（岩土工程专业论文）冠山隧道施工动态监测与有限元仿真模拟.pdf

摘要 随着我国交通建设的发展 公路隧道方案在山区和丘陵地区高等级公路建设 中日益引起重视 不同长度 不同类型的山岭隧道大量涌现 传统设计施工方法 已经不能满足现实的施工要求 因此 利用数值计算来进行隧道设计施工并及时 总结和研究山岭隧道施工和监控技术 对经济地 高质量地建设公路隧道十分必 要 本文首先系统论述了国内外监控量测技术有及限元数值模拟在公路隧道建 设中的应用 以杭州市滨江区冠山隧道的现场监测数据为依据 对监测数据进行 数据处理 分析并总结规律 同时采用大型有限元软件 a n s y s 进行有限元 模拟 采用平面应变模型 在 反转应力释放法 的基础上 以 生 死 单 元法模拟隧道开挖过程 考虑地应力的逐步释放 对隧道偏压洞口段的施工力学 行为进行研究 对围岩和支护体系的变形和受力特点进行了分析 得到了隧道偏 压洞口段施工时地表沉降 拱顶沉降 洞内水平收敛以及锚杆轴力随时间变化的 规律 将数值模拟的结果与实测数据的分析结果相对比 得到一些有用的规律 指导设计并优化施工 为日后类似工程的设计 施工提供借鉴与参考 关键词 公路隧道偏压洞口上下台阶法动态监测有限元模拟 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fw a f 苻cc o n s t r u c t i o no fo u rc o u n t r y t h eh i g h w a yt u n n e l p l a na r el e a d i n gt oi m p o r t a n ti n c r e s ei nt h eh i g hc l a s sh i g h w a yc o n s t r u c t i o no f m o u n t a i na n dh i l l s m o r ea n dm o r em o u n t a i nt u n n e l sw i t hd i f f e r e n tl e n g t h sa n d d i f f e r e n tt y p e sh a v eb e e nb u i l tu p t r a d i t i o n a ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o nm e t h o d c o u l d n ts a t i s f yt h en e e do f t h er e a l i t y s o i ti si m p o r t a n tf o rb u l i d i n gu pl l i g ht u n n e l s e c o n o n i c a l l ya n dh i g hq u a l i f i e d l yt od e s i nt u n n e l sw j t l ln u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt o s u n u n a r i z er u n n e l sc o n s t r u c t i o na n dm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi nt i m e i nt h i s p a p e rw e d i s s e r t a t et h ef e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi nh i g h w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o n a n a l y s et h em o n i t o r i n gd a t a a n ds u m m a r i z ed i s c i p l i n a r i a no fg u a u s h a nt u n n e lw h i c hi sl o c a t e di nb i n j i a n g d i s t r i c t h a n gz h o u t h e nc o m b i n e dw i t ha n s y sp r o g r a m w es i m u l a t ec o n t i n u o u s c o n s t r u c t i o nb yl o a ds t e p sa n dt u n n e le x c a v a t i o nt h r o u g h b i r t h a n d d e a t h m e t h o d i nt h et h o u g h to fr e l e a s i n gs t r e s ss t e pb ys t e p w es t u d yt h em e c h a n i c sb e h a v i o ro f t u n n e l p o r t a lw i t hu n s y m m e t r i c a ll o a d i n g sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fs t r e s s a n d d e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ka n ds u p p o r t i n gs y s t e m t h e ng e tt h ed e v e l o p m e n t r e g u l a r i t ya c c o r d i n g t ot i m eo f g r o u n d s i n f a c e s e t t l e m e n t v a u l t c r o w n s e t t l e m e n t h o r i z o n t a lc o n v e r g e n c ea n db l o ta x i a lf o r c e c o m p a r et h ea n a l y s i sr e s u l t s w i t hi n s i t u t e s t i n gd a t a a n dt h e ng e ts o m eu s e f u lr e g u l a r i t i e sf o rt h ed e s i g n c o n s t r u c t i o na n dr e s e a r c ho fs i m i l a rt u n n e l si nf u t u r e k e y w o r d s h i g h w a yt u n n e l u n s y m m e t r i c a ll o a d i n gp o r t a l b e n c hc u tm e t h o d d y n a m i cm o n i t o r i n g f e ms i m u l a t i o n 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着我国国民经济的持续快速发展 高速公路 高速铁路等交通工程建设日 益增多 新一轮的建设高潮正在掀起 东部沿海发达地区的省 市已经形成初步 的高速公路网络 中国高速公路通车里程已由1 9 9 8 年的1 4 7 公里上升到2 0 0 5 年的4 4 万公里 仅仅2 0 0 1 2 0 0 5 年就增加了2 4 万公里 十一五 期间 交 通部将着手组织实施国家高速公路网计划 中国的目标是 到2 0 1 0 年使高速公 路网达到6 5 万公里 到2 0 2 0 年达到8 5 万公里 影响高速公路建设的关键点是高速公路隧道的修建 高速公路隧道与铁路隧 道 地铁等地下工程相比 有着其自身的的特点 沿线地质情况比较复杂 高速公路线路的走向受地区经济利益的驱动和地 形条件的制约 地质情况的好坏无法优选 只能因地制宜 而且高速公路因为速 度的要求受线性的控制 难以避开崇山峻岭而绕道修筑 在某种意义上也增加了 地质的复杂性和隧道施工的难度 公路隧道断面大 公路隧道与铁路隧道 水工隧道 矿山地下巷道相比断 面大 双车道公路隧道的断面面积可以达到8 0 m 2 左右 因此公路隧道围岩受扰 动范围较大 其轮廓对围岩块体的不利切割增多 围岩内的拉伸区与塑性区加大 导致施工难度增加 若公路隧道位于土层或软弱岩体内 施工难度更大 通常需 要采用特殊的施工方法来建造 形状扁平 在满足使用功能和施工安全的前提下 尽可能地降低工程造价 是隧道设计的基本要求 由于公路隧道的建筑界限基本上是宽度大于高度的矩形 断面 在设计开挖断面 衬砌结构时 总是在保证施工安全和结构长期稳定的条 件下 尽量围绕建筑界限设计开挖断面和净断面 因此 公路隧道的断面常为形 状扁平的马蹄形 而断面扁平容易在拱项围岩内出现拉伸区 而岩土之类的天然 材料 其抗拉强度较低 因此 旌工中隧道顶部容易崩落 威胁人生安全 公路一般较长 而且越来越长 目前在岩石地层中修建的最长公路隧道为 瑞士的圣哥达隧道 单线全长1 6 9 1 8 k m 我国已经修建的隧道中 较长的有川 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第一章绪论 藏公路二朗山隧道 单线长4 1 6 k m 华蓥山隧道 单线长4 7 k i n 由于隧道长 施工难度相应地增加 施工工艺复杂 由于公路隧道断面大 开挖方案复杂 单体隧道有全断面 式 上下台阶式 侧壁导坑式以及c d 式等开挖方法 连拱隧道则先开挖中隔墙 部分 荐开挖两侧 支护衬砌主要包括开挖面前方的超前支护 锚喷初期支护和 二次衬砌 以及仰拱的开挖与回填 特别是对二次衬砌来说 围岩类别不同 其 设置时间及与隧道开挖面的距离不同 此外 两车道单体隧道的施工工序多达 1 0 道 连拱隧道的施工工序则达到2 0 道 公路隧道的防水要求高 与铁路隧道相比 公路隧道因使用上的需求防水 要求很高 一般应做到滴水不漏 这不但可以保证衬砌结构的使用寿命 而且不 会因为路面积水而造成的行车不便 综上所述 公路隧道的设计和施工特点非常明显 目前 我国公路隧道修筑 技术已经有了长足的发展 但是没有解决的问题比较多 随着隧道工程的增多 新问题也不断涌现 目前 主要存在的问题有 长大隧道的超前地质预报 由于地下工程为隐蔽工程 设计前的勘查工作 再细也无法做到对隧道的地质情况了如指掌 所以不得不借助施工过程中的各种 地质调查手段 特别是对隧道掘进面前方地层的超前预测 来达到准确了解地质 条件和围岩分类 以用来修正隧道设计方案 并进一步指导隧道施工 隧道的设计和施工方法的脱节 公路隧道的设计目前仍然依据围岩分类 按照经验方法设计 考虑开挖顺序和锚喷支护的变形设计主要用于断面变形设计 的校核 作为变形设计来说 二次衬砌事实上并未当作受力体系来考虑 根据公 路隧道设计规范 二次衬砌的配筋计算则是按荷载一结构法予以实施 也就是说 公路隧道的设计计算并未严格按照隧道施工过程进行 隧道无支护暴露长度 初期支护及二次支护的施做位置与时间的优化问 题 这是隧道工程界历来关心的问题 仍然未得到很好的解决 在施工工期和施 工的便利性占主导因素的条件下 施工参数的优化问题只是停留在理论上 未付 诸于实际 对不同的施工工序 上述参数的优化问题变得十分复杂 不同施工工序下隧道开挖面超前支护与围岩稳定性的关系 对于 类围 岩及以下的围岩地层 设计中一般采用锚杆 小导管或者管棚作为超前伞形支护 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文 第一章绪论 对于这种超前支护结构 在工程中已经普遍使用 但其稳定性的力学机理仍不十 分清楚 特别是在不同的施工工序阶段 超前支护的受力状态与围岩的稳定性关 系仍待探讨 现场变形的非接触式测量和可视化信息施工监控系统 公路因其断面大 变形的接触性测量相当困难 有必要采用非接触性测量的方法 如光学测量等 量测精度是非接触性测量技术发展中的一个瓶颈 同时 设计一套供现场动态施 工监控的可视化信息集成系统 也是迫切需要解决的任务 针对以上问题 本文围绕隧道动态信息化施工过程 以杭州市滨江区冠山隧 道的现场监测数据为依据 对监测数据进行数据处理 分析并总结规律 同时采 用大型有限元软件 a n s y s 进行有限元模拟 对隧道偏压洞口段的施工力学 行为进行研究 对围岩和支护体系的变形和受力特点进行了分析 对比数值计算 结果和监测结果 指导设计并优化施工 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地下结构支护理论的发展 地下支护理论的发展至今已经有百余年的历史 它与岩土力学的发展有着密 切的联系 土力学的发展促使着松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展 而岩 石力学的发展促使围岩压力和地下支护理论的进一步飞跃 二十世纪二十年代以 前 主要是经典的压力理论阶段 这类理论认为 作用在支护结构上的压力是其 上覆岩体的总重量y h 是岩石的容重 日是埋深 代表的有海姆 a h a i m 朗肯 w j m r a n k i n e 和金尼克理论 其不同之处在于对地层水平地压力系数 有不同的理解 由于当时地下工程埋深不深 因而一度认为这些理论是正确的 随着开挖深度的增加 人们越来越多地发现 古典理论不符合实际情况 于是出 现了散体压力理论 这类理论认为 作用在支护结构上地压力 不是上覆岩层重 量 而是围岩坍落拱内的松动岩体重量 代表的有太沙基和普氏理论 他们共同 的观点认为坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩的性质有关 五十年代以来 岩石力学开始成为一门独立的学科 围岩弹性 弹塑性及粘 弹性解答逐渐出现 如温得尔斯 r w i n d e l s 和史密德 h s e h m i d 按照连续 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第一章绪论 介质力学方法计算圆形衬砌的弹性解 徐干成 郑颖人等利用弹性力学获得了在 非均压地层压力作用下围岩与支护结构共同作用的线弹性解 塔罗勃 j t a l o b r e 和卡斯特奈 h k a s t e n e r 得出了圆形洞室的弹塑性解 塞拉塔 s s e r a t a 等采 用岩土介质的各种流变模型获得了圆形隧道的粘弹性解 同时 新奥法隧道设计 施工方法的兴起 形成了以岩石力学原理为基础的 考虑支护与围岩共同作用的 地下工程现代支护理论 现代支护理论的形成和发展 首先是由于喷锚支护等现代支护结构的大量使 用 给人们积累了丰富的经验 尤其是现场监测的应用 至二十世纪八十年代又 将现场监测与理论分析结合起来发展成为适应地下工程特点和当前技术水平的 新的设计方法 信息化设计方法 与此同时 在地下支护结构设计中应用可靠度理论 推行概率极限状态设计 研究方面也取得了重要进展 采用动态可靠度分析法就是利用现场监测信息 从 反馈得到的信息推测地下结构稳定的可靠度 从而对支护结构进行优化设计 改 善地下结构设计的合理途径 地下工程结构理论在不断发展 从长远的发展趋势来看 新奥法开创的理论 一经验一量测三者结合的 信息化设计 体现了地下工程支护设计理论的发展方 向 1 2 2 地下工程监测技术研究现状 地下工程监测技术的进步和发展具体体现在以下两个方面 一是监测方法的 及监测仪器本身的发展 现在物理特别是电子技术的成就已经广泛应用于新型检 测仪器当中 如收敛计 应力计等 提高了仪器的可操作性和精度 二是监测内 容的不断扩大与完善 分析方法的不断提高 岩土中的变形和应力等的测试都能 够全面进行 近些年来 地下工程监测应用范围不断扩大 一些重大关键性项目都注重了 监测工作 监控量测信息广泛的应用于介质力学参数反演 施工和地质超前预报 孙广忠 朱维申等 1 9 9 6 2 3 14 1 支护时间的设置 孙钧 1 9 9 5 何满朝 1 9 9 6 2 11 5 1 信息化设计和施工 李世辉 1 9 9 9 1 1 s s a k u r a i l 6 在2 0 世纪8 0 年代提出了反演地层初始应力及变形模量的数值解公式 并通过计算机将这一方 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第一章绪论 法运用于隧道工程的施工现场 进行监控设计 同时 他还提出用量测位移和反 算结果的配合 以地层材料的允许应变 s 为判据 估计隧道周围塑性区半径大 小的方法 吴凯华 1 9 8 8 o o l 提出应用灰色预测法对监测位移进行分析 孙建 华等 1 9 9 2 1 u 提出实测数据的l o g s r i c e 曲线拟合方法 王彦武 1 9 9 9 7 1 介绍 了山西省太旧高速公路北茹隧道进行围岩变形监测的手段和监测结果 提出了通 过收敛变形计算拱顶下降的公式 通过隧道拱顶下沉量来预测围岩的失稳和评价 支护效果 刘洪州 1 9 9 9 嘲将工程实测数据与边界元结果进行对比 分析了围 岩位移的影响因素 李泳伸等 1 9 9 9 1 9 1 介绍了应用地表沉降观测和收敛观测结 合 指导隧道施工取得良好效果的实例 齐俊修 1 6 1 2 0 0 0 通过对北京昌平县 十三陵抽水蓄能电站排风洞尾水洞隧道围岩的收敛观测结果进行分析 得出围岩 收敛位移与围岩稳定的判据 郭建湖 李小和通过对隧道地表下沉及收敛变形的 观测 分析了隧道产生裂缝的原因 并提出了处理措施 刘宝许 2 0 0 2 1 7 针 对位移量测系统的有效性展开优化研究 根据量测误差最小化原则 确定出最佳 的位移测点布置方案 董勇 2 0 0 2 2 1 1 对孤山隧道信息监测中的测点布置 回 归分析 信息反馈等作了详细的介绍 李德宏 2 0 0 3 2 2 1 对云南省元江至磨黑 高速公路岔河隧道的施工监测结果进行了分析 通过与理论计算的对比 对连拱 隧道的结构设计给出了建议 在隧道的三维变形方面 陈尧中 1 9 9 9 l2 利用全站仪进行隧道三维变形 量测并建立了监测数据系统 王建智等 1 9 9 9 1 3 1 介绍了利用先进电子经纬测 距仪和全站仪进行隧道三维净空量测 王浩和葛修润 1 9 9 9 1 4 介绍了在隧道 开挖施工中利用全站仪进行隧道三维收敛变形监测的方法及相关软件g 张成平 2 0 0 0 1 s l 等介绍了当今隧道三维变形非接触监测的5 种方法一以电子经纬仪 进行的三维解析测量 全站仪的自由三维工作站 三维近景摄影测量 无线遥测 技术 利用光纤检测技术 进行隧道三维变形量测 宋冶等 2 0 0 0 1 8 1 介绍了 运用全站仪自由设站进行隧道三维净空量测技术及在广州白云隧道三维变形中 的成功地运用 取得了很高的量测精度 康宁 2 0 0 0 1 9 1 以东港城市隧道工程 为背景 详细介绍了围岩与衬砌间压力地实测数据 分析了该压力随时问和开挖 过程产生变化和调整地规律 杨学意 2 0 0 0 2 0 1 量测了围岩与衬砌间压力和衬 砌混凝土内部压力 分析了压力最大值发生地所在位置以及压力沿观测断面地分 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第一章绪论 布规律 指出了圆形断面隧道发生危险的位置 1 2 3 地下工程数值计算研究现状 随着计算机技术的广泛应用而发展起来的现代计算力学数值方法 在地下工 程领域正显示出来其强大的生命力 并且得到越来越广泛的应用 与大型物理实 验和现场实验相比 数值分析法具有快捷 快速 费用低 可以模拟岩体特性和 构造特点以及施工过程 可以反复计算 易于改变参数等优点 地下工程领域中常见的数值分析方法有 有限元法 f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 边界元 b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d 离散元法 d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d 块 体理论 b l o c kt h e o r y 和反演分析 b a c ka n a l y s i s 等 其中有限元法和边界 元法建立在连续介质力学的基础上 适合小变形分析 是发展较早和较为成熟的 方法 尤以有限元应用最为广泛 本文介绍有限元法在隧道工程中应用和发展 从1 9 7 4 年p a n e t 引入释放系数来模拟开挖引起弹性介质围岩应力变化以来 利用有限元数值计算地下来模拟地下结构工程的施工过程等变得越来越普遍 1 9 7 8 年p e g g e r 则将隧道开挖面附近简化成球形对称形状 使之与开挖面后方的 轴对称假设一致 从而第一次考虑相同岩石动态变化等 并指出岩石动态可以用 相继的一系列稳定状态来模拟 c u n h a 1 9 8 1 通过计算时的适当阶段通过删除 或增加一些岩体单元来模拟开挖或支护 为隧道的动态施工模拟开创了先例 我 国同济大学朱合华 1 9 8 9 1 2 3 1 提出可以将开挖面约束效应等效地视为对洞周地虚 拟支撑力作用 因为掘进面的存在仅对有限局部范围的围岩产生影响 以圣维南 原理将端面约束用边界附加的支撑力系来等效 将虚拟支撑力法推广为 广义虚 拟支撑力法 朱合华 1 9 9 7 1 2 4 j 等人推出了同济曙光软件 该软件适合于平面 问题以及轴对称问题的静力分析 可模拟施工过程中各类地下工程开挖后的岩土 应力场合位移场及支护结构内力的动态变化过程 具有分步卸载 分步支护等功 能 并具有动态反演分析功能 王明年 2 0 0 2 2 5 1 通过有限单元法和模型试验 对软岩3 孔小间距平行隧道浅埋隧道旌工力学行为进行了深入研究 指出不同的 预加固强度 开挖进尺 对隧道的地表沉降 围岩压力 洞周位移影响都比较大 靳晓光 2 0 0 4 2 6 等以京一福高速公路三明福州段的小间距隧道为工程背景 对i i 类围岩隧道的不同施工过程进行了弹塑性数值仿真研究 给出了不同施工 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第一章绪论 方法及支护措施对围岩变形规律的影响 郭晓魁等 2 0 0 5 2 7 1 对浅埋近接隧道 施工地表沉降进行有限元分析并与现场资料进行对比 指出多洞室施工地表的沉 降量是单洞室沉降量的2 3 倍 王良 2 0 0 5 2 8 1 等利用a n s y s 提供的单元生 死功能和隐式蠕变方程 就隧道上下台阶法施工作业方式进行了二维弹一粘塑性 模拟 对应力和应变方面进行分析 指出选择合理施工顺序对洞室的稳定 安全 起着一定的作用 胡建明 2 0 0 6 1 2 9 1 结合重庆市金山大道岚峰隧道工程实践 应用有限元数值模拟方法 分析了围岩各关键点的变形 应力场和塑性区的特征 研究表明 这类隧道在施工过程中后行洞的开挖对已修建的先行洞产生较大的作 用 黄生文等 2 0 0 6 1 3 0 1 运用f l a c 2 d 建立有限元模型 通过分析指出双侧壁 导坑法是适合该类地质条件下大断面隧道的开挖施工方法 在隧道施工的三维有限元施工模拟分析方面i 埃及的m o u s s a 和澳大利亚的 w a g e r 两位学者用三维有限元分析主要从变形的角度研究新奥法隧道中施工速 度 主要是开挖及衬砌施作速度 的影响 金丰年 钱七虎 1 9 9 6 1 3 1 1 应用非 线性粘弹性模型 对隧道全断面开挖过程进行三维有限元分析 开挖结果表明开 挖面的影响范围大约为洞室直径的2 倍 张顶立 2 0 0 5 3 2 等通过对深圳地铁 一期工程区间隧道拱顶下沉的回归分析 指出隧道拱顶下沉遵循指数函数关系 通过数值分析 f l a c 3 d 验证了该分析结果的可靠性 并且开挖面前方的超前 拱顶下沉量较大 最后分析了不同地层条件下拱顶下沉和地表沉降的关系 余健 等 2 0 0 6 田 以渝黔二期工程笔架山隧道北端洞口段实态建模 应用有限元程 序对其旅工全过程迸行三维弹塑性数值模拟 得出开挖对围岩影响较大的范围在 开挖面5 m 范围内 塑性区位于开挖面前1 5 m 范围内 赵阳等 2 0 0 5 0 4 1 针对 一座浅埋偏压下的连拱隧道 分别按三导洞先墙后拱法和中导洞法对其进行三维 弹塑性有限元模拟分析 揭示了偏压条件下衬砌结构以及围岩的受力和变形具有 明显的不对称性 衬砌内部的拱部和内外侧仰拱承受较大拉应力而成为结构的薄 弱环节 中隔墙在不对称推力作用下发生偏转是影响衬砌稳定的关键因素 并在 此基础上对提高结构的稳定性提出建议 1 3 本文主要研究内容 本文以实际参加监测的冠山隧道为工程背景 进行如下问题的研究 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第一章绪论 1 对公路隧道监测设计的原则 隧道监测设计所需资料 监测项目与仪器的 选择 监测断面及仪器位置确定 监控量测要求及其频率的确定以及监测实施分 析过程进行系统的介绍 并结合实际工程合理采用 2 尉冠山隧道进行施工监测 对监测数据进行数据处理 分析并总结规律 3 介绍隧道有限元模拟的弹塑性问题的增量有限元理论 材料非线性问题的 迭代解法以及求解非线性问题的收敛问题 对隧道偏压洞口 a 洞进口 段采用 有限元法模拟隧道施工全过程 用实体单元模拟隧道围岩体 梁单元模拟初次衬 砌结构 杆单元模拟锚杆 用生死单元法来模拟隧道的开挖和支护 模拟开挖过 程中围岩的位移变形情况和内力变化情况 以及支护结构 锚杆和衬砌 的内力 和变形情况 4 通过有限元模拟分析得至n 隧道旄工过程中的围岩结构内力和变形规律 以 及支护结构 锚杆和衬砌 的内力和变形情况 结合冠山隧道的监测数据 对数 值计算结果和监测结果进行比较分析 以此来判定围岩的稳定性和确定二次衬砌 的合理支护时间 得到一些偏压隧道台阶法开挖施工有益的结论 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第二章隧道新奥法施工监测技术及信息反馈技术 第二章隧道新奥法施工监测设计及信息反馈技术 2 1 新奥法施工 2 1 1 新奥法概述 新奥法是6 0 年代初奥地利学者l v r ab c e w i c z 等人总结了大量隧道施工 经验而提出的一种隧道施工法 简称新奥法 新奥法以喷射混凝土和锚杆作为主 要支护手段 将经验 量测和理论相结合 形成一种隧道工程新概念和方法 根 据米勒等论述的新奥法基本原则和力学基础 其要点可简述如下 1 应当把隧道支护与围岩看作整体化的结构物 围岩是承载结构物的一部 分 2 采用喷射混凝土和锚杆及时支护 尽量避免围岩的二向应力状态 松动区 破坏范围越小越好 支护应尽可能柔而韧 以保护和发挥围岩的强度和自 承能力 以最低安全支护要求达到新平衡 3 围岩量测是新奥法设计施工地下洞室的主要依据 通过量测修改设计决定 施工方法和时机以及仰拱封闭时间 监控围岩支护体系的力学动态 容许 并适当抑制岩体变形 4 全断面或半断面开挖比矿山法有利 分步开挖会引起反复发生应力再分 配 造成地层破坏等等 新奥法由于将隧道围岩作为承重结构 计算时应考虑围岩的作用 因此采用 数值方法分析隧道施工的力学响应较一般的解析方法更适合 2 1 2 新奥法的主要特点 1 及时性 新奥法施工以喷锚支护为主要支护手段 可以最大限度地紧跟开挖作业面施 工 因此可以最大限度阻止围岩进入松动的状态 同时在在地质条件较差的地段 可以利用小导管 管棚等进行超前支护 在隧道爆破后立即喷射混凝土支护能有效地制止围岩变形的发展 并控制 9 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文 第二章隧道新奥法旄工监测技术及信息反馈技术 应力降低区的扩张而减轻支护的承载 增强了岩层的稳定性 2 封闭性 隧道开挖后 围岩由于爆破作用产生新的裂缝 随时都有可能产生变形或塌 落 当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面 能很好的充填围岩的裂缝 提高 围岩的强度 同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用 隔绝了水和空气同岩层的接 触 使裂隙充填物不致软化 解体而使裂隙张开 导致围岩失去稳定 3 柔性支护 锚喷支护属于柔性支护 能够和围岩紧粘在一起共同作用 由于锚喷支护具 有一定柔性 可以和围岩共同产生变形 并能有效控制且允许围岩塑性区有适度 的发展 使围岩的自承能力得以充分发挥 另一方面 喷锚支护在与围岩共同变 形中受到压缩 对围岩产生越来越大的支护反力 能够抑制围岩产生过大变形 防止围岩发生松动破坏 2 1 3 新奥法施工的开挖方式 新奥法掘进隧道 其开挖方式有全断面法 台阶法 临时仰拱法 侧壁导坑 法几种 开挖方式对于保护围岩的天然承载力 保证隧道的安全和控制地表下陷 量等都有影响 选择开挖方式时 应当考虑到下列几个闯题 1 隧道的埋深 岩体状况 有无断层破碎带 有无涌水 涌水量 涌水压 岩石强度等有关隧道围岩自稳性的问题 2 隧道总长 隧道的线形 断面形状和尺寸等有关工程规模的问题 3 地表设施状况 对地表下陷有无要求 地表下陷量的容许值等有关环境要 求的问题 4 机械设备 工期等施工条件问题 由于地下工程在勘测阶段很难对地质做出准确的判断 施工过程中当遇到地 质条件发生未预计到的变化时 常常不得不变更开挖方式 新奥法施工变更开挖 方式比传统法容易 但因为变更开挖方式毕竟会影响工期并造成经济损失 因此 变更开挖方式应予综合考虑 1 全断面开挖 隧道断面经一次爆破成型的开挖叫全断面开挖 这种开挖的优点是 可以减 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第二章隧道新舆法施工监测技术及信息反馈技术 少开挖对围岩的反复扰动 有利于保护围岩的天然承载力 可以采用深孔爆破法 加快掘进速度 各工况之间干扰少 便于组织施工作业 便于组织大型机械化施 工 这种开挖的缺点是 对地质条件要求较严 围岩自稳性要好 对大断面隧道 进行喷锚作业应有专设的机械化脚手架 否则不便进行喷锚作业 2 台阶式开挖 台阶式开挖包括长台阶 短台阶 小台阶 多台阶等几种 在这几种中 除 了多台阶方式具有两个以上开挖工作面外 其他都只具有上半断面和下半断面两 个开挖工作面 台阶式开挖对地质条件的适应性好 对所有岩质条件都适应 应 用得较多 施工中到底应当采用哪种台阶法 主要根据下列两个条件来选择 1 根据一次被覆形成闭合断面的时间要求来选择 断面的闭合时间因岩质 不同而不同 2 根据上半断面施工时所用的开挖 支护 出渣等机械设备对施工场地大 小的要求来选择 当在软弱地层中掘进隧道时 需尽快地构筑支护结构来形成闭合断面 这时 在确定选用哪种开挖时 需要同时考虑上述两个条件 当岩质较好时 主要考虑 如何更好地发挥机械的工作效率 保证篪工的经济性 这时在确定选用哪种台阶 开挖时 只考虑上述第二个条件 在岩石隧道中 应用较广的是长台阶开挖和短台阶开挖 现将这两种开挖方 式分述如下 1 长台阶开挖 这种开挖方式把隧道断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖 台阶长 度通常取1 0 0 1 5 0 m 上半断面和下半断面交替进行开挖 但在交替开挖中 上 下两断面间应当保留台阶长度最少5 0 m 这样才能保证在台阶上布置施工机械 长台阶开挖方式的适应范围比全断面开挖方式广泛 全断面开挖施工中 当遇到 岩质条件变坏 开挖工作面自稳性较差时 可以考虑使用长台阶开挖 长台阶开挖的优点是 在隧道长度比较短时 可以优先完成隧道全长的上半 断面施工 然后进行下半断面施工 因此 上半和下半断面可以使用同一套机械 设备 使施工组织简化 长台阶开挖的缺点是 当隧道长度较长时 上 下两个 半断面分开施工或交替施工都会使施工工期延长 而采用上 下两个半断面并行 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第二章隧道新奥法施工监测技术及信息反馈技术 施工 虽然可以缩短工期 但由于两套机械相互千扰 使施工组织工作变得复杂 2 短台阶开挖 短台阶开挖比长台阶更早地使支护结构形成闭合断面 更利于控制地表沉降 量 因此 在岩质条件更差时 采用短台阶开挖比长台阶法更有利 短台阶开挖 也是分成上 下两个断面进行开挖 上下两个断面并行施工 在并行施工中 上 下两个断面间保留的台阶长度一般为2 0 5 0 m 在保证施工机械正常工作的前提 下 为利于尽早形成支护结构的闭合断面 台阶长度应取最小限度 这种开挖方 式使用一般的机械 对地层的适应范围较广 从硬质围岩到土砂质围岩以及膨胀 性围岩都可以采用 短台阶开挖的缺点是 由于台阶短 上半断面和下半断面施 工不能全部并行进行 而只能部分平行进行 这里主要是指上半断面出渣时对下 半断面施工的影响 3 临时仰拱开挖 临时仰拱开挖是短台阶开挖方式的一种变形 在城市隧道施工中为减少地表 下陷量有时采用此种开挖 临时仰拱开挖的特点是把上半断面的底板开挖成仰拱 形曲面 并在曲面上做混凝土层 以使上半断面形成闭合断面 由于上半断面的 底板是仰拱形曲面 机械设备运行不方便 且由于构筑喷射混凝土仰拱和构筑重 型机械运行的路面而使开挖作业不能正常进行 整个工程的施工速度都要受响 使工期延长 临时喷射混凝土仰拱只起临时支护作用 施工中还要不断挖掉 提 高了工程造价 4 侧壁导洞开挖 新奥法的侧壁导坑开挖与传统的侧壁导坑不同 它结合了隧道侧墙部分的一 次被覆 在隧道两侧用混凝土构筑两个管状导坑承受荷载 为使侧墙部分能承受 较大的荷载 做完一次被覆之后还要二次被覆 管状的承载能力比较高 在软弱 地层亦可承受很大的荷载 同时由于管体与隧道核心部的土砂贴得很紧 管体抵 抗侧压的能力非常强 新奥法的侧壁导坑主要适用于城市砂质地层中构筑跨度较大的隧道侧壁导 坑开挖是把隧道整个断面分成两个侧壁导坑 上 下半断面 仰拱等几个部分分 块进行开挖的 各个部分开挖后都可以随时形成一个临时闭合断面 因此 这种 开挖可以使内空变位量和地表下陷量减少 根据施工经验 在相同的岩质条件下 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文 第二章隧道新奥法施工监测技术及信息反馈技术 采用新奥法侧壁导坑开挖隧道引起的地表下陷量 是采用短台阶开挖方式的一 半 在隧道的上半断面 下半断面 仰拱等部分开挖后 要把导坑内侧壁清除掉 因此 导坑的内侧壁与外侧壁 应保留的隧道侧壁 的结点应当做成容易拆除的 上面的开挖断面如图2 1 所示 叠嘶瞳并荛 厂 i 告 釉 e9 牛酬岍拉 誓畔捧羹开拉 骶 辘荆叠 图2 1 新奥法隧道开挖方式 隧道的施工的方式还有由上述方式变化来的一些开挖方式 如二分步法等 总之隧道的开挖方式是很灵活的 要根据隧道的开挖断面尺寸 岩体情况的变化 环境变形要求等进行综合考虑选择适当的开挖方式 往往在同一隧道也会采用不 同的开挖方式 2 2 隧道新奥法旌工监测设计概述 隧道是修建在存在应力场 由岩石和各种结构面组合的天然岩土体中豹建筑 物 是靠围岩和支护共同作用保持其稳定性的 因此 工程的安全性很大程度上 取决于围岩本身的力学特征及自稳能力 取决于支护后的综合特征 由于隧道在 开挖之前地质 岩体形态不容易掌握 力学参数难以确定 使得人们必须借助现 场监测 获得隧道性状变化的实际信息 并及时反馈到设计和施工中去 为工程 服务 隧道现场监控量测施工阶段的控制量测和安全监控量测 使用阶段的工程性 态的监控量测 施工控制量测的主要目的是检查工程施工阶段或竣工验收后结构 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第二章隧道新奥法旌工监测技术及信息反馈技术 的尺寸能否符合设计要求 这是测量学方面的知识 在此不作讨论 安全监控量 测所要做的工作是 在隧道施工使用阶段和使用阶段 使用各种仪表和工具 对 围岩变化情况和支护结构的工作状态进行量测 及时提供围岩稳定程度和支护结 构可靠性的安全信息 预见事故和险情 作为调整和修改支护设计的依据 并在 复合式衬砌中 依据量测结果确定二次衬砌施做时间 以达到监测围岩和支护结 构的变位与应力不超过设计标准 按照隧道建设的程序 其安全监控量测可以划分为 前期监测 施工期监测 及运营监测 其中前期监测有两种方法 一是利用勘探平洞进行 随勘探洞的开 挖 或进行位移 应力及声波等量测 或试验研究岩体的力学参数 建立计算模 型 二是利用原位模型试洞 进行系统的位移 应力 围岩松动范围及声波量测 反演岩体力学参数 建立计算模型 为地下洞室稳定性研究 支护设计提供依据 施工期量测是本章论述的重点 它是指随着施工的进展 对围岩和支护进行位移 应力 应变 裂隙开合 地下水 爆破影响合环境等监测 并及时反馈 以保证 施工安全和修改设计 指导施工 这个过程也可以叫信息化施工与设计 西方国 家称作o b s e r v a t i o nm e t h o d 日本则称为情报化施工 施工监测和信息化设计流 程见图2 2 运营期监测则是对围岩及支护进行现场监测 监测结构和构件的安 全 检验设计的正确性以及为隧道工程研究积累资料 在隧道中发生的一切力学现象 如断面收敛或失稳等都是个连续的 统一的 力学过程 它始终与时间 旌工技术有关 监控量测设计的的原理就是通过现场 量测获得围岩力学动态和支护状态的有关数据信息 再通过对这些信息的数理和 力学分析 来判断围岩和支护结构体系的稳定性及工作状态 从而选择和修正支 护参数指导施工 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第二章隧道新奥法施工监测技术及信息反馈技术 图2 2 施工监测和信息化设计流程 2 3 公路隧道监测设计的原则 隧道监测设计是整个工程设计中的一个重要部分 监测设计不仅仅是仪器的 选择和布置 而且是一项综合的工程技术 应从监测目的 原则到监测资料的整 理与应用等整个过程全面系统的考虑 其设计原则主要有以下几个方面 隧道监测设计应在围岩条件和工程性状预测的基础上进行 设计应以施工 期监测为重点 施工期监测又应以围岩稳定性和支护结构的工作状态监测为重 点 观测项目和测点的布置应满足预测模型的要求 监测系统应能全面监控隧 道工程的工作性状 对各种内外因素引起的相互作用 都应统一考虑 观测仪器布置要合理 注意时空关系 控制工程的关键部位 随着隧道开 挖的进展 空间不断扩大 对按监测目的所选定的物理量应测其空间分布和随时 间变化的全过程 做到空间和时间两个方面的监测都连续 这就需要掌握隧道施 工开挖顺序 并根据施工工序进行仪器安装施工的设计 为了尽量求得监测围岩和支护结构形状变化的全过程 在条件可以的情况 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第二章隧道新奥法施工监测技术及信息反馈技术 下 能从附近钻孔预埋观测仪器的 采取预埋监测的方式 不具备埋设条件的 应跟紧掌子面及时埋设 随着开挖的推进和工程条件的变化 出现新问题时要及时补充或修改监测 设计 仪器检测点的布置要选择典型的 有代表性的位置 同时还应该采取以监 测为主 人工观测与仪器相结合的方式 以弥补仪器覆盖面的不足 2 4 公路隧道监测设计所需资料 考虑到上述设计原则 在隧道安全监测设计时必须收集一些资料 根据工程 实践和参照规范归纳起来有以下几种 隧道沿线的地质资料 包括地质报告 纵横剖面图 钻孔柱状图及平面图 结构面统计资料 围岩分类 地下水分布等 隧道段围岩试验资料 包括岩块和围岩的力学参数等 隧道设计资料 包括隧道工程布置图 平面和纵横剖面图 围岩稳定性 计算与支护设计 开挖方法与施工组织设计资料 水文气象条件及其他资料 2 5 公路隧道监测项目与仪器的选择p 7 l 公路隧道由于长度一般较大 监测断谣较多 工作量较大 可以采取收敛观 测等安装简易 快速的项目进行监测 需要进行环境监测的要有选择的监测地面 沉降等 在选择仪器时 最重要的是仪器的可靠性 应选择那些能够简易安装 不易 受施工设备和人为破坏损坏 不易受周围物体变形而影响其性能的元件 隧道工程现场监控量测项目以及量测方法如表2 1 所示 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第二章隧道新奥法施工监测技术及信息反馈技术 表2 1 隧道工程现场监控量测项目以及量测方法 分类项耳观测内容观测仪器观测资料的用途 洞壁围岩稳定性 洞壁面之间距离变收敛计 位移计 支护构件效果 根 据变形速率推断以 化 变形速率滑动式测微计 后变形量和混凝土 衬砌浇筑情况 精密水准仪 收敛拱顶岩体和围岩稳 收敛变形观测拱顶下沉 计 多点位移计定 仰拱岩石锚杆加固 精密水准仪 收敛和仰拱混凝土浇筑 地板隆起 计 多点位移计的必要性 推测锚 杆最佳时间 洞壁围岩松动区 洞壁到围岩内部某多点位移计 滑动合理确定岩石锚杆 围岩内部变形 点的相对变形观测式测微计长度和岩体内变形 围 观测 分布及范围 山 地表或洞外到围岩开挖前岩体状态 石 内部某点的水平和 多点位移计 测斜 洞前岩体稳定性 变 垂直变形观测 仪 滑动式测微计 围岩内部变形分布 形 地表位移 倾斜位位移计 测缝计 预测滑坡产生 移 倾角计 岩体滑移观测 岩体深部水平及垂多点位移计 测斜滑动面位置 滑动 直位移仪方向 岩体角位移和倾斜 岩体转动观测角位移 倾斜倾斜角 变化 确定爆破 卸载围 围岩松动范围声波 地震波速度 声波仪 地震波仪岩松动范围 设计 观测振幅量测 锚杆 支护等 地下洞室开挖范围 地袭下沉 隆起量 水准仪 沉降仪影响范围 洞室上 地表及其建筑 测 部岩体稳定性 物状态监测 建筑物下沉 隆起 水准仪 沉降测斜对建筑物的影响范 倾斜观测计 围及安全性 开挖引起的围岩内 液压应力计 应变 切向应力增加 径 围岩应力观测向应力减少 岩体 部应力变化计 强度降低情况 岩体应力 及地 f 水 涌水 围岩地下水 压力 裂隙水压力量岩体中裂隙水压力 位变化 裂隙水压 测状态 裂隙水压力计力变化 承压水变 化 预测岩体稳定 性 岩石 锚杆 岩石 锚杆 索 锚秆应力计 测力 岩石锚杆长度 根 索 轴向力观轴向力的分布 大 计 数 位置 锚坷法 测小及可靠性 浙江大学2 0 0 7 年硕士毕业论文第二章隧道新奥法施工监测技术及信息反馈技术 圆盘式压力传感 岩石锚杆的可靠 锚固荷载器 中心孔式测力 计 性 推断破坏时间 喷混凝土应力 混凝土应变计 混 喷混凝土厚度 施 工可靠性 断面封 混凝土应力观 凝土应力计 闭效果 测 混凝土应力计 钢早期混凝土约束效 衬砌混凝土应力 钢筋应力 筋计 混凝土应变果 结构变化状态 计衬砌混凝土稳定性 作用于支 支护应力 构件应 支护钢结构尺寸及 护结构和 支护应力观测应变计 压力计可靠性 喷混凝土 力 承担荷载 围岩上的 喷混凝土厚度 施 荷载 作用于衬砌上的围 土压力计 混凝土 工可靠性 断面封 围岩压力观测压力计 液压应力 岩压力闭效果 混凝土树 计 砌产生的约束效果 作用于围岩的渗流 地下水引起荷载的 渗流观测压力和衬砌上的外渗压计 增加 根据洞室旁 进行裂隙水压观测 水压力 推断 围岩及结 接缝 裂缝开合 围岩于结构接触缝 构接缝 裂及围岩结构裂缝的测缝计 裂缝计 接缝 裂缝开合度 缝 度观测及错动情况 开合错动 围岩及支围岩内部温度 支计算温度对监测成 护温度 温度观测温度计 护结构温度 气温果的影响 质点振动速率 加速度计 加速度控制爆破质量 改 爆破影响振动效应观测 速度 动应变计 动应变计进爆破工艺 液压计 测压管 了解地下水压力水 地下水地下水位观测地下水位变化 量水堰头 掌子面地质调查 地质锤 罗盘 卡确定围岩分类 评 现场观测人工巡检 施工进度记录尺价洞室稳定性 2 6 公路隧道监测断面及仪器位置确定网 隧道监测断面布置应首先要满足规范的基本要求 最为关键的是要根据工程 需要 地质条件以及施工条件选择具有代表性的断面 它应能代表相应范围地段 的隧道性态发展情况 监测断面布置要合理 注意时空关系 采取表面与深部