（道路与铁道工程专业论文）灰色理论在隧道信息化施工中的应用及施工数值分析.pdf

摘要 隧道及地下工程的特点是水文地质环境复杂，不确定性因素很多，本身 就是一个灰色系统。隧道信息化施工通过在施工过程中根据实际监测情况及 时反馈信息，建立地层最终稳定时间、最终变位量等为内容的判断准则，能 有效避免施工中重大事故的发生，实现隧道工程的安全和经济目标。 本文在系统研究了灰色系统理论中的各种预测模型和关联分析方法的基 础上，针对其求解模型参数和评价方法上存在的不足和缺陷，做了一些有效 的探讨，并将其应用到工程实践中。围绕隧道信息化设计的原理、方法和使。 用技术，进行的主要研究内容如下： 1 研究了灰色关联度分析计算方法，以及适用原则，探讨了邓氏灰色关联 在应用上的不足。以灰色理论在隧道信息化施工中的应用为基础，引入灰色 系统理论中灰色关联分析法，建立围岩稳定分类的灰色模型，对围岩稳定分 类进行研究，并对隧道施工开挖方案的进行优化决策。 2 介绍了经典g m ( i ，1 ) 模型的使用条件。经典g m ( 1 ，1 ) 模型描述的是一 类具有指数递变趋势的动态线性系统。当利用g m ( 1 ，1 ) 模型进行预测时，在 预测阶段，模型系统的动态行为特征应与对象系统的动态行为特性相吻合。 g m ( 1 ，1 ) 模型只适于做短期预测。 薯 3 针对g m ( 1 ，1 ) 模型存在的问题，本文研究了d g m ( 2 ，1 ) 模型、v e r h u l s t 模 型、g m ( 1 ，1 ) 参数优化模型、d g m ( 2 ，1 ) 参数优化模型、v e r h u l s t 参数优化模型， 明显地改善了模型的误差精度。通过实例，指出灰色g m ( 1 ，1 ) 模型适合于隧道 围岩位移变形的短期预测，d g m ( 2 ，1 ) 模型和v e r h u l s t 模型要优于g m ( 1 ，1 ) 模 型，其精度较高，适合隧道围岩位移变形预测。 4 介绍了隧道信息化设计的基本原理，以及量测信息在隧道信息化施工中 的应用；从监控量测的结果来看，各量测项目均能达到收敛，围岩趋于稳定， 这说明关口垭隧道的初期支护参数是能满足实际要求，本隧道采用的分上、 下台阶的施工方法是适宜的。 5 文章以山岭隧道施工为工程背景，用f l a c 2 d 程序模拟了隧道动态开 挖过程，对比了毛洞开挖和加锚杆、喷锚支护开挖围岩的不同变化情况，分 析了锚杆和锚喷支护对软弱围岩的加固机理和作用。数值模拟结果与实际量 测结果对比，比较吻合，说明采用的隧道支护方案的可行性是满足的。 关键词隧道工程，信息化施工，灰色理论，监控量测，有限元计算 a b s t r a c t t u n e la n du n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gi sag r e ys y s t e mb yt h e m s e l v e sd u et ot h e c o m p l i c a t e dh y d r o g e o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dm a n yu n c e r t a i nf a c t o r s i n f o r m a t i o n c o n s t r u c t i o nc o u l df e e d b a c ki n f o r m a t i o nt i m e l yb a s e do nt h ep r a c t i c a lm o n i t o r i n g c o n d i t i o nd u r i n gc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，b u i l d i n gt h ej u d g m e n tr u l eo fg r o u n di n u l t i m a t es t a b i l i z a t i o nt i m e ，u l t i m a t ed i s t o r t i o na n ds oo n ，i tc o u l da v o i dm a g n i t u d e a c c i d e n ta v a i l a b i l i t y , a c h i e v i n gt h es a f e t ya n de c o n o m i co ft u n n e le n g i n e e r i n g t h e r ee x i s ts o m es h o r t c o m i n g so nt h em o d e lp a r a m e t e r sa n di t sm e t h o d so f e v a l u a t i o ni nt h et r a d i t i o n a ls t u d yo f g r e ys y s t e m b a s e do nt h es y s t e m a t i cs t u d yo f t h ev a r i o u st h e o r e t i c a lp r e d i c t i o nm o d e l so fg r e ys y s t e ma n dc o l l r e l m i o na n a l y s i s m e t h o d s ，t h ea u t h o ri nt h i sp a p e r , a t t e m p t st om a k es o m ee f f e c t i v ed i s c u s s i o n st o t h i sm o d e la n de v a l u a t i n gm e t h o d s ，a n dt r i e st oa p p l i c a t et h e s ei m p r o v e m e n t st o e n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h et u n n e ld e s i g n i n gp r i n c i p l e s ，m e t h o d s ，t h ea p p l i c a t i n g t e c h n o l o g i e s ，a n dt h em a i n r e s e a r c hi nt h i sp a p e ra r em e n t i o n e da sf o l l o w ： 1 t h i sp a p e rs t u d i e dg r e yc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，c a l c u l a t i o nm e t h o d s ，a n dt h e a p p l i c a b l ep r i n c i p l e so nt h et a n g sg r e yc o r r e l a t i o nd e f i c i e n c i e si nt h ea p p l i c a t i o n b a s e do nt h eg r e yt h e o r yu s e di nt h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n ，g r e yc o e l a t i o n a n a l y s i sm e t h o dh a sb e e nl e di n t o g r e ys y s t e mt h e o r yo fac l a s s i f i c a t i o no fg r a y r o c kh a sb e e ne a t a b l i s h e da n dp u ti n t o s t u d y , t h u so p t i m i z i n gt h et u n n e l c o n s t r u c t i o np r o g r a m 2 p r e s e n t i n gt h es u i t a b l ec o n d i t i o n so f t h ec l a s s i c a lg m ( 1 ，1 ) m o d e l ：t h e c l a s s i c a lg m ( 1 ，1 ) d e s c r i p e dt h e d y n a m i c l i n e a r s y s t e m ，w i t h at r e n do f e x p o n e n t i a ld e c a yo ri n c r e a s e ( g ) d u r i n gt h ef o r e c a s tp e r i o d ，w h e np u tt h eg m ( 1 ，1 ) i n t op r e d i c t ，t h ed y n a m i cb e h a v i o ro fm o d e ls y s t e ms h o u l dm a t c hw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fo b j e c tb e h a v i o ro ft h ed y n a m i c g m ( 1 ，1 ) m o d e l ，i sa v a i l a b l e o n l yf o rs h o r t - t e r mf o r e c a s t s 3 a i ma tt h ep r o b l e m si ng m ( 1 ，1 ) m o d e l ，i nt h i sp a p e r , d g m ( 2 ，1 ) m o d e l ， v e r h u l s tm o d e lg m ( 1 ，1 ) m o d e lp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，d g m ( 2 ，1 ) m o d e l p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，a n dv e r h u l s tp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nm o d e lh a v eb e e n s t u d i e d ，s i g n i f i c a n t l yi m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo ft h em o d e le r r o r e x a m p l e s m e n t i o n e dh e r eh a v es h o w e dt h a tg m ( 1 ，1 ) m o d e lf i tt h es h o r t t e r mf o r e c a s t st o t h ed i s p l a c e m e n ti nt h et u n n e lr o c k ；d g m ( 2 ，1 ) m o d e la n dv e r h u l s tm o d e la r e s u p e r i o rt og m ( 1 ，1 ) m o d e l ，b e c a u s eo ft h eh i g h e rp r e c i s i o ne r r o rf o rd i s p l a c e m e n t i l o ft h et u n n e lr o c kd e f o r m a t i o na n dt h em o r es u i t a b l et ot h a tf o r e c a s t 4 t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h ei n f o r m a t i o nd e s i g na n dt h ea p p l i c a t i o no ft h e m e a s u r a t i o ni n f o r m a t i o no nt h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nw e r ei n t r o d u c e d f r o m t h em o n i t o r i n go u t c o m e ，t h em e a s u r e m e n tc a nr e a c ht h ec o n v e r g e n c ep r o je c t ，r o c k c a nr e m a i ns t a b i l i z i n g ，w h i c hp r o v e dt h a tt h ei n i t i a ls u p p o r tp a r a m e t e r so nt h e c r o s s i n gt u n e lm e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s ，a n dt h et o pa n db o a o mb e n c h i n g t u n n e l i n gi sa p p r o p r i a t e 5 i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o ri m i t a t e st h et u n n e ld y n a m i ce x c a v a t i o np r o c e s s u s i n gf l a c 2 db a s e do nt h ec o n s t r u c t i o no fm o u n t a i nt u n n e l ；c o m p a r e st h e d i f f e r e n tc h a n g e si nt h ee x c a v a t i o no fr o c kt h r o u g hd i f f e r e n tw a y s ：t h eg r o s s e x c a v a t i o na n dt h ee x c a v a t i o no fr o c kw i t hs h o t c r e t e - b o l ts u p p o s i n g ；a n a l y s i s e s t h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mt ot h es o f tr o c kw i t hs h o t c r e t e b o l ts u p p o r t i n g ；a n d a n a l y s i s e st h es t a b i l i t yo ft h et u n n e l a sw e l l t h ec o i n c i d e n c eb e t w e e nn u m e r - i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ea c t u a lm e a s u r e m e n tr e s u l t sp r o v e dt h es u p p o r t i n gt h e f e a s i b i l i t yo f t h es u p p o s i n gp r o g r a m m e u s e d k e yw o r d st u n n e le n g i n e e r i g ，i n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n ，g r e yt h e o r y , m o n i t o r i n ga n dm e a s u r e m e n t ，f e m i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特另l j j n 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，也不包含为获得中南大学或 其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作 的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：煎! 塾日期：j 蟹l 年上月生日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩 印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 盟! 塾导师签名趔日期：旦年月堡日 硕上学位论文第一章绪论 1 1 研究的背景、目的和意义 1 1 1 研究的背景 第一章绪论 随着我国高速公路建设迅猛发展，公路隧道工程量猛增。在隧道施工中，新奥法已经 成为公路、铁路隧道修筑的最主要方法。目前，新奥法的设计工作是在基础理论和设计理 论的定性成果指导下，参考已建工程的设计参数进行初选设计后，再通过施工过程对围岩 的量测来完善设计，并从现场量测获得反映围岩状态的变化量，通过力学计算反推围岩的 各项物理和力学参数川。公路隧道作为一种工程结构物，处于复杂且变化着的岩体中，其 受力是不确定的，受力状态是不断变化的，量测工作作为监视围岩和支护结构是否安全稳 定的手段，它始终伴随着施工的全过程，是新奥法构筑隧道非常重要的一环。新奥法提出 了与传统方法完全不同的新概念和新观点，指导了喷锚支护的设计和施工，指导着构筑隧 道的全过程。 传统的隧道工程建设方法是地质勘察为设计提供资料，设计仅为施工提供设计结果， 不参与施工过程，造成工程地质勘察、设计与施工脱节，其结果是出现工程事故、工程质 量问题以及工程造价的提高瞄1 。 新奥法原理的初步设计，一般采用工程类比法，但在隧道建设中，由于围岩自身属性 及其受力状态的复杂性，由工程类比法确定的初步设计拟选的支护参数往往带有一定的盲 目性，不一定能适应复杂地质条件，这就使得原设计与实际情况不符，是要么出现工程质 量问题或工程事故，要么不经济。 现代理论和方法认为，隧道工程建设中，应该在施工前、后及过程中不断注意地质条 件与施工状况信息的收集，及时地反馈到设计并指导施工，达到工程建设优化的目的，由 此引入了信息化设计与施工理论和方法。在施工过程中，利用初步勘察得到地质资料，采 取数值模拟技术、理论计算和经验类比方法确定初步设计方案，通过施工现场监测获得地 质资料、围岩力学动态、支护工作状态的有关数据以及施工技术状态( 信息) ，再采取多种 手段对这些数据进行整理与力学分析，来判断围岩及支护结构体系的稳定性和工作状态， 反馈于设计与施工，从而选择和修正开挖、支护参数，使隧道的建设达到优化。采用信息 化设计与施工能较好的解决传统建设方法和新奥法带来的问题。 随着隧道工程的理论和方法不断进步，在工程建设中人们逐渐认识到：工程地质勘察、 设计和施工形成系统化、信息化一体的思想非常重要。 灰色系统理论是邓聚龙教授于1 9 8 2 年创立的一门新兴的横断科学，它以“部分信息 已知，部分信息未知”的“小样本 、“贫信息”不确定系统为研究对象，主要对“部分” 已知信息的生成、开发去了解现实世界，实现对系统运行行为和演化规律的正确把握和描 1 硕十学位论文 第一章绪论 述。贫信息不确定系统的普遍存在，决定了该理论具有十分广阔的应用和发展前景u 1 。目 前，灰色系统理论不仅在理论上发展迅速，日臻完善，而且在社会科学、自然科学的许多 领域的应用取得了很多成果。 隧道围岩支护系统是一个复杂的开发巨系统，其内在的变形破坏机理还很不明确，力 学行为十分复杂，整个系统的受力状态和围岩的力学性态还不很清楚，但是隧道的几何形 状、尺寸又是已知的，而且可以通过监测获得围岩的围岩信息，所以，可以将隧道围岩 支护系统看作灰色系统。 1 1 2 研究目的与意义 1 根据隧道信息化设计与施工的思想，隧道围岩分类、施工方案的优化决策、隧道围岩 最终位移的预测是三个重要的环节。 隧道围岩分类是隧道稳定性评价的基础，也是正确指导设计、合理制定施工方案的重 要保证，更是隧道工程投资预算的主要依据。目前，国内外提出了多种隧道围岩分类方案， 不同的分类方案侧重点不同，适用的地质条件也有特殊的限制。近年来，模糊数学理论、 神经网络技术、灰色系统理论的应用，使得围岩分类更趋于科学化、合理化。就模糊理论 而言，存在着隶属度、权重难以确定，不同评判模型评判结果不一等缺陷。而神经网络技 术也有要求选择合理的影响因素，并且要有足够多的样本的缺点，应用起来不方便。 隧道是处于复杂地质条件下的建筑工程，洞室开挖中围岩所发生物理、力学效应取决 于围岩特性、围岩地质状态和人为开挖操作方式等。不同的开挖方式将获得不同围岩稳定 效果。目前，隧道施工开挖方法是多种多样的，各有优点和缺点。而优点和缺点不仅有定 量因素，如开挖成本，还有定性因素，如施工难易、施工质量控制难易等。如何综合考虑 定性与定量因素进行开挖决策，是施工过程中首要解决的任务。传统的经验或工程类比的 方法很难全面考虑优化决策中所涉及的诸多因素。 隧道工程的稳定性分析及位移预测是监控设计与施工的重要环节，也是支护参数设计 和优化的基础。它包括最终位移量的确定和位移动态趋势的预测。隧道开挖后发生的失稳 事故一般是围岩位移没有限制或控制不当的必然结果。近年来，随着国家交通基本建设设 施投入的加大，长大隧道( 群) 在山岭重丘的地区不断涌现，并成为山岭地区公路建设的咽 喉工程。这些隧道工程建设的重点和难点往往是软弱围岩的问题，若处理不当会造成事故 和浪费，延误工期甚至使工程报废。因此，如何准确预测围岩位移及其发展趋势是极为重 要的课题。 当前常用的围岩位移预测模型有：回归分析模型、数据平滑处理、时间序列模型、灰 色理论模型、人工神经元网络模型等。回归模型的优点是模型简单，参数容易确定，易为工 程技术人员掌握，但回归预测模型所需原始数据较多，计算量大，新老数据等同对待，只 注重过去数据的拟合，不注重外推，致使有预测难度大等缺点；时间序列模型、数据平滑 模型本质上仍然属于回归分析范畴，都是用确定的模型( 函数) 来表达变量问的关系；人工 2 硕r 上学位论文第一章绪论 神经元网络可以很好地模拟非线性关系，预测值较准确，但面临着精度受样本数影响较大 的问题；灰色模型具有所需原始数据较少的优点，其预测值中近期精度较高，但远期预测 有失真的趋势，难以用来进行长期预测，而且传统灰色预测模型需采用等时距原始数据， 这更限制了在工程实际上的应用。 在灰色模型预测中，应用最广泛的是灰色g m ( 1 ，1 ) 模型。由于创建g m ( 1 ，1 ) 模型时， 引入了等时距概念，因而使用g m ( 1 ，1 ) 模型的前提条件是建模序列必须满足等时距( 或等间 距) 的要求川。在岩土工程领域，往往存在非等间距的监测时序问题。曾有学者将非等间距 序列先作等问距处理后再使用g m ( 1 ，1 ) 模型，处理结果往往表现出较大的近似性；或从 g m ( 1 ，1 ) 模型建模原理出发，直接采用非等间距序列建立非等间距g m ( 1 ，1 ) 模型晡1 ，虽然精 度较高，但计算复杂。 1 2 隧道工程的特点 隧道工程设计和施工面向的对象是岩土体，岩土体的工程性质不同于其他工程材料， 其工程地质环境也不同于其他工程，这导致隧道工程具有不同于一般地面工程的特点和规 律，认识这些特点和规律是隧道工程学科设计、合理施工的基础。 1 2 1 隧道工程支护结构的构成特点 隧道工程结构由人工衬砌和天然围岩共同构成，而且围岩是主要承载结构，这与地面 工程结构概念不同，地面工程结构是指人工构筑的承载结构。 围岩具有自承能力，其自承能力来源于围岩自身强度。隧道开挖后，在岩土体中形成 新的空间即形成了临空面，导致隧道周边岩土体失去原有的支撑，径向应力降低，围岩向 隧道内移动，产生相互挤压，切向应力升高，局部可能出现拉应力，围岩应力状态趋于恶 化。但围岩自身强度如果高于二次应力，围岩是能够稳定的，因此围岩的自承能力大小取 决于围岩的强度的高低。此处的围岩强度不是指围岩中岩石块体的强度，而是包含了结构 面分布与性质、岩石块体( 结构体) 强度和工程影响等多因素的综合指标。隧道工程中不 支护而长期稳定的例子证明了围岩的自承能力，我国的西北窑洞即是一个生动的例证。 如果围岩强度低于二次应力，围岩就会进入塑性变形阶段，从而形成塑性区，这种隧 道工程中就必须施加人工支护。目前人工支护多为两次施加，在此方面也不同于地面工程， 地面工程结构一般是一次构筑完成。隧道工程的初期支护多为锚喷支护等，二次支护则为 衬砌结构。 人工支护结构( 锚喷支护等与衬砌) 的作用在于保护围岩，不使围岩发生过大变形而 导致强度大幅度地降低，促使围岩成为主要的承载结构，因此人工支护结构主要作用不在 于承载，而在保护围岩，使得围岩不致发生过大的变形。以此支护观点为依据，现代设计 思想从衬砌结构设计转化为围岩的设计，将围岩和人工支护结构视为一体，研究围岩和支 3 硕士学位论文第一章绪论 护结构的相互作用，采用现代岩体力学方法设计支护结构，这种模式成为地层一结构模式。 与上述支护观点不同，传统支护观点认为围岩只形成对支护结构的荷载，而没有认识 到围岩的自承作用。与此支护观点一致，传统设计思想只将人工支护结构一衬砌视为承载结 构，支护结构与围岩被分割开来，被动地承受围岩压力，用传统的结构力学方法设计支护 结构，即结构荷载模式。在考虑了围岩抗力后，结构荷载模式在一定程度上也体现了支 护结构与围岩问的相互作用，目前常用于二次衬砌的设计。 1 2 2 围岩压力类型的转化 新奥法认为围岩压力类型可以转化，即形变压力可以转化为松动压力，反之亦然。支 护结构对围岩位移起到约束作用，形成对围岩的支护力，其反作用则是围岩作用于支护结 构上的压力，称为形变压力。如果支护强度不足，围岩位移过大进入松弛变形阶段，则形 成了松动压力。如图1 1 是围岩特征曲线，下降段表示形变压力，上升段表示松动压力。 p 0 杠j 址4 盐一 i l l 一 图1 1 围岩特征曲线图 松动压力的实质是部分围岩脱离母体后作用于支护结构上的重力。围岩中常分布着大 量的结构面，结构面剪切强度远低于岩石块体强度，且不能承受拉伸作用，受此影响，岩 体力学性质往往表现为各向异性，在特定方向上的强度远低于岩石块体强度。当结构面与 隧道临空面形成不利组合时，失去支撑的围岩块体脱离母体，其重力作用于支护结构上形 成松弛压力。如果采用强预支护方法或隧道开挖后能够及时施加合理支护，结构面得到强 化，岩体强度得到提高，岩石块体不再脱离母体，松动压力则可以转化为形变压力。如图 1 2 中，围岩块体若不支护及时，会依次发生冒落，从而形成松动压力，施加锚喷支护后 控制了块体的冒落，松动压力可转化为形变压力。 1 2 3 围岩结构类型与工程尺寸 隧道围岩内存在着大量的层理、节理、裂隙等各种结构面。结构面的结构体在岩石内 的排列组合方式称为岩体结构。岩体结构不同时，岩体变形性质、强度性质和破坏机理有 4 硕士学位论文第一章绪论 本质的区别，岩体变形主要是结构变形，岩体破坏往往是结构失稳，岩体结构是岩体力学 性质的主导因素。选择支护型式和支护参数必须首先对其结构类型有一个正确认识，建立 符合工程实际的计算模型，然后再进行分析计算，这样的计算结果才有工程意义和应用价 值，否则就是无的放矢。工程中量测的隧道围岩抗压、抗拉强度往往是结构体( 岩石块体) 的强度，是岩体性质的一个方面，由于结构面的存在，岩体的性质与结构体相差太大，这 不仅是强度高与低量值上的不同，更是两者破坏形式、破坏机理和规模上的不同。对围岩 的结构类型模型认识不清，支护型式和参数的选择必然是盲目的，大量的工程实践表明， 隧道工程事故多与围岩的认识不清楚有密切的关系。 二 整体结构 三至 层状结构 匿三至 块裂结构 匡羽碎裂结构 圜貅结构 图1 2 锚喷支护块状围岩松动压力向形变压力转化 图1 3 岩体结构与隧道尺度关系 在岩体结构力学理论中，岩体结构可以划分为整体结构、块裂结构、碎裂结构、层状 ( 板裂) 结构、散体结构五大类。岩体结构类型划分与工程类型及工程规模尺寸有关，研 究围岩结构必须考虑工程的尺寸。如图1 3 是被两组正交结构面切割的岩体，在其开挖l 、 2 、3 、4 、5 号隧道，由图可见随着隧道规模不断变化，围岩结构类型相应发生变化。开挖 l 号隧道，围岩结构为整体结构，开挖2 、3 、4 、5 号隧道，围岩结构应划为层状结构、块 裂结构、碎裂结构、散体结构。认识到这一点对于研究大跨度隧道的围岩稳定和设计支护 参数有重要意义w 。 + 辱 1 2 4 隧道设计与施工一体化 隧道设计与施工一体化是隧道工程的特点，应以新奥法为指导进行支护设计和施工。 新奥法的理论核心是充分发挥围岩的自承能力，隧道设计与施工两个环节都要围绕这个核 心来进行，并统筹考虑，把隧道设计和施工视为一个系统工程，因此隧道设计应成为系统 设计。 隧道的预设计工作包含选择施工方法与施工顺序、现场监控与量测设计等内容。在施 工期间要调查工程地质、量测隧道围岩位移和支护结构受力等重要的围岩稳定信息，依据 这些信息可以对预设计的内容进行修改，包括喷锚支护等参数、衬砌结构参数、防排水措 施等，也可以对施工方案进行修改，如断面开挖顺序、台阶长度、支护实施时间等。 5 硕上学位论文第一章绪论 1 3 隧道信息化施工概述4 随着我国高速公路建设的蓬勃发展，近年来山岭公路隧道的修建也呈现不断上升的趋 势。而隧道工程所处地质条件复杂多变，尤其是为了适应我国经济发展的战略布局，越来 越多的隧道必须经由不良地质地带通过，以传统的经验类比法对隧道进行设计时，经常出 现要么支护强度过低造成安全事故，要么是结构过于安全造成很大的经济浪费问题。如 何确定合理的支护参数，成为了目前隧道科学化设计和施工的一个重要问题。结合现场量 测技术、计算机技术以及沿途力学理论发展起来的信息化动态设计方法，能够很大程度的 解决以上问题，所以越来越受到工程界的重视，信息化动态设计也因此在铁道隧道、公路 隧道和军事地下工程领域得到了广泛应用u 。 1 3 1 隧道工程信息化施工方法 隧道工程信息化施工方法是在隧道施工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，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 的支护参数瞪，实质上是通过施工前( 地质勘察) 和施工过程中( 超前地质预报、围岩一 支护体系的变形及结构受力的量测) 的大量信息来指导施工，以期获得最优地下结构物的 一种方法q 。这种方法早期叫做信息反馈设计法，或称信息化设计与施工方法。日本把 这种方法叫做情报化施工，也有的叫“o b s e r v a t i o n a lm e t h o d ”“。 2 0 世纪6 0 年代兴起了新奥法。新奥法以尽可能不要恶化围岩的应力分布为前提，依 靠由多种途径获得的信息对隧道洞室开挖后围岩的动态进行监控和预测，通过合理调整支 护时机与支护措施来控制围岩变形，进而最大限度地发挥围岩本身自承能力，从而达到经 济、安全的目的。7 0 年代以来，国内对这类技术逐渐重视，并开始在工程实践中推广应用。 新奥法成功的三大支柱是“喷射混凝土技术、锚杆支护技术和现场量测技术 u “，其核心 为现场量测及其准确的信息解释和及时反馈。由于位移及洞周收敛是新奥法施工过程中最 直接、最容易获得的量测信息，而它也主要表征围岩的稳定和隧道变形。因此，人们开始 研究用位移量测信息来确定合理的支护结构形式与支护时机的收敛约束理论。新奥法不是 一种纯粹的理论，也不是一种施工方法，本质上是一种集设计与施工为一体的信息化方法。 由于隧道工程地质条件的复杂，以及受经济、技术、时间等条件的限制，使得人们对 其定量信息的获取是非常有限的；同时沿着隧道轴线方向任意断面的地质、力学、几何信 息量是不计其数的，这就使得隧道工程围岩一支护系统的稳定性是一个非常复杂的问题。 在实际工程中，对每个围岩类别段中选取代表性好的典型断面、在每个典型的量测断面中 选取几个代表性的测点采集围岩变形及受力变形等信息，通过这些信息来指导施工。 隧道工程的特殊性决定了其在设计施工中，勘察、设计和施工等诸多环节允许有交叉、 反复，在此基础上形成了采取与隧道施工过程中的地质条件、力学动态等不断变化相适应 6 硕上学位论文第一章绪论 的“动态施工 u 引。隧道工程中的信息化方法是一种连续的、管理的、整合的设计、施工 控制、监控及反馈过程，它恰当地把设计修正纳入了施工中和施工后，从而实现了安全、 经济的目标。信息化施工在隧道“动态施工 中主要为了实现以下目的。 ( 1 ) 掌握围岩动态和支护结构的工作状态； ( 2 ) 利用量测结果修改设计、指导施工； ( 3 ) 预见事故险情，以便及时采取措施，防患于未然； ( 4 ) 为确保隧道安全提供可靠信息，为二次衬砌提供合理的支护时机。 1 3 2 隧道工程信息化施工的特点 隧道施工监测和信息化设计流程图如图1 4 ，以施工监测、力学计算以及经验方法相 结合为特点，建立了地下隧道特有的设计施工程序。 图1 - 4 信息设计及施工流程 隧道工程的信息化施工，首先是根据施工前的信息( 主要是地质勘察) 进行预设计， 然后付诸施工，同时进行施工监测并依据信息来修改预设计，再施工、再量测，直到形成 一个长期稳定的洞室结构体系。由此可见，信息设计方法与过去或当前采取的一般设计方 法，有了很大的区别。它不仅仅包括施工前的设计，还包括施工过程中的设计。即把过去 截然分开的施工和设计两个阶段融合为一体，构成了一个完整的设计过程。 隧道工程建设安全和经济，要求实现隧道围岩的综合性快速分析与支护效果超前预 报。隧道工程的信息设计和施工是以施工中获取的信息( 主要是量测信息) 、力学计算以 及经验方法相结合为特点，建立了隧道特有的设计施工工序。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 据量测所获得的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 7 硕十学位论文第一章绪论 方法不排斥以往的各种计算、模型实验及经验类比等设计法，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处1 。 反馈方法目前有两种：一种是经验方法，就是将洞周位移量测结果( 或经某种统计处 理) ，与以往工程类比法建立的判别准则，直接作比较，藉以确认或调整支护参数与施工 措施的方法，这种方法回避了围岩中种种复杂的因素，而把它变为最简单的信息，再用概 率、统计分析的方法推求围岩和结构物的安全状态等；二是力学方法，即利用开挖洞室测 得的围岩位移，反推岩体的初始地应力和岩体变形性质等宏观参数，并用以作为输入信息 对该隧道断面作围岩稳定性分析，从而获得是否有必要修正支护参数与施工方法的输出信 息，这种反馈方法又称为反分析法，这是从确定性的立场出发，利用量测结果修正主要参 数，即反分析出与观测结果一致的设计参数，再把它用于以后的计算中的力学方法拶“。 1 3 3 隧道工程信息化施工的历史及国内外现状 “信息化方法”起源于二十世纪四十年代晚期，随着当时“现代”土力学理论的进展， 发展了一种集预测、监控、评价和修正为一体的设计方法。 自上世纪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、在施工过程中密切监控围岩变形和应力等，通过调整支护措施来控制变形， 达到最大限度地发挥围岩本身自承能力的新奥法( n a t m ，n e wa u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ) 隧道施工技术得以发展。新奥法是奥地利拉布西维兹( l v r a b c e w i c z ) 教授等在长期从事 隧道施工实践中，从岩石力学的观点出发而提出来的一种合理的施工方式，是采用锚喷技 术、施工测试等，并与岩石力学理论构成的一个体系而形成一种新的工程施工方法u a “。 从二十世纪七十年代起，随着计算机技术的大力发展，涌现了很多学者对岩土计算理 论尤其是岩土工程反演理论的研究并取得了较多的成果。国外如日本的樱井 ( s s a k u r a i ) 提出了位移一应变反馈确定初始地应力与地层弹性参数值的有限单元法、结 合工程实践提出了确定围岩极限张应变值的原理和方法，以及评估隧道稳定性的方法和标 准( h a z a r dw a r n i n gl e v e l ) 列一、大冢正幸在提出的位移预报法中涉及了初始地应力 的反演确定，对圆形洞室的粘弹性问题提出了解析法口“、美国学者古德曼( r e g o o d m a n ) 在7 0 年代出版的岩石力学专著中已提到可依据位移量反算初始地应力瞄“。意大利学者 ( g g i o d a ) 提出了可同时确定初始地应力和地层特性参数的优化反演分析理论瞄。国内长 科院发表的方法是根据圆形洞室的洞周位移进行平面应变问题初始应力反分析计算的复 变函数法，西安空军工程学院发表的是引入数理统计原理的二维弹塑性问题位移反分析计 算的边界元法，能源部成勘院发表的方法是可考虑松动圈影响的弹塑性问题双介质位移反 分析数值计算法咄洲。国内西安矿业学院的刘怀恒教授在1 9 7 8 年开发了“岩石力学平面非 线性有限元分析程序n c a p 一2 d 埋e 引1 ，同济大学的杨德林教授于2 0 世纪8 0 年代初期开发 了“锚喷支护地下洞室非线性有限元分析程序邛1 ，中国人民解放军总参工兵第四设计研究 所的李世辉于1 9 8 5 年丌发“典型工程类比隧道力学分析边界元程序b m p 8 4 u 丑2 9 1 ，同 8 硕上学位论文第一章绪论 济大学的朱合华教授于1 9 9 7 年推出了“地下工程施工模拟通用正反分析计算软件小姒引髭1 ， 东北大学的王泳嘉、刘连峰丌发了“3 d 离散元软件t r u d e c ”1 。这些研究不仅促经了岩 土力学的发展，也有力地激起隧道信息化设计施工划时代地变化“引。 近年来，由于量测技术、计算机技术的发展和渗透，地下工程结构体系的信息设计和 施工方面有了很大的发展。二十世纪九十年代，“信息化方法 获得了广泛地应用，其原 理也大大地被扩展。“信息化方法”作为一种设计、施工方法已经被许多规范认同，如欧 洲规范( e u r o c o d e ) 。诸多学者也更加重视甚至大力倡导信息化方法。1 9 9 9 年t e r z a g h i 教 授的亲密同事r a l p hp e c k 博士和a l a np o w d e r h a m 博士在施工反思( r e t h i n k i n g c o n s t r u c t i o n ) 书中写到，“信息化方法具有天生解决存在问题的能力，虽然事实上已经取 得了很多成功的范例，人们在项目开始仍极少考虑信息化途径m 。他们呼吁将信息化方 法提到项目各方( 业主、承包商及咨询工程师) 的议事日程表。i s s m g e ( 国际土力学及 岩土工程学会) 副主席b r a n d l 博士也大力提倡信息化施工，称之为“解决目前理论与实际 日益脱节的有效方法。国际隧协1 9 9 2 1 9 9 5 执行主席e i s e n s t e i n 教授在城市隧道的挑 战与进展书中认为“信息化方法特别适于隧道工程”引。 目前，欧洲及日本等纷纷研制和开发的隧道工程动态设计系统是建立在现代信息技术 及信息化设计施工思想基础上的，其中有的已开始产业化应用引。过去，我们在隧道施工 中，基本上也是按照“信息化设计施工”的思想，进行设计和施工的。但因获取信息手段 发展的迟缓、信息传输系统的不完善以及隧道施工环境和管理体制的限制等等原因并未实 现真正的“信息化 。但最近一段时间，由于信息技术、通信技术以及各种获取信息手段 和方法的迅速发展，特别是设计施工体制的改革以及适应未来“设计施工总承包( d e s i g n - - b u i l dc o n t r a c t ) 体制的实施要求，给真正实现隧道工程“信息化设计施工”创造了良好 的条件和基础。 在日本，一些会社在大力开发“信息化设计施工 的应用系统弱甜1 。例如佐藤工业 ( 株) 开发的“s i t 系统 ，是一个把洞内的量测数据、测量数据、机械和运输车辆的运行 数据、通信数据等情报信号，用单一的通信线路进行传输，实现了洞内施工一体化管理。 而西松建设( 株) 也开发了“隧道综合管理系统”。该系统是由信息化施工、设计支援和 质量管理、隧道形状管理四个子系统构成的。其中信息化系统是由t s p ( 地震波探查) 、 d r i s s ( 钻孔探查) 、t d e m ( 电磁波探查) 三个掌子面地质超前预报技术组合而成的。设 计支援系统则由过去的施工实际和支护模式、辅助工法等构成。 在欧洲，意大利在修建长v a g l i a 隧道中，采用了a d e c o - - r s ( a n a l y s i s o f c o n t r o l l e d d e f o r m a t i o ni nr o c k sa n ds o i l s ) 系统进行了隧道的设计和施工4 1 牝3 。该系统是一个控制 岩土变形的系统，对隧道的围岩从调查阶段地质调查信息，来正确地掌握地质条件地变化， 在设计阶段则根据地质条件的工程划分类别，给出基准。最后根据开挖时发生的应力、应 变的特性给出适合地质条件的施工方法和支护结构。在南美，哥伦比亚修建高速公路 b u e n a v i s t a 隧道时，成功利用信息化施工技术顺利通过了断层带及高应力、高渗水伴砾石、 o 硕上学位论文第一章结论 泥沙这样的困难地质地段一“。 在印度，m a n e db h a o l i 隧道i 、i i ，s a l a l 隧道、g i r l 隧道都根据