利用混凝土的抗剪 强度，相应减少衬砌工程量。临时支护也是永久支护的一部分，永久支护应在 临时支护基本稳定的情况下进行，其作用是增加稳定性。 ( 5 ) 支护结构尺寸及适宜的支护时间需通过施工现场变形量测来确定。一 般用多点伸长计量测不同部位的围岩变位，并观测混凝土内部及混凝土与围岩 接触面的应力，以及锚杆所承受的拉力等。通过观测可以确定洞室是否趋于稳 定。 ( 6 ) 新奥法修建的隧洞可看作是一个由喷锚支护及围岩支撑圈构成的“管 道”，围岩压力是由支护及围岩支撑圈共同承受的。为了形成这样的“管道”，除 非围岩很坚硬，一般都需在底