（岩土工程专业论文）小净距双洞隧道施工顺序对围岩稳定性影响研究.pdf

1 i u l ii i ii ll l ll ii ii i iqlll y 17 4 5 9 8 3 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g r e s e a r c ho ne f f e c t so fc o n s t r u c t i o ns e qu e n c eo f n e i g h b o r h o o dt u n n e lo ns u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t y m a s t e rc a n d i d a t e ：p e n gc h e n g h u i s u p e r v i s o r ： p r o f l iz h a n g m i n g 一一 s e f e n gq i a n g j u n e2 0 1 0 i n s t i t u t eo fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 6 隧道工程是一门复杂且经验性 过程中，围岩稳定性分析是重要的 观点来看，是由于围岩的应力水平 续贯通的塑性区和滑动面，产生较 的实质是分析和评价围岩岩体介质 由于岩石的非线性变形力学特 不同的围岩变形结果。可见，施工 学者对这方面进行了相关研究。但是，有关施工顺序对极其复杂的小净距大跨度超 浅埋隧道稳定的影响这方面的研究尚不多见。因此，有必要就施工顺序对这种复杂 隧道围岩稳定的影响展开研究，为类似隧道的设计、施工提供理论支持和技术依据。 本文在调研并总结前人研究成果的基础上，以麒麟山隧道工程为研究背景，采 用有限元软件m i d a s g t s 分别建立二维和三维模型，对不同施工顺序下的隧道旌 工过程进行动态模拟。分析拱顶和地表沉降、中夹岩柱水平位移和应力的变化发展 规律。主要有如下工作： l 、论述了围岩材料的本构关系和强度理论；讨论了围岩稳定性的影响因素，并 简要概括了分析围岩稳定性的基本方法。 2 、阐述了新奥法的基本原理和施工要点；讨论了小净距隧道围岩稳定性的控制 问题。 3 、采用有限元软件m i d a s g t s 建立二维模型，模拟了三种( 详见第4 3 页，方 案一、二、三) 不同的施工顺序，分析了三种方案下的围岩变形力学特性。结果表 明：在采用双侧壁上下台阶法施工时，先开挖完左洞再开挖右洞( 方案三) 对中夹 岩柱的水平位移影响较小，更有利于围岩在施工过程中的安全与稳定。 4 、采用有限元软件m i d a s g t s 建立三维模型，模拟隧道在偏压状态下的五种 ( 详见第7 2 、7 3 页) 不同施工顺序的施工过程，得到如下结论： ( 1 ) 在地表坡度为2 0 。的情况下，“先左后右 与“先右后左 两种施工顺序， 地表沉降和中夹岩柱的水平位移接近相等，且没有产生危及围岩稳定的变形，证明 采用这两种施工顺序都是可行的； 广东工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 双侧壁导洞上下台阶法和全断面法两种施工顺序，前者产生的最大地表沉 降和中夹岩柱水平位移明显要小，说明前者所取得的效果更好； ( 3 ) 左右洞“错开4 0 m ”、“错开2 0 m 、“同时开挖 三种施工顺序，产生 的最大地表沉降之比为1 ：1 1 ：1 2 3 ；中夹岩柱水平位移之比为l ：1 2 7 ：2 1 2 。说明 左右洞掌子面错开的距离对围岩的变形有很大影响，在4 0 m 的范围内，这种影响随 着错开距离的增大而减弱。 关键词：小净距隧道；施工顺序；围岩稳定；数值模拟；新奥法；m i d a s g t s d i s p l a c e m e n tl e a d i n gt oi n s t a b i l i t y t h e r e f o r e ，t h ee s s e n c eo ft h er o c ks t a b i l i t yi st h e a n a l y s i sa n de v a l u a t i o no f r o c ks t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fr o c km a s sm e d i a a st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn o n l i n e a rd e f o r m a t i o no fr o c k s ，d i f f e r e n to r d e ro f l o a d i n ga n du n l o a d i n g ( c o n s t r u c t i o ns e q u e n c e ) w i l lp r o d u c ed i f f e r e n t r e s u l t so fr o c k d e f o r m a t i o n s o ，c o n s t r u c t i o ns e q u e n c eh a sav e r ys i g n i f i c a n ti m p a c to nt h es t a b i l i t yo f s u r r o u n dr o c k a tp r e s e n t ，s o m es c h o l a r sh a v ec a r r i e do u tt h i sr e s e a r c h h o w e v e r t o e x t r e m e l yc o m p l e xt u n n e lw i t hl a r g e s p a n ，s m a l ls p a c i n ga n du l t r a - s h a l l o w , r e s e a r c hi n t h i sa r e aa b o u te f f e c t so fc o n s t r u c t i o ns e q u e n c eo ni t ss u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yi ss t i l l r a r e t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ee f f e c t so fc o n s t r u c t i o ns e q u e n c eo n s u r r o u n d i n gr o c ko ft h ec o m p l e xt u n n e l , a n dt op r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r ta n dt e c h n i c a l b a s i sf o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h es i m i l a rt u n n e l t h i sp a p e rb a s e do nt h er e s u l t so fp r e v i o u ss t u d i e sa n dq i l i nm o u n t a i nt u n n e l ， u s i n gt h e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em i d a s g t st oe s t a b l i s ht w o - d i m e n s i o n a la n d t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l s ，s i m u l a t i n gt h ed y n a m i cp r o c e s so fn e i g h b o r h o o dt u n n e lu n d e r d i f f e r e n tc o n s t r u c t i o ns e q u e n c e t h ev a r i a t i o n so fv a u l ta n ds u r f a c es e t t l e m e n ta n d h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n ds t r e s so fr o c kc o l u m ni nt h ef o l d e ra r ea n a l y z e d m a i n c o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、t h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o na n ds t r e n g t ho fr o c km a t e r i a l st h e o r y , f a c t o r so f s u r r o u n dr o c ks t a b i l i t ya r ed i s c u s s e d o u tl i n et h eb a s i ca n a l y s i sm e t h o do ft h es t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c k 2 、e l a b o r a t et h eb a s i cp r i n c i p l e so fn a t m ，a n dd i s c u s si t sb a s i cp o i n t sd u r i n g c o n s t r u c t i o no ft u n n e l d i s c u s sc o n t r o lc o n t e n t so f n e i g h b o r h o o dt u n n e lo ns u r r o u n d i n g r o c k 1 1 1 e x c a v a t i o n ”i t sp r o p o r t i o no fm a x i m u ms u r f a c es e t t l e m e n t i s1 ：1 1 ：1 2 3 ，a n di t s p r o p o r t i o no f h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ti nt h em i dr o c ki s1 ：1 2 7 ：2 12 t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ew o r k i n gf a c eo ft u n n e l sh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c k i nt h er a n g eo f4 0 m , t h i se f f e c td e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gd i s t a n c e k e yw o r d s ：n e i g h b o r h o o dt u n n e l ；c o n s t r u c t i o ns e q u e n c e ；s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n g r o c k ；n u m e r i e a ls i m u l a t i o n ；n a t m ；m i d a s g t s i v 摘 要i a b s t r a c t i i i 目习乏v c o n t e n t s v i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 3 本文主要内容5 第二章围岩强度与稳定性的讨论7 2 1 概述7 2 2 围岩的本构关系与强度理论7 于 2 2 1 围岩材料的屈服准则7 2 2 2 围岩材料的加工硬化定律9 2 2 3 围岩材料的弹塑性本构理论1 3 2 3 围岩稳定性的有关问题1 5 2 3 1 围岩稳定影响因素1 5 2 3 2 围岩稳定分析方法1 8 2 4 本章小结一2 0 第三章新奥法与小净距隧道围岩的稳定2 l 3 1 概述21 3 2 新奥法基本原理2 l 3 3 新奥法施工基本要点2 2 3 3 1 喷射混凝土2 3 3 3 2 锚杆加固2 4 3 3 3 监控量测2 5 3 4 小净距隧道围岩稳定的控制3 1 v 广东工业大学硕士学位论文 3 4 1 中夹岩柱水平位移与应力3 2 3 4 2 地表与拱顶沉降3 2 3 5 本章小结3 2 第四章施工顺序对围岩稳定影响二维数值研究3 3 4 1m i d a s g t s 简介3 3 4 1 1 接触单元的设置3 3 4 1 2 收敛标准3 4 4 1 3 施工开挖模拟3 5 4 2 工程背景3 7 4 2 1 工程概况3 7 4 2 2 工程地质条件3 7 4 2 3 水文地质条件3 9 4 2 4 隧道支护设计4 0 4 3 模型的建立4 0 4 3 1 模型尺寸及边界条件4 l 4 3 2 模型计算参数4 l 4 3 3 施工顺序模拟4 2 4 3 4 模型网格划分4 4 4 4 结果分析与讨论4 4 4 4 1 竖向位移分析4 4 4 4 2 水平位移分析5 2 4 4 3 应力分析6 l 4 5 本章小结6 8 第五章施工顺序对围岩稳定影响三维数值研究6 9 5 1 三维模型建立6 9 5 1 1 模型尺寸及边界条件。6 9 5 1 2 模型计算参数7 0 5 1 3 模型网格划分7 1 5 1 4 施工顺序模拟7 l 5 2 结果分析与讨论7 4 v i 结论 参考 攻读 独创 致 v 2 3 1r o c ks t a b i l i t yf a c t o r s 1 6 2 3 2a n a l y s i sm e t h o d so f r o c ks t a b i l i t y 1 9 2 4c o n c l u s i o n 2 0 c h a p t e r 3n a t ma n ds t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ko nn e i g h b o r h o o dt u n n e l 2 1 3 1r e v i e w 2 1 3 2b a s i ct h e o r yo f n a t m ：2 l 3 3c o n s t r u c t i o np o i n t so f n a t m 2 2 3 3 1s h o t c r e t e 2 3 3 3 2b o l tr e i n f o r c e m e n t 2 4 3 3 3m o n i t o r i n g 2 5 3 4c o n t r o lo fs u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yo nn e i g h b o r h o o dt u n n e l 31 3 4 1h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s o fo fr o c kb l o c ki nt h ef o l d e r 3 2 3 4 2s e t t l e m e n to f s u r f a c ea n dc r o w n 3 2 v l c o n t e n t s 3 5c o n c l u s i o n 3 ：! c h a p t e r4t w o - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls t u d yo fc o n s t r u c t i o ns e q u e n c eo n r o c k s t a b i l i t y 3 3 4 1i n t r o d u c t i o no fm i d a s g t s 3 3 4 1 1c o n t a c te l e m e n to f t h es e t 3 3 4 1 2c o n v e r g e n c ec r i t e r i a 3 4 4 1 3s i m u l a t i o no f e x c a v a t i o n 3 5 4 2b a c k g r o u n do ft h ep r o j e c t ：；7 4 2 1o v e r v i e wo f t h ep r o j e c t 3 7 4 2 2p r o j e c tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s 3 7 4 2 3h y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s 3 9 4 2 4d e s i g no f t u n n e is u p p o r t 4 0 4 3e s t a b l i s h m e n to f t h em o d e l 4 0 4 3 1s i z ea n db o u n d a r yc o n d i t i o n so f t h em o d e l 4 1 4 3 2p a r a m e t e r so f t h em o d e l 4 1 4 3 3s i m u l a t i o no f c o n s t r u c t i o ns e q u e n c e 4 2 4 3 4m o d e lm e s h i n g 4 4 4 4a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ft h er e s u l t s 一4 4 4 4 1a n a l y s i so ft h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n t 4 4 4 4 2a n a l y s i so ft h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t 5 2 4 4 3a n a l y s i so ft h es t r e s s 6 1 4 5c o n c l u s i o n 6 8 c h a p t e r5t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls t u d yo fc o n s t r u c t i o ns e q u e n c e0 1 1r o c k s t a b i l i t y 6 9 5 1e s t a b l i s h m e n to f t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l 6 9 5 1 1s i z ea n db o u n d a r yc o n d i t i o n so f t h em o d e l 6 9 5 1 2p a r a m e t e r so f t h em o d e l 7 0 ! ；1 3m o d e lm e s h i n g 7 1 5 1 4s i m u l a t i o no f c o n s t r u c t i o ns e q u e n c e 7 1 5 2a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ft h er e s u l t s 7 4 i x x 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着我国公路交通事业的飞速发展，公路等级与规模不断提高，对公 路隧道工程在质量上和难度上提出了更高的要求。由于特殊地质及地形条件、线桥 隧衔接方式、总体路线线型和工程造价等原因的限制，规范规定的双洞隧道左右线 间距已不能满足现实的需要，而必须采用小净距隧道等特殊结构型式i i 2 】。所谓小净 距隧道，是指隧道间的中夹岩柱厚度小于规范建议值【3 l ，净距一般小于1 5 倍洞径的 隧道。 近年来已有多座公路隧道采用小净距隧道的结构形式【4 l ，如招宝山隧道( 隧道 净距3 5 0 m ) 、董家山隧道( 隧道净距3 7 5 m ) 、金期山隧道( 隧道净距5 0 8 m ) 、里 洋隧道( 隧道净距5 8 6 m ) 、丰泽街隧道( 隧道净距6 4 4 m ) 。 这些隧道的成功建造为我国小净距公路隧道的设计和施工积累了初步的经验。但 小净距隧道设计、施工中仍有较多关键技术未能解决，譬如对小净距隧道围岩稳定 性的安全评估就是一个难题。隧道丧失稳定性的原因非常复杂，其影响因素众多。工 程地质条件、水文地质条件、施工方法和开挖顺序等对隧道围岩稳定有极大的影响。 从力学观点来看，是由于围岩的应力水平达到或超过岩体的强度范围较大，形成了 一个连续贯通的塑性区和滑动面，产生较大位移最终导致失稳f 5 】。因此隧道围岩稳 定性研究的实质是分析和评价围岩岩体介质的应力和变形1 6 1 。 由于岩石的非线性变形力学特性，不同的加、卸载( 施工顺序) 顺序将会产生 不同的围岩变形结果。可见，施工顺序对围岩稳定的影响十分显著。目前，有一些 学者对这方面进行了相关研究。但是，有关施工顺序对极其复杂的小净距大跨度超 浅埋隧道稳定的影响这方面的研究尚不多见。 鉴于上述情况，本文在探讨围岩强度理论和小净距隧道稳定性控制问题后，以 麒麟山隧道工程项目为研究背景，采用数值模拟的手段，研究施工顺序对围岩稳定 性的影响。分析不同施工顺序下的围岩变形力学特性，为类似隧道的设计、施工提 供理论支持和技术依据。 广东工业大学硕士学位论文 修建技术比较发达的国家，从7 0 年代就开始了小净距隧道 8 0 年代初发表了关于平行隧道研究的报告，认为平行 隧道的中心距在可以把地层看作完全弹性体时，约为开挖宽度的两倍，而在粘土等 软地层中，则为开挖宽度的5 倍，并且规定平行公路隧道的中心距为米约为开挖宽度 的3 倍，国铁单线隧道的标准净距是2 0 m 【 】。 杉本兴隆 7 1 运用能量理论对平行双洞隧道进行稳定分析后认为：当隧道间距小 于1 7 b 时，必须将其作为双洞近距离隧道来讨论稳定性，且其围岩的稳定性由侧压 系数比、间距、结构系数、锚杆系数、围岩及喷射混凝土的泊松比等参数和所采用 的屈服条件内所含的参数来确定。 川田等结合田真新镇干线公路上的尾山大理隧道对小净距隧道设计、开挖方式 进行了系统研究0 0 1 ；h i r o s h ik u r i y a m a 等人结合福岗市地铁3 号线对岩柱加固方法、监控 量测进行了研究，并进行了三维数值模拟分析 i l l 。今田辙等对硬岩中小净距隧道的 断面型式、施工措施和爆破控制进行了研究，并提出了标准断面和爆破控制标准利 用平面应变和三维有限元【1 2 1 ；s o l i m e 对小净距隧道进行了开挖模拟；k w l o 等做了 多个隧道相互影响的现场量测f 1 3 l 。 j g h a b o u s s i 和r e r a n k e n 通过大量的有限元计算，研究了两平行相邻隧道的力 学行为，讨论了两管隧道周围的应力分布，尤其是两隧道中间岩柱体中的应力，隧 道位移、衬砌内力以及地表位移。分析中考虑的重要参数包括：两洞室间隔的岩柱 体宽度、隧道的埋深、支护条件、两管隧道开挖顺序以及在某种程度上两隧道周围 介质塑性屈服的影响。分析结果表明，两平行相邻隧道的相互作用对围岩应力分布、 隧道位移以及衬砌内力的影响仅发生在中间岩柱体周围一个相对较小的区域，而且 这种相互作用的效应会随着中间岩柱体宽度的增加而减小f 1 4 】。 a m h e f n y , 5 l 等作者采用二维有限元计算程序p l a x i s 研究了新建隧道对既有隧 道衬砌应力的影响。文中对新建隧道与既有隧道的相对位置、两隧道的间距、体积 损失、埋深以及衬砌厚度各因素的影响进行了详细分析。 c w w n g v 6 j 等针对坚硬粘土中使用新奥法施工的大型平行的假设双线隧道进 2 第一章绪论 行了一系列系统的三维耦合有限元分析。文章重点考察了介于两隧道开挖掌子面的 间隔距离( l t ) 的影响以及两隧道之间的荷载转移机理。 t a d a c h i - n 等进行了一系列二维的模型试验对在砂土地基下浅埋的双线隧道行 为进行了研究。通过研究发现：对于评价多洞室施工的相互影响，隧道埋深与间距 的比率是一个很有用的参数。如果隧道埋深一样，随着两隧道间距的减小，洞室之 间的相互影响会更加显著。而另一方面，如果洞室的间距保持不变，洞室之间的相 互影响会随着隧道埋深厚度的增加而加强，尤其是作用在隧道顶部的压力。 s h k i m 舯针对小间距隧道盾构施工中的相互影响进行了研究，重点研究了村 砌短期的变化行为。作者在进行了实验室模型试验之外，通过大量的数值分析对试 验结果进行了补充。模型试验一共进行了两组，一组研究小间距平行隧道，而另一 组则研究垂直相交的隧道，薄钢管则用来模拟隧道衬砌。在模型试验中，量测主要 包括衬砌应变、孔隙水压力和作用在衬砌上的总应力。通过研究发现：近距离隧道 相互作用机理的特性取决于隧道的几何特征、衬砌属性以及超固结率。对于平行隧 道，中间岩柱的宽度比率是控制洞室相互影响程度的一个重要指标。 d u d d c c k h 2 0 捌】对在地层中两条地铁盾构隧道近接开挖进行了力学分析，探讨了 位移响应法和刚度分析法，阐明了与一个单孔隧道分析相应的、在应力与位移上相 对变化的双孔隧道解。s o l i m a n e m 等对并排密布的双孔隧道进行了二维及三维分 析，成功地用有限元对盾构以及用开挖加喷射混凝土支护掘进的双孔隧道相继先后 推进的相互影响进行了分析。 1 2 2 国内研究现状 在我国，小净距隧道尚为新型隧道结构型式，出现的时间不长。国内少数一些 学者和工程人士对有关小净距隧道施工顺序进行了研究。 朱正国等【：，】用岩土工程专用分析程序f l a c 3 d ，对铜黄高速公路汤屯段富溪浅 埋偏压连拱隧道进口段采用的施工过程进行了三维快速拉格朗日差分方法分析，比 较了先开挖浅埋侧主洞与先开挖深埋侧主洞两种开挖施工顺序，获得了浅埋偏压连 拱隧道在采用不同开挖顺序施工时各阶段隧道变形、中隔墙及支护结构的应力和位 移等变化情况，通过对比、分析现场监控量测数据，得到一些有利于工程实践的结 论。 许文锋【z 】采用数值方法对v 级围岩条件下的小净距群体隧道施工顺序进行了研 3 广东工业大学硕士学位论文 究。研究结果表明：当采用先修建辅路隧道再修建连拱隧道的顺序进行施工时，后 建连拱隧道会导致辅路隧道左右幅初期支护轴力分别增大1 4 8 ( 拱项) 和1 4 3 ( 拱 腰) ，相应位置安全系数减小1 2 5 和1 2 7 ，辅路隧道周边围岩塑性区有小范围扩 展；当采用相反的顺序进行施工后，后建辅路隧道会导致连拱隧道左右洞仰拱初期 支护轴力分别增大4 6 2 和5 5 2 ，相应位置安全系数减小3 1 7 和3 5 5 ，连拱隧道 中墙上方及两侧墙脚处围岩塑性区均有一定程度扩展。 庄宁 2 5 3 等以上海国际航运中心洋山深水港区小洋山隧道工程为背景，选择了三 种不同旌工顺序工况进行有限元数值模拟分析，对比各工况屈服度云图、最危险阶 段受影响最大的隧道衬砌上的弯矩和竖直位移的增量值。以此为准则，得出较合理 的施工顺序，并在这基础上计算了隧道不同间距对群洞隧道的影响。 蒯行成等以某傍山位置的偏压双联拱隧道为工程背景，利用有限元软件 a n s y s 模拟隧道的施工过程，给出施工过程中围岩和支护结构应力和变形的变化规 律，讨论不同施工顺序对应力和变形的影响。 朱敬民i ：，1 等采用模型实验研究双线隧道问题，提出了层状岩体中开挖洞室的围 岩扰动范围为一椭圆形区域，其水平长半轴为2 5 倍洞室跨度，垂直短半轴为1 5 倍 洞跨在复合式衬砌的支护下，洞周围岩的破坏亦属剪切破坏，破坏受变形控制，且 始于岩体抵抗变形能力最弱的部位，并非受力最不利的部位两洞空间隔墙的厚度若 大于2 3 m 时，在开挖时将不会产生相互影响等重要结论。 钟世航【：s 】等以宁波招宝山隧道为依托，进行了“并行隧道超小净距施工技术研 究”，并在i i i 、级围岩净距3 5 - 4 2 米下取得了成功，其总结的诸多参数、安全措 施对小净距隧道有重要参考价值。 张玉军( 2 9 】等对京珠国道粤境沿线近距离双线隧道开挖与支护过程，使用平面和 三维粘弹塑性有限元方法进行了数值模拟，分析对比了围岩与支护结构的受力、变 形及塑性、受拉区的演化状况，对围岩支护体系的稳定性进行了评价。 胡元芳 3 0 i 幂u 用有限元数值分析软件针对浅埋条件下，不同围岩级别、不同隧道 间距的情况，分析了双线隧道的围岩稳定性特征。得出小线间距城市双线隧道最小 净距的参考值，并对厦门仙岳山隧道进行了围岩稳定性计算。 陈先国和高波 3 h 采用a n s y s 程序对对近距离双孔平行隧道开挖相互影响因素 ( 包括围岩类别、隧道间的间距、开挖和支护方式等) 进行了分析，揭示了这类隧道 在开挖之后地表和拱顶下沉的规律。潘家铮 3 2 1 对在内水压力下两对称相邻布置的等 4 第一章绪论 尺寸圆形水工隧洞进行了应力分析，并获得了近似的应力解。 针对浅埋隧道，国内的一些学者也进行了数值仿真模拟。浙江大学的赵阳针对 一座浅埋偏压条件下的双连拱隧道，分别按三导洞先墙后拱法和中导洞法对其施工 过程进行了三维弹塑性有限元模拟分析，计算结果揭示了该条件下双连拱隧道衬砌 结构的受力和变形以及围岩的塑性区分布，并在此基础上对提高结构的稳定性提出 了建议m l 。刘广明等采用二维平面应变有限元模型对杭州市穿越城东路工程进行施 工过程模拟，分析结果得出开挖施工阶段出现的应力集中区域分布，并依此提出土 体加固方案0 4 1 。西南交通大学蒋树屏等建立浅埋偏压黄土连拱隧道平面弹塑性模型 采用有限元方法对隧道施工方案进行了数值模拟，得出对于离石隧道最佳施工方案 以及施工过程中各结构应力变化情况 3 s l 。 但是对于大跨度小净距隧道，研究并不多见。夏才初，龚建伍等基于现场监测 结果，分析了大跨度小净距隧道围岩和支护系统的变形及受力特点 3 6 1 。谢圣纲 3 7 j 通 过现场取样对大坪隧道围岩进行m t s 力学单轴及三轴实验，提出了大坪砂岩的力学 本构关系；然后利用2 d 0 数值软件对大跨度小净距隧道的稳定性及中夹岩柱的可 靠度进行研究与探讨。胡建明【，。j 结合大跨度小净距公路隧道施工监测方案和监测成 果，反演分析出围岩力学参数。然后根据反演参数，研究了围岩类别、埋深和净距 对隧道的位移场、应力场和塑性区的影响。 1 3 本文主要内容 本文以深圳麒麟山隧道工程为背景，在充分调研有关研究现状的基础上，采用 有m i d a s g t s 有限元软件分别建立二、三维模型，模拟小净距隧道在不同施工顺序 下的动态施工过程，研究其对隧道围岩稳定性的影响。主要有以下内容： ( 1 ) 论述了围岩的本构关系和强度理论，包括围岩的屈服准则、加工硬化定 律和弹塑性本构理论；讨论了围岩稳定性的影响因素，简要概括了分析围岩稳定性 的基本方法。 ( 2 ) 阐述了新奥法基本原理和施工基本要点，着重对喷射混凝土和锚杆支护 的机理、施工工艺以及监控量测的基本内容进行了较深入的探讨；讨论了小净距隧 道围岩稳定性的控制问题。 ( 3 ) 采用m i d a s g t s 有限元软件建立二维模型，对双侧壁导洞上下台阶法各 导洞的不同施工顺序进行了动态模拟，分析隧道地表沉降、围岩应力以及中夹岩柱 5 广东工业大学硕士学位论文 同一开挖工作面下的不同施工顺序其对隧道围岩稳定 立三维模型，模拟隧道在偏压状态下，采用双侧壁导 洞的先后施工顺序，以及左右隧洞掌子面错开不同距 沉降、中夹岩柱应力和水平位移等方面，讨论不同施 6 2 1 概述 第二章围岩强度与稳定性的讨论 隧道围岩是一种特定环境下具有塑性变形的复杂力学介质，其工程岩体力学性 质主要表现为非线性变形。在隧道工程的建设过程中，围岩稳定性的控制是非常关 键的环节，围岩的失稳是一个非常复杂的过程。影响围岩稳定性的因素很多，跟地 质环境和施工方法、顺序都有着密切的联系。本章主要从围岩强度与稳定性两方面 展开论述。 2 2 围岩的本构关系与强度理论 2 2 1 围岩材料的屈服准则 材料受到外界荷载作用后，随着荷载的增加，结构的应力状态由弹性过渡到塑 性的过程称为屈服。由弹性应力向塑性应力过渡的临界应力状态组成的应力空间称 为屈服面【，】。用屈服函数f 表示，在屈服面上的应力满足： f ( ) = 0 当f ( ) o ，表示结构处于塑性状态； f ( ) = 0 ，表示结构处于屈服临界状态。 ( 1 ) 摩尔一库仑( m o h r - c o u l o m b ) 屈服准则。 1 9 0 0 年，摩尔和库仑提出了摩尔一库仑准则，它的表达式如下： f = c + 吒信 ( 2 1 ) 式中： c 一材料粘聚力 甘由 盯- r = 三2r x 正- - i + 矾- - j 、+ - 丢( 吼一吒) s i n 舯： f ：拓o r , 咖c oi f = 一l一仉ls 驴 ( 2 2 ) 仑 图2 1 摩尔一库仑屈服面 f i g 2 - lm o h r - c o u l o m by i e l ds u r f a c e ( 2 ) 德鲁克一普拉格( d r u c k e r p r a g e r ) 屈服准则 德鲁克一普拉格模型的屈服准则采用广义的m i s s 屈服准则，其表达式为： f = 以一口厶一k = 0 ( 2 5 ) 式中： f 一屈服函数 一应力偏张量第二不变量 8 g - 章围岩强度与稳定性的讨论 口一系数，口：；兰堑呈翌 4 3 ( 3 - s i n ) 七一系数，k ：墼! 竺l 3 ( 3 - s i n ) c 、矽一分别为土的粘聚力和内摩擦角 广义的m i s e s 屈服准则在主应力空间中，屈服面形状为一圆锥面，在万平面为 一个圆，如图2 2 所示。 图2 2 广义m i s s 屈服面 f i g 2 - 2g e n e r a l i z e dm i s sy i e l ds u r f a c e 2 2 2 围岩材料的加工硬化定律 ( 1 ) 应变硬化材料的单轴拉压试验 下图2 3 为应变硬化材料的单轴应力一应变曲线。在达到屈服应力以前，材 料为弹性的，其弹性模量为常数e 。其后材料进入弹塑性工作阶段，其应力一应变 曲线上各点处切线斜率是变化的，以屏表示