（岩土工程专业论文）大断面软弱围岩海底隧道变形数值分析及控制措施.pdf

摘要 摘要 随着我国经济建设的发展和隧道施工技术的进步，在我国修建海底隧道已具 备了充分的条件。海底隧道的修建不可避免的要遇到陆域段浅埋施工的问题，选 取合适的旌工方法和相应辅助工法控制隧道围岩变形是工程成败的关键。 本文以我国在建的第一条海底隧道一厦门翔安海底隧道工程为研究背景，以 工程地质学、工程岩体力学等理论为基础，运用大型岩土工程数值模拟软件 f l a c ，研究不同施工方法围岩的变形破坏机理。 主要研究内容包括：( 1 ) 系统地论述了大断面软弱围岩隧道的受力特点和变 形规律。( 2 ) 运用岩土工程软件f l a c ，对洞口段长管棚辅助工法进行数值模拟。 ( 3 ) 采用f l a c 软件，对陆域段( v 级围岩) 的c d 法、c r d 法和双侧壁导坑法 的开挖施工过程进行了动态数值模拟研究，比较了三种开挖工法的优缺点。( 4 ) 总结大断面软弱围岩隧道施工的一般原则和控制隧道围岩变形主要施工措施。 主要研究结论有：( 1 ) 长管棚超前支护，经注浆形成的加固圈起到了“承载 拱”的作用，使地面沉降分布较为均匀，可有效控制地面的最大沉降值。管棚施 工过程中克服了钻孔循环介质对地层扰动问题，管棚超前支护措施为安全进洞发 挥了良好的作用。( 2 ) 综合考虑安全性以及经济性，得到了对于厦门海底隧道陆 域段浅埋隧道采用c r d 工法是比较科学合理的，该研究成果为施工提供了依据。 ( 3 ) 对软弱围岩大断面隧道初期支护背后进行径向注浆，可很好地改善初期支 护背后围岩性能，增强初期支护与围岩的密贴程度，提高围岩和初期支护的承载 力和自稳力，有效地控制隧道初期支护结构沉降和围岩变形。( 4 ) 大断面软弱 围岩隧道的设计与施工应重视理论分析，坚持动态设计、信息化旄工的原则。 关键词大断面；软弱围岩；海底隧道；变形；数值分析； 北京t 业大学丁学硕t 学位论文 a b s t r a c t t h e r ea t ee n o u g hc o n d i t i o n st ob u i l ds u b - s e am n n d si nc h i n aw i t hd e v e l o p m e n t o fn a t i o n a le c o n o m ya n da d v a n c e m e n to ft u n n e lc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y i ti s i n e v i t a b l et ob ec o n f r o n t e dw i t ht e r r e s t r i a ls h a l l o wt u u n dc o - - o n h o wt o c h o o s ec o n f o r m a b l ec o n s t r u c t i o na n da d o p te f f e c t i v ea c c e s s o r i a lm c a s l 玎c 8t o 矗l s b r e t h es t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c kp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e i nt h i sp a p e r , t h ex i a i n c ns u b - s o at u n n e la st h es u b j e c ti si n v e s t i g a t e d b a s e do n t h e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o na n di n v e s t i g a t i v er e s u l to ft h ef a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n gr o c k , t h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s m 肿 r e s e a r c h e du s i n ge n g i n e e r i n gg e o l o g y , e n g i n e e r i n gr o c km a s sm e c h a n i c sa n dl a r g e n u m c a i c a ls i m u l a t i o ns o f l w a t e n 摇m a i np r o g r a mo fs t u d ya i m e da ts e v e r a lr e s p e c t sa sf o u o w i n g t ob e g i nw i t h , t h er u l eo fd i s p l a c e m e n to fl a r g ec r o s s - s d 2 t i o ns o f t - r o c kt u n n e lw a s & s c u s s e d s y s t e m a t i c a l l y s e c o n d l y , t h ei m p a c ta n de f f e c to fs h e d p i p ew a sa n a l y z e db yf l a c ( f a s tl a g r a n g i 蛆a n a l y s i so fc o n t i n u a ) t h i r d l y , h a n d l i n ge l a s t i c - p l a s t i cf i n i t e e l e m e n tm e t h o da n d a d o p t i n gf l a cs o f t w a r e ，t h e t u n n e le x c a v a t i o nm e t h o d c o n s t r u c t i o nc o u r s ew h i c ha d o p tt h ec e n t e 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 m m e t h o da n db o t hs i d ed r i f tm e t h o df o rv - l e v e ls u r r o u n d i n gr o c kw a ss i m u l a t e d a n d s u r r o u n d i n gr o c ks 1 t e s sf i e l d , d i s p l a c e m e n tf i e l da n ds h e a r i n gf o r c ew o r eg a i n e d d u r i n ge x c a v a t i o n0 1 1 a l l s t e p o ft h r e ec o n s t r u c t i o nm e t h o d s f i n a l l y , g e n e r a l p r i n c i p l e s ，r e q u i r e m e n t s a n dm a i nc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u em e a s t u e m e n t $ o fl a r g e l r o s s s e c t i o nt u n n e lw e r es u m m a r i z e d n e p r i n c i p a lc o n c l u s i o n si n c l u d e ：( a ) t h es h e d p i p ec o m b i n e dw i t hg r o u t i n ga c t a s c a r r y i n ga r c h i tm a k e st h ed i s t r i b u t i n go fg r o u n ds u b s i d e n c eu n i f o r ma n dc a n e o n l z o lt h e1 1 1 a x i l b 1 ns e t t l e m e n te f f e c t i v e l y 刃砖p r o b l e m so fs t r a t u md i s t u r b a n c e , w h i c hc a u s e db yc y c l em e d i u mo fb o r e h o l e i so v e r c o t n e 1 1 s h e d - p i p ep l a y sa n i m p o r t a n tr o l ef o rt h et u n n e ls a f e l y ；, ( b ) 、i t ht h es a f e t ya n de c o n o m yi sg e n e r a l l y c o n s i d e r e d , t h ec r dc o n s t r u c t i o nm e t h o di sa d o p t e dx i a m e ns u b - s e at u n 北lf u r s c i e n t i f i cr e a s o n a b l e 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 r d e s i g nb a s i sa n ds b p e f v i s ef o rc o n s t r u c t i o no fx i a m e ns u b - s e at u n n e l ；( c ) t h er a d i a l g r o u t i n gb e h i n dt h ei n i t i a ls u p p o r t i n gs t l u c t u r ec a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e s u r r o u n d i n gr o c k , e n h a n c et h ec l o s ec o n t a c td e g r e eo fm o u n d i n gr o c kw i t ht h e i n i t i a ls u p p o r t i n g 翻玎“巾【l 豫a n dh e i g h t e nt h eb e a r i n ga n ds t a b i l i z a t i o nc a p a c i t yo ft h e s u r r o t m d i n gr o c k ；( d ) a t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt ot h e o r e t i c a la n a l y s i si nd e s i g na n d c o n s t r u c t i o no ft h el a r g ec r o s s s e 击o nt u n n e la n dt h ep r i n c i p l e so fd y 衄m i cd e s i g n a n di n f o r m a t i o nc o n s m 碰o nm e t h o ds h a l lb eu p h e l d k e y w o r d sl a r g ec r o s s - s e c t i o n ；w e a ks u r r o u n d i n gr o c k ；m 】b - s e at u n n e l ；d i s p l a c e m e n t ； n u m e r i c a la n a l y s i s ； i n 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 签名：挞墟日期：2 竺】： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 引言 第1 章绪论 我国海岸线漫长，海峡、海湾众多，需要跨越这些天然屏障时，可采用的方式 有轮渡、桥梁、隧道、航空等手段。由于其特殊的地理位置，只有海底隧道可以 不受大雾、台风等气候变化的影响，具有稳定的运行能力和较强的抗自然风险能 力，还可一隧多用，成为全天候的运输通道。海底隧道具有改交海峡间运输性质的 巨大作用，其最大优点是直达、便捷、快速、通过量大，在整个运输过程中，无须中 途装卸，运行速度大大快于火车轮渡，通过量成倍增加。因此，在我国修建海底隧 道具有巨大的经济效益、社会效益和环境效益“。 世界发达国家自2 0 世纪3 0 年代起，就不断修建海底隧道。迄今有海底隧道 的国家主要包括日本、英国、法国、美国、挪威、澳大利亚、丹麦、冰岛等“ ” 世界主要海底隧道见表1 1 。 表1 - 1 世界主要海底隧道一览表 t a b k1 11 1 km a i ns u b - s e at u n n e l si nt h ew o r l d 序 全长 隧道名称国家开工时间完工时间施工方法备注 号( 1 a 咀) i 关门隧道日本 3 61 9 3 91 9 4 4盾构法 2 青函海底隧道日本 5 41 9 6 4 51 9 8 8 3 矿山法 3 釜山济州隧道韩国 42 0 0 4 沉管法在建中 4 英吉利海峡隧道英国 5 0 51 9 8 7 11 9 9 4 5 盾构法 5 v a r d 隧道挪威3 61 9 8 2矿山法 6 v a l d e r 隧道挪威 4 21 9 8 7矿山法 7 h a l e r 隧道挪威 4 81 9 8 9 矿山法 8 f a n n e j o r d 隧道 挪威 2 71 9 9 0 矿山法 9 赫尔辛基隧道芬兰 1 3 52 0 0 4矿山法 在建中 我国海峡隧道修建起步较晚，但发展势头很快。正在修建的我国第1 条海底 隧道厦门东通道工程预计2 0 1 0 年建成。项目全长9 k m ，跨海主体工程长约 6 k m ，隧道最深在海平面下约7 0 m 。第2 条海底隧道青岛到黄岛计划将于2 0 0 8 年动工，全长5 5 k i n 。在中俄工程科技研讨会上，钱七虎院士在作“中国岩石( 地 北京工业人学丁学硕l ：学位论文 下) 工程的成就、进展和挑战”报告时介绍，最近的2 0 3 0 年内，我国正考虑建 造5 条跨海隧道。 1 2 大断面软弱围岩隧道国内外研究现状 1 2 1 大断面隧道研究现状 随着车道数的不断增多，隧道开挖断面面积不断增大。按照国际隧道协会建 议的标准，隧道断面的划分可依据表1 2 进行，一般车道数超过三车道的隧道即 为特大断面隧道。我国公路隧道设计规范只规定了三车道以下隧道的标准断面形 式，对四车道隧道，目前较多的是采用工程类比法进行设计，其设计理论和计算 方法均不成熟。 表1 2 国际隧道协会断面划分标准 t a b l el 一2t h cs e c t i o ns t a n d a r do f a 断面大小划分净空断面面积( m 2 ) 超小断面 1 0 0 国外一些发达国家非常重视大断面高速公路隧道的建设，尤其是北欧的瑞 典、挪威、奥地利”1 和我国的邻国韩国、日本“在发展公路隧道技术方面处于 领先地位。如日本第二东名公路初期建设的三车道隧道断面面积从1 1 3 1 7 0 m 2 ， 比一般双车道隧道大1 5 2 0 倍。近期为适应1 4 0 k m h 高速度的要求而规划的三 车道公路隧道，其断面面积达1 7 0 2 0 0 m 2 ，局部高达2 3 0 m 2 的超大断面，其开 挖宽度达2 3 m ，较初期三车道断面增加1 3 1 5 倍。英法海峡隧道分叉处断面的 开挖宽度达2 1 2 m ，开挖高度达1 5 4 m ，开挖断面为2 5 2 m 2 。日本的第二布引隧 道，分叉段从2 车道( 净空断面积5 9 m 2 ) 变化到4 车道( 最大开挖宽度2 4 m ， 开挖面积2 4 0 m 2 ) 。1 9 9 5 年修筑恩格贝格山岭公路隧道开挖面积达2 6 5 m 2 。日本 横滨至元町的地下铁道中的元町地下车站修建在河流下面，其开挖断面约 2 4 0 m 2 。韩国在汉城高速公路扩建中出现了四车道高速公路大跨度隧道，其中最 早完工的是1 9 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。在过去的3 0 年里，一些国家在大跨度扁坦公路隧道建设中 2 第1 章绪论 积累了丰富的施工经验。新奥法设计和施工技术、围岩动态分析技术、中隔墙法、 双侧壁导坑超前法、t b m 法等得到广泛应用。1 9 8 1 年德国在幕尼黑地铁施工中， 首次尝试成功c d 旌工方法，并成功应用了双侧壁工法等先进施工方法“”。1 9 8 4 年日本成功地将德国人首创的c d 施工方法用于大跨度扁坦状的真米公路隧道 施工，后在岩土工程界迅速推广。 我国从6 0 年代开始在铁路系统修建断面面积超过1 0 0 m 2 的大断面隧道，其 中断面面积在2 0 0 1 3 3 2 以上的有5 座，曾家坪一号隧道“”中有2 6 9 m 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o 6 6 9 0 。8 0 年代以 前修建的大断面铁路隧道，从修建技术上来看，没有认真考虑和研究施工方法与 衬砌结构之间、结构的受力特点和地质适应性的关系。施工方法单调、衬砌过厚， 有时厚达2 m 以上。在断面拟定上，净空过高，拱部富裕量较大，另外过于强调 二衬的作用，对初期支护的作用认识不足。8 0 年代以后随着隧道技术的发展， 逐渐强调根据结构的受力特点和地质条件的变化来设置断面形式，开始重视初期 支护和仰拱的作用，并在将工法和结构形式相联系来考虑设计和施工等方面进行 了一些有价值的尝试。 公路系统修建大断面隧道从8 0 年代才开始，起步较铁路系统晚。目前国内 已建的单洞四车道隧道有沈大高速公路改扩建工程韩家岭“”隧道长5 2 1 m ，最大 施工开挖宽度为2 1 2 4 2 m ：贵州凯里市市政干线大阁山隧道长4 9 6 m ，最大开挖 宽度为2 2 m ；龙头山隧道“”长1 0 1 0 m ，开挖面积达2 3 0 m 2 ，是目前同类隧道规模 最大的公路隧道；同类的四车道隧道还有深圳南坪快速的雅宝隧道“”。 1 9 9 5 年，西南交通大学王明年、何川等人作了三车道隧道模型试验研究 以及有限元分析；1 9 9 8 年，西南交通大学王明年“”通过大比例尺模型试验和有 限元方法对三车道公路隧道在不同构造应力作用下的力学行为进行了深入研究。 重庆交通科研设计院的黄伦海“”等通过模型试验研究了单洞四车道公路隧道在 、v 级围岩条件下采用不同开挖方式旌工时周边围岩的变形，指出了在、v 级围岩条件下施工建议采用的施工方式和应采取的措施；蒋树屏洲等采用数值模 拟对四车道公路隧道的设计和施工进行了分析，得出了一些有益的结论；沈阳大 学的郝哲“针对四车道公路隧道中的测试与监控技术进行了一些研究。中交第一 公路工程勘测设计研究院的宫成兵嘲等对大断面单洞四车道公路隧道结构设计 与施工方案进行了一些初步的探讨。王应富。1 等采用有限元模拟对四车道隧道的 动态旋工力学进行了一些有益的探索。万明富等结合沈大高速公路改扩建工程 金州单洞四车道公路隧道施工现场监测，对大跨隧道开挖围岩变形规律进行了探 讨。吴梦军等“1 认为，四车道公路隧道由于跨度特大和断面扁平，加上施工期间 各道工序的相互影响、围岩的多次扰动等诸多因素，导致施工过程中的动态施工 力学行为极为复杂，围岩易发生失稳乃至坍塌。利用“公路隧道结构与围岩综合 3 北京r 业人学r 学硕t 学位论文 实验系统( c t s s s r h ) ”和有限元分析程序，吴梦军等对四车道公路隧道在不同 旌工方法下的施工动态过程进行相似模型试验与数值模拟，研究四车道公路隧道 围岩与结构位移、应力、应变及破坏区等的分布与发展规律，对四车道公路隧道 在不同施工方法下的动态施工力学特征进行了探讨。同时，一些关于大断面大跨 隧道的硕士、博士论文也相继出炉”捌，为推动大断面大跨隧道的研究作出了一 定的贡献。 在地下结构的优化方面，隧道断面形式和支护参数的优化最早可追溯为孔形 的优化，其重要的指标是看孔边应力集中的情况。r i c h a r d s 等人“矧提出了调和 孔的概念，以有孔和无孔时的应力第一不变量保持不变为最优条件，得到了不同 荷载作用下的最优孔形，在此基础上提出了地下洞室最优形状的确定问题，这个 准则实用性较差，所得的调和孔是一些不实用的孔形。d h i rs k 以孔边切向应 力平方的积分值最小为最优准则，采用复变函数方法，解决了一类孔形的优化问 题。孙焕纯等人”1 年提出了孔形为最优的另一个准则，即认为绝对值最大的切向 应力降低至绝对值次大的切向应力相等为止的孔形为最优孔形。g r e n , j v s m i t h , j w t a n g 等”1 采用进化结构优化方法( e s o ) 对地下结构的开挖形 式进行了有限元的优化计算。日本山地宏志、樱井春辅等人根据隧道开挖过程中 的量测结果，求出对应于发生应变的支护工程的感度系数，由此确定最佳支护工 程量，并提出相应的计算方法，同时给出模拟计算的结果，实现了对支护工程的 定量评价。g b a r l u c s h a r p 等人1 在洞室的开挖和支护中，使用不同程度的岩 石加固，以三个地段组成一个“监测区段”，把监测到的开挖特性和从模型分析 中推测到的特性进行对比，经过对最重要的岩体参数的反分析而得到最优支护设 计。 同济大学冯紫良“。1 等研究人员，采用修正的内点惩罚函数法结合用有限元分 析程序编制优化计算程序对地下框架式结构进了优化研究。刘小兵“删采用复合 形法对地下洞室的断面形式以及复合式衬砌的轴线进行了优化研究。吴金木“3 1 对公路隧道衬砌结构的最优设计进行了探讨。黄小华，彭立敏1 把优化设计归结 为非线形规划问题，采用罚函数法，对公路隧道整体式衬砌进行了优化研究。徐 林生，孙钧，蒋树屏“5 1 借助于数值分析的方法，采用以洞周位移作为判断依据的 优化思想，从理论上探讨了京珠高速公路粤境北段洋碰隧道断面形状的设计优化 问题。彭立敏，施成华，刘小兵1 应用拉格郎日乘子法中不等式约束优化问题的 基本理论，建立了隧道钢筋混凝土衬砌结构优化计算模型的目标函数，对隧道结 构进行了优化，并对工程实例进行了分析比较。刘义虎“”在其硕士论文中，引入 结构优化理论中的简易复合形优化方法，探讨了满足建筑限界、通风条件、受力 状态约束等条件下公路隧道衬砌断面优化设计模型。周玉宏，赵燕明，程崇国m 1 采用有限元分析程序，通过对不同工序和阶段的对比，对云南桥头连拱隧道的施 4 第1 章绪论 工过程进行了优化分析。杨小礼，李亮，杨宝深1 对偏压隧道结构稳定性平均的 信息进行了优化分析。刘贵应等采用弹塑性有限元模型及合理的计算参数模拟 分析了双联拱隧道分步施工过程中围岩体在不同施工阶段的应力场和位移变形 状况以及支护衬砌结构的受力与变形规律，由此对连拱隧道的施工过程进行了优 化分析。高一峰，胡学兵哪! 通过数值模拟，对阳宗三车道隧道的类围岩条件 下的扁平状大断面公路隧道采用不同方法施工时的力学响应进行优化分析。 1 2 2 软弱围岩隧道支护理论研究现状 早在2 0 世纪初形成了隧道软弱围岩与支护结构相互作用的古典压力理论， 该理论认为作用在支护结构上的压力是上覆岩层的重量，日。但是随着开挖深度 的增加，人们发现古典压力理论许多方面都与实际不符合，于是坍落拱理论应运 而生，坍落拱理论认为坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关，坍落拱理 论的最大贡献是提出隧道围岩具有自承能力。2 0 世纪5 0 年代以来，人们开始用 弹塑性力学来解决隧道支护问题。2 0 世纪6 0 年代提出了一种新的隧道设计施工 方法，即新奥法，新奥法的核心是利用隧道围岩的自承作用来支撑隧道，促使围 岩本身变为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的 支承环。在此期间，日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论。该 理论认为隧道的应变随支护结构的增加而减小，而容许应变则随支护结构的增加 而增大，因此通过增加支护结构能较容易地将围岩应变控制在容许应变范围之 内。2 0 世纪7 0 年代提出了能量支护理论，该理论认为支护结构与围岩相互作用、 共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收一部分能量，但 总的能量没有变化，主张利用支护结构的特点，自动调整吸收和释放多余的能量。 起源于原苏联的应力控制理论，也称围岩弱化法、卸压法，其基本原理是通过一 定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应力及能量分 布，使支承压力向围岩深部转移，以此来提高围岩自稳能力。 目前，新奥法己成为目前隧道工程设计施工的主要方法之一，也是软弱围岩 支护主要的理论之一，是奥地利专家l vr a b c e w i c z 在总结前人经验的基础上提 出来的。新奥法是在岩石三轴压缩应力应变特性以及莫尔( m o h r ) 学说基础上并考 虑到隧道掘进的空间和时间效应所提出的新理论，这一新理论集中体现在不断变 更的支护结构参数及类型贯穿在整个设计施工过程中。1 9 8 0 年，奥地利土木工 程学会地下空间利用分会把新奥法定义为：“在岩质为砂质介质中开挖隧道，以 使围岩形成一个中空筒状支承环结构为目的的隧道设计施工方法。”这一定义简 明扼要地揭示了新奥法实质一利用围岩自承能力，使围岩本身形成支承环。采用 新奥法设计施工的基本原则是：在考虑岩体物理力学特性的前提下，利用现场监 5 北京工业大学工学硕士学位论文 控信息，在适宜的时机构筑适宜的支护结构，避免围岩及支护结构中出现不利的 应力应变状态，使隧道形成力学上十分稳定的结构。 在国内，针对软弱围岩问题进行了大量的研究，逐渐形成了一些有影响的理 论： “轴变论”理论是于学馥教授等人( 1 9 8 1 ) 提出来的，该理论认为隧道坍落， 可以自行稳定。隧道坍落破坏是由于围岩应力超过岩体强度极限引起的，坍落改 变了隧道轴比，导致围岩进行应力重分布，应力重分布的特点是高应力下降，低 应力上升，并逐渐向无拉力和均匀分布发展，自到稳定而停止。应力均匀分布的 轴比是隧道最稳定的轴比，此时隧道形状为椭圆形。 联合支护理论主要由陆家梁、冯豫、郑雨天、朱效嘉等结合软弱围岩实际， 灵活运用新奥法理论提出来的，是在新奥法的基础上对软弱围岩支护技术的发 展。其观点可以概括为：对于软弱围岩支护，一味地追求加强刚度是难以奏效的， 要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护型式有锚喷 网技术、锚喷网架技术等联合支护技术等。 松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚 硬围岩的裸体隧道，其围岩松动圈都接近于零，此时隧道围岩的弹塑性变形虽然 存在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此， 支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。董方庭教授将围岩分为 六类，有一定的量化，是一个发展方向。 主次承载区支护理论是由方祖烈教授提出，认为隧道开挖后，在围岩中形 成拉压域。压缩域在围岩深部，体现了围岩的自撑能力，是维护隧道稳定的主承 载区：张拉域形成于隧道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但其与主 承载区相比，只起辅助的作用，故称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定 隧道的最终稳定。支护对象为张拉域，支护结构与支护参数要根据主、次承载区 相互作用过程中呈现的动态特征来确定。支护强度原则上要求一次到位。 软弱围岩工程力学支护理论是由何满潮教授运用工程地质学和现代大变 形力学相结合的方法，通过分析软弱围岩变形力学机制，提出的以转化复合型变 形力学机制为核心的一种新的隧道软弱围岩支护理论。它涵盖了从软弱围岩的定 义、软弱围岩的基本属性、软弱围岩的连续性概化，到软弱围岩变形力学机制的 确定、软弱围岩支护荷载的确定和软弱围岩非线性大变形力学设计方法等内容。 这些理论与技术解决了大量软弱围岩支护问题，为我国地下工程的建设做出 了贡献。但是，由于软弱围岩工程地质力学问题十分复杂，关于深埋软弱围岩的 概念、分类、各类软弱围岩的变形力学机制、软弱围岩难支护的原因、软弱围岩 支护的力学原理、支护原则与支护对策等一系列的软弱围岩工程地质力学理论方 6 第1 章绪论 面的问题尚无系统解决，导致在实践上盲目性大、针对性差、成功率低、浪费严 重。 1 3 研究意义 一般来说，海底隧道出入口的陆域地段，埋深较浅属于浅埋隧道，地质条件 复杂，含水量大，围岩比较软弱。隧道开挖过程中，由于埋深有限，难以形成承 载拱，并受表层软弱堆积物、风化带的影响，很可能会出现地表下沉急剧增大地 表开裂等变异，或出现因工作面不稳造成隧道结构整体位移而发生坍塌的现象。 故应及时采取加强支护和围岩加固措施，控制陆域段软弱围岩坍塌及大变形确保 施工安全。 随着我国国民经济的迅速发展和综合国力的增强，我国将要修建更多的海底 隧道。然而，目前对大断面软弱围岩隧道的变形力学机制及其与支护结构的相互 作用研究较少，导致一系列大断面软弱围岩隧道支护失败。因此，开展大断面软 弱围岩隧道与支护系统的相互作用及在施工和运行期的稳定性研究，研究在软弱 围岩中如何用最小的支护代价，保证隧道在施工和运行期有足够的安全性，无论 是对理论体系的完善，还是对地下工程的建设均具有十分重要的意义。 综上所述，本文以我国大陆首条海底隧道厦门东通道( 翔安海底隧道) 为研究背景，对隧道进口段软弱围岩变形机理和施工控制措施进行分析研究。为 以后类似工程提供参考。 1 4 本文的研究内容 本文依托我国第一条钻爆法施工的大断面海底隧道一厦门翔安海底隧道工 程，在对大断面软弱围岩隧道的施工力学特征和围岩变形机制进行分析的基础 上，运用数值计算理论知识，对陆域段隧道( v 级围岩) 不同施工工法开挖和支护 过程中围岩的变形进行了数值模拟分析。 本课题的主要研究内容： ( 1 ) 论述了大断面隧道的力学特征，分析软弱围岩隧道围岩变形规律和隧 道支护机理。 ( 2 ) 通过f l a c 数值模拟分析，研究长管棚施工过程中围岩应力和位移随 施工进程的变化特征，判明隧道开挖后所引起的围岩松弛范围及应力、变形特征。 ( 3 ) 分析在不同开挖方法施工情况下，围岩应力分布的变化规律和位移扰 动区的分布。 7 北京r 业大学工学硕卜学位论文 ( 4 ) 海底隧道陆域段隧道施工方法和施工步骤研究。通过f l a c 数值模拟 分析，对隧道各种施工方法和施工步骤进行研究，提出不同围岩条件下安全经济 合理的施工方法及变形控制措施。 第2 章大断面软弱嗣岩隧道变形规律及数值方法 第2 章大断面软弱围岩隧道变形规律及数值方法 2 1 大断面隧道的力学特征 由于车道数的增加，跨度加大，而高度变化不大，使断面变得扁平。因此， 大断面隧道就不得不做成具有扁平形状的拱形结构，与接近圆形的两车道断面相 比，具有以下基本力学特性： ( 1 ) 大跨度隧道由于宽度加大，而高度基本保持不变，因此形成一个扁平 的拱形结构，其在力学分析上可近似看作椭圆。 ( 2 ) 由于跨度加大，使得开挖引起的应力重分布趋于不利，如果围岩的单 轴抗压强度比重分布的应力小，隧道周边围岩将出现塑性化，为此，需要强大的 支护结构来控制变形。 ( 3 ) 底脚处的应力集中过大，要求地基承载力较高。开挖后的应力在侧壁 处比较大，开挖宽度越大，轴力也越大，特别是侧压系数小时，净空宽度有扩大 的可能，因此，底脚的承载力是很重要的。 ( 4 ) 拱顶稳定性降低。根据1 9 9 4 年挪威修建冬季奥林匹克运动会冰球场的 研究成果可以知道，在开挖宽度为2 倍高度的情况下，目前采用的支护结构可以 有效的防止岩块的崩塌，若开挖宽度大于2 倍高度，则需要采用其他的有效措施， 保证拱顶的稳定。 ( 5 ) 会产生较大的松弛地压。开挖宽度和开挖高度越大，要求拱底埋深越 大，在埋深小、拱作用不能充分发挥作用时，就会产生很大的松弛地压，因此， 对大断面隧道而言，会产生较大的松弛荷载。 2 2 软弱围岩隧道变形规律及支护机理 2 2 1 软弱围岩隧道变形规律 当隧道支护体系不能承受地应力影响时，隧道将会发生变形乃至破坏，引发 片帮、顶板冒落，给旄工作业人员构成严重威胁。因此有必要弄清隧道变形规律， 提出合理控制变形方案，研究其变形破坏机理，最终提出合理的支护方案。 由于隧道变形破坏原因各异，其变形规律也不一样，下面就引起变形机理来 描述变形规律。 ( 1 ) 顶板下沉。由于上覆岩层压力、隧道上方破碎岩体自重压力，或其他地 应力引起的垂直应力，其变形形态如图2 1 。 9 北京工业大学。 学顾l - 学位论文 ( 2 ) 底膨。底板岩石较软，或遇水后岩石单轴抗压强度降低，在垂直压力作 用下将产生底膨，或者由于底板岩石含有膨胀性粘土矿物，遇水膨胀也可能引起 底膨。其变形形态如图2 = 2 。 ( 3 ) 顶底板移近。主要是垂直压力作用，包括上覆岩层压力、松散岩块压力、 构造应力及顶、底板膨胀岩石变形引起的支护变形。其变形形态如图2 3 。 图2 - i 项板下沉 f i g 2 一lr o o f s u b s i d e n c e 图2 - 2 底膨 图2 - 3 顶底板移近 f i g 2 - 2f l o o ru p t h r u s tf i g 2 - 3r o o f = t o f l o o rc o n v e r g e n c e ( 4 ) 上帮或下帮变形。当隧道其中一帮的岩石破碎，另一帮坚硬，在围岩压 力作用下可能产生上帮或下帮变形。其变形形态如图2 4 。 ( 5 ) 顶板下沉，两帮挤进。这种情况往往是在垂直压力作用下，两帮岩石较 软( 或破碎) ，而底板岩石又较坚硬时发生。其变形形态如图2 - 5 。 ( 6 图2 - 4 上帮或下帮变形 f i g 2 - 4d e f o r m a t i o no f r i s es i d ea n dl y i n gs i d e 图2 - 5 顶板下沉两帮挤进 f i g 2 - 5r o o f s u b s i d e n c ea n ds i d ew e d g e ( 6 ) 拱顶起尖，两帮挤进。在侧压力作用下，支护拱顶起尖，隧道出现拱顶 岩石被挤碎成尖，两帮挤进，侧压力主要来自构造应力。其变形形态如图2 6 。 ( 7 ) 顶底板移近，两帮挤进。当围岩较软，在垂直压力作用下，或在垂直、 水平压力共同作用下，均可出现这类变形状态。其变形形态如图2 7 。 上述几种是比较典型的支护变形状态，还有一些由于围岩岩性不同、受力不 同等，将会出现其它一些变形状态。 1 0 第2 章大断面软弱围岩隧道变形规律及数值方法 图2 - 6 拱顶起尖两帮挤进 f i g 2 - 6v a u l tc u s pa n ds i d ew e d g e 2 2 2 软弱围岩隧道支护机理 图2 7 顶底板移近两帮挤进 f i g 2 7r o o f - t o - f l o o rc o n v e r g e n c ea n ds i d ew e d g e 松软岩层存在三种不同的围岩压力类型，即松动压力、变形压力和膨胀压力。 对松动压力可以采用刚性支护来支撑围岩，防止破碎岩块的垮落，同时采取各种 措施加固围岩提高岩体的自身强度。变形压力是软岩隧道的主要压力显现形式， 必须根据流变特征合理地设计支护刚度、控制支护时间和支护施工顺序，即允许 围岩有适当的变形，以利于能量释放，又能将变形控制在一定的范围之内，使之 小发展为松动压力。膨胀压力也可以看作是变形压力的一种，除采用与控制变形 压力相同的措施外，还要特别注意预防围岩的物理化学效应。 为了达到这些目的，可采用及时封闭围岩暴露面、径向注浆充填等方法。 2 2 2 1 锚喷支护机理 锚杆对围岩起着加固作用，主要表现为：( 1 ) 悬吊作用。锚杆将不稳定的岩层 悬吊在坚固岩层上，以阻止围岩移动滑落；( 2 ) 减跨作用。在隧道顶板岩层中打入 锚杆，相当于在隧道顶板上增加了支点，使隧道跨度减小从而减小顶板岩石的应 力，起到维护隧道的作用：( 3 ) 梁作用。在层状岩体中打入锚杆把若干薄层岩体锚 固在一起，使层间紧密，形成组合梁从而提高顶板岩层的自支承能力；( 4 ) 挤压加 固作用。预应力锚杆群锚入围岩后，其两端附近岩体形成圆锥形压缩区。环向布 置的锚杆群所形成的压缩区域相互组合，便形成了组合拱。由于锚杆的约束力使 围岩锚固区径向受压，从而提高了围岩的强度，充分发挥围岩的自身承载能力锚 杆对于软岩的锚固作用主要是使围岩形成组合拱。 混凝土喷层的力学作用表现为：( 1 ) 支撑围岩。由于喷层能与围岩密贴和粘结， 并给围岩表面以抗力和剪力，从而使围岩处于三向受力的有利状态，防止围岩强 度恶化；( 2 ) “卸载”作用。由于喷层的柔性性能，能有控制地使围岩在不出现有害 变形的前提下，进入一定程度的塑性，从而使隧道壁处的岩压减小，同时喷层的 北京r ：业人学t 学硕l 学位论文 柔性也能使喷层中的弯曲应力减小，有利于充分发挥围岩和混凝土的承载能力；( 3 ) 填平补强围岩。喷射混凝土可射入围岩张开的裂隙，填充表面凹穴，使裂隙分割 的岩块层面粘结在一起，保持岩块间的咬合、镶嵌作用，提高其间的粘结力、摩 阻力，有利于防止围岩松动，并避免围岩应力集中：( 4 ) 覆盖围岩表面。喷层直 接粘结岩面，形成防风化和止水的防护层，并阻止节理裂隙中充填物流失：( 5 ) 分配外力。通过喷层把外力传给锚杆、网架等，使支护结构受力均匀。 2 2 2 2 小导管注浆支护机理 ( 1 ) 小导管自身加固原理 小导管的锚杆作用原理主要是自身加固原理，主要有联接原理、组合原理和 整体加固原理三种。在隧道中以哪种为主，要根据地质条件和锚杆的形式综合分 析，但不管以哪种为主，小导管自身的其他作用都同时存在，进一步说，往往是 二种或三种的综合作用。 ( 2 ) 小导管的浆液通道作用 在小导管注浆技术使用过程中，注入围岩的浆液是通过小导管上的注浆孔均 匀地渗入到围岩中的，故在小导管注浆技术中小导管充当了浆液通道的作用。 ( 3 ) 小导管的棚架作用 小导管的棚架作用主要表现在小导管施做完成以后，进行洞室的开挖施工 时。在一般条件下，小导管的长度为3 缸i ，开挖长度控制在l 1 5 m 以内，然 后支立格栅钢架，小导管群体起到了棚架作用。 2 3 大断面软弱围岩隧道数值分析方法 2 3 1 引言 数值分析是随着计算机技术广泛应用而形成的一种计算分析方法，包括：有 限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，简称f d m ) 、有限元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，简称f e m ) 、边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，简称b e m ) 、离散 元法( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ，简称d e m ) 等方法。由于数值计算方法能够在 较短的时间内完成大量的计算分析工作，计算成本低、效率高，因此在岩土工程 中得到了广泛的应用m ”。 在本文中，主要使用数值计算对大断面软弱围岩隧道变形特性进行分析。目 前，应用较多的计算软件有很多种，比如a n s y s 、f l a c 、a b a q u s 等。考虑到 土的特殊性以及隧道开挖效果的模拟，本文选择的计算工具为f l a c 。 1 2 第2 章大断面软弱围岩隧道变形规律及数值方法 f l a c 是一套基于显式差分法编制的程序，适合计算土体材料模型。在本节 中，对有限差分法、土体本构模型、结构单元进行了详细介绍，同时对f l a c 软 件的功能和特点进行了详细说明。 2 3 2 有限差分方法简介 有限差分方法( f d m ) 是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解 法，数学概念直观，表达简单，是发展较早且比较成熟的数值方法，至今仍被广 泛运用嘲。 差分法的基本思想就是把要求解问题的微分方程及其边界条件用离散的、只 含有有限个未知数的差分方程( 代数方程组) 来表示，把求解微分方程的问题转 化为求解代数方程的问题，并用代数方程的解作为微分方程的近似解。具体的做 法是用差分网格离散求解域，用差商近似代替导数，或用适当的近似式代替含有 导数的表达式，得到差分方程组并求解得到差分解，原微分方程的解可用此差分 解来近似代替。随着网格划分的细化，差分解就逐渐向精度解逼近。 对于有限差分格式，从格式的精度来划分，有一阶格式、二阶格式和高阶格 式。考虑时间因子的影响，差分格式还可以分为显式格式、隐式格式、显隐交替 格式等。目前常见的差分格