软弱围岩性状非对称公路隧道施工方案优化研究 80页

目录第一章绪论..................................................................................................................11.1概述.............................................................................................................11.2国内外研究概况.........................................................................................11.2.1隧道与地下工程结构设计理论研究现状.......................................11.2.2公路隧道工程施工方法研究现状...................................................51.2.3公路隧道工程模型试验、数值模拟研究现状...............................71.3本文的研究背景、内容与方法.................................................................81.3.1研究背景...........................................................................................81.3.2研究内容与方法...............................................................................8第二章模型试验理论基础与材料选取..................................................................102.1引言...........................................................................................................102.2试验原型与试验平台概述.......................................................................102.2.1试验原型简介.................................................................................102.2.2试验平台简介.................................................................................112.3相似原理及模型试验相似比的确定.......................................................112.3.1基本概念.........................................................................................112.3.2相似定理.........................................................................................112.3.3模型试验相似比的确定.................................................................122.4模型试验材料及尺寸的确定...................................................................122.4.1围岩材料的选择.............................................................................122.4.2衬砌材料的选择.............................................................................162.4.3试验模型尺寸的确定.....................................................................172.5模型试验测试元件简介...........................................................................182.5.1衬砌及围岩应力的测试元件.........................................................182.5.2数据采集系统.................................................................................192.5.3围岩变形测试系统.........................................................................202.6小结...........................................................................................................20第三章基于模型试验的软弱围岩性状非对称公路隧道施工方案比选................22iii 3.1引言...........................................................................................................223.2模型试验设计...........................................................................................223.2.1模型试验基本假定.........................................................................223.2.2模型试验方案.................................................................................223.2.3监测元件布设及编号说明.............................................................233.3模型试验过程...........................................................................................243.3.1模型试验的准备工作.....................................................................243.3.2模型试验分组试验过程.................................................................283.4模型试验结果分析...................................................................................343.4.1模型试验围岩内部位移变化试验结果分析.................................353.4.2模型试验围岩压力变化试验结果分析.........................................413.4.3模型试验衬砌内力变化试验结果分析.........................................473.5小结...........................................................................................................52第四章基于数值模拟的软弱围岩性状非对称公路隧道施工方案比选................554.1数值分析方法简介...................................................................................554.1.1概述.................................................................................................554.1.2有限元法.........................................................................................554.1.3有限元分析软件.............................................................................554.2隧道施工模拟...........................................................................................564.2.1模拟中本构模型.............................................................................564.2.2开挖模拟.........................................................................................564.3施工拟选方案...........................................................................................574.4数值计算模型...........................................................................................574.4.1几何模型.........................................................................................574.4.2单元选择及网格划分.....................................................................584.4.3计算参数选取.................................................................................584.4.4模拟计算各步骤.............................................................................584.5计算结果及分析.......................................................................................594.5.1台阶法.............................................................................................59iv 4.5.2CD硬软法......................................................................................634.5.3CD软硬法......................................................................................694.5.4三种施工方法对比分析.................................................................754.6小结...........................................................................................................76第五章结论与建议..................................................................................................775.1主要结论...................................................................................................775.2进一步研究建议.......................................................................................78参考文献......................................................................................................................79致谢..............................................................................................................................84v 长安大学硕士学位论文第一章绪论1.1概述目前我国正处于大规模基础建设时期，交通建设直接关系到一个国家的经济发展和社会稳定，而公路交通作为我国整个交通基础设施建设中历史最悠久、覆盖面最大、涉及人口最多、直接社会经济效益最明显的交通基础设施，在国家的交通建设规划中一直拥有着重要的战略地位。近些年随着我国公路交通建设规模的日益扩大，我国先后建成和在建一大批公路隧道。目前，我国己经成为世界上隧道工程数量最多，施工条件最复杂，技术发展最快的国家，隧道设计和建设水平整体己步入世界先进水平行列，正逐步与世界接轨。随着交通事业的逐渐发展，中国公路网正在不断向偏远山区延伸，公路隧道建设也将进入一个新的发展时期，一大批长大隧道将逐步开工建设，将把我国修建公路隧道的技术水平推向一个新的高度，总之“长、大、深”将是21世纪我国隧道工程发展的总趋势。由于隧道的长度、跨度及埋深极限的不断被刷新，围岩条件将变得更为复杂，加之围岩是一种力学变形性质因时因地不同而变异的地质介质，这就导致影响围岩稳定性的因素将更具多元性，隧道在施工过程中随时会经受围岩条件多元化、复杂化的考验。其中，软弱围岩性状左右非对称即是目前公路隧道施工中经常遇到的一种不良地质现象，当隧道施工过程中遇到围岩性状非对称状况时，由于围岩内部受力变化与收敛变形规律均会与同性状围岩不同，若不加以重视并及时采取一定措施以保障其施工安全稳定，极有可能因性状非对称围岩内部的不均匀收敛产生偏压、局部不稳定而造成坍方甚至引发大面积坍塌，给施工安全和人员的生命财产安全造成极大的隐患和威胁。因而该种隧道施工方法的选取与优化已成为目前公[1~5]路隧道界的一个十分有具体工程实用价值的研究方向。1.2国内外研究概况1.2.1隧道与地下工程结构设计理论研究现状1 第一章绪论在世界范围内近代隧道工程建设经历了几百年的发展历史，19世纪中期开始的第二次工业革命使经济得到快速发展，日益增大的交通流量促进了交通行业的迅速发展，近代隧道兴起于运河时代，从十七世纪起欧洲陆续修建了许多运河隧道。1830年前后，铁路运输事业开始蓬勃发展，从而大大促进了世界范围内的隧道工程建设技术的发展，1895～1906年已经出现了长19.73km穿越阿尔卑斯山脉的最大铁路隧道。到了20世纪50年代，人们逐步总结出各种类型隧道及地下工程的规划、设计和施工的基本原理，在土木工程领域中形成了一个独立的功臣领域。公路隧道起步晚于铁路隧道，其设计理论与施工技术多由早期铁路隧道建设发展而来，但由于时代发展的机遇，公路隧道建设虽然起步较晚但发展较快，近代世界范围内大规模的高等级公路建设极大地促进了公路隧道的发展，在设计理论和修建技术方面取得了大量研究成果。隧道工程属于修建于岩层或土层中的地下结构，地下结构不同于地面结构，其受力变形机理、围岩与支护之间相互作用形式都与地面结构有着本质的区别，[610]隧道与地下结构的受力特点有如下几个方面~：（1）隧道与地下结构的荷载是在结构与围岩相互作用过程中产生并不断发展变化的，其荷载量值常常难以准确确定，虽然经历长时间的研究实践很多学者专家们提出了不同的隧道结构力学计算理论，但由于隧道与地下结构本身受力状态及其影响因素的复杂性和多变性，理论与工程结构实际受力状况往往有很大差别，故而目前的隧道于地下工程的相关结构计算理论多适用于理论参考，实用性受到一定程度的限制。（2）隧道与地下结构的围岩既是主要的承载结构，又是作用在支护结构上荷载的主要来源，还是构成承载结构的原始工程材料，这种集材料，荷载，承载结构于一体的工程结构体系是与地面上结构的受力状态极其不同的，这也决定了隧道与地下结构受力体系的特殊性与复杂性。（3）隧道与地下工程结构除了需承受运营期间的使用荷载，还需承担会随时间产生变化的周围围岩和地下水的作用，同时还需具备一定安全储备以应对偶然荷载如车辆撞击及地震等意外的荷载作用力。（4）当隧道与地下结构建筑于地下一定埋深时，由于地层中开挖后形成自2 长安大学硕士学位论文承拱效应，支护结构上承担的竖向围岩压力一般都小于地层的自重应力，而水平压力因围岩的地质条件的不同，其受力特征也会有很大的差别。（5）隧道与地下结构的围岩与支护之间的相互作用状态与施工开挖方法、支护类型、工序安排、施工管理和质量监控等人为因素有不可忽视的关系。（6）隧道与地下工程结构的受力特征具有明显时间效应和空间效应，其往往与复杂的、随机的且难以量化的自然和工程因素有关。然而经过大量的隧道工程建设实践，人们在隧道工程设计理论和修建技术方面已积累了丰富的经验。下面将从公路隧道工程的计算模型和地层压力理论发展现状的角度介绍目前隧道工程设计理论的国内外研究现状。当前现有的四种隧道结构计算模型为：荷载结构模型、收敛约束模型、地层[11~16]结构模型和经验类比模型。（1）荷载结构模型荷载结构模型是我国隧道设计规范中推荐采用的计算模型，其设计原理是认为隧道围岩已经破坏并发生松弛坍落，结构物承担围岩松弛带来的荷载，结构内力按结构力学方法计算，依次进行结构设计。这种设计计算模型，计算方便简单，具有明确的安全系数评价方法，计算的关键在于确定围岩主动荷载和被动弹性抗力。（2）收敛约束模型该模型的设计理念是认为围岩和支护共同作用变形过程中产生围岩压力和支护抗力，其核心思想是用支护结构提供所需的支护抗力保持围岩的相对稳定性，允许围岩产生适量的变形但又施加约束使其不至于过度变形甚至破坏，阻止围岩内部受力变形状态的恶化，其作用原理体现了新奥法的岩承的核心设计理念。（3）地层结构模型该模型认为围岩与结构共同形成承载体系，地层的原始应力和开挖后引起的围岩应力释放形成结构上的荷载，衬砌与围岩的相互作用力用结构与地层的变形协调条件来确定，按连续介质力学方法计算荷载和支护抗力，并以此来评价地层的稳定性和进行结构设计，计算的关键是确定围岩的应力释放和围岩结构的相互3 第一章绪论作用。（4）经验类比模型经验类比设计方法仍然是隧道与地下工程领域的主导设计方法，该方法以围岩分类为基础，整理并参考已建成工程的实践经验，以概率统计的方法确定适用于各类围岩的结构形式和支护参数，同时依据具体工程监控量测所得数据反馈修正施工方法和支护参数。这种基于经验方法的设计理念如根据经验总结而形成的新奥法仍然在具体隧道与地下工程建设中广泛采用。以上为隧道与地下工程的主要理论计算模型，若按荷载结构模型进行隧道支护结构设计时，如何确定围岩压力显得十分重要，而地下工程中围岩压力理论经历了漫长的发展历程，根据围岩变形破坏机理，可把围岩压力可分为：松弛压力和形变压力。而地层中的初始应力由岩土体自重应力和地层中的构造应力两种力系构成，在围岩压力的古典压力理论阶段，认为支护结构需承担其埋深以上的所有岩土层的重量，按这类理论隧道支护结构荷载随埋深的增大而不断加大，越来越多的工程实践发现这类理论与大埋深隧道实际受力状况明显不符合。后来出现了以太沙基理论和普氏理论为代表的围岩散体压力理论，其中普氏理论提出在松散的岩土介质中开挖地下洞室后，在开挖洞室上方的岩土体将在距开挖高度一定距离出现一个能承载上部岩体重量的平衡拱，这样平衡拱上部的岩土体重量就不会作用到隧道支护结构上，而平衡拱下部的松散岩土体将作用在隧道支护结构上形成围岩压力。太沙基理论也把隧道围岩看作松散体，但并不涉及天然拱但亦有自承效应，太沙基认为岩体为有一定连结力的松散介质，隧道开挖后由于围岩下沉时土体中侧压力的作用，下沉围岩将受到向上的摩阻力，同时假定相关参数按平衡条件推导出含经验参数的围岩压力计算公式。太沙基理论和普氏理论均是基于一定的假设条件，并以带入一些可变的经验得出的参数为途径试图解决力学特征复杂多变的岩土体中围岩压力计算问题，但均有不可忽略的误差和局限性。而我国《铁路隧道设计规范》中以在不产生显著偏压及膨胀压力的围岩中用钻爆法开挖的隧道中，通过对417个施工坍方的统计分析，得出铁路双线隧道围岩竖向均布松动压力的经验计算表达式，并为公路隧道设计领域所接受并采用，但这样的出的计算理论仍然是基于一定的工程经验数据建立的，其合理性和适用性依旧4 长安大学硕士学位论文[17~25]需要长期的具体工程实践检验。1.2.2公路隧道工程施工方法研究现状公路隧道的施工方法主要分为明挖法和暗挖法两类。此外还有如沉井法、盖[26~27]挖逆筑法以用于水下隧道的沉管法等。明挖法是先从地表向下开挖基坑到设计位置，再在开挖好的基坑灌注地下结构，最后在修建好的地下结构周围及其上部回填，而后回复地面的一种地下工程施工方法，此方法适用于地面开阔建筑物稀少且土质较稳定的埋深较浅的隧道施工。暗挖法主要包括矿山法和盾构法两类施工方法。传统矿山法经过长期的发展完善，最终形成了以新奥法为代表的现代支护新理论方法，其理论核心为采取各种手段维持围岩本身的稳定并充分发挥围岩的自承作用，采取柔性的初期支护允许并限制围岩变形以利于围岩的应力释放和发挥自承，而后施作模注二次衬砌作为承载结构之一或承载储备。施工方法有全断面施工法、台阶法、分部台阶法，上下导坑法，CD法，CRD法，单双侧壁导坑法等，具体方法需根据具体工程实际工程施工条件决定。新奥法原理由于直接是来源于实践经验总结，由于其本身支护形式的灵活性，对不同工程条件下具体工程施工具有极强的适应性，且具有较好的经济性和大量的已建成工程设计施工经验，因此在世界范围内的隧道建设工程中被广泛采用，并发挥了极大的经济效益与社会价值。盾构法是在地表以下土层或松软岩层中暗挖隧道的一种施工方法，盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构集施工自动化、信息化与智能化于一体的高技术集成的机械工具，其在一些软土地区有着良好的施工性能，具有施工安全、快速、对围岩扰动小、环保无噪音污染等突出优点，但以目前的经济条件盾构法相对造价高，施工初期投入大，机械设备操作复杂需配备专业人员，以及盾构对不同类型的地层仍有一[28~33]定的适应性问题。全断面施工法一般适用于围岩条件较好的隧道施工中，其对围岩稳定性要求较高，可采用爆破或人工配合机械开挖，也可根据具体情况采用TBM全断面机械开挖方法，全断面开挖施工空间大，利于大型机械作业，故而开挖速度相对较快，但由于施工开挖面较大，爆破对围岩扰动较大，可能出现局部掉块或围岩收敛变5 第一章绪论形较大等问题，不利于控制围岩变形和埋深不大时的地表沉降。台阶法和分步台阶法适用于围岩条件不允许或采用全断面开挖时无法控制围岩收敛变形量和开挖面稳定性时，台阶法有利于控制隧道开挖面前方的土体稳定，同时能抑制围岩收敛变形，给后方开挖后洞体的初期支护争取时间，台阶法由于施工需分台阶开挖，缩小了工作空间，施工速度相对于全断面开挖有所降低，台阶法随着台阶数和分步开挖的分块数量的增加其施工的速度和效率都会受到很大影响，但合理的运用分台阶施工法仍会是相对经济快速的施工开挖方法。CD法（中隔壁法）是以先开挖一侧土体并并支护且在靠近未开挖一侧施作具有支撑作用的强支护作为中隔壁，然后再开挖并支护围岩另一侧最后拆除中隔壁的施工方法，CRD法（交叉中隔壁法）是在CD法基础上加上横向支撑分步开挖的施工方法。CD法中的中隔墙可以有效的抑制围岩的竖向位移控制拱顶沉降，适用于竖向围岩压力或竖向变形较大且变形不收敛或地表沉降超过允许范围时，此时若不施作强支护隧道围岩极有可能发生失稳破坏后发生坍塌事故。而CRD法中竖向支撑和横向支持均可提供支护抗力阻止围岩的过量变形，从而维持隧道围岩的稳定状态，CRD法一般适用于围岩竖向和横向位移均较大且变形不收敛或设计对收敛变形要求较高的条件下。CD与CRD法均是以缩小开挖断面并配合刚性支撑施加强支护确保围岩稳定的施工方法，这种施工方法的好处是能有效控制围岩的收敛变形确保围岩的稳定，但同是由于施工的工序复杂化和工作面缩小，施工速度较慢且造价相对较高。导坑法是一种在开挖断面上一定位置预先开挖出一个或多个断面相对较小的超前导洞，开挖超前导洞具有超前支护、探明前方地质条件、分步开挖减小开挖面提高围岩稳定性等作用，导洞开挖后及时支护然后分步开挖其余部分，分步支护最后连接成环并拆除临时支护的施工方法。导洞法根据导洞位置和形式分为：上下导坑法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法等。上下导坑法是指在开挖断面的上部和下部开挖超前导坑，然后在上导坑位置修筑拱顶支护，在下导坑位置修筑仰拱，最后分步开挖支护封闭成环并拆除临时支护，此方法也可只开挖超前上导坑或下导坑并完成支护后再分步开挖。单侧壁导坑法和双侧壁导坑法原理相同，区别就是导坑数，单侧壁导坑法只在一侧开挖超前导坑，双侧壁导坑法在两6 长安大学硕士学位论文侧开挖导坑，开挖支护完成后，再分步开挖剩余部分岩土体，而后支护封闭成环并拆除临时支护形成隧道初期支护。上下导坑法适用于开挖断面顶部或底部围岩开挖后变形较大起收敛位移难以控制的围岩中，侧壁导坑适用于围岩较松散破碎且其他支护方式难以达到较好的支护效果时，导坑法的优点是能较好的控制较差围岩条件下的收敛变形量，但其施工步骤繁琐，开挖面较小，无法使用大型作业工具，各工序之间相互干扰严重影响施工效率，故而速度慢，造价高，所以多用于隧道围岩较松散破碎或其他开挖支护方法无法达到工程设计对围岩变形收敛[33~42]的要求时。1.2.3公路隧道工程模型试验、数值模拟研究现状模型试验和数值模拟是土建工程领域里科学研究的重要研究手段，尤其在隧道与地下工程领域中地下结构由于结构与围岩受力机理的复杂性，其独特的受力特点与地面结构有着极大地差别。隧道与地下工程中支护结构与围岩之间的作用机理复杂且不明确，围岩即使结构体系中的荷载来源又是主要的承载结构还是组成承载结构的材料，这就是地下工程结构三位一体的受力特征。其受力特征决定其无法使用地面结构所使用的力学方法求解，而现有的地下结构计算模型仍无法合理有效地解决地下结构受力计算问题，因此需要借助与试验室条件下的物理模型试验，以及隧道计算机技术的发展而出现的工程结构数值模拟软件分析计算方法。公路隧道工程中的模型试验是在所研究针对的特定隧道工程条件下，简化出所需模拟的主要隧道工程特征与参数，并以一定的模型相似比确定模型试验中的所需各种模型组件与材料的几何物理参数，并从理论上论证模型的合理性，通过简化模型，模拟施工或受力变形等条件分析试验结果，需找规律得出结论，由于相似原理，模型的力学特征在一定程度上反映了其所模拟的试验原型的力学特[43~48]征，从而可以间接得到具有一定工程实用价值的参考依据。数值模拟分析方法主要有有限元法（FEM）、边界元法（BEM）、有限元-边界元耦合法、和差分法。而其中有限元方法具备很强的针对岩土体的适应性，可以模拟岩土介质的各向异性、非均匀性、非连续性和材料与几何的非线性特征等，而且能适用于实际工程中不同的边界条件。有限元的理论思想是将工程结构假想7 第一章绪论地细分离散为一定数量的有限单元组合体，然后对这些单元体进行相应的分析来代替对实际结构的分析，进而得出相应的具有满足结构要求精度的近似结果，以达到解决实际工程结构中十分复杂且以目前理论无法解答的复杂问题。目前常用[49]的有限元软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS等。1.3本文的研究背景、内容与方法1.3.1研究背景我国幅员辽阔地大物博，东部和西部地形差异较大，西、南部多山，东、北部多丘陵平原，但总体来说我国是一个多山的国家。统筹区域协调发展、构建和谐社会是我国的基本国策，交通是保障经济发展的必要条件，在山区修建交通设施需要修建大量的隧道，而隧道施工时可能遇到的围岩条件具有复杂和多样性，加上施工对围岩的扰动以及围岩变形的不确定性，因而影响围岩稳定性的因素将更具多元性，各种不良地质条件将对隧道施工的顺利进行带来极大地挑战，其中围岩性状左右非对称即是目前公路隧道施工中经常遇到的一种不良地质现象，当隧道施工过程中遇到围岩性状非对称状况时，由于围岩内部受力变化与收敛变形规律均会与同性状围岩不同，若不加以重视并及时采取一定措施以保障其施工安全稳定，极有可能因性状非对称围岩内部的不均匀收敛产生偏压、局部不稳定而造成坍方甚至引发大面积坍塌，给施工安全和人员的生命财产安全造成极大的隐患和威胁。因而该种隧道施工方法的选取与优化已成为目前公路隧道界的一个十分有具体工程实用价值的研究方向。故本文将针对围岩性状非对称状态下的不同施工工法对围岩内部受力变化状态的影响，结合具体工程设计和施工条件，通过开展大比例尺模型试验和使用大型通用有限元软件对相应不同施工工法对原隧[50]道围岩的影响进行模拟研究，综合分析对比得出优化施工方案。1.3.2研究内容与方法本文结合特定工程的设计与施工条件，通过针对围岩性状非对称公路隧道施工方案的优化研究，结合工程实际开展大比例尺模型试验模拟研究围岩性状非对称状态下的不同施工工法对围岩内部受力变化状态的影响，同时采用大型通用有限元分析软件，对上下台阶法、先开挖围岩条件较好一侧CD法（CD硬软法）8 长安大学硕士学位论文及先开挖围岩条件较差一侧CD法（CD软硬法）等不同施工方案进行数值模拟计算，通过对各研究结果的综合分析对比最终得出优化方案。具体主要研究内容如下：1.依据相似理论得出模型试验的相似关系与相似比，通过物理试验确定合理围岩相似材料与衬砌相似材料等，并依据实际工程的设计参数推算相应试验参数，以此设计大比例尺物理模型试验。2.使用自制的模型试验箱开展三组不同的物理模型试验，研究围岩性状非对称条件下的不同施工工法（台阶法、CD先硬后软法、CD先软后硬法）对围岩内部受力变化状态的影响，并综合分析模型试验数据得出优化方案。3.采用Ansys大型通用有限元软件，对围岩性状非对称条件下分别采用台阶法、CD先硬后软法、CD先软后硬法等不同施工工法对原隧道围岩实施开挖进行数值模拟计算，研究衬砌结构与围岩力学行为随着施工的变化规律与趋势以及对施工的影响。4.通过对模型试验、数值模拟结果的综合分析对比，总结在围岩性状非对称条件下的不同施工工法对围岩内部受力变化状态的影响，并综合分析得出优化施工方案。9 第二章模型试验理论基础与材料选取第二章模型试验理论基础与材料选取2.1引言在结构模型试验中，只有原型和模型保持相似，才能由模型试验的数据和结果推算出原结构的数据和结果，才能真实的反应原型的特征，模型试验应建立正确的相似关系，保证模型与原型相似，这样才能从模型试验的受力状态推算出正确的原结构受力状态。另外，模型与原型的相似，关键是找到合适的相似材料，它直接决定了模型试验的成败。在模型试验的发展过程中，各研究机构都通过不同的配比找到了一些合适的相似材料，并在模型试验中得到了应用，均有其优缺点。找到完全相似的模型材料几乎是不可能的，应当根据模型试验的要求使模型材料的主要参数与原型相似。本章先简述相似理论，然后在其基础上建立本试验的相似关系，并对大量文献作总结，通过反复试验确定合适的[51~52]相似材料，最后对模型试验系统做简单介绍2.2试验原型与试验平台概述2.2.1试验原型简介本文模拟软弱围岩条件下的两车道公路隧道，开挖宽度为12m，在开挖施工过程中遇到隧道洞体围岩性状非对称的围岩段。当隧道施工过程中遇到围岩性状非对称状况时，由于围岩内部受力变化与收敛变形规律均会与同性状围岩不同，若不加以重视并及时采取一定措施以保障其施工安全稳定，极有可能因性状非对称围岩内部的不均匀收敛产生偏压、局部不稳定而造成坍方甚至引发大面积坍塌，给施工安全和人员的生命财产安全造成极大的隐患和威胁。为便于分析，排除不必要的干扰因素，故将性状非对称围岩段隧道分析模型简化为如图2.1所示：10 长安大学硕士学位论文图2.1围岩性状非对称隧道分析简化模型示意图图2.2试验模型箱2.2.2试验平台简介本试验采用长×高×厚为320cm×200cm×64cm的模型箱（如图2.2）。前后采用10mm厚的钢化玻璃，并在其适当位置用方钢加以支撑；左右两侧采用长×宽为63cm×15cm的木板，按照填筑高度逐渐增加木板便于围岩材料在模型箱中的填筑。在前面的钢化玻璃隧道位置挖一略大于隧道断面的洞，便于隧道的开挖与支护模拟。隧道位置需保证下布部有50cm厚的围岩，上部有100cm厚的围岩。考虑到本试验中的几何相似比，隧道上方有足够厚度围岩来模拟相应原型深埋处隧道的力学行为，而不需要加载系统。2.3相似原理及模型试验相似比的确定2.3.1基本概念通常说的相似包括三种情况：相似（同类相似）、拟似（异类相似）、差似（变态相似）。在地质力学的模型试验中，相似指的是第一种相似，即原型和模型在各对应点和各对应时间瞬间的所有物理量成一定的比例，这个比例就是模型试验中的相似常数。原型物理量相似常数模型物理量在一种相似现象中，部分或全部物理量之间的比例为一个定值，这个定值就是相似现象的相似判据。2.3.2相似定理（1）相似第一定理（相似正定理）：原型与模型相似则其单值条件（指一个系统的特性）和相似判据的值相同。（2）相似第二定理（π定理）：某一现象用a个物理量的函数表示，若这些物理量11 第二章模型试验理论基础与材料选取b种基本量纲时，则可以得到（a-b）个相似判据。（3）相似第三定理（相似逆定理）：具有同一特性的现象，当系统的几何性质、介质的物理性质、起始条件和边界条件等单值条件彼此相似，且由这些单值条件的物理量所组成的相似判据在数值上相等，则这些现象一定相似。2.3.3模型试验相似比的确定在本模型试验中，用l表示长度，γ表示重度，E表示弹性模型，c表示凝聚力，表示内摩擦角，μ表示泊松比，σ表示应力，ε表示应变。以几何相似比和容重相似比为基础相似比，根据平衡方程、物理方程、几何方程、应力位移边界条件和相似关系，推导出其他物理力学参数的相似比：（1）几何相似比：C=30；l（2）容重相似比：C=1；γ（3）内摩擦角相似比、泊松比相似比、应变相似比：CC=C=1；（4）弹性模量相似比、凝聚力相似比、应力相似比、强度相似比：CE=Cc=Cσ=CR=302.4模型试验材料及尺寸的确定2.4.1围岩材料的选择通过对文献资料的阅读，本模型试验先采用粘土、细沙、水、凡士林的混合物做为围岩材料，并通过不同的配合比用万能压力机来测定其弹性模量。图2.3-2.8为测定弹性模量的过程。图2.3万能压力机图2.4制成的试件12 长安大学硕士学位论文图2.5万能压力机自动控制软件图2.6弹性模量测试过程图2.7围岩材料的应力应变曲线图2.8围岩材料的负荷变形曲线首先选取黄粘土和沙子的比例为1:1，通过调节水和凡士林的质量分数来测定围岩材料的弹性模量。3表2.1在m土：m沙=1:1，ρ=2.1g/cm，ω=6%下凡士林含量不同的情况下弹性模量凡士林百分比（%）54321072.6188.41110.40124.18120.53109.18弹性模量（MPa）51.6289.70101.87101.16125.16122.4066.6881.77111.67128.24116.32124.27弹性模量平均值（MPa）63.6486.63107.98117.86120.67118.623通过该表分析，可以得出在m土：m沙=1:1，ρ=2.1g/cm，ω=6%的情况下，随着凡士林质量分数的减小，弹性模量增大，但是当凡士林的含量为1%左右时，其弹性模量基本不变，稳定在120MPa。3表2.2在m土：m沙=1:1，ρ=2.0g/cm，ω=6%下凡士林含量不同的情况下弹性模量凡士林百分比（%）210弹性模量（MPa）80.6991.1695.2613 第二章模型试验理论基础与材料选取87.7883.29122.1085.26102.34121.25弹性模量平均值（MPa）84.5892.26112.873通过该表分析，可以得出在m土：m沙=1:1，ρ=2.0g/cm，ω=6%的情况下，随着凡士林的减小，弹性模量增大，这与表2.1反映的结果相同；但并没有和表2.1一样在凡士林的含量为1%左右时，弹性模量基本不变，稳定在某一个值，而是弹性模量仍然增大，这说明凡士林的含量与弹性模量的大小的关系和密度也有一定的关联。上述试验表明：在围岩材料不含有凡士林的情况下，其弹性模量基本可以满足模型的需要，所以选择围岩材料的时候可以去除凡士林，只是调节沙子、粘土、水的质量配比即可。表2.3在m土：m沙=1:1，ω=7.5%,不含凡士林的情况下密度不同下的弹性模量3密度（g/cm）1.801.901.921.941.951.961.982.0058.0566.1765.2678.9780.9380.2378.0587.19弹性模量（MPa）55.9176.1864.1564.5076.6072.4772.3775.8264.3256.1469.7472.2572.7077.3584.6278.34弹性模量平均值59.4366.1766.3871.9176.7476.6878.3580.45（MPa）8580弹性模量75706560551.751.81.851.91.9522.05密度图2.9在m土：m沙=1:1，ω=7.5%,不含凡士林的情况下弹性模量与密度的关系根据表2.3即图2.9可以得出，在m土：m沙=1:1，ω=7.5%,不含凡士林的情况下弹性模量随着密度的增大而增大。14 长安大学硕士学位论文3表2.4在m土：m沙=1:1，ρ=2.0g/cm，不含凡士林下含水量不同的情况下弹性模量含水量（%）67.51095.2687.1954.33弹性模量（MPa）122.1075.8244.06121.2578.3442.39弹性模量平均值（MPa）112.8780.4546.033通过对表2.4的分析，可以得出在m土：m沙=1:1，ρ=2.0g/cm，不含凡士林下，弹性模量随着含水量的增大而减小。3表2.5在m土：m沙=3:2，ρ=1.75g/cm，不含凡士林下含水量不同的情况下弹性模量含水量（%）81012131438.2632.1933.3313.297.31弹性模量（MPa）57.3436.1334.0618.6711.8457.8237.4924.7720.299.77弹性模量平均值（MPa）51.1435.2630.7217.459.643通过对表2.5的分析，可以得出在m土：m沙=3:2，ρ=1.75g/cm，不含凡士林下，弹性模量随着含水量的增大而减小。3表2.6在ω=10%，ρ=2.0g/cm，不含凡士林下沙土质量比不同情况下的弹性模量m土：m沙1：13:254.3363.88弹性模量（MPa）44.0674.6142.3973.00弹性模量平均值（MPa）46.0371.103通过对表2.6的分析，可以得出在ω=10%，ρ=2.0g/cm，不含凡士林的情况下，弹性模量随着粘土与沙子质量比的增大而增大。根据模拟围岩性状非对称的试验要求，围岩较好一侧围岩与较差一侧围岩的弹模比需大致取1.5~2，同时考虑到材料配比的简便与合理性，最后决定选取围岩材料的配比3为:较硬一侧围岩选用配比为m土：m沙=3:2，ρ=1.75g/cm，ω=10%，弹性模量为35.26MPa；3较软一侧围岩选用配比为m土：m沙=3:2，ρ=1.75g/cm，ω=13%，弹性模量为17.45MPa。15 第二章模型试验理论基础与材料选取如此围岩强度差别即可满足模拟要求，同时又利于试验材料配比工作。2.4.2衬砌材料的选择隧道的初期支护和二次衬砌均由混凝土组成，初期支护为喷射混凝土或钢筋混凝土，其弹性模量约为21～30GPa，泊松比为0.2；二次衬砌为模筑混凝土，其弹性模量为28～35GPa，泊松比为0.2。衬砌的模型一般由石膏、水和少量的重晶石粉配置而成，其弹性模量随着石膏与水的质量比而发生变化。石膏与水的质量比一般在1:1～1:2之间，其弹性模量在0.2GPa～2GPa之间，泊松比为0.17～0.2。因为当石膏与水的质量比小于1:2时，浇筑衬砌模型时容易发生离析现象，使模型在硬化后强度呈现不均匀；而当石膏与水的质量比大于1:1时，材料的性质很难得到控制。常用的模型石膏主要成分为半水石膏（CaSO4•（1/2）H2O），它与水的反应方程式为：CaSO4•（1/2）H2O+（1/2）H2O→CaSO4•2H2O+Q石膏的初凝时间一般为2min，终凝时间一般为7min。本试验根据资料选取石膏与水的质量比为1:1和1:1.3，并加入1/10石膏质量的重晶石粉，制成试件，如图所示。并利用万能压力机测试其弹性模量，结果如表。图2.10制成的衬砌试件图2.11弹性模量测试过程表2.7不同配比下衬砌材料的弹性模量m石膏：m水：m重晶石粉1：1：0.11：1.3：0.1822.74456.99弹性模量（MPa）837.62411.66843.03455.11弹性模量平均值（MPa）834.46441.25石膏与水质量比为1:1的模型弹性模量为834.46MPa，按照相似定理根据相似比转化16 长安大学硕士学位论文为原型其值为25GPa，与隧道的初期支护和二次衬砌的弹性模量相差不大，基本合理[53~55]。石膏与水的质量比为1:1.3的模型弹性模量为441.25MPa，按照相似定理根据相似比转化为原型其值为13.24GPa，最终决定将此配比用做本次模型试验中注浆的溶液配比。2.4.3试验模型尺寸的确定结合试验原型和平台根据几何相似比确定试验模型：图2.12试验模型各部分尺寸图原隧道的初期支护和二次衬砌的厚度分别为15cm、45cm，按照几何相似比（1:30），原隧道模型的初期支护和二次衬砌的厚度分别为0.5cm、1.5cm，采用水膏比1:1的石膏作为衬砌模型，由于考虑预制衬砌在试验中安装入隧道中后还需注浆，注浆部分也可发挥初期支护的作用，综合考虑，本试验把初期支护和二次衬砌合为一体，厚度均制作为1.5cm。17 第二章模型试验理论基础与材料选取图2.13制作衬砌的模具图2.14浇筑完成的衬砌模具图2.15制作好的隧道衬砌模型2.5模型试验测试元件简介2.5.1衬砌及围岩应力的测试元件（1）本试验采用bq120-5aa型电阻应变片测试支护结构上的应变值，其主要性能：①电阻值为120.2±0.1Ω；②灵敏系数为2.23±1%；③应变极限为2%；④疲劳寿命为≥1M；⑤使用温度范围为-30～+80℃；⑥敏感栅尺寸为5.0X2.0(mm)；⑦基底尺寸为10.0X4.0(mm)。18 长安大学硕士学位论文图2.16应变仪图2.17压力盒(2)围岩中压力值采用DYB－1型电阻应变式土压力计来量测，该试验元件主要用于试验室模型静、动态土压力测定，主要性能是：①量程：0-0.05～1MPa；②分辨率：≤0.083%F.S；③综合误差：＜0.8%F.S；④外形尺寸：Φ16×6.5mm；⑤特征：体积小（微型）、精度高、测值稳定、可超载80%。2.5.2数据采集系统本次试验衬砌和围岩的应力数据采集系统采用YE2533程控静态应变仪，该测试系统由江苏联能电子技术有限公司开发，它去除了影响测试回复性的拨动开关，大大的提高了测试的稳定性和可靠性。该系统的主要技术指标：①量程：-19999με～+19999με；②分辨率：1με；③测试误差：0.2%FS±1με；④灵敏系数范围：1.000～9.999；⑤应变片阻值：60～1000Ω；⑥供桥电压：DC2V；⑦测试速率：最快大于5点/秒；⑧测点数：24点应变，1点测力；⑨桥路形式：任一应变测点可设成1/4桥、半桥、全桥；⑩稳定性：A.时漂：零点漂移≤±3με/4h；B.温漂：零点漂移≤±1με/℃。19 第二章模型试验理论基础与材料选取图2.18应变仪2.5.3围岩变形测试系统本试验通过自制位移计来测定围岩的位移。位移计由百分表、长螺丝、钢绞线、扎丝、线管、磁性表架组成。制作时，首先根据模型试验中测点位置对应在线管上布设位移计的位置，然后在确定位置加工出长约2cm、宽稍大于长螺丝直径的矩形槽，长度是为了保证围岩土体变形时能够带动螺丝发生位移并有足够的富余空间，宽度是为了螺丝在发生位移时不受到线管摩阻，能自由移动。然后使用钢绞线在管内延伸到多点位移计的位置，将钢绞线一端绑在螺丝中间，并将长螺丝安置在线管上预制矩形槽位置，然后在螺丝的两端缠上多圈的扎丝增大接触面积，确保长螺丝能和土体同步发生位移。这样就制作完成了多点位移计，等到围岩填筑结束后在钢绞线的另一端与百分表相连，固定在磁性表架上。图2.19在埋设中的多点位移记图2.20顶部架设的百分表2.6小结1.简述了相似理论的基本概念和三大相似定理，并在此基础上确定了模型试验的相似比，分别为几何相似比：C=30；容重相似比：C=1；内摩擦角相似比、泊松比相似lγ20 长安大学硕士学位论文比、应变相似比：CC=C=1；弹性模量相似比、凝聚力相似比、应力相似比、强度相似比：CE=Cc=Cσ=CR=30。2.根据所研究的隧道施工条件与地质特征建立性状非对称围岩段隧道模拟分析简化模型，并拟定模型试验相应所需的基本条件，为下一步试验选材确立方向和标准。3.通过重复试验，得到了合理的围岩相似材料：较硬部分围岩模拟材料选用m土：3m沙=3:2，ρ=1.75g/cm，ω=10%，弹性模量为35.26MPa；较软部分围岩模拟材料选用m3土：m沙=3:2，ρ=1.75g/cm，ω=10%，弹性模量为17.45MPa；4．通过试验得到了合理的衬砌相似材料，为m石膏：m水：m重晶石粉=1：1：0.1，弹性模量为834.46MPa，按照相似定理根据相似比转化为原型其值为25GPa，与隧道的初期支护和二次衬砌的弹性模量相差不大，基本合理。5.试验采用长×高×厚为320cm×200cm×64cm的模型箱；采用bq120-5aa型电阻应变片测试支护结构上的应变值；采用DYB－1型电阻应变式土压力计来量测围岩中压力值；采用YE2533程控静态应变仪测量试验中的应变；采用自制的多点位移计来测定围岩的变形。21 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选3.1引言我们已知在建筑与土木工程领域科学研究的主要手段有理论研究，试验研究和计算机数值模拟。而在岩土与地下工程领域中研究的对象是本构关系非常复杂的岩土体，而目前现有的众多本构关系都无法较为精确的反映研究对象的工程性质，再加上岩土介质与工程结构的相互作用以及岩土与地下工程中采用不同的施工工艺的相互影响亦非常复杂，故而至少在目前尚难以用理论研究方法或计算机模拟方法得到令人满意的解答。然而采用物理模型试验研究方法则可以得到较好的效果，这是因为基于相似理论的物理相似模型能够较为真实的反映岩土介质的本构关系及其与工程结构的相互作用关系，模型试验可以相对准确的模拟不同施工工艺对隧道结构受力体系的影响状况，并通过相应的测试元件监测记录得出直观且便于分析的试验数据，便于我们综合研究地下工程结构的整体受力特征、变形趋势及稳定性特点。大量的工程实践表明，模型试验方法是岩土与地下工程领[56~68]域科学研究中的一种行之有效的科研手段。3.2模型试验设计3.2.1模型试验基本假定在隧道施工过程中土体开挖会造成周围一定范围围岩的土体扰动形成应力扰动区域，该区域内会产生应力重分布，目前理论研究认为因为隧道开挖而引起的土体扰动范围约为为4倍洞径，超出此范围部分围岩可认为不受隧道开挖影响，即可认为该部分围岩不处于应力扰动区域。本模型试验中所使用的模型尺寸为3200cm×2000cm，而模拟隧道开挖宽度约为40～42cm，故能满足模型试验中理论上对边界条件的要求。3.2.2模型试验方案根据依托工程实际状况，本试验中将模拟三种不同施工方案模拟隧道围岩开22 长安大学硕士学位论文挖过程，分述如下；(1)台阶法(2)CD先硬后软法(3)CD先软后硬法3.2.3监测元件布设及编号说明本次试验共布置两个监测断面，每个断面上均对称布置监测元件。在围岩的5个特征方向6条测线(如图3.1)布置压力盒和多点位移计，沿隧道径向布置的多点位移计用于监测围岩内部变形位移，多点位移计具体布置方式及编号见图3.1；与L方向垂直布置的DYB-1型电阻应变式土压力盒用于监测围岩内部应力值，压力盒具体布置方式及编号见图3.2；而环向布置的电阻应变片用于监测衬砌上的内力变化，其具体布置方式因施工方法不同而异，不同工法下电阻应变片具体布设及编号如图3.3。图3.1多点位移计布设及分析编号示意图23 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选图3.2压力盒布设及分析编号示意图图3.3不同工法中衬砌上应变片布设及分析编号示意图3.3模型试验过程3.3.1模型试验的准备工作本试验中涉及三种不同的施工方法，分别为两台阶法、CD先软后硬法和CD先硬后软法。其所使用的衬砌形式有所不同，又本试验中模拟的衬砌是预制衬砌，故而需要提前预制并存放于通风干燥出5d以上自然风干，而后经粘合形成三种24 长安大学硕士学位论文工法模拟所需的不同的预制衬砌形式。试验中所使用的电阻应变片需在衬砌充分风干后使用玻璃胶密贴到衬砌内表面，且根据应变片厂家给出的说明建议需贴上补偿片，电阻应变片及粘贴方式见图3.4，其为沿隧道环向和轴向布置一对相互垂直的电阻应变片，然后使用双绞线连接电阻应变片，完成后使用玻璃胶将电阻应变片触角与双绞线连接处全部覆盖住，将其封闭在衬砌内表面上（如图3.5），其目的一方面是防止线路损坏或者短路，另一方面是确保电阻应变片能与衬砌内表面充分粘合后能同步变形，以便使衬砌的变形能通过电阻应变片的同步变形反映到数据采集仪器中，用于后期分析使用。试验开始前需准备好试验所需的材料，如预制并后期处理完成的衬砌（如图3.6），给连接电阻应变片的双接线和压力盒线编号并记录预埋设位置，且以后各组试验中同一位置的压力盒均采用同一个，即个压力盒在整个试验中均在某一特定位置监测数据，以保证监测数据的稳定可靠和便于后期数据分析对比等。且提前考虑被准备试验中可能使用到的相关工具材料等，确保试验顺利推进，并预先拟定工作计划、步骤与估计大致周期，从而大致掌握相应的试验规律与节奏，尽量减少或避免因试验开始后突发的因素照成的试验推进受阻或耽误试验开展的节奏。图3.4电阻应变片粘贴方式图3.5封闭处理后的电阻应变片25 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选图3.6预制完成的衬砌图3.7应变仪测压力盒原始值在试验开始向模型箱内填土前需先将压力盒和电阻应变计以编号按一定规律接入应变仪（如图3.7）并检测一组少量的原始值数据，一方面确认仪器能否正常工作，另一方面此数据可作为计算填土后土体内因填夯土形成的附加应力，其数值往往大于自然堆积土的自重应力，即填土后的土内应力由土体自重应力和附加应力叠加形成。同时详细记录压力盒和电阻应变计的相应接入位置，以便于试验开始时依旧采用对应编号的同一种接线方式，同时清理模型箱（如图3.8）准备下一步填土。试验中所用填土为前述第二章中弹模测试所确定的两种配比以左硬右软（以人面对隧道模拟开挖侧来区分左右，如图3.1）的方式分层填入模型箱中（如图3.9），并逐层夯实，试验得出的理论标准计算密度为1750kg/m³,实际试验中由于难以确保各处夯土密度均保持设计值，故实际操作时按模型箱填土体积和土体计算密度计算出总的填土量，以一定的夯实力度保证将计算得出的土量恰好填满预定填土空间，达到预定填土高度，故本试验先做了一组摸索性质的试验，以大致把握夯实力度以及提前发现正式试验中可能遇到的一系列问题，并提前想好应对与解决方案。且在本组摸索试验中填土完成后进行试开挖，其目的为探索对比安全可靠的模拟开挖方式同时观察围岩的稳定性，为正式试验积累操作经验。由于本试验中所填土为两种不同配比，且模拟的是围岩软硬两部分以中间为界的理想状况下围岩开挖受力变形规律，故试验中填土采用左右交替填土确保同步填土夯实，且中间使用临时中隔板（如图3.10）分隔两边不同配比参数的填土，并同步夯实两边土层，最终将需填到预定填土高度（如图3.11）。当填土到达L1、L6高度时，需埋设压力盒和多点位移计，埋设检测元件时26 长安大学硕士学位论文需注意压力盒要与侧线方向垂直且离开PVC管一定距离防止干扰，多点位移计的活动测头需要预留变形空间，使其处于PVC管预留条形开口的中间为宜，使其能测出可能的两个方向的位移。当填土到达L2、L5下部时，元件埋设和上述相同，只需分步埋设即可，但填土高度到达L3、L4下部时，除了按上述类似方式埋设压力盒和电阻应变计以外，还需埋设一组PVC管作为注浆管，预留注浆管的原因是本模型试验的衬砌是采用预制衬砌形式，开挖后再将预制衬砌分部装配到开挖洞体里，这样开挖后的围岩与就与预制衬砌间形成大面积不规则的间隙，无法保证围岩与衬砌密贴，因而围岩因开挖扰动而收敛变形造成的围岩内部应力变化便无法传递到衬砌上，也就无法反映到贴在衬砌内表面的应变片上。因此需要采取措施使围岩与衬砌密贴以保证围岩应力变化能反映到衬砌上，因而我们采用预留注浆管注浆，注浆浆液采用水膏比为1.3:1的石膏水溶液迅速注浆，具体不同开挖方法时的注浆操作顺序将在后文分组试验过程介绍中详细说明。图3.8清理后的模型箱图3.10填土时使用的中隔板27 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选图3.9分层向模型箱填土图3.11填土完成后的模型箱3.3.2模型试验分组试验过程如前所述，本模型试验是研究基于模拟不同工法下围岩内部力学性质变化的试验，所模拟的不同工法为三种，即两台阶法，CD先硬后软法，CD先软后硬法。下面将分别叙述各组基于模拟不同施工工法的模型试验的具体试验过程。(1)两台阶法如前所述当模型箱内分层填土完成后，在模型箱最上部两边钢骨架上L2、L3、L4、L5侧线上部和模型向两边L1、L6高度处架设百分表，架设百分表时需注意百分表头移动方向须尽量与多点位移计架设走向在一条直线上，以利于相对准确的测得围岩内部位移。具体模型填土完成后的试验操作步骤依次如下：①架设百分表（如图3.12），同时连接多点位移计，并给百分表标记上对应位移计的测点，以方便以后试验各步中百分表读数和记录。同时将压力盒按测压力盒原始值时记录的接线方式连接到应变仪上；②读取百分表初始值并记录；同时用计算机中的应变仪配套数据监测软件读取并记录压力盒初始值，并使该软件设定到自动读数状态持续监测（如图3.13），同时自此往后每一步试验操作开始前和结束后均需读取并记录一次百分表读数；28 长安大学硕士学位论文图3.12架设百分表图3.13监测压力盒数据③开始开挖前上台阶（如图3.14），本试验一次台阶开挖深度均为20cm，开挖过程须使用小型土工铲手动轻轻开挖，以防开挖造成局部或整体坍塌，且开挖过程需不断依据预制衬砌尺寸对照开挖，避免出现围岩超欠挖；④施作前上台阶衬砌并完成注浆（如图3.15），此步注意预制衬砌安装时需轻轻操作避免用力过大导致衬砌开裂破坏，且为避免预制衬砌在后续下台阶开挖时出现下沉甚至与上部围岩剥离掉落下来，故特在预制衬砌下端预留三个开口用于施作锁脚锚杆（如图3.16），以保证上台阶预制衬砌施作后的稳定性。注浆之前需对衬砌周围进行处理以避免注浆时漏浆，实际操作过程中发现注浆堵浆工作较困难，漏浆问题很常见，但经过几次摸索之后，堵浆问题得到较好解决。由于注浆使用石膏水溶液，故而很快注入的浆液就凝固成整体，故而此时便可将衬砌上电阻应变片接线接入应变仪（如图3.17），并开始记录电阻应变片监测数据；图3.14开挖前上台阶图3.15衬砌施作并注浆29 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选图3.16施作锁脚锚杆图3.17应变片连接并开始监测⑤开挖后上台阶并施作衬砌。本步衬砌施作由于有前上部衬砌阻碍，故无法直接安装，需切割成两部分装入后粘合，同时同前一步一样须施作锁脚锚杆，在对接缝进行防漏处理（衬砌接缝处理如图3.18）后开始注浆，图3.19为本步衬砌并注浆完成后的效果图。等待注浆凝结稳定后将本次施作衬砌上连接的应变片接入应变仪开始检测数据，并在模型试验工作笔记簿上做好相关试验记录，以便于试验后期数据分析；⑥开挖前下台阶并施作衬砌，使用专用粘合剂将这两部分衬砌粘合在一起形成一个完整衬砌，接缝连接效果如图3.20,防漏处理后进行注浆，同时本步因底部无法避免超挖，固仰拱底部也需进行注浆处理（如图3.21）；图3.18衬砌纵向接缝处理图3.19后上台阶衬砌+注浆效果图30 长安大学硕士学位论文图3.20衬砌环向接缝连接图3.21仰拱底部注浆⑦最后形成整体衬砌效果如图3.22，本组试验监控效果如图3.23；自此试验开挖完成，但仍须继续检测数据，本试验中继续检测五天。图3.22整体衬砌效果图图3.23本组试验监控图(2)CD先硬后软法本组试验模拟使用CD法开挖，由于CD法有一个左右开挖先后顺序问题，而本试验模拟的具体工程存在围岩左右性状非对称问题，故开挖顺序是否会影响隧道围岩稳定性的问题便需要通过一定的理论试验依据加以研究论证。而本组模型试验先只模拟先开挖左边较硬部分的围岩，然后开挖右边较软部分的围岩，故命名CD先硬后软法。当如同第一组一样模型箱内填土完成后，本组试验的试验操作步骤依次如下：①同第一组一样先架设百分表，同时连接多点位移计，并给百分表标记上对应位移计的测点，以方便以后试验各步中百分表读数和记录。同时将压力盒按测压力盒原始值时记录的接线方式连接到应变仪上；②本步依旧需读取百分表初始值并记录；同时用计算机中的应变仪配套数据监测软件读取并记录压力盒初始值，并使该软件设定到自动读数状态持续监测；31 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选③开始开挖前左部分即较硬部分围岩。本次开挖深度依旧是20cm，由于具体工程施工中CD法单侧导坑多是台阶法分部开挖分部衬砌的，但本试验中由于模型较小，操作空间有限，分部开挖与衬砌难以实现，故采用一次性开挖与衬砌的模拟试验方法。④施作前左部分衬砌并完成注浆（如图3.24），同时将衬砌上电阻应变片接线接入应变仪，并开始记录电阻应变片监测数据；⑤开始开挖后左部分围岩，然后衬砌并防漏处理后注浆，完成后如图3.25所示，同时将本部分衬砌上电阻应变片接线接入应变仪（如图3.26），并开始记录电阻应变片监测数据；图3.24前左部开挖并衬砌图3.25后左部开挖并衬砌图3.26应变片连接并开始监测图3.27前右部分开挖并衬砌完成⑥开挖前右部分围岩，然后衬砌并防漏处理后注浆，完成后如图3.27所示，同时将本部分衬砌上电阻应变片接线接入应变仪，并开始记录电阻应变片监测数据（如图3.28）；⑦拆中隔墙，完成后如图3.29，自此试验开挖完成，但仍须继续检测数据，本试验中继续检测五天。32 长安大学硕士学位论文图3.28应变片连接监测图3.29拆除中隔墙(3)CD先软后硬法而本组模型试验先只模拟先开挖右边较软部分的围岩，然后开挖左边较硬部分的围岩，故命名CD先软后硬法。同样当模型箱内填土完成后，本组试验的试验操作步骤依次如下：①同第一组一样先架设百分表，同时连接多点位移计，并给百分表标记上对应位移计的测点，以方便以后试验各步中百分表读数和记录。同时将压力盒按测压力盒原始值时记录的接线方式连接到应变仪上；②本步依旧需读取百分表初始值并记录；同时用计算机中的应变仪配套数据监测软件读取并记录压力盒初始值，并使该软件设定到自动读数状态持续监测；③开始开挖前右部分即较软部分围岩。本次开挖深度依旧是20cm，由于具体工程施工中CD法单侧导坑多是台阶法分部开挖分部衬砌的，但本试验中由于模型较小，操作空间有限，分部开挖与衬砌难以实现，故采用一次性开挖与衬砌的模拟试验方法。④施作前右部分衬砌并完成注浆（如图3.30），同时将衬砌上电阻应变片接线接入应变仪，并开始记录电阻应变片监测数据；⑤开始开挖后右部分围岩，然后衬砌并防漏处理后注浆，完成后如图3.31所示，同时将本部分衬砌上电阻应变片接线接入应变仪，并开始记录电阻应变片监测数据；33 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选图3.30前右部开挖衬砌并注浆图3.31后右部开挖衬砌并注浆⑥开挖前左部分围岩，然后衬砌并防漏处理后注浆，完成后如图3.32所示，同时将本部分衬砌上电阻应变片接线接入应变仪，并开始记录电阻应变片监测数据；⑦拆中隔墙，完成后如图3.33，自此试验开挖完成，但仍须继续检测数据，本试验中继续检测五天。3.34为本组试验开挖完成后继续数据监测效果图；图3.32前左部完成图图3.33拆除中隔墙图3.34数据监测3.4模型试验结果分析34 长安大学硕士学位论文3.4.1模型试验围岩内部位移变化试验结果分析本模型试验中，使用多点位移计配合百分表监测记录围岩内部位移变化，在两个断面上布设多点位移计，每个断面上布设4条测线（L2、L3、L4、L5方向）每条测线上布置3个共12个测点，本模型试验中多点位移计具体布置图与本次分析编号（本次编号1~12）如图3.1所示。表3.1中表示不同工法中各步骤的含义。表3.1不同工法中各步骤含义工法台阶法CD先硬后软法CD先软后硬法步骤一未开挖初始值未开挖初始值未开挖初始值二前上台阶开挖完成前左部分开挖完成前右部分开挖完成三前上台阶衬砌并注浆完成前左部分衬砌并注浆完成前右部分衬砌并注浆完成四后上台阶开挖完成后左部分开挖完成后右部分开挖完成五后上台阶衬砌并注浆完成后左部分衬砌并注浆完成后右部分衬砌并注浆完成六前下台阶开挖完成前右部分开挖完成前左部分开挖完成七后下台阶衬砌并注浆完成前右部分衬砌并注浆完成前左部分衬砌并注浆完成八施工完成后最终稳定值中隔墙拆除完成中隔墙拆除完成九--施工完成后最终稳定值施工完成后最终稳定值由于本模型试验中监测元件布设均是对称布置在两个断面上，同时为便于分析数据分析，用Q和H分别标示前断面和后断面上的元件，用T代表台阶法，用CD-Y代表CD先硬后软法，用CD-R代表CD先软后硬法，从而制成图表如下，如表3.2中数据为图3.4中L2方向测线上的前断面1、2、3点（Q1、Q2和Q3）和后断面上的1、2、3点（H1、H2和H3）的数据表格。表3.2L2测线上两个断面的1、2和3点数据（单位：mm）T16.95116.95116.95117.05117.05217.05217.05217.051--Q1CD-Y28.46328.46328.46328.46328.46328.46328.46328.46328.463CD-R19.03619.03619.03619.03619.03619.03619.03619.03619.036T5.785.785.785.7785.7785.7785.7785.778--Q2CD-Y13.64213.64213.64213.79913.79913.79913.79913.79913.835 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选CD-R4.7294.7294.7294.7294.7294.7294.7294.7294.729T6.2196.2196.2196.2196.2196.2196.2196.219--Q3CD-Y7.2817.6067.6067.7797.7797.7797.7797.7797.779CD-R4.2044.2044.2044.2044.2044.2044.2044.2044.204T19.21119.21319.21319.21319.21319.21319.21319.211--H1CD-Y2.4812.4812.4812.5622.5622.5622.5632.5632.563CD-R4.5344.5344.5344.5344.5344.5344.5344.5344.534T22.41822.41622.41622.41622.41622.41622.41622.417--H2CD-Y39.28639.28639.28639.28639.28639.28639.28839.28839.288CD-R28.88828.88828.88828.88828.88828.88828.88828.88828.888T48.3548.39848.39848.42848.42848.42848.42848.428--H3CD-Y27.97727.9727.9727.9927.9927.9927.9927.9927.992CD-R19.3819.3819.3819.3819.3819.3819.3819.3819.38编号工法一二三四五六七八九----施工工序由上表（3.2）中数据可以得出对各监测点的独立分析，故以下内容将针对围岩中各监测点在前后断面和不同工法中的变化规律加以对比分析并总结，下文中所涉及的位移，除特殊说明外，正数即代表沿隧道径向趋向隧道方向的收敛变形值，反之则代表背向隧道方向变形；对于L2测线中1号点，其位于围岩左侧拱肩附近，台阶法中前断面上1号点（即Q1点）在第四步，即后上台阶开挖完成后出现位移，而后趋于稳定，往隧道方向变形0.1mm，而后断面上1号点（即H1点），整个过程中有不明显波动，但无明显位移。在CD硬软法中，Q1点整个施工过程无明显变化，H1点在施工第四步，即后左部开挖完成后出现位移，位移为0.08mm，而后趋于稳定，施工过程总位移0.08mm。在CD软硬法中，Q1与H1均保持稳定，无明显位移。对于2号点，在台阶法中两断面中的Q2与H2均无明显位移。CD硬软法中Q2点在第四步，即后左部开挖完成后出现位移，位移量为0.16mm，而H2点无明显变化。CD软硬法中，Q2与H2均无明显位移。36 长安大学硕士学位论文对于3号点，台阶法中Q3无明显位移，H3有0.08mm总位移。CD硬软发中Q3在第二、四步即前左部和后左部开挖完成后出现位移，总位移0.5mm，H3总位移0.015mm。CD软硬法中Q3、H3均无明显位移。表3.3L3测线上两个断面的4、5和6点数据（单位：mm）T21.56821.67121.66121.64921.64921.64921.64921.649--Q4CD-Y23.32223.32223.32223.32223.32223.32223.32223.32223.322CD-R22.28722.18922.18922.18922.18922.18922.18922.18922.189T19.86519.97819.97819.97419.96919.96919.96919.969--Q5CD-Y18.17418.17418.17418.2918.2918.36118.36118.36118.437CD-R45.91145.88845.88845.88845.88845.88845.88845.88845.888T25.76925.76825.76825.77625.77725.77725.77725.777--Q6CD-Y22.69422.76722.76722.7922.7922.84622.84622.84622.92CD-R30.78130.78130.78130.78130.78130.78130.78130.78130.781T13.0113.0113.01113.05913.05913.05913.05913.059--H4CD-Y5.8695.8695.8695.8695.8695.8695.8695.8695.869CD-R19.91819.91819.91819.91819.91819.91819.91819.91819.918T42.96142.96242.96242.96242.96242.96242.96242.965--H5CD-Y18.25918.25918.25918.26818.26818.26818.29318.29318.292CD-R18.95918.40518.40518.40518.40518.40518.40518.40518.405T46.55845.63845.63845.80945.80945.80945.80945.809--H6CD-Y15.69815.69815.69815.9515.9515.9515.9515.9515.949CD-R1.6811.7491.7491.7491.7491.7491.7491.7491.749编号工法一二三四五六七八九----施工工序表3.3中数据为图3.34中L3方向测线上的前断面4、5、6点（Q4、Q5和Q6）和后断面上的4、6、6点（H4、H5和H6）的试验数据表格。对于L3测线中4号点，其位于围岩拱顶稍偏左位置，在台阶法中Q4在第二步即后上台阶开挖完成后出现明显位移，其总位移为0.08mm，H4在第四步即37 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选前下台阶开挖完成后出现明显位移，总位移为0.06mm。在CD硬软法中Q4与H4均无明显位移。在CD软硬法中Q4与H4均无明显位移。对于5号点，台阶法中Q5在第二步即前上台阶开挖完成后出现明显位移，总位移为0.1mm，H5在整个开挖过程中无明显位移。CD硬软法中Q5在第四、六、八步即后左部开挖、前右部开挖、中隔墙拆除完成出现位移，总位移为0.26mm，H5在第四步即后左部开挖完成后出现位移，总位移为0.03mm。CD软硬法中Q5与H5均无明显变形。对于6号点，台阶法中Q6无明显位移，H6在第二、四步即前上台阶、后上台阶开挖完成后出现位移，总位移为0.25mm。CD硬软法中Q6总位移0.23mm，H6总位移0.25mm。CD软硬法中Q6无明显位移，H6总位移0.07mm。表3.4L4测线上两个断面的7、8和9点数据（单位：mm）T8.2198.2198.2198.2448.2448.2448.2448.291--Q7CD-Y5.1975.1975.1975.1975.1975.2475.2475.2635.27CD-R1.3021.3761.3761.3731.3731.3731.3731.3731.373T30.71930.76930.76930.76930.76930.76930.76930.769--Q8CD-Y42.54542.54542.54542.54542.54542.54542.54542.54542.545CD-R17.12917.12917.12917.12917.12917.12917.12917.12917.129T26.49826.526.49726.49726.49726.49726.49726.499--Q9CD-Y18.17618.17618.17618.17618.17618.17618.17618.17618.176CD-R12.83512.83512.83512.83512.83512.83512.83512.83512.835T9.6129.6189.6189.6999.6979.6979.6979.697--H7CD-Y19.7819.7819.7819.7819.7819.85519.85519.85519.855CD-R21.03621.03621.03621.03621.03621.03621.03621.03621.036T1.9791.9791.9791.9941.9941.9941.9941.992--H8CD-Y23.23723.23723.23723.23723.23723.23723.23723.23723.238CD-R18.54918.75118.75118.75118.75118.75118.75118.75118.751T23.61923.61923.61823.59123.623.623.623.602--H9CD-Y16.39816.39816.39816.39816.39816.39816.39816.39816.39838 长安大学硕士学位论文CD-R47.06947.08147.08147.08147.08147.08147.08147.08147.081编号工法一二三四五六七八九----施工工序表3.4中数据为图3.34中L4方向测线上的前断面7、8、9点（Q7、Q8和Q9）和后断面上的7、8、9点（H7、H8和H9）的试验数据表格。对于7号点，台阶法中Q7在第四、八步即后上台阶开挖完成、施工完成最终稳定值时出现明显位移，总位移0.07mm，H7在第四步即后上台阶开挖完成后出现位移，总位移0.09mm。CD硬软法中Q7第六、八步即前右部开挖完成、中隔壁拆除完成后出现明显位移，总位移为0.07mm，H7在第六步即前右部开挖完成后出现明显位移，总位移为0.08mm。CD软硬法中Q7在第二步即前右部开挖完成后出现明显位移，总位移为0.07mm，H7无明显变化。对于8号点，台阶法中Q8在第二步即前上台阶开挖完成后出现位移，总位移为0.05mm，H8总位移0.01mm。CD硬软法中Q8与H8均无明显位移。CD软硬法中Q8与H8均无明显位移。对于9号点，台阶法中Q9与H9均无明显位移。CD硬软法中Q9与H9均无明显位移。CD软硬法中Q9与H9均无明显位移。表3.5L5测线上两个断面的10、11和12点数据（单位：mm）T15.87915.8815.8815.94915.94815.94815.94815.951--Q10CD-Y7.6837.6837.6837.6837.6837.4227.4227.4227.421CD-R21.5421.5421.5421.5421.5421.5421.5421.5421.54T22.32722.2922.22522.22522.22522.18122.18122.089--Q11CD-Y20.02720.01619.93819.93819.93819.8919.8919.8919.89CD-R25.8125.8125.8125.8125.8125.8125.8125.8125.81T4.1124.0714.0453.9913.9453.883.8193.739--Q12CD-Y4.6414.6414.6414.6414.6414.6414.6414.6414.641CD-R5.8415.8415.8435.875.8885.9185.9185.9285.928T7.0557.036.9926.946.9386.96.8726.818--H10CD-Y22.63622.63622.63622.63622.63622.63622.63622.63622.63639 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选CD-R25.58225.58225.58225.58225.58225.58225.58225.58225.582T17.98217.98217.98217.90317.09417.90417.90417.903--H11CD-Y41.54941.51441.51441.51441.51441.51141.51141.51141.511CD-R23.77923.77923.77923.77923.77923.77923.77923.77923.779T6.0936.0936.0736.035.9675.965.95.871--H12CD-Y22.84522.84522.84522.84522.84522.84522.84522.84522.85CD-R18.92918.92918.92918.92518.92518.92518.92518.92518.925编号工法一二三四五六七八九----施工工序表3.5中数据为图3.34中L5方向测线上的前断面10、11、12点（Q10、Q11和Q12）和后断面上的10、11、12点（H10、H11和H12）的试验数据表格。对于10号点，台阶法中Q10在第四步即后上台阶开挖完成后出现明显位移，总位移是0.07mm，H10总位移0.13mm。CD硬软法中Q10与H10均无明显位移。CD软硬法中Q10与H10均无明显位移。对于11号点，台阶法中Q11总位移为0.24mm，H11总位移为0.08mm。CD硬软法中Q11总位移0.14mm，H11总位移0.04mm。CD软硬法中Q11与H11均无明显位移。对于12号点，台阶法中Q12总位移0.37mm，H12总位移0.22mm。CD硬软法中Q12与H12均无明显位移。CD软硬法中Q12总位移为0.09mm，H12无明显位移。由以上对于围岩中前后断面上，对称位置上点的位移在不同工法下变化的分析，可得出关于围岩内部位移的如下汇总分析:（1）在台阶法中，在施工过程中前断面在开挖第二、四步即前上台阶、后上台阶开挖完成后出现明显位移，而在第六步即前下台阶开挖后变形较小；后断面在开挖第四步即后上台阶开挖完成后出现明显位移，而在第二、六步即前上前下台阶开挖过程中变形不明显。围岩内部多数测点均有不同程度的位移值，其前断面上测点位移普遍大于后断面上测点位移，且位于围岩右侧较软部分测点的位移量普遍大于左侧较硬部分的位移量。同时开挖后围岩均出现明显的收敛变形，40 长安大学硕士学位论文且在整个施工工程中，前断面总变形量大于后断面，较软部分的总收敛变形量大[76]于较硬部分。（2）在CD硬软法中，在施工过程中前断面在第四、六、八步即左后部开挖、右前部开挖、中隔壁拆除完成后出现较明显变形，而后断面在右前部开挖和中隔壁拆除后才出现少量变形。围岩内测点普遍出现整体相对台阶法较小的位移量，且位移多在较硬的左部前后部分都开挖完成以后迅速出现，当较软的右部前部开挖后位移变化量相对不大，即主要变形在围岩较硬部开挖后既已经发生，而后中隔壁拆除也会产生一定的位移变化。（3）在CD软硬法中，在施工过程中前断面和后断面上均无明显变形。由于围岩内测点普遍无明显位移，从少量测点的有限的位移变化状态可以看出其位移主要发生在刚开挖较软部分的时候，而后整个过程中围岩内部的位移较小，即整个围岩的稳定状态较好，相对另两种工法，CD软硬法具有较佳的施工期围岩形变稳定性。3.4.2模型试验围岩压力变化试验结果分析本模型试验中，使用电阻式压力计（压力盒）监测围岩内部应力变化，压力盒的具体布置图与本次分析编号（本次编号1~12）如图3.2所示。本次压力盒数据分析依旧采取以每个测点为基本单位先独立分析其应力在不同工法下的变化规律，再综合对比分析不同工法下围岩整体应力变化规律。由于压力盒布设依旧是在前后两个断面上，故依旧使用Q和H表示前后断面上的测点，不同工法中施工步骤依旧和表3.1中保持一致。下列组图为L1测线上前后两个断面上的1、2、3点（即Q1、Q2、Q3和H1、H2、H3点）在不同工法下应力变化规律图：Q1在不同工法下应力变化H1在不同工法下应力变化30台阶法CD硬软法CD软硬法30台阶法CD硬软法CD软硬法2525202015151010应力值（KPa）5应力值（KPa）500一二三四五六七八九一二三四五六七八九施工步骤施工步骤Q1H141 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选Q2在不同工法下应力变化H2在不同工法下应力变化30台阶法CD硬软法CD软硬法30台阶法CD硬软法CD软硬法2525202015151010应力值（KPa）5应力值（KPa）500一二三四五六七八九一二三四五六七八九施工步骤施工步骤Q2H2Q3在不同工法下应力变化H3在不同工法下应力变化30台阶法CD硬软法CD软硬法30台阶法CD硬软法CD软硬法2525202015151010应力值（KPa）5应力值（KPa）500一二三四五六七八九一二三四五六七八九施工步骤施工步骤Q3H3图3.35L1测线上前后断面1、2、3点应力变化趋势由以上图3.35中所示L1测线上前后断面1、2、3各点应力变化趋势可有如下分析结果；对于1号点，台阶法中Q1在第二步即上台阶开挖后即出现应力降低趋势，而后应力逐渐趋于平稳并有小幅回升，其最大应力减小量为5.6kPa，H1在第三步往后才出现明显应力降低变化现象，而后其应力保持相对稳定并有小幅提升，其最大应力减小量为5.7kPa。CD硬软法中Q1与H1均有应力减小现象，但H1点应力减小延后于Q1点，其后均保持稳定状态，Q1与H1最大应力减小量分别为3.2kPa和4.7kPa。CD软硬法中Q1应力值在开挖后出现应力增大现象，应力最大增大值为2.7kPa，达到15.5kPa的最大围岩压力值，而后片逐渐降低到9.8kPa，H1的应力值平稳降低最终稳定在10.6kPa，应力降低量为2.2kPa。对于2号点，台阶法中Q2与H2在第一步开挖后均出现应力增加趋势，H2应力增加相对Q2延后，而后趋于稳定，其最大应力增加值分别为6.8kPa和4.4kPa。CD硬软法中Q2与H2均出现应力增大现象，Q2应力稳定增加后稳定到16.6kPa，H2应力增大6kPa而后回落1.8kPa最终稳定到17kPa。CD软硬法中Q2与H2应力值均有增大，其中Q2增大过程平稳，H2增大迅速而后稳定，但最终稳定值均小于台阶法和CD硬软法中最终稳定值。42 长安大学硕士学位论文对于3号点，三种工法中围岩应力均有少量增加，台阶法相对较大，三种工法下整个施工过程中各点应力保持相对稳定并有小幅增加趋势，而后稳定，台阶法最大应力增幅不超过2.2kPa，而CD软硬法最大增幅为1.4kPa。下列组图为L3测线上前后两个断面上的4、5、6点（即Q4、Q5、Q6和H4、H5、H6点）在不同工法下应力变化规律图：Q4在不同工法下应力变化H4在不同工法下应力变化30台阶法CD硬软法CD软硬法30台阶法CD硬软法CD软硬法2525202015151010应力值（KPa）5应力值（KPa）500一二三四五六七八九一二三四五六七八九施工步骤施工步骤Q4H4Q5在不同工法下应力变化H5在不同工法下应力变化30台阶法CD硬软法CD软硬法30台阶法CD硬软法CD软硬法2525202015151010应力值（KPa）5应力值（KPa）500一二三四五六七八九一二三四五六七八九施工步骤施工步骤Q5H5Q6在不同工法下应力变化H6在不同工法下应力变化30台阶法CD硬软法CD软硬法30台阶法CD硬软法CD软硬法2525202015151010应力值（KPa）5应力值（KPa）500一二三四五六七八九一二三四五六七八九施工步骤施工步骤Q6H6图3.36L3测线上前后断面4、5、6点应力变化趋势对于4号点，台阶法中Q4在第一次开挖后应力下降幅度较大，最小达到6.2kPa，而后少量回升后再次小幅下降，最终稳定在7.5kPa左右，H4也在第一次开挖后出现明显应力减小，而后小幅回升在小幅下降后趋于稳定，最终稳定在7kPa左右。CD硬软法中，Q4与H4均出现应力大幅降低，而后回升并趋于稳定，最终分别稳定在11.5kPa和10.5kPa左右。CD软硬法中Q4与H4的应力变化趋势同另两种工法下变化趋势一致，但应力降低程度相对较小，最终分别稳定在43 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选14.5kPa和13.5kPa。对于5号点，台阶法中Q5与H5开挖后应力降低幅度分别为8.8kPa和9.8kPa，最终稳定应力值分别为9.2kPa和7.6kPa。CD硬软法中Q5与H5应力值最终分别稳定在9.8kPa和9.3kPa。CD软硬法中Q5与H5应力值最终分别稳定在12.2kPa和11kPa。对于6号点，台阶法中Q6与H6开挖后应力出现明显降低趋势，最终稳定在9.2kPa和7.2kPa。CD硬软法中Q6与H6最终应力值分别稳定在9.8kPa和8.6kPa。CD软硬法中Q6与H6应力值最终分别稳定在10.8kPa和9.6kPa。下列组图为L4测线上前后两个断面上的7、8、9点（即Q7、Q8、Q9和H7、H8、H9点）在不同工法下应力变化规律图：Q7在不同工法下应力变化H7在不同工法下应力变化30台阶法CD硬软法CD软硬法30台阶法CD硬软法CD软硬法2525202015151010应力值（KPa）5应力值（KPa）500一二三四五六七八九一二三四五六七八九施工步骤施工步骤Q7H7Q8在不同工法下应力变化H8在不同工法下应力变化30台阶法CD硬软法CD软硬法30台阶法CD硬软法CD软硬法2525202015151010应力值（KPa）5应力值（KPa）500一二三四五六七八九一二三四五六七八九施工步骤施工步骤Q8H8Q9在不同工法下应力变化H9在不同工法下应力变化30台阶法CD硬软法CD软硬法30台阶法CD硬软法CD软硬法2525202015151010应力值（KPa）5应力值（KPa）500一二三四五六七八九一二三四五六七八九施工步骤施工步骤Q9H9图3.37L4测线上前后断面7、8、9点应力变化趋势44 长安大学硕士学位论文对于7号点，台阶法中Q7在第一次开挖后应力下降幅度较大，最小达到5.2kPa，而后少量回升后再次小幅下降，最终稳定在7.2kPa左右，H7也在第一次开挖后出现明显应力减小，而后小幅回升在小幅下降后趋于稳定，最终稳定在7.4kPa左右。CD硬软法中，Q7与H7均出现应力大幅降低，而后回升并趋于稳定，最终分别稳定在10.5kPa和10.4kPa左右。CD软硬法中Q7与H7的应力变化趋势同另两种工法下变化趋势一致，但应力降低程度相对较小，最终分别稳定在13.3kPa和13.1kPa。对于8号点，台阶法中Q8与H8开挖后应力降低幅度分别为9.8kPa和9.9kPa，最终稳定应力值分别为8.4kPa和7.1kPa。CD硬软法中Q8与H8应力值最终均稳定在9.2kPa。CD软硬法中Q8与H8应力值最终分别稳定在11.3kPa和10.1kPa。对于9号点，台阶法中Q9与H9开挖后应力出现明显降低趋势，最终稳定在8.2kPa和7.3kPa。CD硬软法中Q9与H9最终应力值分别稳定在8.8kPa和8.7kPa。CD软硬法中Q9与H9应力值最终分别稳定在9.8kPa和10.6kPa。下列组图为L6测线上前后两个断面上的10、11、12点（即Q10、Q11、Q12和H10、H11、H12点）在不同工法下应力变化规律图：Q10在不同工法下应力变化H10在不同工法下应力变化30台阶法CD硬软法CD软硬法30台阶法CD硬软法CD软硬法2525202015151010应力值（KPa）5应力值（KPa）500一二三四五六七八九一二三四五六七八九施工步骤施工步骤Q10H10Q11在不同工法下应力变化H11在不同工法下应力变化30台阶法CD硬软法CD软硬法30台阶法CD硬软法CD软硬法2525202015151010应力值（KPa）5应力值（KPa）500一二三四五六七八九一二三四五六七八九施工步骤施工步骤Q11H1145 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选Q12在不同工法下应力变化H12在不同工法下应力变化30台阶法CD硬软法CD软硬法30台阶法CD硬软法CD软硬法2525202015151010应力值（KPa）5应力值（KPa）500一二三四五六七八九一二三四五六七八九施工步骤施工步骤Q12H12图3.38L6测线上前后断面10、11、12点应力变化趋势对于10号点，台阶法中Q10在上台阶开挖后即出现应力降低趋势，而后应力逐渐趋于平稳并有小幅回升，其最大应力减小量为6kPa，H10在第三步往后才出现应力增加变化现象，而后其应力保持相对稳定并有小幅提升，最终Q10与H10的应力稳定值分别为8.1kPa和13.5kPa。CD硬软法中Q10在开挖后出现应力增大现象，而H10应力值相对稳定，无显著变化，Q10和H10最终应力稳定值为13.4kPa和11.4kPa。CD软硬法中Q10应力值在开挖后出现应力降低现象，应力最大减小值为4.4kPa，达到8.4kPa的最小围岩压力值，而后片逐渐增大稳定到9.7kPa，H10的应力值平稳降低最终稳定在12.8kPa。对于11号点，台阶法中Q11与H11在第一步开挖后均出现应力增加趋势，H11应力增加相对Q11延后，而后趋于稳定，其最大应力增加值分别为7.7kPa和4kPa，Q11与H11最终应力值稳定在16.5kPa和16kPa。CD硬软法中Q11与H11均出现应力增大现象，Q11应力稳定增加后稳定到16.2kPa，H11应力增大2.2kPa而后回落0.2kPa最终稳定到14.8kPa。CD软硬法中Q11与H11应力值均有增大，其中Q11应力明显增大而后下降最终稳定在16.1kPa，H2微量增大而后稳定到14.5kPa，但最终稳定值均小于台阶法和CD硬软法中最终稳定值。对于12号点，三种工法中围岩应力均有少量增加，台阶法相对较大，三种工法下整个施工过程中各点应力保持相对稳定并有小幅增加趋势，而后稍有降低然后稳定，台阶法中Q12和H12最终稳定值为14.5kPa和14.3kPa，CD硬软法中Q12和H12最终应力稳定值为12.6kPa和12.8kPa，CD软硬法中Q12和H12最终应力稳定值为14.5kPa和13.2kPa。综合以上关于各点处应力变化的数据分析，通过在不同工法下各点应力变化的对比分析，可得出关于围岩内部应力变化的如下汇总分析:46 长安大学硕士学位论文（1）在台阶法中，开挖会造成拱腰以上部分即拱腰水平线上靠近隧道洞体的围岩应力出现明显下降，竖直方向越靠近临空面处围岩应力减小量越大，后半段面的围岩应力变化在时间上滞后于前断面，当衬砌完成后应力值常出现一定程度的回升或稳定，但最终应力值一般小于原始应力值。但在拱腰水平线上0.5倍洞径的地方出现明显的应力增大现象，在1倍洞径的地方亦有一定程度应力增大现象，且围岩内在较硬的左侧0.5倍洞径处应力增大较明显，而右侧较软部分相应位置的应力增大值相对较小，甚至右侧围岩内局部有应力降低的趋势。在拱顶以上部分的围岩中，开挖引起明显的围岩应力降低，且右侧较软部分应力降低幅度大于左侧较硬部分，这是由于隧道开挖后左右侧围岩由于强度不同发生不均匀收敛变形引起的。（2）CD硬软法中，开挖亦会造成上部围岩中应力减小的现象，亦有靠近围岩临空面处测点的应力减小量较大的现象，但整体应力变化量相对台阶法中较小。而且在CD硬软法开挖时，先开挖一侧的两边围岩在较小范围内出现应力松弛，而在0.5倍开挖洞径处出现应力增大现象，在远处随着距离开挖面越远，应力增大越不明显。（3）在CD软硬法中，开挖造成的应力减小现象依旧存在于围岩上部和靠近洞体的围岩中，但应力变化量比台阶法和CD硬软法小，而后断面上应力减小出现时间较前断面晚，且应力减小量较前断面上应力减少量要小。同时在CD软硬法中先开挖右侧较软部分相比CD硬软法中先开挖左侧较硬部分时，在拱腰水平线上监测数据显示开挖后围岩应力增大均出现在距洞体0.5倍洞径至1倍洞径附近，且先开挖较硬部分是应力集中程度更明显；同时拱顶以上部分围岩中，开挖较硬一侧会引起相对更大幅度的应力降低现象。3.4.3模型试验衬砌内力变化试验结果分析本模型试验中采用电阻应变计密贴在衬砌表面并接入电阻应变仪监测记录应变数据，再由应变片的转换公式计算出相应应力变化值，并分析衬砌应力变化规律，不同工法中应变片布置如图3.3所示。本次应变片数据分析以分析不同工法中衬砌上各点在施工过程中应力变化规律为基本方法，再综合各点应力变化规律对比分析不同工法下的衬砌受力特47 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选征，下表3.6为台阶法中各点在不同施工步骤时的应力监测值数据表格（表中施工步骤所代表的具体含义与表3.1保持一致，下同）：表3.6台阶法中各点在不同施工步骤时的应力（单位：kPa）Q150.791.294.4148.7168.4177.7Q261.568.871.6130.9144.2166.3Q341.745.646.241.367.598.5Q735.260.354.447.771.2112.1Q857.170.369.4113.9121.6153.1H141.263.6108.5144.4H223.544.387.990.9H334.745.378.370H722.227.765.359.1H831.158.375.297.8Q460.3112.2Q575.9131.2Q670.6109.9--三四五六七八点号施工步骤表3.7为CD硬软法中各点在不同施工步骤时的应力监测值数据表格：表3.7CD硬软法中各点在不同施工步骤时的应力（单位：kPa）Q141.853.785.377.398.589.594.6Q234.245.273.379.598124.9120.8Q343.939.958.798.7103.3145.3134.3Q445.256.366.3103.6101.3134.8138.9Q510.351.16289.697.9121.2113Q645.968.859.2112118.1Q751.335.261.4121.2123Q843.663.763.8123.7121.248 长安大学硕士学位论文H134.865.376.499.6112.3H22345.677.3103.4159.7H331.990.384.7110.2106.4H436.755.590.4105.7123.5H518.341.278.9102.4133.4H634.256.886.7108.5123.1H733.657.589.1103.794.7H835.948.392.3110.3117.4Q950.278.9135.5Q1034.587.9123.3Q1140.499.3117.9Q1244.9103.699.6Q1336.789132.1--三四五六七八九点号施工步骤表3.8为CD软硬法中各点在不同施工步骤时的应力监测值数据表格：表3.8CD软硬法中各点在不同施工步骤时的应力（单位：kPa）Q121.456.158.496.690.7111.4104.3Q243.255.857.387.994.3106.598.5Q331.442.144.260.286.997.591.6Q434.757.956.270.471.187.384.2Q517.443.149.172.354.376.687.4Q628.334.254.368.487.5Q723.445.358.865.790.6Q821.938.360.857.998.4H130.445.366.489.9104H224.635.270.590121.449 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选H335.245.256.5106.2110.3H441.746.580.389.4113.5H51740.978.995.3105.4H634.250.467.480.495.9H740.348.576.587.681.4H838.343.378.17988Q940.370.599.8Q1025.467.389.7Q1132.478.379.6Q1238.487.484.3Q1336.659.190.8--三四五六七八九点号施工步骤由表3.6、3.7和3.8中数据可知，三种工法中衬砌内力均随施工推进而逐渐增大并与施工结束后趋于稳定，台阶法中前上台阶衬砌施作后应力值相对CD硬软法和CD软硬法应力值较大，随后随着后续开挖与衬砌迅速增大，尤其在前下台阶开挖后，前上台阶衬砌内力增幅较大，而后上台阶应力值变化幅度相对前台阶小，最终应力稳定值前断面衬砌上应力值普遍大于后断面衬砌上应力稳定值。且围岩较软侧衬砌应力变化幅度比围岩较硬侧衬砌应力变化幅度大，推测可能因围岩强度不同造成变形量不同，最终造成衬砌上不同的应力变化量。其中Q1、Q2和Q8点即拱顶附近位置处应力变化幅度较大，Q5即仰拱中部区域应力变化量较大，后断面上H1点即拱顶附近应力变量较大，最终施工完成后前断面衬砌中应力普遍较大且不均匀。在CD硬软法中衬砌应力随施工步骤推进逐渐增大，且衬砌最终稳定应力值有所降低，且小于台阶法中最终稳定衬砌应力值，整个施工过程衬砌内力平稳增加，且衬砌内力分布相对稳定，无明显衬砌应力突变现象，但中隔壁在拆除前应力变化量较大，从一定程度上反映了隧道围岩收敛变形在中隔壁拆除前造成了衬50 长安大学硕士学位论文砌应力持续增大的情况，且在较软部分围岩开挖衬砌后衬砌内力变化较明显，并出现局部应力集中现象，其中Q1、Q2、Q3和Q4点应力平稳增大后在中隔壁拆除后有所回落并趋向稳定，中隔壁上Q7、Q8和Q9应力变化幅度较大，后断面上应力变化平稳无明显应力集中现象，H1、H2处即后断面衬砌上拱顶附近应力相对较大，由于右边较软部分围岩变形量较大照成本部分衬砌应力相比左侧衬砌应力变化值大一些，但最终应力值在中隔壁拆除完成后趋于稳定。在CD软硬法中整体衬砌应力亦普遍随施工步骤推进而逐渐增大，但其整体应力变化幅度比台阶法和CD硬软法小，在第一步前右部即较软侧开挖并衬砌完成后，衬砌整体应力水平较低，而后随着施工进行，衬砌中内力不断增大，其中Q1与Q2点附近的应力水平变化幅度较大，但仍相对平稳。中隔壁在整个施工过程中应力稳定增大，无应力集中，且应力水平较CD硬软法中应力低，中隔壁拆除后，前断面衬砌上应力相应小幅增大，但很快趋于稳定。后断面上衬砌应力值亦随施工步骤稳定增大且不明显应力集中现象，整体衬砌应力水平稳定在一个较低的范围内，在施工第六步即左部较硬围岩部分开挖后中隔壁应力相应增大，本部分衬砌后应力迅速稳定且整体应力水平较低，中隔壁拆除后，前断面衬砌应力出现应力重分布，但整体应力值增大，后断面上衬砌上应力值亦普遍有一定程度的增大，但整体衬砌应力值变化相对稳定且普遍处于较低的应力水平。综合以上关于各点处应力变化的数据分析，即对衬砌在不同工法下内力变化规律的对比分析可得出如下结论：（1）以上三种工法中衬砌内力均随施工推进而逐渐增大并与施工结束后趋于稳定，台阶法中前上台阶衬砌施作后应力值相对CD硬软法和CD软硬法应力值较大，随后随着后续开挖与衬砌迅速增大，尤其在前下台阶开挖后，前上台阶衬砌内力增幅较大，而后上台阶应力值变化幅度相对前台阶小，最终应力稳定值前断面衬砌上应力值普遍大于后断面衬砌上应力稳定值。且围岩较软侧衬砌应力变化幅度比围岩较硬侧衬砌应力变化幅度大，推测可能因围岩强度不同造成变形量不同，最终造成衬砌上不同的应力变化量。（2）CD软硬法中衬砌上的应力水平相对CD硬软法和台阶法中的应力水平较小，且整个施工过程中无明显应力状态大幅度突变现象，且根据CD软硬法施51 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选工时围岩应力水平相对较低可推断围岩稳定性较好。（3）由中隔壁在施工过程中的应力变化规律可知，CD硬软法和CD软硬法中中隔壁在施工过程中承担重要的支撑作用，可限制围岩的拱顶沉降量，在中隔壁拆除后，围岩和衬砌均会发生应力重分布。3.5小结本模型试验通过模拟在围岩性状非对称的公路隧道施工中分别采用两台阶法、CD先硬后软发和CD先软后硬法等进行围岩开挖，通过对本次模型试验中监测的不同工法下的围岩内部位移、应力变化和衬砌内力变化的试验数据的分析对比，可以得出如下结论：1．在关于围岩性状非对称公路隧道施工方案优化研究的模型试验中，针对围岩内部位移变化的试验数据分析得出了如下结论：（1）在台阶法中，围岩内部多数测点均有不同程度的位移值，前断面在前上台阶、后上台阶开挖完成后出现明显位移，而在前下台阶开挖后变形较小；后断面在开挖后上台阶开挖完成后出现明显位移，而在前上前下台阶开挖过程中变形不明显。开挖后围岩均出现明显的收敛变形，前断面变形量大于后断面，较软部分的收敛变形量大于较硬部分。且台阶法施工时围岩内部位移整体相对较大。（2）在CD硬软法中，前断面在左后部开挖、右前部开挖、中隔壁拆除完成后出现较明显变形，而后断面在右前部开挖和中隔壁拆除后才出现少量变形。围岩内测点普遍出现相对台阶法较小的位移量，且位移多在较硬的左部前后部分都开挖完成以后迅速出现，当较软的右部前部开挖后位移变化量相对不大，即主要变形在硬部开挖后既已经发生，而后中隔壁拆除也会产生一定的位移变化。（3）在CD软硬法中，由于围岩内前断面和后断面上均无明显变形。从少量测点的有限的位移变化状态可以看出其位移主要发生在刚开挖较软部分的时候，而后整个过程中围岩内部的位移较小，即整个围岩的稳定状态较好，相对另两种工法，CD软硬法具有较佳的施工期围岩形变稳定性。即CD先软后硬法所造成的围岩内部位移量相对另外两种工法较小，围岩在整个施工过程中处于相对稳定状态，而同时台阶法施工时围岩内部位移最大，故52 长安大学硕士学位论文而从围岩内部位移角度考虑，CD先软后硬法为最优方案。2．通过在不同工法下围岩内各测点应力变化的对比分析，可得出关于围岩内部应力变化的如下汇总分析：（1）在台阶法中，开挖会造成拱腰以上部分即拱腰水平线上靠近隧道洞体的围岩应力出现明显下降，竖直方向越靠近临空面围岩应力减小量越大，后半段面的围岩应力变化在时间上延后于前断面，当衬砌完成后应力值常出现一定程度的回升或稳定，但最终应力值一般小于原始应力值。但在拱腰水平线上0.5倍洞径的地方出现明显的应力增大现象，在1倍洞径的地方亦有一定程度应力增大现象。（2）CD硬软法中，开挖亦会造成上部围岩中应力减小的现象，亦有靠近围岩出测点的应力减小量较大的现象，但整体应力变化量相对台阶法中较小。而且在CD硬软法开挖时，先开挖一侧的两边围岩在较小范围内出现应力松弛，而越在0.5倍开挖洞径处出现应力增大现象，在远处随着距离开挖面越远，应力增大越不明显。（3）在CD软硬法中，开挖造成的应力减小现象依旧存在于围岩上部和靠近洞体的围岩中，但应力变化量比台阶法和CD硬软法小，而后断面上应力减小出现时间较前断面晚，且应力减小量较前断面上应力减少量要小，同时监测数据显示开挖后围岩应力增大亦出现在距洞体0.5倍洞径和1倍洞径附近。即因隧道开挖引起的围岩应力下降多发生于拱顶以上部分围岩中或非常靠近洞体的围岩中，而因开挖引起围岩内局部产生应力集中多发生在拱顶以下围岩且距洞体0.5至1倍洞径左右处出现最明显的应力集中现象，从围岩内部应力变化的角度分析，其中台阶法的围岩内部应力变化最为明显，而CD硬软法中，由于开挖断面相对较台阶法小，其内部应力变化相对台阶法较小，而CD软硬法中围岩内部压力变化相对最小，整个开挖过程中围岩处于相对稳定的变化状态。3．从衬砌内力角度分析，两种CD法施工过程中衬砌整体内力变化幅度均小于台阶法中的衬砌变化幅度，而CD软硬法施工过程中衬砌内力变化相对另外两种工法的衬砌内力变化较小，CD软硬法中衬砌上的应力水平相对CD硬软法和台阶法中的应力水平较小，且整个施工过程中无明显应力状态大幅度突变现53 第三章基于模型试验的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选象，且根据CD软硬法施工时围岩应力水平相对较低可推断围岩稳定性较好，为相对合理的施工方案。4．综合以上结论，对于围岩左右非对称的公路隧道，采用先开挖隧道围岩条件较差一侧的CD法施工方法，能更好的充分地利用了较硬一侧围岩的支撑效果，阻止围岩过分收敛变形，促使围岩进入稳定收敛状态，最大限度发挥围岩的自承能力，保持围岩的相对稳定状态。54 长安大学硕士学位论文第四章基于数值模拟的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选4.1数值分析方法简介4.1.1概述数值研究方法是当今国内外普遍采用的一种隧道设计与施工研究手段，随着科学技术的不断进步，解决隧道工程问题的数值模拟理论迅速发展，各种数值分析方法在隧道工程方面成功应用。数值分析方法有如下优点：1）可以分析形状十分复杂、非均质的各种实际工程结构，可以模拟各种材料的本构关系、荷载及边界条件，应用领域也较宽，可以用来模拟土体里的渗流场、初始应力场及动荷载作用下结构响应等，2）更经济，如用数值模拟所进行的施工过程，可以直观地“看到”隧道开挖引起的应力场和应变场的变化。就弹性分析而言，其效果比试[77]验还要好，但所需经费开支却比较少，且没有材料及资源上的浪费。数值分析方法一般有有限单元法（FEM）、边界元法（BEM）、有限差分法（FDM）、有限体积法（FVM）。有限元法的模拟能力强，可以考虑岩土介质的非均匀性、各向异性、非连续性和材料与几何的非线性性等，且能适用于各种实[78]际的边界条件。因此本文选用有限元法进行分析。4.1.2有限元法有限元法将计算域离散划分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线性组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看作由每个单元基函数组成，则整个计算域内的解可以看作由[79]所有单元上的近似解构成。采用有限元软件进行分析的基本过程可归纳为：确定几何模型、网格划分、施加边界条件确定计算模型、求解、后处理。4.1.3有限元分析软件目前国际上流行的大型有限元CAE(Computer-aidedEngineering)分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、COSMOS等。本文采用ANSYS软件进行分析。55 第四章基于数值模拟的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的研究，在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医药、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用，现已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年FEA评比中都名列第一。它是第一个通过工509001质量认证的分析设计类软件，也是通过美国机械工程师协会[80](ASME)、美国核安全局(NQA)及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。4.2隧道施工模拟4.2.1模拟中本构模型隧道围岩材料特性按均质弹塑性考虑，采用Druck-prager屈服准则。根据Druck-Prager模型，材料的塑性屈服准则为："1/2J(J)k122sin式中：3(3sin)6ccosk；3(3sin)JJ1xyz1——应力第一不变量，；’J2——第二偏应力张量不变量，"1222222J[()()()6()]2xyyzzxxyyzxz6c——岩土材料的内聚力，MPa;——岩土材料的内摩擦角。4.2.2开挖模拟将一个相对完整的施工阶段称为施工步，并设每个施工步包含若干增量步，则与该施工步相应的开挖释放荷载可在所包含的增量步中逐步释放，从而真实地模拟施工工程。具体计算中，每个增量步的荷载释放量可由释放系数控制。对各[81]施工阶段的状态，有限元分析的表达式为：56 长安大学硕士学位论文([K][K]){U}{R}{R}（j=1，2…，M）0rjjjmjn式中，M是分步开挖施工总工步数；[K0]是t时刻开挖前工程岩体系统的总刚度矩阵；[Krj]是分步开挖过程中第j步次开挖单元和拆除支护结构单元的刚度矩阵，其值为挖去岩土单元和拆除支护结构单元的刚度矩阵之和；{ΔRjm}是在t时刻（某次）开挖释放荷载节点力{ΔRjm}的增量值；{ΔRjn}是施工过程中其他外力或各种附加力（流变、塑性迭代等）形成的节点增量荷载列阵；{ΔUj}是t时刻外部作用包括施工产生的节点增量位移列阵。4.3施工拟选方案针对围岩性状非对称状况下公路隧道的施工方案选取问题，本文初步提出三种施工拟选方案，即台阶法、CD法（先开挖围岩条件较好一侧，简称CD硬软法）、CD法（先开挖围岩条件较差一侧，简称CD软硬法），然后通过数值计算对这三种方法分别进行比较，进而确定相对较好的施工方法。三种开挖方法的开挖顺序如下图4.1所示：a）台阶法b）CD硬软法c）CD软硬法图4.1施工拟选方案4.4数值计算模型4.4.1几何模型在有限元计算中，边界约束条件对计算结果影响较大。因此，为尽量减少二维有限元模型中边界约束条件对计算结果产生的不利影响。计算模型的边界范围按照以下原则进行了确定，即有限元计算模型所取的地层范围是：水平方向隧道两边的宽度均取35m为限，垂直方向隧道下的距离为25m，而隧道上方按30m57 第四章基于数值模拟的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选埋深取值，计算几何模型见图2。围岩较好一侧围岩较差一侧图4.2计算几何模型4.4.2单元选择及网格划分隧道开挖过程中初期支护采用喷射混凝土，数值模拟时采用beam3单元来模拟，二次衬砌采用模注混凝土，数值模拟时采用plane42单元来模拟，围岩也用二维平面应变单元plane42进行模拟。4.4.3计算参数选取数值模拟计算采用的计算参数如表4.1所示。表4.1数值模拟计算参数-3重度/kN·m变形模量E/GPa泊松比内摩擦角/°粘聚力/kPa较好围岩225030.3137600较差围岩20001.50.3529300初期支护2300310.20--临时支撑78002000.2--二次衬砌2500250.2--4.4.4模拟计算各步骤模拟计算各步骤见表4.2所示。表4.2模拟步骤123456CD硬软法自重图1b①图1b②图1b③图1b④拆除临时支撑CD软硬法自重图1c①图1c②图1c③图1c④拆除临时支撑上下台阶法自重图1a①图1a②58 长安大学硕士学位论文4.5计算结果及分析4.5.1台阶法根据以所述，建立计算模型，总共划分2479个单元，计算模型如图4.3。a)整体计算模型b）初期支护模型图4.3有限元计算模型（1）围岩位移场分析台阶法开挖时，地层变化过程如图4.4所示。a）自重应力下围岩Y方向的位移b）上台阶开挖支护后围岩Y方向位移59 第四章基于数值模拟的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选c）下台阶开挖支护后围岩Y方向位移图4.4台阶开挖围岩竖向位移变化图上下台阶开挖时，隧道从围岩竖向位移变化图可以看出，在自重应力下，地表最大沉降达到了18.88mm，出现在围岩地质条件较差一侧，说明围岩地质条件差。在上台阶开挖支护后，地表沉降为0.465mm，下台阶开挖支护后，地表最大沉降最大值为0.825mm，由此可见，台阶法施工时，下台阶开挖对围岩影响较上台阶小；同时也说明初期支护的及时施作发挥了有效作用，在一定程度上控制了围岩变形。上台阶开挖后，拱顶下沉值为0.227mm，下台阶开挖支护后，拱顶下沉为2.517mm。（2）围岩应力分析a）自重应力下围岩拉应力b）自重应力下围岩压拉应力60 长安大学硕士学位论文c）上台阶开挖支护后围岩拉应力d）上台阶开挖支护后围岩压应力e）下台阶开挖支护后围岩拉应力f）下台阶开挖支护后围岩压应力图4.5台阶法开挖围岩S1、S3变化图图4.5列出了采用台阶法开挖时围岩S1、S3变化过程。上台阶开挖及支护后，地质较差一侧底板出现拉应力，围岩应力值在1.28～2.9MPa之间，拱肩及拱腰处为主要承载区，在底板处出现拉应力。在下台阶开挖及支护后，围岩应力减小，应力值在1.05～2.36MPa之间，只有拱顶右侧出现拉应力。（3）初期支护应力分析61 第四章基于数值模拟的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选a）上台阶开挖后初期支护弯矩b）上台阶开挖后初期支护轴力c）下台阶开挖后初期支护弯矩d）下台阶开挖后初期支护轴力图4.6初期支护内力图从图中可以看出，初期支护最大弯矩出现在右侧拱脚处，其值为58.994kN·m，最大轴力出现在拱腰处，其值为1800kN。（4）二次衬砌62 长安大学硕士学位论文图4.7二次衬砌应力图图中看出二次衬砌出现了拉应力在仰拱处，其值为0.55MPa，最大压应力出现在拱脚处其值为13.6MPa。4.5.2CD硬软法根据以所述，建立计算模型，总共划分3446个单元，计算模型如图4.8a)整体计算模型b）初期支护模型图4.8有限元计算模型（1）围岩位移场分析CD硬软开挖时，地层变化过程如图4.9所示。63 第四章基于数值模拟的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选a）自重应力下围岩Y方向的位移b）左部上台阶开挖支护后围岩Y方向位移c）左部下台阶开挖支护后围岩Y方向位移d）右部上台阶开挖支护后围岩Y方向位移移e）右部上台阶开挖支护后围岩Y方向位移f）拆除临时支护后围岩Y方向位移图4.9CD硬软法开挖围岩竖向位移变化图采用CD硬软法开挖时围岩Y方向围岩变化过程如图4.9所示。左上台阶开挖后，拱顶处产生沉降最大，下台阶未开挖岩石形成一种弧形隆起，左下台阶开64 长安大学硕士学位论文挖及侧壁支护施作后，拱顶下沉达到0.204mm，最大位移区域向左侧扩展，说明随着开挖面积的增加，围岩应力进一步释放，整个计算区域受到一定程度的扰动，右上台阶开挖后，拱顶下沉达到0.242mm，最大位移区域向右侧扩展，整个位移场围岩地址较差一侧沉降大于较好一侧，右下台阶开挖及支护后，拱顶下沉达到0.353mm；拆除临时支护后，拱顶下沉仅增加0.01mm。（2）围岩应力分析a）自重应力下围岩拉应力b）自重应力下围岩压应力c）左上台阶开挖及支护后围岩拉应力d）左上台阶开挖及支护后围岩压应力65 第四章基于数值模拟的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选e）左下台阶开挖及支护后围岩拉应力f）左下台阶开挖及支护后围岩压应力j）右上台阶开挖及支护后围岩拉应力h）右上台阶开挖及支护后围岩压应力i）右下台阶开挖及支护后围岩拉应力j）右下台阶开挖及支护后围岩压应力66 长安大学硕士学位论文k）拆除临时支护后围岩拉应力l）拆除临时支护后围岩压应力图4.10CD硬软法开挖围岩S1、S3变化图从图可以看出在左上台阶开挖及施作支护后，围岩应力由于开挖卸载减小，拱顶及底板处出现拉应力，压应力值主要在1.87～2.07MPa，最大压应力出现在拱腰处，左下台阶开挖支护后，围岩左侧应力值下降，拱顶围岩应力区域增大。从压应力图看出，左下台阶开挖后，围岩压应力并无较大变化，而在右上台阶开挖后，围岩应力变化值较大。而临时支护的拆除对围岩应力几乎无影响。（3）初期支护内力分析a）左上台阶部分初期支护弯矩b）左上台阶部分初期支护轴力67 第四章基于数值模拟的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选c）左下台阶部分初期支护弯矩d）左下台阶部分初期支护轴力e）右上台阶部分初期支护弯矩f）右上台阶部分初期支护轴力g）右下台阶部分初期支护弯矩h）右下台阶部分初期支护轴力68 长安大学硕士学位论文i）拆除临时支护后初期支护弯矩j）拆除临时支护后初期支护轴力图4.11初期支护内力图从图中可以看出，拆除临时支护后，初期支护最大弯矩出现在右拱脚处，其值为63.936kN·m；最大轴力出现在拱腰处，其值为1890kN。图4.12二次衬砌应力图从图中可以看出二次衬砌最大拉应力出现在仰拱处，其值为0.22MPa。最大压应力为13.7MPa，处现在右拱脚处。4.5.3CD软硬法根据以所述，建立计算模型，总共划分3446个单元，计算模型如图4.11。69 第四章基于数值模拟的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选a)整体计算模型b）初期支护模型图4.13有限元计算模型（1）围岩位移分析a）自重应力下围岩Y方向的位移b）左部上台阶开挖支护后围岩Y方向位移c）左部下台阶开挖支护后围岩Y方向位移d）右部上台阶开挖支护后围岩Y方向位移移70 长安大学硕士学位论文e）左部下台阶开挖支护后围岩Y方向位移f）右部上台阶开挖支护后围岩Y方向位移移图4.14CD软硬法开挖围岩竖向位移变化图从图中可以看出在右上台阶开挖后，拱顶下沉值为0.23mm；右下台阶开挖及支护后，拱顶下沉值为0.23mm；左上台阶开挖及支护后，拱顶下沉值为0.363mm；左下台阶开挖及支护后，拱顶下沉值为0.443mm；拆除临时支护后，拱顶下沉值为0.4633mm；（2）围岩应力分析从图可以看出围岩应力变化与硬软法相似，但围岩压应力值大于硬软法在开挖左上台阶后，拱顶及底板处均出现了拉应力。在仰拱闭合后围岩应力值减小。a）自重应力下围岩拉应力b）自重应力下围岩压应力71 第四章基于数值模拟的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选c）右上台阶开挖及支护后围岩拉应力d）右上台阶开挖及支护后围岩压应力e）右下台阶开挖及支护后围岩拉应力f）右下台阶开挖及支护后围岩压应力g）左上台阶开挖及支护后围岩拉应力h）左上台阶开挖及支护后围岩压应力72 长安大学硕士学位论文i）左下台阶开挖及支护后围岩拉应力j）左下台阶开挖及支护后围岩压应力k）拆除临时支护后围岩拉应力l）拆除临时支护后围岩压应力图4.15CD软硬法开挖围岩S1、S3变化图（3）支护内力分析a）右上台阶部分初期支护弯矩b）右上台阶部分初期支护轴力73 第四章基于数值模拟的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选c）右下台阶部分初期支护弯矩d）右下台阶部分初期支护轴力e）左上台阶部分初期支护弯矩f）左上台阶部分初期支护轴力g）左下台阶部分初期支护弯矩h）左下台阶部分初期支护轴力74 长安大学硕士学位论文i）临时支护拆除后初期支护弯矩j）临时支护拆除后初期支护轴力图4.16初期支护内力图从图中可以看出，拆除临时支护后，初期支护最大弯矩出现在右拱脚处，其值为72.664kN·m；最大轴力出现在拱腰处，其值为1900kN。（4）二次衬砌应力分析图4.17二次衬砌应力图从图中看出二次衬砌最大拉应力出现在仰拱中部，其值为0.44MPa，最大压应力出现在右拱脚处，其值为15.5MPa。4.5.4三种施工方法对比分析三种开挖方法，围岩竖向应力的变化趋势均为先随着开挖步骤不断增大，然后逐渐变小，最后趋于稳定。上下台阶法中为围岩竖向应力最大值2.63MPa；CD软硬法中为围岩竖向应力最大值2.64MPa；在CD硬软法中围岩竖向应力最大值为2.45MPa75 第四章基于数值模拟的围岩性状非对称公路隧道施工方案比选隧道初期支护的最大弯矩、轴力、剪力随着模拟开挖的变化图。CD硬软法和CD软硬法的弯矩、剪力变化趋势均为先随着开挖不断增大，然后变小最后逐渐趋于稳定，但是CD软硬法的变化滞后于CD硬软法，而上下台阶法的变化趋势为逐渐增大后趋于稳定。CD硬软法和上下台阶法的剪力值随着开挖先减小后增大，而CD软硬法的剪力值随着开挖不断增大。从弯矩和剪力来看，CD硬软法和CD软硬法初支力学行为相差不大。就内力而言，三种方法中台阶法最小。从初期支护的力学行为来考虑，三种方法中台阶法为最优。从围岩位移来看，台阶法最终拱顶下沉值为2.517mm，CD软硬法拱顶下沉值仅为0.463mm，CD硬软法拱顶下沉值仅为0.354mm。可以看出CD硬软法在施工过程中，围岩围岩很小，对围岩稳定性有利。4.6小结本章主要采用二维平面应变弹塑性本构模型，模拟了不同围岩隧道施工过程，并对三种计算结果进行了分析对比。结果表明在围岩性状非对称的公路隧道中，CD软硬法施工，围岩变形与应力的量值均小于台阶法与CD硬软法。从初期支护的力学行为来考虑，其轴力、弯矩、剪力在采用CD软硬法施工时均为最小。综合可得，对于围岩左右非对称的公路隧道，采用先开挖隧道围岩条件较差一侧的CD法施工方法，能更好的充分地利用了临时支撑，初期支护的轴力、弯矩、剪力分布也较为合理，竖向位移和竖向应力也较小。76