浅埋偏压小净距隧道施工方案优化与稳定性分析 69页

3.3.2Ⅳ级围岩计算结果对比分析......................................................................203.3.3Ⅴ级围岩计算结果对比分析......................................................................273.4本章小结.................................................................................................................33第四章Ⅳ级围岩开挖方案优化与施工过程分析4.1前言.........................................................................................................................344.2Ⅳ级围岩开挖方案优化.........................................................................................344.2.1模型的建立..................................................................................................344.2.2结果对比分析..............................................................................................364.3台阶—导洞法开挖过程分析.................................................................................414.3.1开挖过程中围岩位移分析..........................................................................414.3.2开挖过程中围岩最小主应力分析..............................................................454.3.3开挖过程中围岩塑性区分析......................................................................464.4本章小结...................................................................................................................47第五章Ⅴ级围岩开挖方案优化与施工过程分析5.1前言.........................................................................................................................485.2Ⅴ级围岩开挖方案优化.........................................................................................485.2.1模型的建立..................................................................................................485.2.2开挖与计算流程..........................................................................................485.2.3结果对比分析..............................................................................................495.3单侧壁导坑法开挖过程分析.................................................................................545.4本章小结.................................................................................................................60第六章监控量测与数据分析6.1前言.........................................................................................................................616.2监控量测的内容.....................................................................................................616.2.1现场观察记录..............................................................................................616.2.2地表下沉量测..............................................................................................616.2.3拱顶下沉量测..............................................................................................626.2.4周边位移量测..............................................................................................636.3断面布设密度与实施情况.....................................................................................64万方数据 6.3.1断面布设密度..............................................................................................646.3.2监测频率......................................................................................................646.3.3净空收敛允许位移值..................................................................................646.4浅埋偏压段监控量测数据分析.............................................................................656.4.1现场实测数据..............................................................................................656.4.2数据分析......................................................................................................666.5本章小结.................................................................................................................67结论与展望结论..................................................................................................................................68展望..................................................................................................................................69参考文献..............................................................................................................70致谢....................................................................................................................74附录....................................................................................................................75万方数据 第一章绪论第一章绪论1.1前言公路交通是国民经济的命脉，是沟通地域间人员交流、资源流动与经济合作的重要桥梁。我国幅员辽阔、地形崎岖、地势复杂，山地、丘陵和高原的面积约占全国总面积的70%，山地丘陵地区的公路修建任务十分繁重。20世纪80年代以前，受经济条件与其他因素的制约，公路在通过山地丘陵地区时，多以盘山的方式穿行于山区。这种公路运输方式路线长、能耗大、车辆通行受气候影响大、路况复杂容易导致交通事故。隧道方案能极大改善公路线型和行车环境，提高公路等级，缩短运营里程，减小能耗，减少地表植破坏，保护自然环境，符合绿色环保、科学发展的时代理念。如今，隧道方案在山岭公路中得到了广泛应用。在山地重丘地区，受特殊地形条件限制和公路展线的需要，隧道洞口段左右洞间距往往不能满足规范要求，小净距隧道由此产生。小净距隧道洞口段通常洞口段地形倾斜，覆盖层较薄，隧道浅埋偏压，地质条件较差，围岩多为严重风化的堆积体，自稳能力差，开挖后变形大，成洞困难，容易产生塌方冒顶事故，是整个隧道的咽喉地段，也是施工中的薄弱环节。同时由于隧道在山体坡脚施工，施工过程中会对山体产生扰动，隧道开挖后引起山体坡脚应力场的重分布，容易造成坡脚失稳，产生边坡滑动和隧道坍塌现象。小净距隧道洞口段施工需要面临浅埋、偏压和山体坡脚失稳等多个方面的问题，在考虑施工方案时应多方面兼顾。如何采取经济合理的辅助施工措施和开挖方法，在确保施工安全的前提下，减小浅埋和偏压对隧道稳定的不利影响，是浅埋偏压小净距隧道在设计和施工中面临的关键问3D题。针对上述问题，本文以苍南县藻溪隧道为工程背景，通过Flac建模分析，研究了偏压处治技术和开挖方法对浅埋偏压小净距隧道稳定的影响，为隧道施工方案的优化提供可靠依据。1.2研究现状1.2.1小净距隧道稳定性研究现状左洞和右洞间净距小于表1.1建议值的隧道被称为小净距隧道。小净距隧道以其施工过程相对简单，工期相对较短，施工质量容易得到保证，工程造价相对较低，公路展1万方数据 硕士学位论文线灵活等优点，在地形受限的山岭公路隧道修建中得到了广泛应用。表1.1左右洞最小净距围岩级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ最小净距（m）1.0×B1.5×B2.0×B2.5×B3.5×B4.0×B注:B—隧道开挖断面的宽度[1]侯瑞彬和申玉生等将强度折减法应用于隧道开挖后围岩的稳定性分析中。利用Abaqus有限元软件模拟了浅埋偏压小净距隧道双侧壁导坑法的开挖过程，分析了开挖过程中围岩塑性区的分布特征，围岩中各特征点位移的变化规律，和隧道整体安全系数在开挖过程中的变化情况，得到了一些有益结论。[2]靳晓光和刘伟等通过平面二维和三维有限元数值模拟，考察了左右洞不同开挖顺序下偏压小净距隧道围岩破坏接近度、围岩位移变形和围岩塑性区的变化情况，综合对比计算结果，建议偏压小净距隧道优先开挖浅埋侧隧道。[3]杨小礼和眭志荣通过有限元数值对浅埋偏压小净距隧道双侧壁导坑法的不同开挖方案进行了数值模拟，分析了不同开挖顺序对隧道塑性区、围岩位移变形、中夹岩柱稳定性的影响情况，得到了一些规律和结论。[4]刘伟和靳晓光等依托三明-福州段小净距隧道，通过有限元数值仿真模拟，对比分析了不同工况下的围岩变性位移、围岩-支护结构体屈服接近度和中夹岩柱变性特征，确定了Ⅴ级围岩小净距隧道在不同开挖工法下中夹岩柱的合理宽度。[5]何魏通过Ansys软件平面应变分析，研究了影响小净距隧道稳定性的因素，指出在围岩级别、隧道埋深和左右洞净距对围岩稳定影响较大，其中净距的大小对围岩稳定性的影响最为关键。分析了隧道塑性区的分布情况，围岩塑性区的分布主要集中在中壁处。[6]桂铬以官冲小净距隧道为工程背景，研究了中夹岩柱加固方案以及光面爆破控制技术，并结合数值模拟和现场实测数据，分析了Ⅳ级和Ⅴ级围岩条件下，施工过程中隧道稳定性的变化情况。[7]谢圣纲依托大坪隧道，分析了开挖段面形状对小净距隧道稳定性的影响情况，并研究了在无支护和有支护条件下小净距隧道中夹岩柱的临界宽度。[8]谢军旗通过二维与三维数值模拟，研究了隧道埋深、净距和开挖方法对小净距隧道稳定性的影响，指出埋深增加会加大拱顶下沉和周边位移，净距增大能减小拱顶下沉和中夹岩柱的应力，相比台阶法，CD法能显著减小后行洞的拱顶下城沉。2万方数据 第一章绪论[9]谢卓熊通过建立有限元模型，研究了隧道埋深、净距和围岩级别对小净距隧道稳定性的影响，得到了隧道稳定性随上述三种因素的变化规律，并指出应根据围岩级别采取合适的初期支护以及加固方法。[10]AddenbrookeandPotts利用数值软件分析了平面应变状态下小净距隧道的稳定性。[11]Chehader.H等通过模拟小净距隧道施工，研究了左右洞空间位置和开挖方法对地层稳定性的影响。[12]HiorshiKURIYAMA等研究了小净距隧道中夹岩柱加固方案，并模拟了隧道施工。[13][14][15]KimS.H、MairRJ、K.W.Lo等通过模型试验、数值模拟研究了小净距隧道的施工力学效应。[16][17][18][19]Kimmance、Saitoh、NgC.W.W、Soliman等通过数值模拟、监控量测等多种手段研究了小净距隧道在施工中的相互影响。1.2.2偏压处治技术研究现状隧道偏压使围岩和支护结构受力不对称，局部地区应力集中，衬砌容易受拉开裂，是一种不利于隧道稳定的荷载工况。隧道产成偏压的原因可以归纳为以下3种：（1）地形原因产生的偏压：当隧道轴线方向与山体地形等高线斜交时，隧道结构两侧受到山体自重应力产生的荷载不对称，就形成了偏压。如沿河傍山隧道就是典型的偏压隧道。（2）地质原因产生的偏压：隧道穿越的地层复杂，地质条件恶劣，节理裂隙发育，产状倾斜，其间又富含软弱夹层。当围岩受开挖施工扰动或地下水活动使软弱夹层强度降低时，围岩沿软弱结构面顺层滑动，从而引起隧道偏压。（3）施工原因产生的偏压：隧道分部开挖时，由于围岩应力释放程度不同，二次应力重分布不均衡，会使围岩和支护结构局部区域应力集中，从而产生偏压。隧道施工不当造成部分开挖面塌方时，也会引起偏压。浅埋偏压隧道多位于山体坡脚，隧道埋深浅，围岩自稳能力差，在地形偏压的作用下，容易发生结构性失稳。此外，隧道开挖会引起山体坡脚围岩应力重分布，从而引起边坡沿软弱结构面滑动，使得隧道偏压情况加剧。因此，隧道的稳定性与边坡的稳定性是相辅相成的。浅埋偏压在隧道施工中既有浅埋问题，又有偏压问题，在考虑施工技术时应两者兼顾。合理的处治偏压技术在提高浅埋偏压隧道稳定性的同时又能有效保护边3万方数据 硕士学位论文坡坡脚的稳定性。在隧道辅助施工工艺中，一般用以下3种施工方法来缓解浅埋和偏压产生的不利影响。（1）锚索加固技术：可以采用锚杆或锚索加固外侧岩体的措施解决偏压隧道外侧岩体失稳问题。根据外侧岩体的厚度以及表面破碎层、坡积层的厚度来考虑锚杆或锚索的施工参数。一般锚杆直径为22mm或25mm。锚杆长度控制在3~6m，按150cm×150cm~200cm×200cm间距布置。锚杆长度大于6m时，可以考虑采用小锚索来代替。小锚索使用高强度地松弛钢绞线4×15.24mm，深度在6~12m。长度超过12m，可以用抗滑桩代替。（2）抗滑桩加固技术：当偏压隧道外侧岩体有严重失稳且数量较大时，可以考虑采用抗滑桩方法来防止外侧岩体失稳或坍塌，从而确保隧道的稳定性。抗滑桩设计应按照工程实际地形、地质条件和上覆岩层厚度来决定。一般现场采用的抗滑桩截面积为2m×3m和2m×2.5m矩形断面，间距6~8m，深度一定要嵌入基岩。（3）反压回填加固技术：反压护拱是施做在隧道浅埋侧边坡的混凝土结构。反压护拱施工能加固浅埋侧岩土体，提高边坡坡脚和围岩稳定性，解决超浅埋隧道进洞困难的问题。隧道开挖时，反压护拱可以提供部分水平侧向压力来平衡地形倾斜造成的偏压，提高隧道整体稳定性。[20]王伟和杨转运等依托夹坑隧道研究了小导管注浆加固、反压护拱处治偏压、管棚加固和预留核心土环形开挖法等多种施工技术在浅埋偏压隧道软弱围岩中的应用。现场监控量测的结果表明以上几种施工工艺的综合应用确保了浅埋偏压隧道的稳定性。[21]刘泽研究了反压回填混凝土、3台阶开挖法和小导管注浆技术在德胜口隧道洞口浅埋偏压段的综合应用。地表沉降、拱顶下沉和周边位移的监控量测数据表明德胜口隧道洞口浅埋偏压段围岩变形正常，隧道辅助施工方法和开挖方案科学合理。[22]庄富盛对了清远市某隧道浅埋段明洞开挖方案和施作反压护拱后的暗洞开挖方案进行了对比分析。暗洞开挖方案与明洞开挖方案相比，能避开雨季的施工困难，减少征地费用，有利于环境保护。在实际施工中也证实了暗洞开挖方案的可行性。[23]聂玉文和赵金锐对柚树下隧道洞口超浅埋偏压段的设计方案进行了研究，详细阐述了反压护拱的作用机理和施工流程，指出反压护拱施工能有效减小仰坡刷坡的高度，增加山体坡脚的稳定性，同时能避免隧道超浅埋段进洞困难的问题。[24]黄晖和廖树忠等研究了反压护拱在汤坑隧道浅埋偏压段施工中的应用。拱顶下沉4万方数据 第一章绪论和周边位移的监控量测数据表明施作反压护拱后，隧道偏压得到缓解，围岩变形收敛合理。在浅埋偏压隧道施工中，反压护拱能在简化施工工艺、加快施工进度、节约工程成本的同时确保隧道的施工安全。1.2.3浅埋隧道开挖方法研究现状[25-29]常见的开挖方法有全断面法、台阶法和分部开挖法。全断面法是指采用光面爆破或机械开挖等手段将整个设计断面一次成型的开挖方法。全断面开挖使隧道开挖断面一次成型，减少了围岩扰动次数，初期支护一次到位，能充分发挥围岩的自稳能力，有利于围岩天然承载拱的形成。同时隧道内作业空间较大，工序相对简单，有利于大型机械设备进场作业，提高了工作效率。但是全断面法对地质条件要求严格，对围岩质量要求高，围岩必须有足够的自稳能力，一般应用于Ⅰ~Ⅲ级围岩。全断面法开挖面较大，出渣工作量较大，在钻爆法施工时，爆破震动较大，必须科学设计爆破方案以减小爆破产生的震动。台阶法是指以类似于台阶的形式，将隧道掌子面划分为上下多个开挖面的开挖方法。台阶法按台阶长度可分为长台阶、短台阶和微台阶法；按开挖面形式可分为上下台阶法、三台阶法和上台阶预留核心土法等多种形式。台阶法开挖形式灵活多变，适应性强，在地质条件发生改变时，可以及时变更开挖方法，确保隧道的稳定性。在台阶法施工中，上下台阶出渣作业时会相互干扰，下台阶开挖时会导致上台阶拱脚落空，容易引起初衬失稳，必须要科学组织施工，保障施工进度与施工安全。分部开挖法主要适用于地质条件较差的大断面隧道施工，主要包括单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CD法和CRD法等多种形式。分部开挖法能有效限制地表沉降，减小围岩受敛变形。由于每部分开挖面积较小，减小了围岩失稳塌方的风险，同时控制了爆破震动对周围环境的影响。但是分部开挖法施工中围岩被多次扰动，施工工艺复杂，造价较高，临时支护拆除困难，工期较长。[30]许佳和姚海波依托飞田隧道，研究了台阶分部开挖法在洞口浅埋段施工中的应用。通过分析监控量测数据，得到了台阶分部开挖法施工过程中地表沉降、周边位移和拱顶下沉的变化规律，并提出了施工优化建议。[31]杨灵和韩立军等对北固山隧道出口段浅埋段Ⅳ级围岩进行了不同开挖方案下的数值模拟，通过对上下台阶法、弧形导洞预留核心土法和CD法开挖施工后隧道的围岩应力、围岩变形和支护结构受力进行对比分析，归纳总结这3种施工方案的优缺点，并指出弧形导洞预留核心土法施工方案较优。5万方数据 硕士学位论文[32]3D李力以姜源岭隧道为依托，利用Flac软件模拟了在浅埋条件下三台阶法开挖和CRD法开挖对隧道稳定性的影响，数值分析结果表明CRD法开挖时隧道围岩的最大、最小主应力、围岩位移和围岩塑性区分布均优于三台阶法开挖，在浅埋软弱围岩隧道施工中，CRD法开挖优于三台阶法开挖。[33]史艳忠对大段面浅埋土质隧道开挖方法进行了研究，利用Ansys有限元软件分别对全断面法、微三台阶法和CRD法进行了二维数值模拟。通过对比分析周边位移、拱顶沉降和地表下沉表明全断面法不适合大段面浅埋土质隧道开挖，CRD法开挖优于微三台阶法开挖。[34]熊创贤和洪亮对某浅埋偏压隧道进行了全断面开挖法、正台阶开挖法和CD法进行了数值模拟，对隧道围岩受力与变形的综合分析结果表明：浅埋偏压隧道施工方法中，CD法开挖最优，正台阶法开挖次之，全断面法开挖最差。1.3工程概况藻溪隧道为小净距隧道，位于苍南县灵溪至龙沙公路改建工程第3合同段内。隧道左线桩号为ZK8+041~ZK8+502，长461m；右线桩号为YK8+070~YK8+510，长440m。隧道为四车道一级公路，设计时速60km/h，设计荷载为公路-Ⅰ级，隧道防水等级为二级（GB50108-2001）。隧道建筑限界根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）及《公路工程技术标准》（JTDB01-2003）规定确定。隧道的建筑限界：行车道（2×3.50m）、侧向宽度（L左-0.5m，L右-0.75m）、检修道（2×0.75m），宽度为9.75m，高度为5.0m。隧道内轮廓为三心圆，内空考虑了侧墙预留装修层10cm，拱部考虑了施工误差5cm，净宽9.75m，净高5.0m，建筑限界和净空见图1.1。图1.1隧道建筑限界和净空6万方数据 第一章绪论1.4本文研究内容（1）在参阅大量文献资料的基础上，归纳总结浅埋隧道的开挖方法、处治偏压的辅助施工技术和小净距隧道稳定研究的现状和进展。（2）介绍了藻溪隧道的工程概况和反压护拱偏压挡墙的施工工艺。依托藻溪隧道，研究反压护拱对浅埋偏压小净距隧道稳定性的影响，为反压护拱的优化设计提供可靠依据。（3）在施作反压护拱后，模拟不同开挖方法下浅埋偏压小净距隧道的施工过程，筛选出较优的开挖方法。重点分析较优开挖方法在隧道施工过程中的施工力学行为，为浅埋偏压小净距隧道施工的过程提供科学建议。（4）分析藻溪隧道浅埋偏压段的现场监控量测数据，验证藻溪隧道浅埋偏压段反压护拱施工与开挖方法的正确性。7万方数据 硕士学位论文3D第二章弹塑性力学和Flac建模基础2.1弹塑性力学基本理论岩土是一种弹塑性材料。弹塑性材料的应力—应变曲线是线性与非线性的组合，其显著特征为在某种荷载工况下材料会产生弹性变形和塑性变形。当应力小于比例极限时，岩土材料的应力与应变呈线性关系，可以使用胡克定律（Hooke"slaw）表示，此阶段岩土体的变形为弹性变形，卸载后变形可以恢复。当应力大于比例极限时，岩土材料的应力与应变关系非线性，不能用胡克定律（Hooke"slaw）表示。岩土体进入塑性状态后，产生不可恢复的塑性变形。岩土材料在弹性阶段时的应力—应变曲线，使用胡克定律（Hooke"slaw）表示，即=D(2.1)张量表示形式：=D(2.2)ijijklkl式中：Duu(2.3)ijklijklikjliljk其中：、、、、、称为Kronelerdelta。ijklikjliljk岩土材料在塑性阶段的应变表示为：epdijdijdij(2.4)ep1Q或者dddDdd(2.5)而dDDdDd(2.6)pep1TTQFFQ弹塑性矩阵DDDDAD(2.7)ep此阶段弹塑性应力与应变的关系用增量的形式表达为：TQFDDdDTdDDpdDepd(2.8)FQAD式中：D是弹性矩阵、D为塑性矩阵，D为弹塑性矩阵。pep8万方数据 第一章绪论A为硬化参数H的函数：FFTA(2.9)H2.1.1基本方程在弹塑性分析中，研究区域的应力和应变函数可以通过平衡方程、几何方程和物理方程（材料本构模型）联合求解得到。（1）平衡方程如果研究的物体处于运动状态，平衡方程表示为：2xzxyxuFx2xyzt2vxyyzyF(2.10)y2xyzt2wxzyzzFz2xyzt式中，F，F和F分别表示物体沿X方向、Y方向和Z方向的体力分量；为微xyz222uvw元体密度；，和分别表示微元体沿三个坐标轴的加速度a，a和a。222xyzttt用张量表示为：Fa(2.11)jij,ii由于，上式也可写为:ijjiFa(2.12)ijj,ii（2）几何方程几何方程表示为：uwv,xyzxyzvuw,(2.13)yxzyzxuvu,xxyxxy用张量表示为：1ijuuij,,ji(2.14)29万方数据 硕士学位论文2.1.2岩体屈服准则岩体受到持续增加的荷载作用，内部应力随之增加，当应力超过屈服极限时，岩体进入屈服状态，产生不可恢复的塑性变形。屈服准则阐明了不同应力状态下变形体内某点由弹性转态进入塑性状态，并使塑性状态持续进行所必须遵守的条件，也称为塑性条件或屈服条件。六个应力分量可以确定某一点的应力状态，其屈服准则的表达式为包含六个应力分量的函数，即Fkx,y,z,xy,yz,zx,0(2.15)式中，F为屈服函数；k为材料常数。将某一点的六个应力分量代入屈服函数，如果F=0表示该点进入屈服状态；如果F<0表示该点处于弹性状态。常用的屈服准则有Tresca屈服准则、Mises屈服准则、Mohr-Coulomb屈服准则和[35-39]Drucke-Prager屈服准则等。Tresca屈服准则认为最大切应力是引起材料屈服的主要因素，在材料力学中被称为第三强度理论。Mises屈服准则认为形状改变比能是引起材料屈服的主要因素，在材料力学中被称为第四强度理论。在岩体工程数值分析中摩尔库伦屈服准则应用广泛，本文运用摩尔库伦屈服准则模拟岩土材料。Mohr-Coulomb屈服准则认为岩体的破坏是剪切破坏，由岩体的内粘聚力C和内摩擦角共同确定，其表达式为=c+tan(2.16)n式中：为剪应力；为正应力n在常规三轴试验中>，破坏面与小主应力方向之间的倾角为，则破坏面123上的的剪应力和正应力为：n12sin2(2.17)21212cos2(2.18)n22o式中：45，为岩土内摩擦角2将（2.17），（2.18）代入（2.16）中，得到摩尔库伦屈服准则如下：1212ccossin(2.19)22用应力不变量及偏应力不变量表示，为:10万方数据 第一章绪论11IsincossinJccos0(2.20)1233式中：为应力罗德角，满足：1133J3sin(2.21)63236J22当0时，Mohr-Coulomb屈服准则与第三强度理论相同。在主应力空间中，Mohr-Coulomb屈服准则的屈服面如图2.1所示：图2.1Mohr-Coulomb屈服准则的屈服面3D2.2Flac软件介绍3DFlac是由一款美国Itasca公司推出的基于有限差分法的三维分析软件，能够模拟计算三维岩体、土体及其他介质工程结构的受力与变形状态，被广泛应用于岩土工程中。3D2.2.1Flac的特点3DFlac采用混合离散方法（MartiandCundall，1982）能更好的模拟材料的屈服和塑性流动，利用动态运动方程以及显示方法进行求解，在使用较少的内存情况下，能有效模拟材料大变形和失稳问题。3DFlac内置11种材料本构模型，其中包含1种空模型（Nullmodel），3种弹性模型和7种塑性模型。用户可以根据材料岩土的特性选取合适的本构模型。含有多种结构单元，可以模拟岩土工程中的人工结构，如支护、衬砌、锚杆、土工织物、桩基等。3D2.2.2Flac的求解流程3D在利用Flac进行数值模拟时，本文首先在Ansys中建立隧道模型，利用Ansys与3D3DFlac之间的数据接口，将模型导入Flac软件中，生成有限差分网格，然后赋予模型3D合适的本构模型和材料参数，并设置边界和初始条件，最后在Flac中完成对模型的计11万方数据 硕士学位论文3D算和分析。Flac的求解流程见图2.2。3D图2.2Flac的求解流程2.2.3模型和材料参数的选取（1）围岩的模拟摩尔—库伦（Mohr-Coulomb）弹塑性模型适用于松散胶结的颗粒材料，如土壤、围3D岩和混凝土。本文在Flac中用摩尔—库伦模型（Mohr-Coulomb）弹模型模拟隧道围岩。根据围岩级别的不同，将模型划分为不同的组（Group），通过给组赋予不同的材料参数值，就能模拟不同级别的围岩。（2）注浆加固区的模拟为了保证隧道开挖围岩的稳定性，通常会对隧道浅埋侧地表以及掌子面前方围岩进行注浆加固。注浆加固的作用机理是是通过向岩土体内注入胶凝材料（水泥砂浆、水玻3D璃液）提高围岩的内摩擦角和粘聚力来加固围岩。在Flac中，可以通过提高注浆加固区的材料参数来模拟围岩注浆加固。（3）初衬的模拟隧道开挖后，由于卸载作用，围岩向隧道内收敛变形，如果不及时施做初衬，围岩容易变形过大，发生失稳破坏。隧道初衬由25cm厚C20喷硂、E6定型钢筋焊接网和18号工字钢拱架（纵向间距0.5m）联合组成。喷硂、钢筋焊接网和工字钢拱架三者之间的相互作用复杂，在数值模拟中难以实现，为了简化模型，通常运用抗压刚度等效原12万方数据 第一章绪论理，将钢筋焊接网和工字钢拱架的弹性模量折算到喷硂之中。本文用壳(shell)单元模拟隧道初衬。壳单元是等厚度的3节点三角形单元，具有18个自由度，适合模拟忽略横向剪切变形的薄壁结构，如图2.3所示图2.3壳单元模型示意（4）锚杆的模拟锚杆的种类很多，按照锚固方式分为机械式锚杆、粘结式锚杆和混合式锚杆。锚杆施作后，通过锚杆的锚固、悬吊和减跨作用能改变围岩的材料属性和受力环境，在隧道洞室周围形成一圈稳定的岩石带，有效提高了围岩自稳与承载能力。3D本文利用Flac中锚索（Cabel）单元模拟水泥浆粘结式锚杆，该型锚杆通过水泥浆与围岩粘结，见图2.4。Cabel单元具有2个自由度，在受拉（压）中会屈服，不能承受弯矩，单元中水泥浆的特性为其提供抗剪能力，如图2.5所示。图2.4在围岩中的水泥浆粘结式锚杆图2.5水泥浆粘结式锚杆力学模型（5）围岩开挖的模拟3D零模型（nullmodel）区域的应力被设置为零，在Flac中可以用来模拟移除或开挖3D掉的材料。通过Flac控制命令选取需要开挖的围岩区域，将该区域内的材料模型替换为零模型即可模拟围岩的开挖。13万方数据 硕士学位论文（6）参数的选取围岩和支护结构的力学参数依据藻溪隧道地质勘查报告、《公路隧道设计规范》[40][41-44]（JTGD70-2004）以及已有文献资料中的类似工程资料综合选取，具体数值见表2.1。表2.1隧道围岩及初期支护的力学参数弹性模量密度粘聚力内摩擦角抗拉强度围岩和结构泊松比3/GPa/(kg/m)/MPa/（°）/KPaⅢ级围岩10.000.2723001.004260Ⅳ级围岩3.000.3021000.253030Ⅴ级围岩1.000.4018000.152721注浆加固区2.000.3021000.703340C15混凝土26.000.2023001.00301400弹性模量横截面积抗拉屈服2外径/mm长度/m锚杆参数（GPa）/cm强度/MPa454.912530.12弹性模量泊松比厚度/m初期支护（GPa）22.720.250.252.3本章小结（1）首先研究了弹塑性力学和岩体屈服准则的基本理论，重点介绍了摩尔—库伦（Mohr-Coulomb）屈服准则，为隧道围岩稳定性分析提供理论基础3D（2）介绍了Flac软件的特点和求解流程，选取了模型的单元类型，确定了材料的参数，为建立隧道数值模型提供了基础。14万方数据 第三章反压护拱施工和优化分析第三章反压护拱施工和优化分析3.1前言洞口段是隧道施工的咽喉地段，是整个隧道工程的控制地段。洞口段施工的好坏直接影响工程的造价和工期。小净距隧道洞口段地形复杂，地质情况恶劣，围岩一般比较破碎，多属于Ⅳ级或Ⅴ级软弱围岩，上覆岩层较薄，自稳能力较差，开挖后围岩变形快，容易使隧道净空收敛过大而出现侵界现象，严重的甚至会出现冒顶塌方事故，严重危害施工人员的生命安全。隧道洞口段往往地形倾斜，地形偏压会造成隧道围岩压力和衬砌应力分布不对称，容易造成部分区域首先失稳破坏，进而影响隧道的整体稳定性。怎样采用合理的辅助施工方法来有效抵抗地形偏压，从而控制施工风险，保障施工进度，是设计和施工中应重点考虑的问题。施作反压护拱能有效加固隧道浅埋侧岩体，减小隧道围岩的地形偏压。不同围岩级别下，反压护拱的合理厚度有所不同。反压护拱施作过薄不能有效加固浅埋侧岩体和抵抗地形偏压，过厚则会增加施工成本，甚至适得其反，会增加支护与衬砌的荷载。因此确定在不同围岩级别下反压护拱的合理厚度，使之即能有效提高隧道稳定性、保障施工安全又能使工程造价经济合理，具有重要意义。3.2藻溪隧道反压护拱施工藻溪隧道YK8+488—YK8+503段为隧道出口浅埋偏压小净距段，围岩为中风化熔结凝灰岩，岩质较坚硬，破碎，水量贫乏。根据测量复测结果显示，YK8+498处开挖线距右侧面覆盖层最小距离为18cm，不能满足开挖要求，极易发生冒顶事故。为了确保洞身开挖安全和质量，需对此浅埋偏压段进行反压混凝土处理后，待反压混凝土达到设计强度后，方可进行暗洞开挖。3.2.1施工方案反压护拱施工，须在管棚安装完成之后进行，避免先施工反压混凝土锚杆导致管棚不能钻设的情况，确保管棚正常施工。反压护拱混凝土浇筑采用泵送法施工，墙身浇筑高度1m/次，采取小方量、慢速度浇筑思路，确保施工过程中的安全。反压护拱施工之前，必须将山体侧岩面上的松动浮石清理干净，避免施工过程中因震动引起浮石下落，砸伤施工人员造成人员伤亡。右线出口浅埋偏压设计图见图3.1，主要工程数量见表3.1，15万方数据 硕士学位论文反压护拱现场图见图3.2。表3.1主要工程数量项目挖方C15砼E6钢筋网片B22砂浆锚杆33数量50m1347m2000kg1007m图3.1右线出口浅埋偏压设计图a)反压护拱近视图b)反压护拱远视图图3.2反压护拱现场图3.2.2施工步骤反压护拱施工工艺流程见图3.3。基础开挖锚杆施工挂网片安装模板浇筑基础砼浇筑反压砼安装模板挂网片钻设下一台阶锚杆图3.3反压护拱施工工艺流程（1）基础施工：首先将距离右洞隧道中心线右侧13m位置处，纵向每5m一个桩进行布设，以该线为标准，向右侧开挖基础台阶，台阶宽度为3m，台阶深度不小于100cm，并且台阶底带有向内侧倾斜1:5的坡度。根据现场地质条件，拟采用光面爆破方式进行16万方数据 第三章反压护拱施工和优化分析开挖。其具体尺寸如图3.4所示。锚杆、网片施工完毕后，安装模板，分2次浇筑完至距地面392cm位置，其中包括基础，第一次浇筑高度2.5m（含基础1m深），第二次2m。图3.4反压护拱基础尺寸（2）反压护拱砼身施工：反压护拱砼身施工分层进行锚杆施工、分层砼浇筑，初步拟定分层浇筑高度为1m，上一层浇筑的砼身作为下一循环施工平台，采用泵送法施工工艺。模板利用预埋φ22螺纹钢作为对称拉杆，φ22螺纹钢采用预埋施工工艺，受力效果较好，有利于提高施工进度。模板采用18mm竹胶板外背方木做为加劲梁，同时木方背后背φ42钢管。其示意图3.5如下：图3.5反压护拱砼身施工示意（3）砼浇筑：砼浇筑采用混凝土泵车进行施工，泵送速度控制为低速，不得施工过快，混凝土浇筑速度不超过2.5m/s。浇筑顺序宜从山体侧往外浇筑，浇筑过程中，采用50震动棒进行振捣。浇筑过程中，设置长3m，宽1m的钢筋架子，用于振捣工人作17万方数据 硕士学位论文业平台，同时，钢筋架子四条腿套PVC管，便于下次浇筑时，拔出架子重新利用。3.2.3施工工艺（1）锚杆施工：锚杆材料为φ22螺纹钢，长度为3.5m，锚固剂采用砂浆，采用先成孔、注入砂浆，后安装锚杆的施工工艺。其施工工艺采用YT-28-300风动钻机钻孔，钻孔直径为Φ42，用风钻顶入，顶入长度为3m，外露50cm深入砼体。其施工流程：测设布孔→凿岩机就位→钻孔→清孔→注入砂浆→植入锚杆锚杆布置形式为纵横间距1.2m×1.2m，呈梅花型布置。其具体布置形式如图3.6：图3.6锚杆布置（2）钢筋网片施工：钢筋网片采用E6（15×15cm）网片，第一层网片铺设距离原地面20cm，为下循环施工预留搭接长度不小于18cm，网片铺设后与钢筋锚杆采用绑扎连接，连接须牢固，不得有松动。第二层网片距离模板20cm，部分与对称拉杆绑扎连接，确保反压砼厚度不小于3m。（3）模板施工：反压砼模板采用1.8cm厚度竹胶板，背面采用5×5cm加劲木条，外背φ42mm钢管3根。预埋钢筋与模板对拉，模板表面处设置5mm后垫板增加受力面积。模板接缝处，采用土工布条填塞，较大漏洞采取有效措施保证不漏浆。（4）砼浇筑：砼浇筑采用混凝土泵车进行浇筑，浇筑方式采用纵向分层浇筑，浇筑过程中采用50振动棒进行振捣，确保混凝土质量。每次混凝土浇筑高度不得大于1m。3.3反压护拱厚度优化分析3.3.1模型建立（1）模型尺寸与边界条件隧道在均质弹性无限域内开挖时，开挖卸载作用会导致一定范围内的围岩位移及应力发生变化。围岩位移及应力的改变，在3倍洞径的范围以外小于5%，在5倍洞径以外小于1%。一般数值模型选取的计算范围为3-5倍洞径。隧道开挖轮廓线采用3心圆，毛洞最大宽度为12m，2洞间中夹岩柱宽6m。模型宽160m，左边界距左洞左边墙65m（大于5倍洞径），右边界距右洞右边墙65m（大于5倍洞径），在左右边界限制X方向的位移。隧道走向与模型Z轴平行，隧道起点为18万方数据 第三章反压护拱施工和优化分析Z等于0米，终点为Z等于-58m，总长58m，在前后2个面约束Z方向位移。底部边界距隧道仰拱56m（约5倍洞径），在底部边界限制Y方向的位移。模型上边界为自然边界。为了解不同厚度的反压护拱对浅埋偏压小净距隧道稳定性的影响，以地面坡度为°35，在Ⅳ级和Ⅴ级围岩条件下建立了几种不同工况的隧道模型，具体工况组合见表3.1和表3.2，部分模型见图3.7。表3.1Ⅳ级围岩反压护拱厚度取值工况1234567反压护拱厚度1m2m3m4m5m6m10m°°°°°°°地面坡度35353535353535表3.2Ⅴ级围岩反压护拱厚度取值工况12345678反压护拱厚度1m2m3m4m5m6m7m10m°°°°°°°°地面坡度3535353535353535a）反压护拱厚1m的隧道模型b)反压护拱厚10m的隧道模型图3.7部分隧道模型（2）围岩级别和支护情况分别对隧道穿越的Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩的情况进行模拟，其中Ⅳ级围岩隧道模型下伏基岩为Ⅲ级围岩，Ⅴ级围岩隧道模型下伏基岩为Ⅳ级围岩。注浆加固区为浅埋侧地表。围岩材料采用摩尔库伦破坏准则。隧道初衬由25cm厚C20喷硂、E6定型钢筋焊接网和18号工字钢拱架（纵向间距0.5m）联合组成，用壳单元模拟。反压护拱由C15混凝土浇筑而成。围岩、注浆加固区和支护结构的材料参数从第二章表2.1提供的数据中选取。（3）开挖方法与计算流程对偏压小净距隧道左右洞开挖次序的研究表明：先开挖浅埋侧左线隧道时，隧道围岩屈服接近度和变形位移相对较小，同时初衬轴力和弯矩分布更为合理。本文选择先开19万方数据 硕士学位论文挖浅埋侧左线隧道后开挖右线隧道。具体计算步骤如下：第一步：建立数值模型，设置边界条件，模型参数赋值，计算至平衡，生成自重应力场。第二步：激活反压护拱模型，改变隧道浅埋侧地表材料参数，模拟地表注浆加固，计算至平衡。第三步：清零自重应力场、反压护拱施工和地表注浆产生的初始位移，全断面一次性挖通左洞58m，在模型左洞施加初衬，计算至平衡。第四步：全断面一次性挖通右洞58m，在模型右洞施加初衬，计算至平衡。3.3.2Ⅳ级围岩计算结果对比分析（1）围岩位移对比分析拱顶下沉、周边位移和仰拱隆起是衡量隧道围岩收敛变形的重要指标。隧道开挖后围岩变形超过预留变形量容易产生侵界现象，影响隧道的正常营运。若围岩变形剧烈，隧道甚至有失稳塌方的风险。了解不同厚度的反压护拱下隧道围岩的位移变形规律，能更科学地指导反压护拱的设计和施工，使隧道施工更经济合理。分析Z=-30m断面处的围岩位移变形情况。图3.8给出了隧道开挖后部分工况下隧道的位移云图。表3.3给出了拱顶下沉、周边位移和仰拱隆起的具体数值。拱顶下沉、周边位移和仰拱隆起随反压护拱厚度变化曲线见图3.9、图3.10和图3.11。从图3.8看出，由于受到偏压作用左洞和右洞的最大竖直位移均出现在右拱肩处，右洞最大竖直位移大于左洞最大竖直位移，左洞和右洞洞仰拱隆起显著；左洞和右洞的最大水平位移均出现在右拱肩处，左洞最大水平位移大于右洞最大水平位移。从拱顶下沉变化情况来看，随着反压护拱厚度的增加，左洞拱顶下沉由向上隆起转变为向下沉降。反压护拱厚度为1m时，左洞拱顶沉降为向上隆起0.7mm。反压护拱厚度增加，左洞拱顶隆起值逐渐变小。当反压护拱厚度达到10m时，左洞拱顶沉降变为向下沉降0.11mm；随着反压护拱厚度的增加，右洞拱顶下沉出现小幅度的波动，先缓慢减小后缓慢增加。反压护拱厚度为1m时，右洞拱顶下沉为向下沉降2.31mm。反压护拱厚度增加，右洞拱顶下沉值逐渐变小。当反压护拱厚度达到6m时，右洞拱顶下沉降减小为向下沉降2.23mm。反压护拱厚度继续增加，右洞拱顶下沉降量缓慢增大。当反压护拱厚度达到10m时，右洞拱顶沉降变为向下沉降2.25mm。反压护拱厚度增加对左洞拱顶下沉影响大而对右洞拱顶下沉影响小。20万方数据 第三章反压护拱施工和优化分析从周边位移的变化情况看，随着反压护拱厚度的增加，左洞周边位移向洞内收敛的幅度逐渐减小。反压护拱厚度为1m时，左洞周边位移为向洞内收敛1.99mm。反压护拱厚度增加，左洞周边位移值逐渐变小。当反压护拱厚度达到10m时，左洞周边位移减小为向内收敛1.55mm，相比护拱厚度为1m时，减小了0.44mm；随着反压护拱厚度的增加，右洞周边位移由向外扩张逐渐转变为向内收敛。反压护拱厚度为1m时，右洞周边位移为向外扩张0.18mm。反压护拱厚度增加，右洞周边位移逐渐向洞内收敛。当反压护拱厚度达到4m时，右洞周边位移由之前的向外扩张变为向内收敛0.02mm。当反压护拱厚度达到10m时，右洞周边位移为向内收敛0.18mm。从仰拱隆起情况看，反压护拱厚度为1m时，左洞仰拱隆起为2.07mm。随着反压护拱厚度增加，左洞仰拱隆起加剧。当反压护拱厚度达到10米时，左洞仰拱隆起增加到了2.40mm，相对反压护拱厚度为1m时，左洞仰拱隆起增加了0.33mm；反压护拱厚度为1m时，右洞仰拱隆起为3.53mm。随着反压护拱厚度增加，右洞仰拱隆缓慢增长。当反压护拱厚度达到10米时，右洞仰拱隆起增加到了3.57mm，相对反压护拱厚度为1m时，右洞仰拱隆起增加了0.04mm。施作反压护拱会加剧左右洞仰拱隆起，对左洞仰拱影响尤其显著。开挖后应及时施作仰拱，初衬封闭成环，限制仰拱隆起，增加隧道的稳定性。a)护拱厚1m时围岩竖值位移云图b)护拱厚1m时围岩水平位移云图c)护拱厚4m时围岩竖值位移云图d)护拱厚4m时围岩水平位移云图21万方数据 硕士学位论文e)护拱厚10m时围岩竖值位移云图f)护拱厚10m时围岩水平位移云图图3.8Ⅳ级围岩部分工况下隧道围岩位移云图表3.3Ⅳ级围岩不同工况下隧道收敛变形值(单位：mm)护拱厚度/m1.002.003.004.005.006.0010.00左洞拱顶下沉0.700.590.460.360.280.18-0.11右洞拱顶下沉-2.31-2.28-2.26-2.25-2.24-2.23-2.25左洞周边位移-1.99-1.92-1.88-1.84-1.81-1.78-1.55右洞周边位移0.180.100.03-0.02-0.07-0.11-0.18左洞仰拱隆起2.072.112.142.182.222.242.40右洞仰拱隆起3.533.533.543.543.543.543.57注：拱顶下沉和仰拱隆起的数值为正表示向上拱起，为负表示向下沉降；周边位移的数值为正表示向洞外扩张，为负表示洞内收敛。图3.9Ⅳ级围岩隧道拱顶下沉随反压护拱厚度变化曲线22万方数据 第三章反压护拱施工和优化分析图3.10Ⅳ级围岩隧道周边位移随反压护拱厚度变化曲线图3.11Ⅳ级围岩隧道仰拱起随反压护拱厚度变化曲线（2）围岩应力集中系数对比分析隧道开挖会破坏围岩的初始应力场，隧道围岩的初始应力会在一定范围内重新分布，从而在某些区域出现应力集中现象。本文将围岩应力集中系数定义为隧道开挖后围[45,46]岩应力与原岩应力的比值。即：应力集中系数=开挖后围岩应力/原岩应力。本文用Von-Mises等效应力来计算围岩应力集中系数。Von-Mises等效应力表达式为:1222e=122313(3.1)2式中、和分别表示第一、第二和第三主应力。1233D通过FLAC后处理可以获得单元体的3个主应力、和。通过公式2计算123得到单元体Von-Mises等效应力。计算了隧道Z等于-30米断面处，隧道围岩中1.4e23万方数据 硕士学位论文米深处16个点的应力集中系数，16个点在隧道围岩中的分布位置如图3.12所示。16个点的应力集中系数随反压护拱厚度变化曲线见图3.13和图3.14。从应力集中系数大小来看，1号点、8号点、9号点、10号点、11号点、12号点、13号点、14号点和16号点的应力集中系数相对其它点较大。这些点分布在隧道中夹岩柱、左洞右拱脚、右洞拱脚和右边墙处。总体来看，右洞的应力集中程度大于左洞，右洞受力情况较恶劣。中夹岩柱、左洞右拱脚、右洞拱脚和右边墙处是施工中应重点关注的部位。从应力集中系数变化情况来看，1号点、3号点、4号点、7号点、9号点、10号点、11号点、12号点、13号点、15号点和16号点的应力集中系数随反压护拱厚度增加而逐渐减小，其中1号点、7号点和13号点的应力集中系数减小幅度相对较大。1号点的应力集中系数从3.19减小到2.73，减小了0.46。7号点的应力集中系数从1.30减小到0.95，减小了0.35。13号点的应力集中系数从2.45减小到2.16，减小了0.25；6号点、8号点和14号点的应力集中系数增加，其中6号点的应力集中系数增加幅度最大，从0.37增加到1.08，增加了0.71；2号点和5号点的应力集中系数先减小后增加。总体来说，随着反压护拱厚度的增加，隧道围岩应力集中现象逐步得到缓解，围岩受力状态逐渐变好。图3.12应力集中系数计算点编号示意图24万方数据 第三章反压护拱施工和优化分析图3.13Ⅳ级围岩左洞1至8号点应力集中系数变化曲线图3.14Ⅳ级围岩右洞9至16号点应力集中系数变化曲线（3）围岩塑性区对比分析围岩进入塑性区后，自稳能力降低，会造成围岩和支护结构的应力集中加剧，隧道整体受力状态恶化。围岩塑性区大范围出现甚至会造成隧道失稳塌方，严重威胁施工人员的生命安全，影响施工进度。不同工况下围岩塑性区的分布不同。了解围岩塑性区的分布规律以及随反压护拱厚度的变化情况可以更好的指导设计和施工。3D图3.15给出了部分反压护拱厚度下的隧道围岩塑性区分布图。可以利用FLAC内置Fish语言编程获得围岩塑性区的体积大小。通过限制计算范围，不计算边坡坡脚的塑性区体积，得到了隧道围岩塑性区的体积。不同反压护拱厚度下的隧道围岩塑性区体积大小见表3.4。隧道围岩塑性区体积随反压护拱厚度变化曲线见图3.16。随着反压护拱厚度增加，隧道围岩塑性区的体积先增加后减小。反压护拱厚度从1m33增加到2m时，隧道围岩塑性区体积迅速增加，从431.03m猛增到649.41m，增加了25万方数据 硕士学位论文3218.38m，相比之前增加了近51%的体积；反压护拱厚度从2m增加到4m时，隧道围333岩塑性区体积迅速减小，从649.41m猛减到155.84m，减小了493.57m，相比护拱厚4m时，减小了近76%的体积；在反压护拱厚度到达4m厚之后，反压护拱厚度继续增加，隧道围岩塑性区缓慢减小。反压护拱厚度达10m时，隧道围岩塑性区体积为3104.71m。从隧道围岩塑性区体积随反压护拱的厚度变化情况看，反压护拱施作厚度达到4m时，隧道围岩塑性区体积显著减小，能有效限制围岩塑性区的发展。反压护拱厚度继续增加能减小围岩塑性区体积，但是效果不显著。从限制塑性区发展、工程造价经°济合理的角度考虑，在Ⅳ级围岩，地面坡度为35，拱肩埋深2m的条件下，地表注浆加固后，宜再施作4m厚的反压护拱。从围岩塑性区的发生部位看，反压护拱厚度较薄时，围岩塑性区集中在左洞拱顶地表未注浆区、反压护拱自身、右洞右拱脚和山体坡脚处；反压护拱厚度增加后，围岩塑性区集中在右洞右拱脚和山体坡脚处。值得注意的是，山体坡脚一定范围内出现塑性破坏区，塑性区不随反压护拱的施作而消失。反压护拱施作后应注意对坡脚的保护。从隧道围岩塑性区体积随反压护拱的厚度变化情况看，反压护拱施作厚度达到4m时，隧道围岩塑性区体积显著减小，能有效限制围岩塑性区的发展。反压护拱厚度继续增加能减小围岩塑性区体积，但是效果不显著。从限制塑性区发展、工程造价经济合理°的角度考虑，在Ⅳ级围岩、地面坡度为35、拱肩埋深2m的条件下，地表注浆加固后，宜再施作4m厚的反压护拱。a)反压护拱厚度为1m时塑性区分布图b)反压护拱厚度为2m时塑性区分布图26万方数据 第三章反压护拱施工和优化分析c)反压护拱厚度为4m时塑性区分布图d)反压护拱厚度为10m时塑性区分布图图3.15Ⅳ级围岩部分工况下的塑性区分布图3表3.4Ⅳ级围岩塑性区体积(单位：m)护拱厚度/m1.002.003.004.005.006.0010.00剪切破坏体积203.72150.52174.11145.8143.24121.9098.24拉伸破坏体积227.31498.89176.7110.048.615.516.47塑性区总体积431.03649.41350.82155.84151.85130.41104.71图3.16Ⅳ级围岩塑性区体积随反压护拱厚度变化曲线3.3.3Ⅴ级围岩计算结果对比分析（1）围岩位移对比分析分析Z=-30m断面处的围岩位移变形情况。图3.17给出了左洞和右洞开挖后部分反压护拱厚度下隧道围岩的位移云图。从图3.17看出，由于受到偏压作用，隧道围岩最大竖直位移出现在右洞右拱肩处；隧道围岩最大水平位移出现在左洞右拱肩处；仰拱隆起显著，右洞仰拱隆起大于左洞。Ⅴ级围岩的位移云图与Ⅳ级围岩的位移云图类似。表3.5给出了拱顶下沉、周边位移和仰拱隆起的具体数值。拱顶下沉、周边位移和27万方数据 硕士学位论文仰拱隆起随反压护拱厚度变化曲线见图3.18、图3.19和图3.20。从拱顶下沉变化情况来看，反压护拱厚度增加能限制并减小左洞拱顶的隆起和右洞拱顶的沉降。随着反压护拱厚度增加，左洞拱顶隆起值逐渐减小。拱顶隆起从最初的向上隆起1.79mm逐渐减小到0.4mm，减小了1.39mm；左洞拱顶沉降值逐渐减小。拱顶沉降从最初的向下沉降2.05mm逐渐减小到1.89mm，减小了0.16mm。与右洞相比，反压护拱厚度增加对左洞拱顶沉降影响较大。从周边位移变化情况来看，反压护拱厚度增加，左洞和右洞周边位移变化趋势不同，左洞周边位移减小，右洞周边位移增加。反压护拱厚度为1m时，左洞周边位移为向内收敛2.98mm，右洞周边位移为向内收敛0.23mm。随着反压护拱厚度增加，左洞周边位移逐渐减小，右洞周边位移逐渐增加，当反压护拱厚度达10m时，左洞周边位移为向内收敛2.15mm，相比反压护拱厚1m时，减小了0.83mm；右洞周边位移为向内收敛0.68mm，相比反压护拱厚1m时，增加了0.45mm。从仰拱隆起情况看，反压护拱厚度增加会引起隧道仰拱隆起加剧，其中左洞仰拱隆起对反压护拱的厚度增加较右洞敏感，这与Ⅳ级围岩下的变化规律相似。a)护拱厚1m时围岩竖值位移云图b)护拱厚1m时围岩水平位移云图c)护拱厚5m时围岩竖值位移云图d)护拱厚5m时围岩水平位移云图28万方数据 第三章反压护拱施工和优化分析e)护拱厚10m时围岩竖值位移云图f)护拱厚10m时围岩水平位移云图图3.17Ⅴ级围岩部分工况下隧道围岩位移云图表3.5Ⅴ级围岩不同工况下隧道收敛变形值(单位：mm)护拱厚度/m1.002.003.004.005.006.007.0010.00左洞拱顶下沉1.791.521.311.090.910.770.670.40右洞拱顶下沉-2.05-1.98-1.95-1.92-1.91-1.90-1.88-1.89左洞周边位移-2.98-2.8-2.68-2.59-2.51-2.45-2.41-2.15右洞周边位移-0.23-0.33-0.4-0.47-0.54-0.59-0.64-0.68左洞仰拱隆起2.442.492.562.602.642.692.742.89右洞仰拱隆起3.903.913.913.913.913.903.913.93注：拱顶下沉和仰拱隆起的数值为正表示向上拱起，为负表示向下沉降；周边位移的数值为正表示向洞外扩张，为负表示洞内收敛。图3.18Ⅴ级围岩隧道拱顶下沉随反压护拱厚度变化曲线29万方数据 硕士学位论文图3.19Ⅴ级围岩隧道周边位移随反压护拱厚度变化曲线图3.20Ⅴ级围岩隧道仰拱隆起随反压护拱厚度变化曲线（2）围岩应力集中系数对比分析计算了隧道Z=-30m断面处，隧道围岩中1.4米深处16个点的应力集中系数，16个点在隧道围岩中的分布位置如图3.12所示。16个点的应力集中系数随反压护拱厚度变化曲线见图3.21和图3.22。从应力集中系数大小来看，中夹岩柱、右洞右边墙和右洞右拱脚的应力集中系数在2.0以上，是应力集中现象显著部位。右洞的应力集中系数普遍大于左洞，右洞受力环境较左洞恶劣。从应力集中系数变化情况来看，反压护拱厚度增加仅5号点、8号点和14号点应力集中系数增加，其余各点应力集中系数均减小。其中1号点、7号点和13号点的应力集中系数减小幅度较大，1号点的应力集中系数从3.46减小到了3.01，7号点的应力集中30万方数据 第三章反压护拱施工和优化分析系数从1.55减小到了1.18，13号点的应力集中系数从2.82减小到了2.34。8号点的应力集中系数增加幅度较大，从1.79增加到了2.03。反压护拱厚度增加，浅埋侧岩体与中夹岩柱的应力集中现象得到缓解，但是中夹岩柱的应力集中系数依然比较大，数值在2.0以上，需要重点加固处理。图3.21Ⅴ级围岩左洞1至8号点应力集中系数变化曲线图3.22Ⅴ级围岩右洞9至16号点应力集中系数变化曲线（3）围岩塑性区对比分析图3.23给出了部分埋深下隧道围岩塑性区分布图。不同工况下隧道围岩塑性区体积大小见表3.6。隧道围岩塑性区体积随反压护拱厚度的变化曲线见图3.24。随着反压护拱厚度增加，隧道围岩塑性区体积先迅速减小，然后缓慢增加。反压护拱厚1m时，浅埋侧岩体出现拉伸塑性区，中夹岩柱出现大范围剪切塑性区，右洞右拱3脚围岩出现剪切塑性区，隧道围岩塑性区总体积为1418.50m。反压护拱厚度为5m时，3隧道围岩塑性区体积最小，为163.15m。反压护拱厚度继续增加，隧道围岩塑性区体积31万方数据 硕士学位论文3逐渐增加，反压护拱厚度增加到10m时，隧道围岩塑性区体积增加到了488.28m。当反压护拱厚度在2m以上时，浅埋侧岩体和中夹岩柱的塑性区基本消失，围岩塑性区主要集中在山体坡脚与右洞右拱脚处，此时应注意保护山体坡脚与右洞右拱脚。从隧道围岩塑性区体积随反压护拱的厚度变化情况看，反压护拱厚5m时，隧道围°岩塑性区体积最小。从限制塑性区的发展考虑，在Ⅴ级围岩、地面坡度为35、拱肩埋深2m的条件下，地表注浆加固后，宜再施作5m厚的反压护拱。a)反压护拱厚度为1m时塑性区分布图b)反压护拱厚度为2m时塑性区分布图c)反压护拱厚度为5m时塑性区分布图d)反压护拱厚度为10m时塑性区分布图图3.23Ⅴ级围岩部分工况下的围岩塑性区分布图3表3.6Ⅴ级围岩塑性区体积(单位：m)护拱厚度/m1.002.003.004.005.006.007.0010.00剪切破坏体积1418.50478.40349.06279.54163.15277.04281.69481.22拉伸破坏体积396.290.002.803.430.000.0014.087.06塑性区总体积1814.79478.40351.86282.97163.15277.04295.77488.2832万方数据 第三章反压护拱施工和优化分析图3.24Ⅴ级围岩塑性区体积随反压护拱厚度变化曲线3.4本章小结°3D在地面坡度为35、小净距隧道浅埋侧拱肩埋深为2m的情况下，运用FLAC有限差分软件模拟了不同厚度反压护拱下Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩的位移、应力集中系数以及塑性区的分布情况，并将不同情况下的围岩位移和力学特征进行了对比分析。得到了以下结论：（1）右洞右拱肩处最大竖直位移最大，左洞右拱肩处水平位移最大，右洞仰拱隆起值大于左洞。反压护拱厚度增加，左洞仰拱隆起加剧，右洞仰拱隆起稍有增加；对于Ⅳ级围岩，反压护拱厚度增加，左洞拱顶下沉由向上隆起变为向下沉降，周边位移减小。右洞拱顶下沉减小，周边位移由向外扩张变为向内收敛；对于Ⅴ级围岩，反压护拱厚度增加，左洞拱顶向上隆起减小，周边位移减小。右洞拱顶下沉减小，周边位移增加；（2）隧道右洞应力集中程度大于左洞。中夹岩柱、左洞右拱脚、右洞拱脚和右边墙处应力集中系数相对较大。随着反压护拱厚度增加，隧道左洞浅埋侧拱肩、左洞拱顶和中夹岩柱的应力集中系数显著减小；（3）根据围岩塑性区体积随反压护拱厚度的变化情况，建议在地表注浆加固后，Ⅳ级围岩宜施作4m厚的反压护拱，Ⅴ级围岩宜施作5m厚的反压护拱。33万方数据 硕士学位论文第四章Ⅳ级围岩开挖方案优化与施工过程分析4.1前言隧道开挖施工会形成新的临空面，围岩可以向洞内移动，应力重新分布，从而形成了二次应力状态。由于围岩应力路径的存在，不同开挖方法会引起围岩受力变形的不同。合适的施工方法能充分发挥围岩的自稳能力，提高隧道的安全性，节约工程费用，加快工程进度。上一章通过研究浅埋偏压小净距隧道围岩位移、应力集中系数以及围岩的塑性区随反压护拱厚度的变化情况，确定了小净距隧道在Ⅳ级围岩中施作4m厚的反压护拱较为合理。本章拟分析在施作4m厚反压护拱后，施工方法不同时，浅埋偏压小净距隧道的受力变形的情况，优选出合理的施工方案，并分析隧道在优选方案施工过程中的稳定性。4.2Ⅳ级围岩开挖方案优化3D在Ⅳ级围岩条件下，利用有限差分软件Flac模拟上下台阶法开挖和先行洞台阶法—后行洞上台阶导洞法（简称台阶—导洞法）开挖的施工过程，通过对比分析两种方案下隧道围岩位移、应力集中系数和围岩塑性区分布，综合确定最优施工方案。4.2.1模型的建立（1）模型尺寸和边界条件模型的大小和边界条件与第三章中的反压护拱厚度为4m的模型相同，模型如图4.1所示。图4.14m厚的反压护拱隧道模型34万方数据 第四章Ⅳ级围岩开挖方案优化与施工过程分析（2）围岩级别和支护情况隧道穿越的岩层为Ⅳ级围岩，Ⅳ级围岩模型下伏基岩为Ⅲ级围岩。浅埋侧地表进行注浆加固。反压护拱高15m，厚4m，在山体坡脚沿隧道走向方向施作，由C15砼、E6钢筋网片和B22砂浆锚杆构成。隧道拱顶180度范围内施工小导管注浆超前加固，加固区厚度为1.5m，如图4.2所示。隧道初衬由25cm厚C20喷硂、E6定型钢筋焊接网和18号工字钢拱架（纵向间距0.5m）联合组成。中空注浆锚杆长3m，隧道双洞环向每2m共布设44根。锚杆和初衬模型如图4.3所示。围岩和支护结构的材料参数根据第二章中的表2.1选取。图4.2小导管超前注浆加固区图4.3初衬和锚杆模型（3）开挖与计算流程上下台阶法开挖示意图见图4.4。每次循环开挖2m，首先开挖左洞上台阶（1部分），左洞下台阶（2部分）落后上台阶24m开挖。左洞全部挖通后再开挖右洞上台阶（3部分），右洞下台阶（4部分）落后上台阶24m开挖。a)台阶法正视图b)台阶法侧视图图4.4台阶法开挖示意图先行洞台阶法—后行动洞上台阶导洞法（台阶—导洞法）施工工序见图4.5。每次循环开挖2m，首先开挖左洞上台阶（1部分），左洞上台阶开挖24m后，开挖左洞下台阶（2部分）。左洞全部挖通后再开挖右洞，右洞上台阶导洞（3部分）超前右洞上台阶（4部分）14m，开挖右洞上台阶时，拆除导洞右侧的临时支护，右洞下台阶（535万方数据 硕士学位论文部分）落后右洞上台阶10m开挖。a)台阶—导洞法正视图b)台阶—导洞法侧视图图4.5台阶—导洞法开挖示意图3D采用Flac有限差分软件内嵌Fish语言编程来控制施工开挖过程。隧道施工每循环开挖2m，开挖后改变超前加固区的材料参数模拟超前注浆加固，施加壳单元模拟初衬施工，施加锚索单元模拟锚杆施工。4.2.2结果对比分析（1）围岩位移对比分析隧道开挖后，围岩应力重分布，隧道周围围岩卸载变形。隧道拱顶下沉和周边位移是评价隧道稳定性的重要指标。小净距隧道净距小，左右洞相互扰动显著。中夹岩柱受力变形复杂，是隧道施工中的薄弱环节，因此，十分有必要对中夹岩柱的位移变形特征进行相关分析。选取了中夹岩柱内的12个点，每个点间距1m，最高点距隧道底部11m，如图4.6所示。分析隧道Z=-30m断面处围岩的拱顶下沉、周边位移、仰拱隆起和中夹岩柱的水平位移。两种施工方案下隧道拱顶下沉、周边位移和仰拱隆起数值见表4.1，中夹岩柱关键点的水平位移值见表4.2，中夹岩柱关键点的水平位移图见图4.7。从表4.1可以看出，同种施工方案下，右洞拱顶下沉和仰拱隆起值大于左洞，这是由于在地形偏压作用下，右洞垂直方向受到的地应力较大，右洞开挖后拱顶下沉和仰拱隆起较大。左洞周边位移值大于右洞，这是由于左洞浅埋侧拱肩处岩层较薄，仅有2m，施作完反压护拱后，覆盖层也只有6m，隧道开挖后浅层岩体位移较大，导致左洞周边位移值大于右洞；施工方案不同时，台阶—导洞法施工引起的拱顶沉降、周边位移均小于上下台阶法施工，仅左洞仰拱隆起大于上下台阶法施工0.01mm。从表4.2和图4.7可以看出，施工方案相同时，隧道开挖后，中夹岩柱距隧道底部8米处水平位移最大。中夹岩柱底部向X正方向位移，中夹岩柱顶部向X负方向位移，中夹岩柱发生水平错动，有发生剪切破坏的风险；施工方案不同时，台阶—导洞法施工引36万方数据 第四章Ⅳ级围岩开挖方案优化与施工过程分析起的中夹岩柱位移绝对值均小于等于上下台阶法施工。从拱顶沉降、周边位移和中夹岩柱位移考虑，台阶—导洞法施工优于上下台阶法施工。表4.1隧道收敛变形值（单位：mm）施工方案上下台阶法台阶—导洞法左洞拱顶下沉-0.32-0.31右洞拱顶下沉-3.21-3.14左洞周边位移-1.98-1.95右洞周边位移-0.91-0.87左洞仰拱隆起2.382.39右洞仰拱隆起3.893.86图4.6中夹岩柱水平位移计算点编号示意图表4.2中夹岩柱关键点的水平位移值（单位：mm）施工方案上下台阶法台阶—导洞法施工方案上下台阶法台阶—导洞法Z1号点0.530.53Z7号点-1.35-1.32Z2号点0.070.06Z8号点-1.48-1.46Z3号点0.070.06Z9号点-1.48-1.46Z4号点-0.61-0.58Z10号点-1.48-1.46Z5号点-0.61-0.58Z11号点-1.24-1.24Z6号点-1.35-1.32Z12号点-1.24-1.2437万方数据 硕士学位论文图4.7中夹岩柱关键点的水平位移图（2）应力集中系数对比分析计算了隧道Z=-30m断面处，两种施工方案中，隧道围岩中1.4m深处16个点的应力集中系数，具体数值见表4.3和表4.4。16个点在隧道围岩中的分布位置如图4.8所示。施工方案相同时，从应力集中系数大小来看，在偏压作用下，右洞的应力集中程度大于左洞，右洞受力情况较左洞恶劣。1号点、8号点、9号点、12号点、13号点和16号点的应力集中系数相对较大，主要集中在中夹岩柱和右洞右拱脚处，表明这些区域应力显著，受力环境恶劣，在施工中需对这些区域重点关注，必要时可施加锚杆和注浆加固，提高该区域的稳定性。施工方案不相同时，台阶—导洞法计算得到的应力集中系数均小于或等于上下台阶法，但是减小程度不显著。表明：相比上下台阶法施工，台阶—导洞法施工能稍微减小隧道围岩的应力集中程度，但是还是需要对围岩应力集中区域进行加固处理。图4.8应力集中系数计算点编号示意图38万方数据 第四章Ⅳ级围岩开挖方案优化与施工过程分析表4.3左洞1至8号点的应力集中系数施工方案1点2点3点4点5点6点7点8点上下台阶法3.180.870.850.890.810.861.102.40台阶—导洞法3.140.870.850.890.810.861.102.37表4.4右洞9至16号点的应力集中系数施工方案9点10点11点12点13点14点15点16点上下台阶法2.281.381.372.282.991.570.702.07台阶—导洞法2.241.361.332.212.891.570.702.05（3）围岩塑性区与屈服接近度对比分析图4.9给出了两种施工方案中围岩的塑性区分布图。两种施工方案中围岩塑性区的体积见表4.5。屈服接近度（YAI）是一个能够评价复杂应力状态下围岩危险性程度的指标，能够[47-50]合理地定量评价围岩接近塑性屈服的程度。相对于某一强度理论屈服接近度（YAI）可以定义为：空间应力状态下的一点沿最不利应力路径到屈服面的距离与相应的最稳定参考点在相同罗德角方向上沿最不利应力路径到屈服面的距离之比，即描述了一点的现时状态与相对最安全状态的参量的比。屈服接近度YAI的值域为[0，1]，YAI=0时，应力点在屈服面上，发生屈服，YAI=1时，应力点在等倾线上，处于相对安全状态。屈服接近度越小，围岩越容易进入屈服状态。对于Mohr-Coulomb屈服准则和拉伸屈服准则，屈服接近度YAI的计算公式为:13R2YAI（4.1）T113R2tRsincossinsin/3ccost式中：；；ccos；；c，R321sin分别为黏聚力和内摩擦角；为应力Lode角；为抗拉强度；，分别为π平t面上的法向应力和剪应力分量；为接剪转换应力。R图4.10给出了两种开挖方案下围岩的屈服接近度云图。图4.11中红色区域显示的单元体表示即将进入屈服状态的围岩（屈服接近度小于0.05）。两种施工方案中即将进入屈服状态的围岩体积见表4.6。39万方数据 硕士学位论文施工方案相同时，围岩塑性区主要集中在隧道右洞右拱腰处。岩柱中部屈服接近度大部分区域在0.3到0.4之间，中夹岩柱拱腰处屈服接近度小于0.2，左洞浅埋侧岩体、左洞右拱肩、右洞右拱肩和左右洞仰拱右侧的屈服接近度小于0.1。施工方案不同时，台阶—导洞法施工产生的围岩塑性区较小，比上下台阶法施工围岩塑性区减小了约12%。台阶—导洞法施工时，即将进入塑性区的围岩体积较上下台阶法施工时小，减小了约11%。从限制围岩塑性区的发展考虑，先行洞台阶法—后行洞上台阶导洞法（台阶—导洞法）施工优于上下台阶法施工。3表4.5围岩塑性区体积（单位：m）施工方案上下台阶法台阶—导洞法剪切塑性区体积15.5476.12拉伸塑性区体积83.1310.63塑性区总体积98.6786.753表4.6即将进入屈服状态的围岩体积（单位：m）施工方案上下台阶法台阶—导洞法围岩体积1120.40997.09a)上下台阶法围岩塑性区b)台阶—导洞法围岩塑性区图4.9隧道围岩塑性区分布图a)上下台阶法围岩屈服接近度云图b)台阶—导洞法围岩屈服接近度云图图4.10隧道围岩屈服接近度云图40万方数据 第四章Ⅳ级围岩开挖方案优化与施工过程分析a)台阶法中即将屈服的围岩b)台阶—导洞法中即将屈服的围岩图4.11即将屈服的围岩分布图4.3台阶—导洞法开挖过程分析上节研究了Ⅳ级围岩条件下，不同开挖方法对隧道最终稳定性的影响，确定了先行洞台阶法—后行洞上台阶导洞法（台阶—导洞法）开挖优于上下台阶法开挖。本节拟研究台阶—导洞法开挖过程中隧道围岩位移、应力和塑性区的变化特征，为科学指导隧道开挖施工提供可靠依据。取Z=-30m断面为科研考察断面。隧道开挖通过考察断面分为5个阶段：第一阶段为左洞上台阶通过考察断面；第二阶段为左洞下台阶通过考察断面；第三阶段为右洞上台阶导洞通过考察断面；第四阶段为右洞上台阶通过考察断面；第五阶段为右洞下台阶通过考察断面。4.3.1开挖过程中围岩位移分析分析隧道拱顶、拱腰、仰拱和中夹岩柱的关键点在隧道开挖五个阶段中的位移特征，关键点在围岩中的分布如图4.12所示。开挖过程中隧道左洞关键点的位移值见表4.7，右洞关键点的位移值见表4.8，中夹岩柱关键点的位移值见表4.9。左洞和右洞关键点位移随开挖过程的变化曲线见图4.13，中夹岩柱关键点水平位移随开挖过程的变化曲线见图4.14。从表4.7、表4.8和图4.13看出，在左洞和右洞开挖过程中，左右洞相互扰动对竖直位移的影响不显著。左洞拱顶下沉和仰拱隆起主要发生在左洞开挖过程中。右洞拱顶下沉和仰拱隆起主要发生在右洞上台阶和下台阶开挖过程中。在左洞和右洞开挖过程中，左右洞相互扰动对水平位移影响显著。A、E、G和H关键点在隧道开挖过程中水平位移出现往返运动，其中A、E和G这3个关键点尤为显著。A关键点位于左洞右拱腰，其往返运动主要发生在左洞下台阶开挖与右洞导洞开挖阶段；E关键点位于右洞右拱腰，其往返运动主要发生在右洞上台阶开挖与右洞下台阶开挖阶段；G关键点位于右洞左拱腰，其往返运动主要发生在右洞导洞开挖、右洞上台41万方数据 硕士学位论文阶开挖和右洞下台阶开挖阶段。关键点交错往返运动会导致围岩反复加载卸载，降低围岩强度，扩大围岩松动区的范围。A、E和G关键点位于隧道拱腰处，在施工中应予以重点关注。浅埋偏压小净距隧道在台阶—导洞法施工过程中的围岩水平位移特征表现为拱顶与仰拱处围岩反向运动，拱腰处围岩做往返运动。从表4.9和图4.14可以看出，在隧道左洞开挖过程中，中夹岩柱整体向X负方向位移，中夹岩柱上部位移值大于下部位移值，随着右洞各部分陆续开挖通过考察断面，中夹岩柱上部沿X负方向位移值增大，中夹岩柱下部开始沿X正方向位移，中夹岩柱开始出现水平错动，并且水平错动值随着右洞的施工而增加。中夹岩柱的水平错动使围岩处于剪压状态，对围岩受力极为不利，在右洞开挖过程中应加强对中夹岩柱的保护，必要时可以进行注浆加固和施加对拉锚杆等辅助施工措施。图4.12隧道围岩和中夹岩柱的关键点示意图表4.7左洞关键点位移值（单位：mm）关键点编号ABCD水平竖直水平竖直水平竖直水平竖直位移分量位移位移位移位移位移位移位移位移第一阶段0.20-0.46-0.52-0.640.550.500.341.48第二阶段-0.91-0.63-0.58-0.430.910.720.642.30第三阶段-0.80-0.62-0.63-0.410.940.730.772.34第四阶段-0.94-0.64-0.74-0.370.950.740.852.38第五阶段-1.03-0.67-0.90-0.310.930.760.922.3942万方数据 第四章Ⅳ级围岩开挖方案优化与施工过程分析表4.8右洞关键点位移值（单位：mm）关键点编号EFGH水平竖直水平竖直水平竖直水平竖直位移分量位移位移位移位移位移位移位移位移第一阶段-0.11-0.05-0.24-0.14-0.11-0.10-0.07-0.06第二阶段-0.24-0.06-0.42-0.19-0.39-0.07-0.20-0.04第三阶段-0.33-0.13-0.81-0.64-0.020.18-0.190.19第四阶段0.17-1.22-1.23-2.57-0.140.090.322.77第五阶段-0.82-1.74-1.40-3.140.050.030.753.86表4.9中夹岩柱关键点水平位移值（单位：mm）施工方案第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段第五阶段Z1点0.00-0.130.120.360.53Z2点0.05-0.25-0.010.030.08Z3点0.05-0.25-0.010.030.08Z4点-0.06-0.52-0.35-0.52-0.58Z5点-0.06-0.52-0.35-0.52-0.58Z6点-0.46-0.84-0.79-1.09-1.32Z7点-0.46-0.84-0.79-1.09-1.32Z8点-0.62-0.88-0.94-1.20-1.46Z9点-0.62-0.88-0.94-1.20-1.46Z10点-0.62-0.88-0.94-1.20-1.46Z11点-0.56-0.75-0.85-1.01-1.24Z12点-0.56-0.75-0.85-1.01-1.24a)左洞关键点水平位移随施工变化曲线43万方数据 硕士学位论文b）右洞关键点水平位移随施工变化曲线c）左洞关键点竖直位移随施工变化曲线d)右洞关键点竖直位移随施工变化曲线图4.13左洞和右洞关键点位移随施工变化曲线44万方数据 第四章Ⅳ级围岩开挖方案优化与施工过程分析图4.14中夹岩柱水平位移随施工变化曲线4.3.2开挖过程中围岩最小主应力分析3D在Flac有限差分软件对应力符号的规定中，单元体受压为负，受拉为正。通过查看围岩最小主应力云图可以了解围岩受压应力集中区域和围岩潜在受拉区域，对指导设计和施工有积极作用。开挖过程中隧道围岩最小主应力分布云图如图4.15所示。从图4.15a）看出，左洞上台阶开挖通过考察断面后，围岩压应力集中区域为上台阶右拱脚处和左拱肩处；从图4.15b）看出，左洞下台阶开挖通过考察断面后，围岩压应力集中区域为左洞右拱脚处和左拱肩处；从图4.15c）看出，右洞导洞开挖通过考察断面后，围岩压应力集中区域为左洞右拱脚、左洞左拱肩和导洞右拱脚处；从图4.15d）看出，右洞上台阶开挖通过考察断面后，围岩压应力集中区域为左洞左拱肩、右洞上台阶右拱脚和中夹岩柱拱腰处；从图4.15e）看出，右洞下台阶开挖通过考察断面后，围岩压应力集中区域为左洞左拱肩、右洞右拱脚和中夹岩柱拱腰处。在施工过程中，围岩压应力集中区域主要为左洞左拱肩、当前施工开挖部分的右拱脚和中夹岩柱拱腰处，这些部位应予以加固处理。a)第一阶段围岩最小主应力云图b)第二阶段围岩最小主应力云图45万方数据 硕士学位论文c)第三阶段围岩最小主应力云图d)第四阶段围岩最小主应力云图e)第五阶段围岩最小主应力云图图4.15隧道围岩最小主应力云图4.3.3开挖过程中围岩塑性区分析开挖过程中隧道围岩塑性区分布云图如图4.16所示。从图4.16a）看出，左洞上台阶开挖通过考察断面后，上台阶右拱脚处围岩出现剪切塑性区；从图4.16b)看出，左洞下台阶开挖通过考察断面后，左洞围岩塑性区消失；从图4.16c）看出，右洞导洞开挖通过考察断面后，导洞拱脚处围岩出现剪切塑性区，导洞仰拱出现拉伸塑性区；从图4.16d）看出，右洞上台阶开挖通过考察断面后，右洞上台阶拱脚处围岩出现塑性区，和右洞左拱脚围岩塑性区相比，右拱脚围岩塑性区较大。右洞上台阶仰拱左侧围岩出现拉伸塑性区；从图4.16e）看出，右洞下台阶开挖通过考察断面后，围岩塑性区减小，仅在中夹岩柱右拱腰处出现少部分剪切塑性区。在隧道施工过程中，围岩塑性区主要产生在隧道分部开挖过程中，集中在拱脚与仰拱处，当初衬封闭成环后，围岩塑性区迅速减小。在隧道开挖过程中可以通过施作锁脚锚杆、减小台阶长度，初衬尽早封闭成环来提高围岩稳定性。46万方数据 第四章Ⅳ级围岩开挖方案优化与施工过程分析a)第一阶段围岩塑性区分布云图b)第二阶段围岩塑性区分布云图c)第三阶段围岩塑性区分布云图d)第四阶段围岩塑性区分布云图e)第五阶段围岩塑性区分布云图图4.16隧道围岩塑性区分布云图4.4本章小结（1）在Ⅳ级围岩条件下，施作完4m反压护拱后，通过对比两种不同开挖方案下的隧道围岩位移、应力集中系数、围岩屈服接近度和塑性区的分布情况，综合确定先行洞台阶法—后行洞上台阶导洞法（台阶—导洞法）施工方案优于上下台阶法施工方案。（2）研究了先行洞台阶法—后行洞上台阶导洞法（台阶—导洞法）开挖过程中的施工力学特征。开挖过程中，左右洞开挖相互扰动显著，中夹岩柱的水平错动加剧，中夹岩柱底部出现水平往返运动；围岩压应力集中区域主要为拱肩浅埋侧地表、当前施工开挖部分的右拱脚和中夹岩柱拱腰处；围岩塑性区主要产生在隧道分部开挖过程中，集中在拱脚与仰拱处，初衬封闭成环后，围岩塑性区迅速减小。47万方数据 硕士学位论文第五章Ⅴ级围岩开挖方案优化与施工过程分析5.1前言第三章通过研究浅埋偏压小净距隧道围岩位移、应力集中系数以及围岩塑性区随反压护拱厚度的变化情况，确定了Ⅴ级围岩中反压护拱的合理厚度为5m。本章拟研究在施作5m厚反压护拱后，不同开挖方法下的围岩受力变形的情况，优选出合理的开挖方案，并分析隧道在优化方案施工过程中的稳定性。5.2Ⅴ级围岩开挖方案优化3D在Ⅴ级围岩条件下，利用有限差分软件Flac模拟浅埋偏压小净距隧道预留核心土法和单侧壁导坑法的施工过程，通过对比分析两种方案下隧道围岩的位移、应力集中系数以及塑性区分布情况，综合确定最优开挖方法。5.2.1模型的建立隧道穿越的岩层为Ⅴ级围岩，隧道模型下伏基岩为Ⅳ级围岩。在第四章中的Ⅳ级围岩的隧道模型基础通过改变反压护拱的厚度、围岩材料参数和隧道的开挖方式得到了Ⅴ级围岩、反压护拱厚5m和不同开挖方法时的隧道模型，见图5.1。模型的尺寸、边界条件中、初衬、锚杆、超前注浆加固区和地表注浆加固区与第四章中的相对应的条件条件相同。围岩和支护结构的材料参数根据第二章中的表2.1选取。a)预留核心土法隧道模型b)单侧壁导坑法隧道模型图5.1反压护拱厚5m的隧道模型5.2.2开挖与计算流程预留核心土法的核心土长4m，高3.9m，顶部宽3.7m，底部宽7.6m。下台阶高3.7m。开挖施工时，首先开挖左洞环形拱部（1部分），左洞核心土（2部分）落后左洞环形48万方数据 第五章Ⅴ级围岩开挖方案优化与施工过程分析拱部4m开挖，下台阶（3部分）落后核心土10m开挖。左洞全部开挖完成后开挖右洞，右洞开挖顺序和左洞一样。预留核心土法开挖示意图见图5.2。a)预留核心土法正视图b)预留核心土法侧视图图5.2预留核心土法示意图单侧壁导坑法先行导坑高8m，宽4m，长度为16m。开挖施工时，首先开挖左洞侧壁导坑（1部分），左洞上台阶（2部分）落后左洞侧壁导坑16m开挖，左洞下台阶（3部分）落后左洞上台阶10m开挖。左洞全部开挖完成后开挖右洞，右洞开挖顺序和左洞一样。单侧壁导坑法开挖示意图见图5.3。a)单侧壁导坑法开挖正视图b)单侧壁导坑法开挖侧视图图5.3单侧壁导坑法开挖示意图3D采用Flac有限差分软件内嵌Fish语言编程模拟施工开挖过程。隧道施工每循环开挖2m，开挖后改变超前加固区的材料参数模拟超前注浆加固，施加壳单元模拟初衬施工，施加锚索单元模拟锚杆施工。5.2.3结果对比分析（1）围岩位移对比分析选取隧道模型Z=-30m断面为考察断面，分析隧道的拱顶下沉、周边位移、仰拱隆起和中夹岩柱的水平位移。选取了中夹岩柱内的12个关键点，每个点间距为1m，最高点距隧道底部为11m，各点在中夹岩柱中的位置见图5.4。两种开挖方案下隧道拱顶下沉、周边位移和仰拱隆起值见表5.1，中夹岩柱关键点的水平位移见表5.2，中夹岩柱的水平位移图见图5.5。从表5.1可以看出，相比预留核心土法，单侧壁导坑法施工引起的拱顶沉降相对较49万方数据 硕士学位论文大，周边位移和仰拱隆起相对较小。两种开挖方法各有优势，单侧壁导坑法能较好的控制周边位移和仰拱隆起，预留核心土法能较好的控制拱顶沉降。从表5.2和图5.5可以看出，预留核心土法施工引起中夹岩柱X正向最大位移为0.74mm，X负向最大位移为2.03mm，水平相对错动达2.77mm。单侧壁导坑法施工引起中夹岩柱X正向最大位移为0.58mm，X负向最大位移为2.10mm，水平相对错动达2.68mm。相比预留核心土法，单侧壁导坑法施工引起中夹岩柱上部的水平位移较大，底部的水平位移较小，整体水平相对错动较小。表5.1隧道围岩收敛变形值（单位：mm）施工方案预留核心土法单侧壁导坑法左洞拱顶下沉-0.04-0.12右洞拱顶下沉-3.06-3.15左洞周边位移-2.94-2.83右洞周边位移-1.27-0.96左洞仰拱隆起3.012.83右洞仰拱隆起4.254.00图5.4中夹岩柱水平位移计算点编号示意图50万方数据 第五章Ⅴ级围岩开挖方案优化与施工过程分析表5.2中夹岩柱关键点水平位移值（单位：mm）预留核单侧壁预留核单侧壁施工方案施工方案心土法导坑法心土法导坑法Z1号点0.740.58Z7号点-1.85-1.92Z2号点0.140.01Z8号点-2.03-2.10Z3号点0.140.01Z9号点-2.03-2.10Z4号点-0.82-0.87Z10号点-2.03-2.10Z5号点-0.82-0.87Z11号点-1.73-1.81Z6号点-1.85-1.92Z12号点-1.73-1.81图5.5中夹岩柱水平位移图（2）等效应力集中系数对比分析计算了隧道Z=-30m断面处，隧道围岩中1.4m深处16个点的应力集中系数，16个点在隧道围岩中的分布位置如图5.6所示，具体数值见表5.3和表5.4。从表5.3和5.4看出，相比预留核心土法，单侧壁导坑法施工引起1号、13号和14号点的等效应力集中系数有较大幅度的减小，2号和10号点的等效应力集中系数有较大幅度的增加，其余关键点的等效应力集中系数有增加的也有减小的，等效应力集中系数减小的占多数，但数值变化不大。总体来说，相比预留核心土法，单侧壁导坑法施工引起的围岩应力分布更均衡合理，能缓解隧道开挖后的围岩应力集中现象，改善中夹岩柱的受力环境，较好的保护中夹岩柱。从减小围岩应力集中程度考虑，单侧壁导坑法施工优于预留核心土法施工。51万方数据 硕士学位论文图5.6等效应力集中系数计算点编号示意图表5.3左洞1至8号点应力集中系数施工方案1点2点3点4点5点6点7点8点预留核心土法2.870.641.141.150.850.611.432.28单侧壁导坑法2.400.961.211.170.840.541.392.27表5.4右洞9至16号点应力集中系数施工方案9点10点11点12点13点14点15点16点预留核心土法2.361.221.332.052.861.250.982.12单侧壁导坑法2.221.591.532.062.340.950.932.07（3）围岩塑性区对比分析图5.7给出了两种开挖方案中围岩的塑性区分布图，隧道围岩塑性区的体积见表5.5。图5.8给出了两种开挖方案下围岩的屈服接近度云图。图5.9中红色区域显示的单元体表示即将进入屈服状态的围岩（屈服接近度小于0.05），即将进入屈服状态的围岩体积见表5.6。施工方案相同时，围岩塑性区主要分布在左洞右拱腰和左洞拱顶地表处，右洞右拱脚处有少量分布。左洞右拱腰处围岩塑性区为剪切塑性区，左洞拱顶地表处围岩塑性区为拉伸塑性区。岩柱中部屈服接近度大部分区域在0.1到0.2之间，中夹岩柱拱腰处屈服接近度小于0.1，左洞浅埋侧岩体、左洞右拱肩、右洞右拱肩以及左右洞仰拱右侧的屈服接近度小于0.1。施工方案不同时，与预留核心土法施工相比，单侧壁导坑法施工产生的围岩塑性区较小，围岩塑性区体积减小了约67.12%，即将进入屈服状态的围岩体积减小了约25.34%。相比预留核心土法，单侧壁导坑法施工能较好的限制围岩塑性区的发展，显著52万方数据 第五章Ⅴ级围岩开挖方案优化与施工过程分析减小围岩塑性区的体积以及即将进入屈服状态的围岩体积。从限制围岩塑性区发展考虑，单侧壁导坑法施工优于预留核心土法施工。3表5.5塑性区体积（单位：m）开挖方案预留核心土法单侧壁导坑法剪切塑性区体积139.5874.46拉伸塑性区体积176.3929.44塑性区总体积315.97103.903表5.6即将进入塑性区的围岩体积（单位：m）开挖方案预留核心土法单侧壁导坑法围岩体积1659.601239.10a)预留核心土法围岩塑性区b)单侧壁导坑法围岩塑性区图5.7隧道围岩塑性区a)预留核心土法围岩屈服接近度云图b)单侧壁导坑法围岩屈服接近度云图图5.8隧道围岩屈服接近度云图a)预留核心土法中即将屈服的围岩b)单侧壁导坑法中即将屈服的围岩图5.9即将屈服的围岩分布图53万方数据 硕士学位论文5.3单侧壁导坑法开挖过程分析上节研究了Ⅴ级围岩条件下，不同开挖方法对隧道最终稳定性的影响，综合确定了单侧壁导坑法施工优于预留核心土法施工。本节拟研究单侧壁导坑法开挖过程中隧道围岩位移、围岩应力和围岩塑性区的变化特征，为科学指导隧道开挖施工提供可靠依据。取Z=-30m断面为科研考察断面。隧道开挖通过Z=-30m断面分为6个阶段：第一阶段为左洞侧壁导坑通过考察断面；第二阶段为左洞上台阶通过考察断面；第三阶段为左洞下台阶通过考察断面；第四阶段为右洞侧壁导坑通过考察断面；第五阶段为右洞上台阶通过考察断面；第六阶段为右洞下台阶通过考察断面。5.3.1开挖过程中围岩位移分析分析隧道拱顶、拱腰、仰拱和中夹岩柱的关键点在隧道开挖五个阶段中的位移特征，关键点在围岩中的分布如图5.10所示。开挖过程中隧道左洞关键点的位移值见表5.7，右洞关键点的位移值见表5.8，中夹岩柱关键点的位移值见表5.9。左洞和右洞关键点位移随开挖过程的变化曲线见图5.11，中夹岩柱关键点水平位移随开挖过程的变化曲线见图5.12。左洞拱顶下沉最大值发生在左洞上台阶开挖后，沉降量为-0.97mm，左洞初衬封闭成环后，左洞拱顶下沉减小至-0.56mm，右洞开挖时，左洞拱顶下沉值继续减小，最后减小为-0.12mm。右洞拱顶下沉最大值发生在右洞上台阶开挖后，沉降量为-3.23mm，右洞初衬封闭成环后，右洞拱顶下沉减小至-3.15mm。表明左洞和右洞在各自上台阶开挖时拱顶变形值最大，此阶段应加强对隧道拱顶的保护和监测。左洞和右洞仰拱隆起主要发生在各自下台阶开挖阶段，该阶段应及时封闭初衬并回填仰拱以减小仰拱隆起和拱顶下沉。右洞开挖对左洞关键点的水平位移影响大，其中中夹岩柱和隧道仰拱（A点、G点和D点、H点）在隧道开挖过程中做水平方向的往返运动。A点的往返运动主要由右洞侧壁导坑开挖引起；D点的往返运动主要由左洞下台阶开挖引起；G点的往返运动主要由右洞侧壁导坑开挖引起；H点的往返运动主要由右洞下台阶开挖引起。右洞开挖过程中应注意对中夹岩柱的保护。在隧道左洞开挖过程中，中夹岩柱整体向X负方向位移，随着右洞各部分陆续开挖通过考察断面，中夹岩柱开始出现水平错动，并且水平错动逐渐增加。主要表现为随着右洞各部分的开挖，中夹岩柱上部沿X负方向位移增大，中夹岩柱下部向X正方向位移54万方数据 第五章Ⅴ级围岩开挖方案优化与施工过程分析并且位移值逐渐增加，从而导致中夹岩柱上下部分水平错动加剧。右洞开挖施工会导致并且加剧中夹岩柱的水平错动，在右洞施工时应加强对中夹岩柱的保护，必要时可以进行注浆加固和施加对拉锚杆等辅助施工措施。图5.10关键点在围岩中的位置表5.7左洞关键点位移值（单位：mm）关键点编号ABCD水平竖直水平竖直水平竖直水平竖直位移分量位移位移位移位移位移位移位移位移第一阶段-0.67-0.22-0.40-0.431.270.47-0.36-0.12第二阶段-1.19-1.19-0.78-0.971.270.40-0.53-0.34第三阶段-1.38-0.55-0.84-0.561.321.100.642.56第四阶段-0.96-0.60-0.85-0.531.371.160.842.67第五阶段-1.23-0.77-1.01-0.531.341.160.852.63第六阶段-1.52-0.34-1.29-0.121.311.330.982.83表5.8右洞关键点位移值（单位：mm）关键点编号EFGH水平竖直水平竖直水平竖直水平竖直位移分量位移位移位移位移位移位移位移位移第一阶段-0.20-0.09-0.28-0.19-0.41-0.18-0.22-0.08第二阶段-0.34-0.16-0.56-0.39-0.73-0.41-0.35-0.17第三阶段-0.35-0.09-0.63-0.30-0.61-0.10-0.30-0.06第四阶段-0.89-0.55-1.15-1.140.350.37-0.47-0.43第五阶段-1.25-2.21-1.69-3.230.06-0.01-0.62-0.83第六阶段-1.22-1.33-1.87-3.15-0.261.040.724.0055万方数据 硕士学位论文表5.9中夹岩柱关键点水平位移值（单位：mm）施工方案第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段第五阶段第六阶段Z1号点-0.34-0.53-0.210.390.310.58Z2号点-0.40-0.69-0.430.250.100.01Z3号点-0.40-0.69-0.430.250.100.01Z4号点-0.52-0.95-0.82-0.26-0.54-0.87Z5号点-0.52-0.95-0.82-0.26-0.54-0.87Z6号点-0.49-1.23-1.25-1.06-1.42-1.92Z7号点-0.49-1.23-1.25-1.06-1.42-1.92Z8号点-0.46-1.20-1.28-1.33-1.66-2.10Z9号点-0.46-1.20-1.28-1.33-1.66-2.10Z10号点-0.46-1.20-1.28-1.33-1.66-2.10Z11号点-0.38-0.96-1.08-1.21-1.45-1.81Z12号点-0.38-0.96-1.08-1.21-1.45-1.81a)左洞关键点水平位移随施工变化曲线b)左洞关键点竖直位移随施工变化曲线56万方数据 第五章Ⅴ级围岩开挖方案优化与施工过程分析c)右洞关键点水平位移随施工变化曲线d)右洞关键点竖直位移随施工变化曲线图5.11左洞和右洞关键点位移随施工变化曲线图5.12中夹岩柱水平位移随施工变化曲线5.3.2开挖过程中围岩最小主应力分析单侧壁导坑法开挖过程中围岩最小主应力云图如图5.13所示。从图5.13a）看出，左洞侧壁导坑开挖通过考察断面后，导洞上部和下部出现压应57万方数据 硕士学位论文力集中现象，其中导洞下部应力集中显著。应注意初衬钢拱架与临时钢拱架之间的连接强度，防止钢拱架在连接处失稳。可以施加锁脚锚杆提高拱架的稳定性；从图5.13b）看出，左洞上台阶开挖通过考察断面后，围岩压应力集中区域为左拱脚和右侧上台阶拱脚处。左拱肩处围岩最小主应力大于零，围岩受拉，容易发生拉伸破坏；从图5.13c)看出，左洞下台阶开挖通过考察断面后，左洞右拱脚压应力集中显著。左洞左拱肩处围岩最小主应力很小，围岩有受拉风险；从图5.13d）看出，右洞侧壁导坑开挖通过考察断面后，左洞右拱脚和右洞导坑下部压应力集中现象显著，在施工过程中应注意对拱脚的保护；图5.13e）看出，右洞上台阶开挖通过考察断面后，围岩应力集中区域为左洞右拱脚、右洞左拱脚和右洞右侧上台阶拱脚处；图5.13f）看出，右洞下台阶开挖通过考察断面后，围岩右洞右拱脚处压应力集中现象显著，左洞右拱肩和右洞右拱肩最小主应力数值接近零，此处围岩有受拉风险。a）第一阶段围岩最小主应力云图b）第二阶段围岩最小主应力云图c）第三阶段围岩最小主应力云图d）第四阶段围岩最小主应力云图e）第五阶段围岩最小主应力云图f）第六阶段围岩最小主应力云图图5.13单侧壁导坑法围岩最小主应力云图58万方数据 第五章Ⅴ级围岩开挖方案优化与施工过程分析5.3.3开挖过程中围岩塑性区分析单侧壁导坑法开挖过程中围岩塑性区的分布见图5.14。从图5.14a）看出，左洞侧壁导坑开挖通过考察断面后，围岩塑性区集中在导坑上部和导坑下部。左洞导坑下部为剪切塑性区，左洞导坑上部既有剪切塑性区又有拉伸塑性区，表明左洞导坑上部和导坑下部受力复杂，稳定性差。左洞导坑开挖后应加强初期支护与临时支护连接处的强度，提高支护结构的整体性，保障导坑的稳定性；从图5.14b）看出，左洞上台阶开挖通过考察断面后，围岩塑性区集中在左洞拱顶地表、左洞左拱脚和左洞上台阶处。左洞上台阶开挖引起的拱顶下沉会导致地表出现拉伸塑性区，可以扩大地表注浆范围，提高地表处围岩强度，保障地表岩体的稳定性。可以考虑施作临时仰拱减小左洞上台阶处围岩塑性区的范围；从图5.14c）看出，左洞下台阶开挖通过考察断面后，围岩塑性区减小，仅地表和右拱脚处出现小部分塑性区。表明初衬封闭成环后，支护和围岩共同协调变形，围岩受力环境变好，应力集中得到缓解，围岩塑性区减小。施工中可以考虑减小台阶长度，紧早施作仰拱，使初衬封闭成环，提高围岩稳定性；从图5.14d）看出，右洞导坑开挖通过考察断面后，围岩塑性区主要集中在中夹岩柱处。应对中夹岩柱进行加固处理，可以考虑施作对拉锚杆和进行小导管注浆加固；从图5.14e）看出，右洞上台阶开挖通过考察断面后，右洞上台阶出现大范围塑性区，右洞左拱脚出现剪切塑性区，中夹岩柱有部分剪切塑性区。可以在右洞上台阶施作临时仰拱，在左拱脚施作锁脚锚杆，提高围岩稳定性；从图5.14f）看出，右洞下台阶开挖通过考察断面后，仅在左洞拱顶地表和中夹岩柱处有少部分塑性区。表明初衬封闭成环后能提高围岩稳定性，有效减小围岩塑性区的范围。a）第一阶段围岩塑性区云图b）第二阶段围岩塑性区云图59万方数据 硕士学位论文c）第三阶段围岩塑性区云图d）第四阶段围岩塑性区云图e）第五阶段围岩塑性区云图f）第六阶段围岩塑性区云图图5.14单侧壁导坑法围岩塑性区云图5.4本章小结（1）在Ⅴ级围岩条件下，施作完5m反压护拱后，对比了两种不同施工方案下的隧道围岩位移、应力集中系数和塑性区分布范围。相比预留核心土法施工，单侧壁导坑法施工引起隧道拱顶沉降较大，周边位移和仰拱隆起较小，围岩应力二次重分布较合理，中夹岩柱受力环境较好，围岩塑性区和即将进入塑性区的围岩体积较小，综合判定单侧壁导坑法施工优于预留核心土法施工。（2）研究了单侧壁导坑法开过程中隧道围岩的施工力学特征。开挖过程中，左右洞开挖相互扰动明显，右洞开挖对围岩水平位移的影响尤其显著，中夹岩柱的水平错动随施工的进行而加剧，中夹岩柱底部的水平位移出现往返运动；压应力集中现象主要发生在侧壁导坑的顶部和底部，上下台阶的拱脚以及中夹岩柱处，隧道挖通后，左右洞右拱肩处最小主应力接近于零，围岩有承受拉应力的风险；围岩塑性区主要发生在侧壁导坑的顶部和底部，上台阶的拱脚和上台阶仰拱处，初衬封闭成环后，围岩塑性区迅速减小。60万方数据 第六章监控量测与数据分析第六章监控量测与数据分析6.1前言隧道的收敛变形是围岩与支护共同作用的结果。在隧道开挖过程中，围岩向隧道内位移，应力得到释放，支护结构受到围岩的变形荷载，同时支护结构对围岩的反作用力逐渐增大，隧道收敛速度减小，隧道围岩越来越趋于稳定；但是当支护结构错过了最佳支护时机或者支护结构强度不够时，隧道围岩的收敛速度会越来越大，围岩的稳定性急剧降低，从而引起开挖面塌方等严重的安全事故。隧道现场监控量测是隧道信息化施工的重要环节。通过现场监控量测，分析监测数据，能判断隧道围岩的变形阶段以及围岩的稳定性，验证施工方法与支护参数的合理性，同时能及时发现施工过程中的安全隐患，为施工方案和支护参数的变更提供科学依据，保障施工人员的生命财产安全。6.2监控量测的内容监控量测的内容分为必测项目和选测项目。必测项目是《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-2009）中要求必须进行实施的项目，包括：现场观察记录、拱顶下沉量测、周边位移量测和地表沉降量测。选测项目不是强制要求需要实施的项目，可以根据施工情况、地质条件和设计要求等因素来合理选择，主要包括：支护结构中钢拱架的内力及外力量测和锚杆的轴力量测，围岩的地中位移和围岩压力量测，衬砌结构的应力及爆破施工中地震波的监测等等。下文拟主要研究监控量测中的必测项目。6.2.1现场观察记录现场观察记录包括隧道内观察记录和隧道外观察记录。在隧道内观察记录时，在每次爆破开挖后，对掌子面进行地质素描，通过地质罗盘量测围岩的产状，记录掌子面的岩性，判断围岩级别，并与地质勘查资料进行对比，观察洞内涌水情况，并做相应的记录，观察支护结构的受力变形状态，特别注意初衬是否出现裂缝，钢拱架是否有发生失稳破坏的危险。在隧道外观察记录时，主要是观察洞口段仰坡与浅埋地表岩体的稳定情况，发现岩体有不均匀沉降产生的裂缝时应及时做相应的监测。6.2.2地表下沉量测地表洞口段以及埋深小于两倍洞宽的地段由于隧道埋深浅，上覆岩层薄，围岩难以形成稳定的自然拱，地质条件差，开挖后地层变形大，地表岩体有发生开裂甚至滑坡塌61万方数据 硕士学位论文方的风险，必须在施工过程中监测地表岩体的沉降，以保障隧道施工的安全。在隧道两侧3~4倍隧道开挖宽度外布分别设量测基点，以2~5m的间距布设地表下沉测量点，根据实际情况，在距离隧道较远处可以适当放宽测点的埋设密度，在隧道地表沉降较大的区域适当加密测点的埋设。6.2.3拱顶下沉量测拱顶下沉是指通过精密水准仪量测隧道拱顶的竖直位移，一般是对拱顶三个点（D点、C点和E点）进行测量。C点位于隧道拱顶中轴线处，D点和E点分列与C点两侧2～3m处，D点、C点和E点在隧道内的位置如图6.1所示。隧道毛洞开挖后，用电锤在D点、C点和E点分别布设深度为30cm，直径为42mm钻孔，孔内放入末端挂钩的锚桩，用快凝水泥或早强锚固剂固定。拱顶下沉的监测基点应布设在隧道内围岩变形已经稳定，且相对隐蔽处，防止隧道内施工人员以及机械设备破坏基点从而引起测量误差甚至错误。通过精密水准仪量测拱顶D点、C点和E点相对基点的沉降可求得D点、C点和E点的拱顶下沉值，如图6.2所示。2m2mCDEAB图6.1拱顶下沉测点布置示意图62万方数据 第六章监控量测与数据分析开挖掌子面测点前视塔尺自由测站后视铟钢尺仰拱基点图6.2拱顶下沉量测过程示意图6.2.4周边位移量测周边位移的量测是通过收敛计获得隧道毛洞内A点、B点和C点的相对位移值，即AB、AC和BC测线的收敛量。周边位移三测线的布设如图6.3所示。在A点、B点和C点中，C点沿用拱顶下沉时布设的C点，A点和B点布设在隧道边墙高1~1.5米处，布设方法与拱顶下沉测点的布设方法相同，A点、B点和C点位于同一个平面内，以方便周边位移数据和拱顶下沉数据进行相互验证与协同分析，同时注意对测点的保护，以保证数据的准确性。监测断面距离掌子面0.5~3m为宜，在开挖后应尽早进行测量，必须在下次开挖循环前完成读取初始数据的读取与记录。图6.3周边位移测线布置示意图63万方数据 硕士学位论文6.3断面布设密度与实施情况6.3.1断面布设密度监测断面的布设密度根据围岩级别、洞内施工情况每5~50m布设一个监测断面。对于洞口浅埋段Ⅳ级或Ⅴ级围岩每5~10m布设一个监测断面。6.3.2监测频率实际监测频率根据监测断面距掌子面的距离以及测点的位移速度综合确定。当量测断面距掌子面较远，测点的位移速度较慢可以减少监测频率，反之则增加监测频率。具体的监测频率值见表6.1和表6.2。在根据掌子面距离和位移速度的监测频率中取较高的频率值。表6.1按距掌子面距离确定的监测频率量测断面距掌子面的距离（m）监测频率(0～1)B2次/天(1～2)B1次/天(2～5)B1次/2～3天﹥5B1次/3～7天注：B为断面宽度表6.2按位移速度确定的监测频率位移速度位移速度监测频率监测频率(mm/d)(mm/d)≥52次/天0.2～0.51次/3天1～51次/天﹤0.21次/3～7天0.5～11次/2～3天6.3.3净空收敛允许位移值根据《公路隧道设计规范》的规定和藻溪隧道实际施工情况确定隧道各级围岩净空收敛允许位移值如表6.3所示。表6.3藻溪隧道围岩净空收敛允许位移值(单位：mm)上覆层厚度（m）围岩级别＜5050~300300~500Ⅲ12~3624~6048~144Ⅳ18~6048~14496~240Ⅴ24~9672~192120~36064万方数据 第六章监控量测与数据分析6.4浅埋偏压段监控量测数据分析藻溪隧道出口段浅埋偏压，施工单位首先在浅埋侧地表施作了反压护拱偏压挡墙，反压护拱达到强度后开挖暗洞。出口段浅埋侧右洞采取上下台阶法首先出洞。左洞先从山体外向山体内开挖了4m上台阶，再采取上台阶导洞法出洞。通过分析监控量测数据能验证藻溪隧道出口浅埋偏压段辅助施工工艺与开挖方法的合理性。6.4.1现场实测数据右洞YK8+493、YK8+503和左洞ZK8+481、ZK8+503监测断面位于隧道出口浅埋偏压段内。监测断面的最终拱顶下沉数据和最终周边位移值数据见表6.4。YK8+493、YK8+503、ZK8+481和ZK8+503断面拱顶下沉和周边位移的累计曲线见图6.4、图6.5、图6.6和图6.7。表6.4拱顶下沉和周边位移累计收敛值（单位：mm）监测断面DCEABACBCYK8+493-9.11-9.44-9.49-9.02-9.1-8.61YK8+503-7.29-6.73-7.13-10.52-11.03-10.89ZK8+481-5.36-4.99-5.54-4.74-4.72-4.33ZK8+498-6.74-6.06-6.05-6.54-6.61-6.04a)拱顶下沉量累计曲线b)周边位移量累计曲线图6.4YK8+493断面拱顶下沉和周边位移累计曲线65万方数据 硕士学位论文a)拱顶下沉量累计曲线b)周边位移量累计曲线图6.5YK8+503断面拱顶下沉和周边位移累计曲线a)拱顶下沉量累计曲线b)周边位移量累计曲线图6.6ZK8+481断面拱顶下沉和周边位移累计曲线a)拱顶下沉量累计曲线b)周边位移量累计曲线图6.7ZK8+498断面拱顶下沉和周边位移累计曲线6.4.2数据分析从图6.4看出，YK8+493断面的拱顶下沉和周边位移量测于2014年10月24日开始，2014年12月7日结束，历时45天。拱顶下沉最大值为9.49mm，周边位移最大值为9.02mm，且最后的收敛速度小于0.2mm/d；从图6.5看出，YK8+503断面的拱顶下沉和周边位移量测于2014年10月30日开始，2014年12月11日结束，历时43天。拱顶下沉最大值为7.29mm，周边位移最大值为11.03mm，且最后的收敛速度小于0.2mm/d；从图6.6看出，ZK8+481断面的拱顶下沉和周边位移量测于2015年1月2日开始，2015年2月7日结束，历时37天。拱顶下沉最大值为5.54mm，周边位移最大值为4.72mm，66万方数据 第六章监控量测与数据分析且最后的收敛速度小于0.2mm/d；从图6.7看出，ZK8+498断面的拱顶下沉和周边位移量测于2014年12月21日开始，2015年2月1日结束，历时43天。拱顶下沉最大值为6.75mm，周边位移最大值为6.61mm，且最后的收敛速度小于0.2mm/d。4个监测断面的监控量测数据显示，出口段拱顶下沉和周边位移量均小于表6.3中的最大允许位移值，且最后阶段的收敛速度小于0.2mm/d，表明藻溪隧道出口段反压护拱处治浅埋偏压辅助施工措施和开挖方法是科学合理的。6.5本章小结研究了监控量测实施方案，分析了藻溪隧道浅埋偏压段的监控量测数据。监控量测数据表明藻溪隧道出口段反压护拱处治浅埋偏压辅助施工措施和开挖方法是科学合理的。67万方数据