（岩土工程专业论文）软弱地层隧道洞口段施工力学分析.pdf

1 1 1 11 1i ii i ! i i i iiii iiil 、t18 8 4 3 5 6 m e c h a n i c a l a n a l y s i so fd y n a m i ce x c a v a t i n g t u n n e lp o r t a l i nf e e b l eg r o u n d b y l ih a i b a o b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw u c o n g s h i a p r i l ，2 0 11 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重卢明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：翻f 乞 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向圈家有关部门或机构送交论文的复印件和电f 版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到 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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“寸) 日期：力，年厂月形日 日期：聊，年0 月勿日 、髟彳 珞 苍关 名 名 签 签 者 师 作 导 摘要 隧道洞口段由于其埋深浅，围岩风化严藿，地质条件复杂，极易受到偏压地 形以及潜在的滑坡、剥落、崩塌等地质灾害，近年来，大量隧道修建，很多隧道 遇到进洞难或出洞难，发生滑坡冒顶等隧道进出洞常见问题，不得不转移施工工 作面，改变施 开挖方向，因此，了解隧道洞 1 段进出洞开挖方式的施工过程力 学特性及位移特性，对隧道洞【j 段施工稳定性具有蓖要意义。 本文依托贵州省水盘高速( 水城盘县) 雨坝隧道工程，结合国内外对洞口 段的设计和施 研究现状，应用岩上专业有限元软件m i d a s g t s ，在阿坝隧道 地质条件基础上，对三种不同工法的进出 1 开挖方式共六个模型的施工力学过程 进行i 维数值模拟，结合现场监控量测实测数据，对比分析各工法下施：亡过程的 力学、位移特性，总结较合理的洞口段施： 方案。主要研究内容包括： 1 、在雨坝隧道地质条件下，分别建j 、上了台阶法、台阶分部法和台阶分部法+ 临时仰拱三种开挖方法进出洞开挖共六种工法的三维动态施工全过程弹翅性模 型，分析不同工法下的围岩及支护结构的力学特性 2 、分析六种工法的拱顶沉降和地表沉降施工过程趋势，并和现场监控量测 实测数据对比分析，验证了数值模趔町靠性。 3 、通过分析六种工法施工过程中的围岩和支护结构的力学特性及拱顶及地 表沉降特性，有针对性地提出了提高隧道洞口段施工稳定的一些措施。 关键词：隧道洞口段；数值模拟；施工稳定性；隧道施工工法 a bs t r a c t t u n n e lp o r t a l ，a tw h i c ht h eb u r i a ld e p t ho fs o i li ss h a l l o w , t h er o c ki sw e a t h e r e d s e r i o u s l ya n dt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o ni sc o m p l i c a t e d , i sh i g h l yv u l n e r a b l et ot h e t e r r a i nb e a r i n gh e t e r o g e n e o u sp r e s s u r ea n dp o t e n t i a lg e o l o g i c a lh a z a r d ss u c ha s l a n d s l i d e ，c o l l a p s ea n ds oo i lr e c e n t l yl a r g eq u a n t i t i e so f t u n n e l sa r ec o n s t r u c t e d , b u t m a n yt u n n e l sa tt h e e x c a v a t i o ns t a g ee n c o u n t e rt oc o m m o nd i f f i c u l t i e ss u c ha s e x c a v a t i o nd i f f i c u l t y , r o o fc o l l a p s ee t c s ot r a n s f e r r i n gt h ep l a n eo fc o n s t r u c t i o ni s n e c e s s a r y , i no t h e rw o r d s ，t h et u n n e lh a st ob ee x c a v a t e do nt h eo t h e rs i d e s oi ti s v e r yi m p o r t a n tt h a tt h er o c k s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s a r eu n d e m t o o dw h e nt h et u n n e lp o r t a li se x c a v a t e d t h er e s e a r c hi sb a s e do nt h ey u b at u n n e lp r o j e c ta tt h es h u i c h e n g p a n x i a n h i g h w a yi ng u i z h o up r o v i n c e t h er e v i e wo fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f t u n n e lp o r t a l a th o m ea n da b r o a di sd o n e t h e3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s i sc o n d u c t e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i ss o f t w a r em i d a s g t s ，w h i c h i n c l u d e ss i xn u m e r i c a lm o d e l so ft h r e ee x c a v m i o nm e t h o d si ny u b at u n n e lp r o j e c t a c c o r d i n gt ot h ei n - s i t um e a s u r e dd a t a , t h ec o m p a r i s o no fr o c k s m e c h a n i c a la n d d i s p l a c e m e n tp r o p e r t i e s a tt h ec o n s t r u c t i o ns t a g e so fa p p l y i n gt h r e ee x c a v a t i o n m e t h o d si sm a d e t h ea p p r o p r i a t ec o n s t r u c t i o n p r o g r a ma t t u n n e l p o r t a l i s s u m m a r i z e d t h es t u d yi n c l u d e s ： 1 t h e3 de l a s t o p l a s t i cm o d e lo fy u b at u n n e li ss e tu p ，w h i c hc o n t a i n ss i x d y n a m i ce x c a v a t i n gp r o c e s s a tt h et u n n e lp o r t a l u s i n g f u l l s e c t i o ne x c a v a t i o n m e t h o d ，h a l f - s e c t i o ne x c a v a t i o nm e t h o d ，a n dh a l f - s e c t i o nc o m b i n e d 埘t l lt e m p o r a r y i n v e r t e da r c he x c a v a t i o nm e t h o d t h em e c h a n i cp r o p e r t i e so fs u r r o u n d i n gr o c ka n d r e t a i n i n gs t r u c t u r e sa tt h ee x c a v a t i n gp r o c e s sa p p l y i n gt h es i xm e t h o d sa r es t u d i e d 2 t h es e t t l e m e n tt e n d e n c yo fv a u l ta n dg r o u n da tt h ec o n s t r u c t i o ns t a g e so fs i x e x c a v a t i o nm e t h o d si sa n a l y z e dr e s p e c t i v e l y ac o m p a r i s o nb e t w e e nt h es i m u l a t i o n r e s u l t sa n dt h ei n s i t um o n i t o r e dd a t ai sm a d e ，w h i c hs h o w st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n i sr e l i a b l e 3 t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs u r r o u n d i n gr o c ka n dr e t a i n i n gs t r u c t u r e sa n dt h e s e t t l e m e n tp r o p e r t i e so fv a u l ta n dg r o u n da tt h e s ec o n s t r u c t i o ns t a g e sa r ea l s os t u d i e d 1 1 s o m es t e p sa r ep r o p o s e dl 毙r t i n e n t l yt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft u n n e lp o r t a li n k e yw o r d s ：t u n n e lp o r t a l ；n u m e r i c a ls i m u l a t e ；s t a b i l i t yi nc o n s t r u c t i o n ；m e t h o d o fd i g g i n gt u n n e l i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究背景和研究意义。1 1 1 1 研究背景l 1 1 2 研究意义l 1 2 隧道洞口段施工国内外研究现状2 1 2 1 隧道洞口边仰坡稳定性研究现状2 1 2 2 软弱围岩施： 及支护研究现状4 1 3 本文的研究内容与研究思路6 1 3 1 研究内容6 1 3 2 研究思路6 第二章依托工程概述 2 1 工程概况8 2 1 1 区域j 亡程地质8 2 1 2 区域水文地质8 2 1 3 出口端围岩概况9 2 1 4 不良地质情况9 2 2 隧道设计参数和开挖方法一9 2 2 1 隧道设计参数9 2 2 2 隧道开挖方法l0 第三章计算理论基础和模型建立 3 1 概j 述1 2 3 2 计算分析理论基础1 2 3 2 1 有限单元法理论简介1 2 3 2 2m i d a s g t s 软件简介1 4 3 3 计算模型建屯1 6 3 3 1 计算方案。1 6 3 3 2 简化计算假定1 7 3 3 3 计算参数确定：1 7 3 4 计算模型及工序l8 第四章洞口段施工力学特征分析 4 1 围岩应力2 l 4 1 1 拱顶围岩应力分析2 6 4 1 2 拱腰围岩应力分析。2 8 4 1 3 拱脚围岩应力分析。2 9 4 1 4 目标面开挖围岩纵向应力分析3 l 4 2 锚杆应力分析3 3 4 3 喷射混凝土和二次衬砌应力分析3 6 4 4 本章小结3 9 第五章位移分析与实测数据对比 5 1 雨坝隧道监测基本内容与监测方法4 l 5 2 拱顶沉降4 1 5 2 1 数值模拟拱顶沉降分析4 l 5 2 2 数值模拟结果与实测结果对比分析4 4 5 3 地表沉降4 6 5 3 1 数值模拟地表沉降分析4 6 5 3 2 数值模拟结果与实测数据对比分析一5 0 5 4 施工建议5 l 5 5 本章小结5 3 结论与展望5 5 参考文献5 8 致谢6 2 附录a ( 攻读学位期间发表论文) 6 3 附录b ( 攻读学位期间参与的科研课题项目) 6 3 1 1 研究背景和研究意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 随着国家不断加大对基础建设的投入和“西部大开发”战略的深入进行，公路 等级与规模的加大，推动了公路隧道建设的蓬勃发展【l 捌。“多和长”是2 l 世纪山 岭隧道修建的两大特点【4 】同时，人们也意识到修建隧道过程中对环境的破坏，进 入二十一世纪后人类对环境保护提出了新的要求，提倡减少边仰坡开挖甚至提倡 在开挖安全基础上的“零开挖”进洞【5 l ，但由于地形条件、地质条件等限制，出现 了很多浅埋软弱围岩隧道睁7 】，隧道洞 1 段地质条件差，埋深浅，岩上体自稳能 力差，抗扰动能力弱，边仰坡的稳定性差，洞口刷坡削减洞口边坡抗滑体和施工 扰动，对隧道洞口边仰坡及洞口段围岩稳定带来严鼋威胁，甚至有螳隧道还下穿 或紧邻其它既有建筑物、构筑物等【l o 。1 3 l ，这螳问题给隧道进洞和洞1 7 1 段浅埋围岩 施ji = 带来很大的难度。 本文研究的依托工程是贵州水盘高速( 水城盘县) 雨坝隧道，其出口段周 边为一村庄，上方有村民生活用水蓄水池，为避免对隧道出口区域居民生活产生 不必要的影响，应严格控制隧道洞 1 段开挖沉降，加大了隧道开挖难度。 1 1 2 研究意义 隧道洞口段【1 4 1 是指隧道洞口暗挖进洞一定长度段，覆盖厚度小于两倍毛洞开 挖宽度，如图1 1 ，由于隧道的地形、地质及线路位置的不同，要很明确地规定 洞 1 段的范围是比较困难的。一般情况下，可以将由于隧道开挖给仰坡可能造成 不良影响的洞口范围称为洞 】段【1 5 】。洞 1 段通常具有地质不良，一般较洞身围岩 条件差，且具埋深浅，围岩稳定性差，地表易塌陷等特点。其稳定性不仅受地形， 环境条件影响较大，还受围岩内部条件，施工工艺及方法的影响，因此，是隧道 设计施工的难点和重点，必须进行深入的研究。 隧道洞口段的施： 需要解决的问题有很多，主要有隧道洞口边仰坡的稳定性， 洞 】软弱围岩施： 方法和支护方法等，这些方面研究比较多。但为了施工进度的 需要，很多隧道甚至短隧道采用双向进洞开挖，由于种种原因，进洞过程中遇到 边仰坡失稳，甚至町能出现塌方等问题，不得已停止其中一个掌子面施工而采用 单向开挖或者从洞身稳定段开辟一个新的开挖面，将从外往里开挖( f 面简称“迸 洞开挖”) 转变为从里往外开挖( 下面简称“出洞开挖 ) ，也有单向开挖短隧 道遇见出洞难而改为双向开挖，现阶段进洞开挖和出洞开挖方式对隧道洞口段稳 定性影响的研究比较少见，有必要了解这两种开挖模式的施【力学效应及位移沉 降差异，故隧道进出洞开挖： 法对隧道洞口段稳定性影响的研究具有重要的工程 意义和工程价值，可为以后类似隧道施： 提供有益借鉴。 图1 1 隧道洞口段示意图 b 隧道开挖断面宽度( m ) 1 2 隧道洞口段施工国内外研究现状 施： 过程中影响洞口段稳定性的因素很多，主要考虑的问题有洞 j 边仰坡的 稳定性、施工工法和支护方法的适当选择，以保证施工安全。 1 2 1 隧道洞口边仰坡稳定性研究现状 隧道洞口属处地段一般具有浅埋，风化严重，软岩，稳定性差等特征，上部 岩七体难以形成承载拱，加上刷坡卸载减少上部岩士层厚度和长期施工扰动等因 素，洞口仰破地褒在长期作用力的作用下易发生受拉开裂，给地表水的入渗提供 了有利条件，加速岩体风化和软化，增强岩土体的流变性，其抗扰稳定性也不同 程度的降低，当达不到自稳能力时洞口边仰坡就会发生坍塌，构筑物开裂破坏等 地质灾害，开挖过程中拱顶也潜在冒顶片帮等施工危险，因此，洞口段边坡的稳 定性足隧道设计和施工时必须认真对待的问题。隧道洞口段边坡稳定性的研究方 法主要还是沿用工程地质中边坡稳定的研究方法【1 6 1 ，至今边坡稳定性分析方法大 致叮分为三大类，分别是定量分析方法，定性分析方法和非确定性分析方法，其 中的定量分析方法并不能说是完全定量的分析方法，实际问题远比分析方法考虑 的复杂，所以定量分析方法只能算足半定量的分析方法，定量分析方法中最具代 表性的是极限平衡法和有限元法1 1 7 - 1 9 1 ，在大变形方面有计算优势的有限差分法 2 ( f l a c ) 在边坡分析也较多应用，我国在这方面的研究较多成果也很多，在实 际工程中应用取的良好的效果。 孙红月等1 2 0 采用块体极限平衡法对具空间约束效应边坡的进行了稳定进行 分析，并对其稳定性进行了评价 杨松林【2 1 针对岩石边坡稳定性分析，对传统竖直条分法和萨尔玛法进行改 进，提出了适用范围更广的广义条分法，使之更符合工程实际。 徐明毅瞄l 等在三维刚体极限平衡矢量分析法的基础上，探讨了一些常用荷载 的计算方法，在小湾水电站进水口边坡稳定性分析中，得到了较好的结果。 d s t a r k 瞄l 等将极限平衡法从平面推广到空间，使之更能反映边坡工程实际的 状况： 杨培忠等【2 4 l 采用传递推力系数法，对洞口段的高大边坡稳定性进行了方案比 较，为边坡的处理提供了可靠理论指导，取得良好效果。 刘小兵1 2 5 1 利用土质圆柱破坏面转动平衡分析方法中的简化毕肖普( b i s h o p 法) 考虑不同土体和因素，对隧道洞口边仰坡进行稳定分析综合评价。 此外，我国隧道建设者们还结合自身实践经验总结，得出了“早进晚出”的设 计原则，尽量减少对原来洞口边坡的刷方，不破坏原边坡体的稳定性。 随着计算机软硬件的高速发展及应用，数值模拟越来越多的应用于隧道结构 设计，尤其是在断面较大、地质条件复杂和施： 分析的情况下。 陈敏林豳】等应用有限元软件法对导流隧道洞口段施工进行全过程三维非线 性弹粘塑性有限元模拟，分析了施工对隧道围岩变形的影响和洞口边坡的施 稳 定性。 龙浪波【2 7 l 等利用f l a c 程序，对宜( 昌) 一万( 州) 铁路白龙坝i i 线隧道洞 - l 边坡， 分别在两种不同条件下，进行了数值模拟和稳定性分析 张季如【2 8 】利用有限元软件对边坡开挖做非线性动态分析，得到开挖过程中边 坡变形区的大小和分布，动态显示边坡塑性区发展形成滑动面一边坡滑动破坏整 个过程，根据分析结果确定合理的边坡滑动面，并采用极限平衡法计算边坡的安 全系数。 当需要对边坡的稳定状况快速的做出评价时，通常需要用到定性分析方法， 通过既有工程地质勘察资料，分析边坡可能的变形破坏模式和失稳力学机制，对 其叮能的破坏失稳发展趋势进行说明和解释，常用的方法主要有范例推理评价法 和专家系统。 然而，实践工程表明，边坡失稳是一个很复杂的体现，其性质及稳定性的界 限实际上不是很明了，具有相当的不确定性，通过查找不确定冈素的相关关联性， 抓住主要矛盾，找出影响边坡失稳的主要因素，给边坡作出一个综合性的评判等 级，这就是非确定分析方法，主要有模糊综合评价法、可靠度评价方法和灰色系 统评价法。 1 2 2 软弱围岩施工及支护研究现状 由于隧道洞口段软弱浅埋围岩施j 困难，目前关于软弱浅埋隧道工程的施工 研究得到了国内外众多工程人员和学者的关注： 2 0 世纪6 0 年代，奥地利j 程师l v r a b c e w i c z 提出了一种新的隧道设计施 工方法，称为新奥地利隧道施： 方法( n e w a u s a i a nt u n n e l i n gm e t h o d ) ，简称新 奥法( n a t m ) 2 9 1 ，新奥法的核心思想是充分利用围岩的自撑能力和喷锚支护的 主动支护特点，将围岩本身作为支护结构的一部分，围岩与构筑物的支护结构共 同作用形成坚固的支撑环，是使用最广的隧道施工方法之一，在我国公隧道修建 中被广泛采用。在新奥法的设计施j 原理上，目i i ，我国隧道洞口段开挖方式主 要有台阶法，台阶分部法，c d 法( 中隔壁法) ，c r d 法( 交叉中隔壁法) ，单侧 壁导坑法、双侧壁导坑法等。围岩越软弱，为避免开挖对围岩产生大的变形而失 稳，断面围岩遵循多块少挖，强支护的原则选择开挖方法，分块后开挖断面小， 充分利用围岩的自行闭合能力，虽然施工步骤增加，加大了对围岩的扰动，工程 实践证明，小断面多次开挖对变形稳定具有很好的效果。 为保证隧道进洞开挖工作面稳定，超前支护是保证洞口开挖稳定与安全的。重 要辅助措施，主要形式有超前锚杆或超前导管，超前管棚( 包含短棚超前支护， 长、大管棚超前支护，钢插板超前支护) ，在含水区必要时需要采用超前小导管 注浆或超前深空围岩注浆止水或堵截水。 而洞身支护方式由早期一味强调刚性支护发展到以新奥法为原理的柔性支 护，软弱围岩支护即不能一味强调刚性支护，也不能过于强调柔性支护，应先柔 后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护，由此发展起来的隧道支护技术有锚喷网 技术、锚喷网架技术、锚带网架技术、锚喷网架注浆等联合支护等形式，实际应 用中常常采用多次支护、混合支护1 3 0 - 3 n 。近年来发展起来的预应力锚索技术已成 为软弱围岩隧道支护的重要技术，其独特优点是能把深部围岩强度调动起来，和 浅部支护岩体共同作用，形成厚大的围岩加固圈，控制隧道稳定性，这将足2 l 世纪我国软弱围岩隧道支护的主流方向【3 2 - 3 3 1 国外，很多学者通过试验，数值模拟和j 程实际验证等手段取得了一蝗成 果和有用经验。 d a l g i e l 3 4 j 依托b e y k o zt u n n n e l 工程，对软弱围岩情况f 隧道的开挖和支护 稳定性进行了分析，分析指出，软弱围岩隧道在诸如喷射混凝上、锚杆、钢纤 维喷射混凝土等联合支护下能增强隧道稳定性。同时，超f j i 小导管、防排水、 掌子面的支护、减少开挖步骤和合理的开挖工序等措施在减少隧道失稳破坏中 起到了重要的作用。以t 这些措施的目的是改善围岩的物理力学特性( 如增强 围岩的强度和刚度) ，从而充分利用和发挥围岩的自承能力。 4 o z s a n , a 1 3 5 1 通过数值模拟、围岩一支护相互作用分析g s i a ( g r o u n ds u p p o r t i n t e r a c t i o na n a l y s i s ) 、基j 二岩石质量等级r m r ( r o c km a s sr a t i n g ) 和岩石质量指标 q 分级的经验方法，分析隧道合理的支护力。 c h o i ，s u n go 3 6 1 用f l a c 3 d 分析了软弱围岩隧道的稳定性，并优化的支护 结构。 h s u , s c 1 3 7 1 通过数值模拟，研究了既有建筑下软弱围岩隧道的破坏机理。 随着我国大量修建隧道，地质条件对施工技术要求越来越高，遇见的施工难 题也越来越多，秉着科研独立自t 的原则，我国学者在这方面也有不少研究，取 得了一些突破，对工程实际应用提供了理论基础和试验验证。 方明山【3 8 1 以京珠高速公路粤境北段砒霜坳隧道右线出口为工程实例，分析 了地表加固、设置明洞、 日l 填反压、长管棚注浆超前支护双侧壁导坑以及监控量 测在浅埋软弱围岩段的施工中的应用，取得显著成效保证了施 进度和安全。 沈华【3 9 1 论述了广州地铁某区间隧道超浅埋软岩暗挖隧道施： 影响地表沉降 的e 要因素及控制措施，采取加强拱脚处理，施作临时仰拱以及时封闭围岩，提 高围岩自承能力，达到控制围岩变形的效果。 孟凡亚m 】考虑渝怀铁路武隆隧道进 】段的浅埋、软弱围岩的实际情况，采用 地表预注浆和管棚超前预支护处理方法，改善士体的结构性能，提高其自稳性和 承载能力，对洞口围岩加固取得了良好效果。 章新生【4 1 1 分析研究了顺层软弱围岩隧道洞口段的超浅埋施工技术及措施，对 洞口段地表加固，采用超前管栩及顺层软岩中自进式注浆锚杆加固洞口段围岩。 吴鸿军 4 2 1 针对京珠高速公路洋碰隧道右线进口浅理软弱围岩段，采用中隔墙 交叉台阶法辅助长短结合超前预注浆的施工工法。 操太林h a l 结合黄梅山隧道洞口段埋深浅，且为坡积物和人工弃土覆盖，围岩 松散、自承能力差，存在坍塌、冒顶隐患的特点，采用了地表注浆填充围岩裂隙、 同结围岩，以提高洞 1 段围岩的整体性和稳定性，确保了安全迸洞。 隧道施j 扰动稳定性研究j e 要是伴随数值计算发展而发展，通过数值模拟与 实际施： 情况对比寻找最优施工方案， 张向东等【4 4 l 通过模拟v 级围岩情况下三种施工工法，研究在不同的施工工 法f 的位移场合应力场的关系， 王伟锋等【4 5 l 对软岩隧道浅埋段进行四种施工工法模拟，分析了四种工法下地 表沉降，隧道周边位移和塑性区的变化特点，认为双侧壁导坑法的位移稳定快， 塑性区半径小，安全可高度高。 晏启祥等1 4 6 1 对软岩小净距隧道开挖模拟发现：后续施： 隧道的开挖方式直接 对先行既有隧道锚杆、喷射混凝土层的应力状态产生很大的影响，提出了复合衬 砌应藿点关注的薄弱部位和可能采取的工程措施。 5 由于隧道洞i - l 段一般为埋深浅，岩性差，自动成拱能力弱，软岩隧道还具有 显著的塑性变形特征，在洞【】段施 过程中，应综合考虑洞 1 段隧道开挖支护稳 定性与洞口边仰坡稳定性。需要考虑地层岩性及洞 1 段施j 【方法等众多因素，而 传统的计算方法缺乏对这些因素的全面考虑，而数值模拟法相对传统计算方法在 这方面具有无可比拟的优势，因此，数值计算的应用将越来越广泛。三维非线性 模型，动荷载，考虑动态施工和大变形的数值模拟法将是今后数值计算的主要研 究手段，也是以后的发展趋势。 1 3 本文的研究内容与研究思路 1 3 1 研究内容 论文以贵州省水盘高速( 水城。盘县) 雨坝隧道工程为背景，以寻求合理开 挖支护方法提高洞口段施工稳定性为目的，应用岩士专业有限元软件 m i d a s g t s ，在雨坝隧道地质条件基础上，对三种不同工法的进出洞开挖方式 共六个模型的施工力学过程进行三维数值模拟，结合现场监控量测实测数据，分 析各工法下围岩和支护结构的受力变形特性，总结较合理的洞口段施工方案。具 体内容如下： ( 1 ) 研究进出洞开挖施工力学基本规律 在雨坝隧道地质条件下，分别建立了台阶法、台阶分部法和台阶分部法+ 临 时仰拱三种开挖方法进出洞开挖共六种工况的三维动态施：亡全过程弹塑性模型， 分析不同工法下的拱顶、拱腰和拱脚围岩以及掌子面围岩受力特征，分析支护结 构( 包括喷射混凝士、锚杆和二次衬砌) 的力学特性 ( 2 ) 进出洞开挖施工沉降规律模拟与实测数据对比分析 洞口段围岩力学性状较差，施：e 过程中，加强洞仁】段的监控量测有利f 及时 掌握隧道洞口段围岩力学性状及施： 稳定性，指导施工安全，文章分析六种j 况 下的拱项沉降和地表沉降施工过程沉降趋势，对比分析现场监控量测实测数据， 验证了数值模型结果是叮靠的。 ( 3 ) 寻求合理施工方案 在分析六种工况施工过程中的围岩和支护结构的力学特性及对比分析拱顶 及地表沉降特性的基础上，有针对性地提出了提高隧道洞口段施工稳定的一些措 施。 1 3 2 研究思路 本文主要通过理论与实践相结合的研究方法，用已有理论指导研究，进行数 值分析与实测数据对比，主要研究思路为： ( 1 ) 通过资料的整理总结，加深对洞口施j 稳定性的理解， 6 ( 2 ) 通过对实际工程调查研究、资料收集，了解依托工程隧道基本水文地质和 不良地质情况 ( 3 ) 在实际地质资料的基础上建立动态施： 三维数值模型。 ( 4 ) 对模拟数据展开施二 过程基本力学特性分析和沉降特性分析，得出施： 过 程基本力学规律和沉降规律。 ( 5 ) 将数值模拟结果与现场监控量测实测数据对比分析，得出实际施工过程沉 降规律，并验证数值模拟的可靠性。 7 2 1 工程概况 第二章依托工程概述 本文研究工作主要依托贵州水盘高速雨坝隧道： 程右线出 1 端。雨坝隧道是 贵州水盘( 水城盘县) 高速公路上一座双向四乍道分离式隧道，左线全长2 8 5 o o m ， 右线全长2 8 0 o o m 。单幅隧道净宽为1 0 2 5 m ，全宽为11 2 5 m ，隧道坐落丁二贵州 西部，场区地形起伏较大，整体上，东侧地形较高，北、西、南二三面较低，最高 点海拔高程1 9 0 9 2 0 m ，最低点海拔高程为1 7 2 0 8 0 m ，场区最大高差达1 8 8 4 0 m 。 其原始地貌属侵蚀、剥蚀性深切中山地貌。 2 1 1 区域工程地质 场区出露地层比较简单，上覆出露第四系覆盖层，主要由残、坡积堆积层及 冲、洪积堆积层体组成。下伏基岩为t l f ( 三叠系下统飞仙关组) 泥岩、粉砂岩 及p 2 l + c + d ( 二叠系龙潭+ 长兴+ 大隆组) 砂岩、泥岩等组成，岩质以软质岩为主， 属软质岩类。隧道大部分为t l f 地层，仅出 1 地段为p 2 l + c + d 地层。分述如下： 第四系残坡积堆积层：主要由灰黄、紫红、灰绿、褐黄等杂色粘士央碎石及 母岩风化残块、砂砾组成，呈松散中等密实状态，进i e 】段覆盖层厚0 - 5 o m ，出 】段覆盖层厚5 o 1 1 7 m 三叠系f 统毪仙关组( t 1 0 ：上部为紫红色、暗紫、灰紫色等杂色泥质粉砂岩、 粉砂质泥岩、泥岩及凝灰质砂岩，偶夹灰岩薄层及条带；中下部为灰绿色夹紫色 泥岩、粉砂岩及岩屑砂岩夹少量粉砂质灰岩条带；底部为灰绿色中厚层状凝灰质 长石粉砂岩、泥岩粉砂岩及粉砂质泥岩夹少量灰岩条带。 二叠系上统龙潭+ 长兴+ 大降组( p 2 l 卅d ) ：上部为灰黄色，中细粒砂岩、钙 质砂岩、灰绿色至灰色粉沙质页岩、泥岩及煤层，夹薄层菱铁岩；中下部t 要由 灰色、黄褐色泥岩、页岩、砂质泥岩，灰色至灰绿色凝灰质砂岩、钙质或泥质细 砂岩、菱铁质粉砂岩、泥岩及煤层组成。 2 1 2 区域水文地质 隧道区地层为t l f 、p 2 l + c + d ( 三叠系下统毪仙关组和二叠系上统龙潭+ 长兴 + 大隆组) 为碎屑岩地层，透水性较弱，地下水类型主要为基岩裂隙孔隙水为。e ， 多贮存与强中风化基岩中。根据钻孔资料，隧道进口钻孔水位在2 0 米左右，隧 道出口为干孔，地f 水位埋深较深。结合地形地貌、地质构造等综合因素分析， 8 场区地下水位较低，加之围岩为弱透水层，地下水位对隧道进口有点影响，对出 口基本无影响，隧道洞身开挖涌水的可能性不大，但局部受符理裂隙的影响，可 能会有涌水现象，水量较小。但由于该地层p 2 l 押+ d 、t l f 为泥质粉砂岩、砂岩、 泥岩，为软质岩类，风化深度较深。泥质粉砂岩、砂岩，泥岩等遇水易分解，破 碎和风化较快。 出口段岩层风化较深，成洞条件差，地下水类型t 要是基岩裂隙孔隙水，地 下水呈滴水或线流方式进入涌水最较小。地下水对出口基本无影响。 2 1 3 出口端围岩概况 隧道左幅出口地形坡角1 5 0 - 3 5 0 ，总体2 5 0 左右，地形较缓，自然边坡稳定， 出露地层为p 2 i + c + d 灰色、灰绿色、灰黄色等杂色泥质粉砂岩、砂岩、粉砂质泥 岩、泥岩。隧道顶板处于强风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，岩质为较软岩，破碎、 极破碎，属fv 类围岩。岩层走向与隧道轴线夹角约4 5 0 ，为斜向坡。覆盖层厚 度一般5 一1 0 5 米，强风化层厚度一般为1 0 2 0 0 米； 隧道右幅出 1 地形坡角1 5 0 3 5 0 ，总体2 5 0 左右，地形较缓，自然边坡稳定， 出露地层为p 2 l + c + d 灰色、灰绿色、灰黄色等杂色泥质粉砂岩、砂岩、粉砂质泥 岩、泥岩。隧道顶板处于强风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，岩质为较软岩，破碎、 极破碎，属于v 类围岩。岩层走向与隧道轴线夹角约4 5 0 ，为斜向坡。覆盖层厚 度一般5 1 2 o 米，强风化层厚度一般为2 0 2 8 5 米。 2 1 4 不良地质情况 隧道出e 1 端埋深浅，地表覆盖层成份杂乱，均匀性差，厚度变化大，结构松 散，力学性质极差，岩体破碎、极破碎，局部垂直节理裂隙较发育，成洞条件差。 在隧道顶部有个蓄水池，长期有水供应村民日常用水，但有小部分水从蓄水 池漏出影响隧道洞身， 因此处存在小型煤矿，过去长时间无序采煤，使得隧道区局部存在蜂窝状小 型采窄区，采空区一般被淤泥质士刚填，存在潜在的施工安全隐患。 2 2 隧道设计参数和开挖方法 2 2 1 隧道设计参数 根据雨坝隧道两阶段施工图设计工程地质勘察报告1 4 7 1 ，隧道采用五心圆内轮 廓，单幅隧道净宽为1 0 2 5 m ，全宽为1 1 2 5 m ，高7 m ，设计图如图2 1 隧道洞身衬砌设计以新奥法原理为指导，采用复合式衬砌，即以环向注浆 小导管、系统锚杆、钢筋网、喷射混凝士、工字型钢拱架作为初期支护，辅以管 棚、超前小导管等超前支护措施，二次衬砌采用钢筋混凝上，隧道出口端围岩级 9 别为v 级，其支护参数见表2 1 。 图2 1 雨坝隧道净空断面设计简图( 单位：e m ) 表2 1 出 1 段v 级围岩复合式衬砌支护参数表 = 一兰! = s v as v b 支护参数 在线长度( m ) 3 03 0 右线长度( m ) 3 04 0 c 2 0 喷混凝土厚度( e m ) 2 42 4 长度( m ) ( 中空锚杆)( 中窄锚杆) 锚杆 l = 3 5l = 3 5 间距( e m ) 6 0 x 1 2 06 0 x 1 2 0 超前支小导管型号 t p 4 2 x 3 5t p 4 2 x 3 5 l = 4 ml = 4 m 护 间距( e m ) 2 4 0 x 4 02 4 0 x 4 0 t p 6 5 钢筋网( c m ) 2 0 x 2 02 0 x 2 0 型号 1 1 8 ( 全封闭) 1 1 8 钢拱架 间距( c m ) 6 06 0 预留变形量( c m ) 1 51 5 二次衬砌厚度( c m )5 0 ( 钢筋砼)5 0 ( 钢筋砼) 2 2 2 隧道开挖方法 隧道采用新奥法施工，出口段v 级围岩段设计采用台阶分部开挖法( 又名 环形导坑预留核心土法) 开挖，如图2 2 ( 左) ，台阶分部开挖法预留核心七在开 挖中起到支档j f 作面的作用，在围岩开挖至初期支护完成前，核心士的存在使施 1 0 工断面积减少，利用围岩的自撑能力，有利于降低拱顶和掌子面的稳定性，尽鼍 减少对围岩变形量，在初期支护的保护下再进行核心土以及下部歼挖，增加了施 工安全性，由于采用环形开挖地段的岩性差、自稳能力差，宜采用短迸尺，一般 环形开挖循环进尺为0 5 1 o m 左右，最好能做到开挖一榀拱架间距长度，及时 做好支护，下台阶长度为洞径的1 5 倍。在洞口段围岩变形量较大，当采用台阶 分部法出现上台阶初期支护破坏或沉降过大时，常采用施加临时仰拱来控制，台 阶分部法+ 临时仰拱的工序仅比台阶分部法多一个临时仰拱。实际施工过程中少 部分v 级围岩采用了上下双台阶法施工，如图2 2 右，台阶法施工工序相对较少， 作业面相对较大，质量易保证，循环时间较短，施工进度相对较快，一般在 级围岩中使用，在本隧道的v 级围岩中使用，也算一种有益的尝试。 i 掣蕾摹强；i _ ? 玎，1 、k 母广j 、鼻 夕尹 。i 一| | - 罗l 多 ， 。迕 善一：。一一焉卜o 一土一誉 争 45 l l 一。j 、- 、j 。苫j ? = ! ：一也 。，l 1 。：、 3飞之 一卜_ 一 5譬： 一4 _ 目”d ”一“2 台阶分布开挖法台阶分布开挖法+ 临时仰拱台阶法 图2 2 隧道施：【方法( 数字代表施- 步骤) l囊“，“骶0蠢。0 中。 一 + 、 一 p 越 一 确 一 l 3 了 ， | | ，咯 。 、 3 1 概述 第三章计算理论基础和模型建立 对于山岭隧道而言，洞 1 段具有地层软，围岩自动成拱难，支护难和支护结 构受力大等特点，是隧道施工事故易发段之一，据统计1 4 s 1 2 0 0 4 2 0 0 8 年隧道施j 【 事故类型和其发生次数中坍塌事故率高达5 2 ，其次足冒顶片帮，事故率为9 ， 坍塌和冒顶片帮是洞e 】段施工最常见的潜在危险。 软岩作为一种特殊的工程地质岩体，具有显著的塑性变形，隧道进出口浅埋 地段的 程软岩，由于其埋深浅，隧道开挖后形成坍落拱能力弱，围岩自撑能力 小，甚至几乎无自撑能力，是工程治理的一大难题，对工程扰动敏感，并具有连 续长时间变形能力，传统力学计算方法难以考