小半径黄土铁路隧道施工方案优化研究 58页

分类号______________________________密级______________________________ＵＤＣ______________________________编号______________________________工程硕士学位论文小半径黄土铁路隧道施工方案优化研究学位申请人：刘致远学科领域：项目管理校内导师：方焘校外导师： 答辩日期： 华东交通大学2016届工程硕士学位论文小半径黄土铁路隧道施工方案优化研究土木建筑学院 独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人签名_______________日期____________关于论文使用授权的说明本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。学生本人签名日期校内导师签名日期校外导师签名日期 摘要小半径黄土铁路隧道施工方案优化研究摘要隧道开挖方法对黄土隧道的围岩变形和应力以及支护结构应力和地表沉降等均会产生影响。本文选用台阶法（二台阶法、三台阶法）、环形预留核心土法、以及双侧壁导坑法分别对小半径黄土铁路隧道进行开挖工法的对比分析以及优化研究。得出以下结论:（1）二台阶法所造成的拱顶、地表位移值最大，三台阶法、环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法则依次减小；双侧壁导坑法所造成的仰拱隆起值最大，二台阶法、三台阶法、环形开挖预留核心土法则依次减小。（2）在小半径黄土隧道施工时，地质条件较差，当对围岩位移要求较为严格时，采用双侧壁导坑法开挖隧道较为合适，且对围岩的稳定性更为有利。（3）二台阶法、三台阶法和环形开挖预留核心土法开挖隧道时，隧道围岩只在两侧处和边墙脚发生剪应力塑形应变且塑性区较大，在拱底和拱顶未发生。双侧壁导坑法开挖隧道时，除了在隧道两侧产生剪应力塑性区外，在拱底也产生了剪应力塑性区。（4）在不同开挖方法下隧道不同位置处的二衬位移都相同，采用二台阶法和三台阶法时，隧道二衬的位移值较小；而采用环形开挖预留核心土法和双侧壁导坑法时，二衬位移值较大。（5）对于二台阶法，最大压应力约为最大拉应力的1/3；对于三台阶法，最大拉应力出现在拱腰中部锚杆；对于环形开挖预留核心土法，最大拉应力分布在拱腰中部位置；对于双侧壁导坑法中间部位拉应力最大。关键词：二台阶法，三台阶法，环形预留核心土法，双侧壁导坑法，围岩变形I AbstractSmallRadiusoftheloessRailwayTunnelConstructionSchemeOptimizationResearchAbstractTunnelexcavationmethodofloesstunneldeformationandstressofsurroundingrockandsupportingstructurestressandthesurfacesubsidenceandsoonallhaveanimpact.Thisarticlechoosesthestepsmethod(twostepmethod,threestepsmethod),reserveringcoremethodanddoublesideheadingmethodrespectivelyforsmallradiusoftheloessrailwaytunnelexcavationmethodofcomparisonanalysisandoptimizationresearch.Drawthefollowingconclusions:(1)Twostepsmethodofthevault,thesurfacedisplacementcausedbythemaximumvalue,threestepsmethod,circularexcavationreservedcorelaw,doublewallpilottunnelmethod,inturn,reduced;Doublesideheadingmethodcausedbymaximumvalueoftheinvertedarchuplift,thesecondstep,threesteps,circularexcavationreservedcorelawofsoildecreaseinturn.(2)Inthesmallradiusoftheloesstunnelconstruction,poorgeologicalconditions,whenmorestrictwithdisplacementofsurroundingrock,thesuitablemethodofpilottunnelexcavationtunnelwithdoublewall,andmorebeneficialtothestabilityofthesurroundingrock.(3)Twostepsmethod,threestepsmethodandcircularexcavationreservedthecoretunnelingmethod,tunnelsurroundingrockonlyatbothsidesandedgesfoundationwhenshearstressshapestrainandtheplasticzoneislarger,attheendofarchandvaultdidnothappen.Doublesideexcavationtunnelheadingmethod,inadditiontotheshearstressintunnelonbothsidesoftheplasticzone,alsoproducedinarchbottomshearstressandplasticzone.(4)Underdifferentexcavationmethodsatdifferentpositionsofthetunnelsecondliningdisplacementarethesame,usingtwostepsandthreestepsmethod,displacementoftunnelsecondliningofthesmallvalue;Withcircularexcavationreservedcoremethodanddoublesideheadingmethod,secondlinedisplacementvalueisbigger.(5)Forthetwostepsmethod,themaximumcompressivestressisaboutonethirdofthemaximumtensilestress;Forthreestepsmethod,maximumtensilestressappearsinthecentralarchwaistanchor;Reservedforcircularexcavationcoremethod,maximumtensilestressdistributioninthecentralarchwaistposition;Fordoublesideheadingmethod,thelargesttensilestressinthemiddle.Keywords:Twostepsmethod,Threestepsmethod,Ringreservedcoremethod,Doublewallpilottunnelmethod,ThedeformationofsurroundingrockII 目录目录主要符号..............................................................I第一章绪论...........................................................11.1问题的提出.....................................................11.2国内外研究现状.................................................21.3研究内容.......................................................4第二章工程概况及岩土物理力学性质的室内试验研究.......................52.1隧道概论.......................................................52.2工程地质及水文情况.............................................52.2.1工程地质条件..............................................52.2.2水文地质特征..............................................62.3试样的选取与制作...............................................62.4原状黄土的物理性质试验.........................................72.5原状黄土的力学性质试验.........................................72.6原状黄土强度特性试验结果分析...................................8第三章数值模型的建立................................................103.1计算采用的本构模型及假定......................................103.2模型的建立....................................................103.3地层参数确定..................................................103.4支护结构力学参数..............................................113.5监测点的选取..................................................11第四章不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究............................124.1台阶法开挖下隧道围岩变形规律研究..............................124.1.1台阶法施工方法介绍.......................................124.1.2二台阶法下不同开挖步下的围岩位移变化.....................14III 目录4.1.3三台阶法下不同开挖步下的围岩位移变化.....................154.2环形开挖预留核心土法开挖下隧道围岩变形规律研究................174.2.1环形开挖预留核心土法施工方法介绍.........................174.2.2不同开挖步下的围岩位移变化...............................184.3双侧壁导坑法开挖下隧道围岩变形规律研究.......................204.3.1双侧壁导坑法施工方法介绍.................................204.3.2不同开挖步下的围岩位移变化...............................21第五章不同开挖方法下各开挖步关键点位移对比..........................245.1拱顶位移对比..................................................245.2地表沉降对比..................................................255.3仰拱隆起对比..................................................25第六章不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析............276.1围岩的应力及位移对比..........................................286.2围岩的塑性区对比..............................................336.3初支及二衬的应变和应力对比....................................346.4锚杆的应力对比................................................39第七章总结及展望....................................................43参考文献.............................................................45个人简历在读期间发表的学术论文.....................................48致谢.................................................................49IV 主要符号主要符号r1衬砌外半径r2围岩注浆圈外侧半径r3围岩半径H围岩表面水头(一般取隧道的静止水头)Ks围岩综合渗透系数(m/s)Qd隧道设计的排水量B单位长度H衬砌厚度，取80cm。N单位长度截面内的钢筋排数Q围岩垂直均布压力(kPa)；H围岩压力计算高度（m）；3围岩重度（kN/m）；S围岩级别I 绪论第一章绪论1.1问题的提出黄土古称“黄壤”，本源于土地之色，是一种第四纪沉积物，有一系列内部物质成分和外部形态的特征，不同于同期的其他沉积物，在地理分布上也有一定的规律性。世界上许多国家，如美国的中西部、俄罗斯的南部和澳大利亚等国都有分布，全世界2，占各洲黄土和黄土状土分布的总面积约1300万km陆地面积的9.3％。我国的黄土2的分布较广，面积约为60多万km，是国土面积的6.3％。黄土是一种具有独特工程性质的特殊性土。黄土的特殊性除了表现在它的地质特征，微观结构特征以及其它物理性质以外，从岩土工程意义来说，黄土的特殊性最主要的是它的力学性质，特别是强度和湿陷特性。黄土的强度特性和变形特性主要表现为黄土的结构性、欠压密性和湿陷性。由于特定的地质环境和物质组成，黄土在沉积过程中形成的结构状态决定着结构本身在新的条件下的变化倾向。可以这样认为，黄土的结构性是黄土工程性质的本质。黄土的结构性表现为具有一定的结构强度，即具有保持土原始基本单元结构形式不被破坏的能力。这种能力是由土的原始结构强度和土粒间固化连接键强度组成的。黄土的结构性是导致黄土欠压密性的原因。黄土的结构强度一旦遭到破坏，如浸水、扰动等，黄土的力学性质就会发生显著变化，处于欠压密状态的黄土在浸水后将产生显著的附加变形即湿陷变形，形成了黄土的湿陷性。随着西部大开发战略的实施，西部地区的基础设施建设、生态环境改善和国防建设中经常遇到各类黄土工程，如《中长期铁路网规划》中的客运专线郑西线设计了多条黄土隧道、1999年开始施工的甘肃省新庄岭黄土公路隧道错误！未找到引用源。；2003年开工的青岛至银川国道主干线山西省汾阳～离石高速公路离石隧道、2005年开工的王家会黄土连拱隧道以及2013年开工的肖家洼煤矿铁路专运线等。要更好地解决黄土隧道的工程建设问题，就需要进一步的对黄土的工程技术进行深入的研究。黄土物质成分和结构、湿陷性都对黄土的·变形、强度的有着很大的影响。由于黄土有新老黄土之分，加上成分复杂性，测试技术限制，目前大多数研究主要是对重塑黄土的范围进行的，对于与实际黄土工程密切相关的原状黄土的力学性质研究仍处于初级阶段，离真正指导实际工程还有一定距离。湿陷性新黄土具有多孔性和垂直节理，有肉眼能看到的大孔隙，呈松散结构状，密度较低，垂直节理面上因节理切割而形成竖向软弱层，软弱层之间的粘聚力很小，多个软弱面相互切割，形成与周边围岩粘聚力很小的面状体，在下部隧道开挖过程中面状体容易塌落形成临空面，受到开挖扰动、支护缺陷以及新黄土湿陷性的影响，黄土1 绪论隧道在施工和运营中会出现各种各样的问题。具体有：施工过程中喷射的混凝土突然开裂，格栅严重的弯曲和变形；围岩不能自稳，在自身重力作用下形成塌方；隧道洞身基础发生湿陷；初期支护或者二衬的破坏或开裂，地表产生不均匀沉降及开裂和错台现象。严重影响了隧道的施工建设、拖延了施工工期，因此成为了施工中的难点。此外，黄土地区一般为干旱和半干旱地区，降雨量下，蒸发量大，地下水位深，因而原状黄土一般都为非饱和土，即需用非饱和土的试验方法来研究原状黄土的力学性质，并进行大量的试验工作以获得丰富的试验数据。本文的依托工程即山西省肖家洼煤矿铁路专用线II标孙家茆隧道围岩主要以第四eol系上更新统风积（Q3）新黄土为主。通过对原状黄土进行大量的试验研究来得到其力学特性。在试验得到的原状黄土力学性质参数的基础上，通过建模对台阶法、环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑先拱后墙法、双侧壁大导坑全断面法等不同开挖方法下小半径自重湿陷性黄土隧道的受力变形规律进行研究，然后再对围岩稳定性影响因素以及支护参数进行分析，从而解决小半径自重湿陷性黄土隧道的工程问题，对黄土隧道工程设计、施工与监测等有着指导意义。1.2国内外研究现状不同隧道围岩的力学性质决定了其开挖和支护。目前隧道的开挖的方式主要有：台阶法、环形开挖预留核心土法、中隔壁法、中隔壁交叉法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、中隔壁法、中隔壁交叉法、柱洞法、盾构法等等、不一而足。在1950年前、黄土铁路隧道的修建主要是采用单工序，先拱后墙的方法。那一时期隧道经常出现塌方、坠土等事故。到了20世纪60~70年代则采用了上导坑法、上下导坑法。而当时没有黄土隧道设计标准图，只是套用了一般土质隧道衬砌的结构形式，结构形式不能适应黄土的物理力学性质。进入20世纪80年代以后，吴成三错误！未找到引用源。、许志仁错误！未找到引、林永用源。熙错误！未找到引用源。对大秦铁路的军都山黄土隧道进行相关的研究，该黄土隧道成功使用了新奥法进行施工，采用上中下三台阶开挖，复合衬砌结构，对以后黄土隧道的修建有着参考意义。后来，沈卫平错误！未找到引用源。以神延铁路为切入点，就黄土铁路隧道施工方案的选择和完善进行探讨，提出了在新黄土段隧道采用正台阶法施工，上半断面留核心土稳定掌子面，而在老黄土段隧道则采用微台阶法施工。针对黄土地层承载力低的问题，可以尽早的施作仰拱、铺底，使得全断面的初期支护尽早地封闭成环。唐军错误！未找到引用源。对黄土公路隧道施工技术中存在的问题，结合已建实体工程，通过系统的现场实测、有限元仿真计算、室内试验及大量现场调查总结出适合黄土公路隧道的开挖方法：对含水量不高的一般黄土宜采用双侧壁导坑先拱后墙正2 绪论台阶法施工；对于软弱的饱和黄土、风化软弱的泥岩段及浅埋段宜采用双侧壁导坑先墙后拱反台阶法，改进了黄土公路隧道二次衬砌的施作方法。王农为错误！未找到引用源。对隧道的基地处理、开挖方法和设备的选型进行了探讨，并提出了客运专线黄土隧道施工中应注意的问题，客运专线黄土隧道的施工具有一定的借鉴意义。以陕西齐占国错误！未找到引用源。省黄(黄帝陵)延(延安)高速公路第七合同段老黄土隧道——汉寨隧道为工程背景，对老黄土地质条件下，隧道的施工方案、主要施工技术，施工监控量测、特殊地质段监测技术和对支护结构的完善等内容进行了研究。贺廷西与苏万军错误！未找到引用源。介绍石太客运专线南庄黄土隧道施工技术，对该大断面黄土隧道采用了围岩预加固及辅助施工措施，开挖采用交叉隔壁法，及时封闭开挖面，做好衬砌支护，加强施工中的监控量测工作，并通过监控量测数据，分析掌握大断面黄土隧道围岩的变形情况，及时调整衬砌、支护时间及参数，确保隧道施工安全。李国良错误！未找到引用源。根据多年的工程经验，对以往各线黄土隧道设计、施工和塌方情况进行总结和分析，结合郑西客运专线大断面黄土隧道的设计、施工情况，提出了大断面黄土隧道安全施工的对策。初厚永错误！未找到引用源。结合郑西铁路客运专线潼洛川、高桥和凤凰岭三座大断面黄土隧道，在不同地质条件下采用不同形式的弧形导坑法施工进行了研究，详细介绍了各种弧形导坑法适用范围，施工工艺和变形规律，为类似黄土隧道的施工提供参考和借鉴。辛振省错误！未找到引用源。以工程实例为对象，以数值计算和工艺研究为手段，对大断面隧道开挖方法进行优化研究，得出砂质黄土大断面隧道施工中，短台阶七步法在施工力学方面分布合理，更有利于围岩稳定，总体沉降较小，相比CD和CRD方法具有较好的适应性。短台阶七步法在砂质黄土地层中施工作业面连续，整体作业面大，适于大型机械施工，施工速度快，效益明显。樊祥平错误！未找到引用源。结合山西中南部黄土铁路通道的临县隧道出口段施工实例，介绍了偏压、超浅埋、大断面黄土隧道洞口段的施工技术及大断面偏压黄土隧道正洞三台阶七步开挖施工技术。该法较好地解决了黄土隧道施工中的诸多技术难题，对类似超偏压浅埋黄土隧道工程施工有一定的参考借鉴意义。任明明错误！未找到引用源。对小间距黄土隧道的施工过程进行了有限元建模分析，在不同间距的条件下分别使用环形开挖预留核心土法和单侧壁导坑法进行开挖，研究围岩的变形规律，选出了不同间距条件下合适的开挖方式。杨建民错误！未找到引用源。依托郑州至西安高速铁路大断面黄土隧道工程实例，通过对用双侧壁导坑法、CRD法、台阶法等常用工法的理论分析，并结合现场初期支护3 绪论下沉收敛、地表沉降的监测，对比分析各种工法的优缺点，提出适用于高速铁路大断面黄土隧道安全快速的开挖方法。1.3研究内容本文为深入研究西北地区II级自重湿陷性黄土隧道的工程问题，以山西省肖家洼煤矿铁路专用线II标孙家茆隧道工程为依托，通过室内试验研究和数值建模的方法对西北地区II级自重湿陷性黄土隧道的工程问题进行了分析和总结。主要内容为：在室内试验得到的原状黄土力学性质参数的基础上，通过数值建模对台阶法、环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑先拱后墙法、双侧壁大导坑全断面法等不同开挖方法下小半径自重湿陷性黄土铁路隧道围岩及支护结构的受力变形规律进行了对比研究，选出最优的开挖方法。4 工程概况及岩土物理力学性质的室内试验研究第二章工程概况及岩土物理力学性质的室内试验研究2.1隧道概论孙家峁隧道位于吕梁山西坡黄土梁峁区，冲沟发育，地形起伏较大，高程从1122.32m至1174.35m。隧道起讫里程为DK14+055~DK14+360，全长305m。设计为单线隧道，隧道最大埋深约54m。隧道进口里程至DK14+220.04段位于半径R-300的曲线上，DK14+220.04至隧道出口段位于直线上，整个隧道位于1.0‰的下坡。2.2工程地质及水文情况2.2.1工程地质条件1.地层岩性：第四系上更新统风积（Q3eol）新黄土：褐黄色，坚硬-硬塑，以粉粒为主，土质均N2匀，针孔发育，具湿陷性；上第三系上新统粉质黏土、黏土，粉质黏土，棕红色，坚硬-硬塑，土质不均，局部半胶结，夹姜石及钙质结核层，黏土，棕红色，坚硬-硬塑，土质不均，局部半胶结，夹姜石及钙质结核层。2.隧道围岩分级如表2-1所示：表2-1围岩分级起讫里程长度围岩级别DK14+055~DK14+200145VDK14+200~DK14+25555IVDK14+255~DK14+360105V3.岩土施工工程分级如表2-2所示：表2-2岩土施工工程分级序号名称岩土施工工程分级1新黄土II2粉质黏土III3黏土III4.地震动峰值加速度0.05g（地震基本烈度VI度）5 工程概况及岩土物理力学性质的室内试验研究5.土壤最大冻结深度为1.05m。6.特殊岩土：（1）新黄土具湿陷性，湿陷系数δS=0.015~0.083，综合判定黄土场地为IV级（很严重）自重湿陷性场地。（2）膨胀岩土：根据12-ZC183孔资料，第三系上新统粉质黏土具弱膨胀性，自动膨胀率F=20%-50%，蒙脱石含量M=13.2%-24.94%,阳离子交换量SCEC(NH4+)=194.96-277.49mmol/kg，综合和判定粉质粘土具弱膨胀性。施工期间对该地层每隔50m应进行取样试验，进一步验证其膨胀性等级。2.2.2水文地质特征勘测期间勘探深度内未见地下水，雨季水量增大，且使洞身土体变软，在雨季施工时有地下水。2.3试样的选取与制作为了研究孙家茆隧道隧址处原状黄土的力学性质，在隧道埋深40多米处的上台阶eol中部取得土样。该处土体为第四系上更新统风积（Q3）新黄土，褐黄色，坚硬~硬塑，以粉粒为主，土质均匀，呈巨块状整体结构，具有一定的强度，略显脆性。该处围岩稳定性较好，无地下水，围岩类别为Ⅳ级。为了尽量的减少对土样的扰动，试样在现场挖成200mm×200mm×200mm的立方体，标明上下方向，并用塑料纸和胶带包好，装入铁箱，如图2-1所示，运回实验室。土样取回后，剥去塑料纸和胶带，检查土样结构，看是否扰动或土样质量是否符合试验要求，若土样保持完好，按照试验规程要求利用专用的削土器将土样削制成高度为80mm，直径为39.1mm的圆柱形试样。为减小黄土干密度差异带来的影响，控制试样3干密度差值不大于0.2g/cm，同一组试样控制含水量相同。在室内制样时可以看见黄土内含极小的细砂、石英颗粒等，部分存在钙质结核层，试样土样见图2-2所示。6 工程概况及岩土物理力学性质的室内试验研究图2-1原状黄土试样包装图2-2原状黄土试件2.4原状黄土的物理性质试验对孙家茆隧道隧址处取得原状黄土进行物理性质试验，主要包括含水率试验、密度试验、土粒比重试验和界限含水率试验（液限和塑限），每项试验进行了三组，取三次测值的平均值作为最终值，得到原状黄土的物理参数如表2-3所示。表2-3原状黄土土样的物理参数含水量湿密度干密度比重液限塑限孔隙率33（％）（g/cm）（g/cm）ddsLpn16.281.761.5142.7125.116.70.3752.5原状黄土的力学性质试验试验仪器采用经过重庆后勤工程学院陈正汉教授改造后的南京水利电力仪表厂的SJ－1A三轴剪力仪,体变的量测采用自制的由百分表和针管所构成的体变管，压力的量测使用量力钢环和压力传感器测定，量程和灵敏度同时满足试验要求。轴试验系统见图2-3所示，等P试验系统见图2-4所示。图2-3三轴试验仪器图2-4等P试验仪器在黄土隧道开挖时，为了防止黄土隧道围岩遇水湿陷，现场防水措施以排为主。为了获得原状黄土的体变模量K、剪切模量G随围压的变化规律，不同围压条件下的应力—应变关系曲线，峰值强度与残余强度随围压的变化规律，以及原状黄土的部分强度参数等。非饱和原状黄土力学室内试验如下：①非饱和原状黄土三轴剪切试验1）三轴剪切不回弹试验7 工程概况及岩土物理力学性质的室内试验研究2）三轴剪切回弹试验②非饱和原状黄土各向等压试验1）各向等压不回弹试验（试样不固结排水试验）2）各向等压回弹试验（试样不固结排水试验）③非饱和原状黄土等P试验1）等P不回弹试验2）等P回弹试验2.6原状黄土强度特性试验结果分析根据五组非饱和原状黄土三轴剪切试验可以得到原状黄土在不同围压下的应力峰值和残余应力值如表2-4所示。根据表2.4数据，可画出原状黄土的峰值强度和残余强度包络线如图2-5和2-6所示，计算得出其特征参数分别为：c79.834kPa,25.546；c73.501kPa,24.627。rr表2-4原状黄土在不同围压条件下的应力峰值和残余应力值围压值（kPa）峰值强度（kPa）残余强度（kPa）50298.589247.226100510.889495.238200833.524815.082250993.602937.8313501020.420957.549图2-5峰值强度莫尔圆和强度包络线图8 工程概况及岩土物理力学性质的室内试验研究图2-6残余强度莫尔圆和强度包络线图9 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究第三章数值模型的建立3.1计算采用的本构模型及假定1）隧道所在地区的地表起伏不大，相对高差比较小。因此在对车站上覆地层建模过程中不考虑地形的影响因素，把地表以及各地层近似为水平分布。2）对隧道围岩的本构关系选用摩尔—库伦模型，岩体的变形近似为各向同性的，并考虑为平面应变问题，对衬砌支护结构、临时钢支撑和中隔墙可视为弹性材料。3）地层的应力应变均在弹塑性范围内变化，结构材料选择线弹性的本构关系。4）这里不考虑地下水对隧道开挖造成的影响。5）模型在计算过程中只考虑重力的作用，不考虑由断层、破碎带等地质构造产生的构造次生应力。6）对于平面模型，采用的平面应变假定，即隧道轴向只有一个网格单元。7）钢筋网和钢拱架是通过提高初支混凝土的强度参数考虑的。3.2模型的建立通过分析该隧道的地质资料，对三种方案进行数值模拟，这里选取了一个隧道的软弱断面进行数值模拟分析，模型的建立需要考虑边界效应和围岩应力扰动的影响，所以对计算边界的选定采用：模型的宽度为隧道主体结构左右两侧各取3倍的洞径，模型的底部距离隧道底板的距离也取3倍洞径，考虑到视觉协调，模型顶部距对到拱顶的距离也取3倍洞径，剩余的上覆土层以荷载的形式施加在模型顶部。在数值模拟计算过程中，对边界条件的约束为：左右两侧限制水平方向的位移，底部限制竖向的位移，模型的上表面为自由面。3.3地层参数确定隧道地层参数见表3-1所示。表3-1隧道围岩力学参数计算摩围岩重度弹性反力系变形模量泊松内摩擦粘聚力擦角3级别（kN/m）数（MPa/m）（MPa）比角（°）（MPa）（°）V181703000.38250.154510 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究V191903600.34280.2553.4支护结构力学参数隧道支护参数见表3-2所示。表3-2围岩参数重度弹性模量支护结构泊松比备注3（kN/m）（GPa）初期支护25230.2C25混凝土，厚度0.22m仰拱回填2529.50.2C35防水混凝土临时钢支撑782000.3125a二次衬砌2529.50.2C35防水混凝土3.5监测点的选取这部分内容是通过对比分析三种施工方案产生的围岩变形、围岩应力以及支护内力的变化规律，分析三种施工方案之间的差异性，这里对围岩变形的分析，选取了围岩的竖向位移作为主要的研究对象，由于隧道开挖过程中关注比较多的是隧道的竖向变形，具体监测点如下图3-1所示，其中比较关键的是地表沉降和拱顶沉降，这两个参数的变化可以间接的反应隧道施工过程中地层的变化情况，对施工可以起到一个很好的反馈作用，对围岩应力的分析主要是分析隧道最终开挖完成后，每种施工方案产生的围岩应力的特点，对支护主要分析了开挖过程中产生的初期支护上的应力和变形的特点，通过对比分析这些参数并得出结论。图3-1监测点布置图11 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究第四章不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究4.1台阶法开挖下隧道围岩变形规律研究4.1.1台阶法施工方法介绍台阶法是在开挖过程中将开挖断面分成多个台阶开挖的一种施工方法，根据开挖台阶的长度可以分为长台阶、短台阶和超短台阶三种类型。近年来随着大断面隧道工程的增多，又提出了三台阶临时仰拱法，预留核心土台阶法等新型的台阶法施工方案。并且，根据上、下部分的开挖顺序，将台阶法也可分为正台阶法和反台阶法，根据开挖台阶的级数，也可分为三台阶法和二台阶法。二台阶法施工步序如图4-1所示，分两个台阶完成，施工步序为：1）开挖前，先在拱部施作超前小导管预支护形成围岩加固圈；2）开挖台阶①，并施作上部的初期支护；3）开挖台阶②，并施作两侧边墙的初期支护；4）施作全断面二次衬砌。图4-1二台阶法施工步序三台阶法的施工步序图如图4-2所示，分三个台阶完成，施工步序为：1）开挖前，先在拱部施作超前小导管预支护形成围岩加固圈；2）开挖台阶①，并施作上部的初期支护；3）开挖台阶②，并施作两侧边墙的初期支护；4）开挖台阶③，施作下部边墙的初期支护，并对下部仰拱支护进行施作；5）施作全断面二次衬砌。12 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究图4-2三台阶法施工步序台阶法一般适用的地层主要有：1）稳定岩体：上台阶需采用光面爆破的方式下，台阶需选择预裂爆破方式开挖，开挖后要及时的进行初期支护的施作。台阶的预留长度不宜大于隧道开挖跨度的5倍，下台阶开挖后，应及时施作仰拱支护，形成封闭环。2）土层及不稳定岩体：拱部开挖后及时进行初期支护的施作，台阶长度根据具体的实际条件，选择短台阶或超短台阶（3～5m）开挖，下台阶开挖后，尽早施作仰拱封闭成环。台阶法的优点：灵活性比较强、具有比较好的使用性，当围岩条件为软弱地层时，都可以选择台阶法施工。在施工过程中，当围岩条件发生变化的时候，也能够及时采取措施进行更改，以保证施工安全顺利进行。同时，台阶法开挖的空间比较大，这样就保证了施工过程中具有良好的施工条件，对施工效率起到了促进的作用，台阶法开挖中，分步开挖断面，对围岩的稳定性比较有利，上部断面开挖支护后，提供了一个比较安全的施工环境，有利于下部施工的开展。台阶法的缺点：断面采用台阶分开进行，在上下部开挖过程中容易造成施工流程的干扰，对上部不开挖工序进行合理的调整，有利于施工的进行。并且，台阶开挖中增加了开挖次数，对围岩的扰动次数会增多。此外，台阶法在实际开挖中需注意到：1）台阶的数量不能太多，台阶开挖长度应保持在合理的范围。上台阶的开挖高度宜保持在2.5～3m的范围，这样可以减少后期的任务。在开挖后应及时进行出渣，避免堆渣较多，影响出渣效率。2）在软弱的地层中采用台阶法施工时，如果单线的台阶长度超过1.5倍洞径或者双线的台阶长度超过1倍洞径，就要尽快的施作仰拱使得隧道封闭成环，从而避免产生变形骤降的危险。3）采用台阶法开挖时，应尽量选用轻型的凿岩机进行施作小导管，要采用跟管钻13 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究机进行深孔注浆和管棚的施作。上台阶在架设钢拱架的时候，拱脚必须接触在下部岩体上，并及时的采用锁脚锚管稳固拱脚。4.1.2二台阶法下不同开挖步下的围岩位移变化在本文的数值模拟中，二台阶法开挖工法的施工工序如下：二台阶法施工工序:开挖上台阶→施作上部初期支护→开挖下台阶→施作下部初期支护→开挖仰拱→施作仰拱初期支护→施作全断面二次衬砌→仰拱回填。隧道采用台阶法开挖施工时，开挖数值模型见图4-3所示。FLAC3D3.00Step2900ModelPerspective17:05:34WedJun222016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500BlockGroup围岩仰拱回填初支上初支中初支下二衬上二衬中二衬下开挖上开挖中开挖下ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA图4-3二台阶法模型意图采用台阶法开挖，各开挖步下隧道围岩位移见图4-4所示。FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step11564ModelPerspectiveStep20344ModelPerspective22:50:40ThuJun23201623:00:51ThuJun232016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.95Dist:1.261e+002Mag.:1.95Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofY-DisplacementContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+000-3.6009e-002to-3.0000e-002-3.3508e-002to-3.0000e-002-3.0000e-002to-2.0000e-002-3.0000e-002to-2.0000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to0.0000e+000-1.0000e-002to0.0000e+0000.0000e+000to1.0000e-0020.0000e+000to1.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0022.0000e-002to3.0000e-0022.0000e-002to3.0000e-0023.0000e-002to4.0000e-0023.0000e-002to3.1901e-0024.0000e-002to5.0000e-002Interval=1.0e-0025.0000e-002to6.0000e-0026.0000e-002to6.1925e-002Interval=1.0e-002ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA开挖上台阶开挖下台阶14 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究FLAC3D3.00Step23722ModelPerspective20:12:25WedJun222016Center:Rotation:X:2.000e+001X:100.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500ContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000-3.5365e-002to-3.0000e-002-3.0000e-002to-2.0000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to0.0000e+0000.0000e+000to1.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0022.0000e-002to3.0000e-0023.0000e-002to3.0039e-002Interval=1.0e-002ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA二次衬砌图4-4不同开挖步下二台阶法的围岩位移隧道各关键点位移见表4-1所示。台阶法开挖时，隧道拱顶位移最大达到35mm。表4-1二台阶法下不同开挖步的关键点位移（mm）开挖步数123拱顶位移-32-33-35地表沉降-26-26-27仰拱隆起183230可以看出：在隧道中拱顶的位移值最大，其次是拱腰，而隧道边墙脚的位移值则相对较小；在地表上隧道中心线处的位移值最大，越偏离隧道中心线地表的沉降值越小。其中拱顶沉降和地表沉降在第一步开挖后已经完成绝大部分沉降，由此可见对于二台阶法影响拱顶沉降和地表沉降最大的因素就是上台阶的开挖。4.1.3三台阶法下不同开挖步下的围岩位移变化在本节的数值模拟中，三台阶法开挖工法的施工工序如下：三台阶法施工工序：开挖上台阶→施作上部初期支护→开挖中台阶→施作中部初期支护→开挖下台阶→施作下部初期支护→开挖仰拱→施作仰拱初期支护→施作全断面二次衬砌→仰拱回填。15 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究隧道采用台阶法开挖施工时，开挖数值模型见图4-5所示。FLAC3D3.00Step2263ModelPerspective21:36:12WedJun222016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500BlockGroup围岩仰拱回填初支上初支中初支下二衬上二衬中二衬下开挖上开挖中开挖下ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA图4-5三台阶法模型意采用台阶法开挖，各开挖步下隧道围岩位移见图4-6所示。FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step8913ModelPerspectiveStep17007ModelPerspective10:09:24FriJun24201610:14:59FriJun242016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.95Dist:1.261e+002Mag.:1.95Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofY-DisplacementContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+000-2.8199e-002to-2.0000e-002-3.3358e-002to-3.0000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-3.0000e-002to-2.0000e-002-1.0000e-002to0.0000e+000-2.0000e-002to-1.0000e-0020.0000e+000to1.0000e-002-1.0000e-002to0.0000e+0001.0000e-002to2.0000e-0020.0000e+000to1.0000e-0022.0000e-002to3.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0023.0000e-002to4.0000e-0022.0000e-002to3.0000e-0024.0000e-002to4.0494e-0023.0000e-002to4.0000e-002Interval=1.0e-0024.0000e-002to4.6347e-002Interval=1.0e-002ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA开挖上台阶开挖中台阶FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step22925ModelPerspectiveStep25689ModelPerspective10:16:32FriJun24201621:09:22WedJun222016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.95Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofY-DisplacementContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+000-3.1409e-002to-3.0000e-002-3.2751e-002to-3.0000e-002-3.0000e-002to-2.0000e-002-3.0000e-002to-2.0000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to0.0000e+000-1.0000e-002to0.0000e+0000.0000e+000to1.0000e-0020.0000e+000to1.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0022.0000e-002to2.4736e-0022.0000e-002to2.3403e-002Interval=1.0e-002Interval=1.0e-002ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA开挖下台阶二次衬砌图4-6不同开挖步下三台阶法的围岩位移16 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究隧道各关键点位移见表4-2所示。台阶法开挖时，隧道拱顶位移最大达到33mm。表4-2三台阶法下不同开挖步的关键点位移（mm）开挖步数1234拱顶位移-28-32-30-33地表沉降-18-23-24-25仰拱隆起15192423可以看出：在隧道中拱顶的位移值最大，其次是拱腰，而隧道边墙脚的位移值则相对较小；在地表上隧道中心线处的位移值最大，越偏离隧道中心线地表的沉降值越小。其中拱顶沉降和地表沉降在第一步开挖后已经完成绝大部分沉降，但是由此可见对于三台阶法影响拱顶沉降和地表沉降最大的因素也是上台阶的开挖。4.2环形开挖预留核心土法开挖下隧道围岩变形规律研究4.2.1环形开挖预留核心土法施工方法介绍环形开挖预留核心土法适用于一般土质或者易坍塌的围岩、断面大的隧道施工。一般情况下，如图4-7所示，将断面分成环形拱部、上部核心土、下部台阶三个部分。根据断面的大小，环形拱部又可以分成几块交替开挖。环形开挖进尺为0.5m～1.0m，不宜过长。台阶长度一般控制在1D内为宜。1)环形开挖预留核心土法施工工序：2)开挖拱部中间块①，并施作初期支护；3)开挖拱部左右块②和③，并施作初期支护；4)开挖上部核心土④；5)开挖下部台阶⑤；6)施作全断面二次衬砌。图4-7环形开挖预留核心土法施工步序17 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究环形开挖预留核心土法的主要优点：1)因为开挖过程中上部有核心土支承着开挖面，能迅速及时地建造拱部初期支护，所以开挖工作面稳定性好。2)和台阶法一样，核心土和下部开挖是在拱部初期支护下进行的，施工安全性好。与超短台阶法相比，台阶长度可以适度加长，以减少上、下台阶施工干扰。与侧壁法相比，施工机械化程度可以提高，施工速度可以加快。环形开挖预留核心土法的缺点：1)虽然核心土增加了开挖面的稳定，但开挖中围岩要经过多次扰动，而且断面分块多，支护结构形成全断面封闭的时间长，这些都有可能使围岩的变形增大。因此，场要结合辅助施工措施对对开挖工作面及其前方的岩体进行预支护或预加固。2)由于拱形开挖高度较小，或地层松软锚杆不易成型，所以对城市第四纪地层，施工中一般不设或者少设锚杆。4.2.2不同开挖步下的围岩位移变化在本文的数值模拟中，环形开挖预留核心土开挖工法的施工工序如下：环形预留核心土法施工工序：开挖形拱部中间块→施作初期支护→开挖环形拱部左、右块→施作初期支护→开挖上部预留核心土块→开挖下台阶→施作初期支护→开挖仰拱→施作仰拱初期支护→施作全断面二次衬砌→仰拱回填。隧道采用环形预留核心土法开挖施工时，开挖数值模型见图4-8所示。FLAC3D3.00Step2496ModelPerspective20:10:17WedJun222016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500BlockGroup围岩仰拱回填初支1初支2初支3初支5二衬1二衬2二衬3二衬5开挖1开挖2开挖3开挖4开挖5ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA图4-8环形开挖预留核心土法模型示意图采用台阶法开挖，各开挖步下隧道围岩位移见图4-9所示。18 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step7016ModelPerspectiveStep27500ModelPerspective23:06:08ThuJun23201623:07:49ThuJun232016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.95Dist:1.261e+002Mag.:1.95Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofY-DisplacementContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+000-2.1318e-002to-2.0000e-002-2.6645e-002to-2.0000e-002-2.0000e-002to-1.5000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-1.5000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to0.0000e+000-1.0000e-002to-5.0000e-0030.0000e+000to1.0000e-002-5.0000e-003to0.0000e+0001.0000e-002to2.0000e-0020.0000e+000to5.0000e-0032.0000e-002to3.0000e-0025.0000e-003to1.0000e-0023.0000e-002to3.4510e-0021.0000e-002to1.5000e-002Interval=1.0e-0021.5000e-002to2.0000e-0022.0000e-002to2.4683e-002Interval=5.0e-003ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA开挖上中岩体开挖上左岩体FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step47240ModelPerspectiveStep49391ModelPerspective23:10:13ThuJun23201623:11:13ThuJun232016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.95Dist:1.261e+002Mag.:1.95Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofY-DisplacementContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+000-2.9493e-002to-2.0000e-002-2.9428e-002to-2.0000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to0.0000e+000-1.0000e-002to0.0000e+0000.0000e+000to1.0000e-0020.0000e+000to1.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0022.0000e-002to3.0000e-0022.0000e-002to3.0000e-0023.0000e-002to4.0000e-0023.0000e-002to3.6127e-0024.0000e-002to4.2582e-002Interval=1.0e-002Interval=1.0e-002ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA开挖上右岩体开挖中部核心土FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step54578ModelPerspectiveStep59877ModelPerspective23:16:45ThuJun23201620:06:08WedJun222016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.95Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofY-DisplacementContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+000-2.7647e-002to-2.5000e-002-2.8907e-002to-2.5000e-002-2.5000e-002to-2.0000e-002-2.5000e-002to-2.0000e-002-2.0000e-002to-1.5000e-002-2.0000e-002to-1.5000e-002-1.5000e-002to-1.0000e-002-1.5000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to-5.0000e-003-1.0000e-002to-5.0000e-003-5.0000e-003to0.0000e+000-5.0000e-003to0.0000e+0000.0000e+000to5.0000e-0030.0000e+000to5.0000e-0035.0000e-003to1.0000e-0025.0000e-003to1.0000e-0021.0000e-002to1.5000e-0021.0000e-002to1.5000e-0021.5000e-002to1.9598e-0021.5000e-002to1.8344e-002Interval=5.0e-003Interval=5.0e-003ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA开挖下部岩体二次衬砌图4-9不同开挖步下环形开挖预留核心土法的围岩位移隧道各关键点位移见表4-3所示。台阶法开挖时，隧道拱顶位移最大达到28mm。表4-3环形开挖预留核心土法下不同开挖步的关键点位移（mm）开挖步数123456拱顶位移-21-25-28-28-27-28地表沉降-14-15-17-18-18-19仰拱隆起691416191819 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究可以看出：在隧道中拱顶的位移值最大，其次是拱腰，而隧道边墙脚的位移值则相对较小；在地表上隧道中心线处的位移值最大，越偏离隧道中心线地表的沉降值越小。其中拱顶沉降和地表沉降在前三步开挖后已经完成绝大部分沉降，由此可见对于环形开挖预留核心土法影响拱顶沉降和地表沉降最大的因素就是前三步的开挖。4.3双侧壁导坑法开挖下隧道围岩变形规律研究4.3.1双侧壁导坑法施工方法介绍双侧壁导坑法也称为眼镜工法。当隧道跨度很大、地表沉降要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。双侧壁导坑法一般将断面分成四块：左、右侧壁导坑，上部核心土，下台阶。左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已完成导坑的原则确定。在开挖隧道过程中，对导洞断面采用近似椭圆形状开挖形，周边轮廓平整，这样可以减少对围岩的扰动，也避免了围岩应力的集中。双侧壁导洞法的初期支护采用了格栅钢架或型钢钢架，导洞开挖完后及时施作初期支护，使得断面变形得到很好的控制，尽早对断面进行闭合，从而可以充分的利用围岩的自稳性。双侧壁导坑法施工原理：是通过将大跨度的断面分割成多个小导洞进行施工，合理的安排每个导洞的施工环节。依据新奥法的施工基本原理，在爆破开挖中尽早的施作初期支护，做好围岩的支护措施，并结合监控量测的结果，保证施工的安全。对围岩条件比较差的断面，应该严格控制施工技术，加强监测的工作，对施工环节进行合理的调整。对围岩的变形可以采用反分析的方法，并结合监测的围岩应力和二衬结构的受力，为施工提供指导作用。双侧壁导坑法施工顺序见图4-10：1)开挖一侧导坑，并及时地将其初次支护闭合；2)相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并建造初次支护，和临时支撑；3)开挖上部核心土⑤，建造拱部初期支护，拱脚支承在两侧导坑的初次支护上；4)开挖下台阶⑥，建造底部的初次支护，使初次支护全断面闭合；5)拆除导坑临空部分的初次支护，并施作全断面二次衬砌；20 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究图4-10双侧壁导坑施工步序双侧壁导坑法在围岩条件较差的Ⅴ级围岩中应用比较多，对Ⅳ、Ⅴ级围岩地层，以及偏压段和洞口段的特殊情况，可以采用人工的开挖方式。当围岩条件属于浅埋大跨时，选择双侧壁导坑法施工，施工过程中对每个导洞都是独自封闭成环，对于控制地表沉降具有比较好的效果，对保证围岩的稳定性比较有利，并且安全可靠。双侧壁导坑法在开挖过程中，开挖的导洞数比较多，施工的步序比较复杂，对围岩体的扰动较大，所以在施工中应该在施工中应该尽早的封闭成环，提高支护结构对稳定性的作用。双侧壁导坑的优缺点：双侧壁导坑法虽然开挖断面多，扰动大，初次支护全断面闭合时间长，但是每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中简变形几乎不发展。现场实测结果表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉降仅为短台阶法的1/2。双侧壁导坑法施工较为安全，但速度较慢，成本较高。4.3.2不同开挖步下的围岩位移变化在本文的数值模拟中，双侧壁导坑法的施工工序如下：双侧壁导坑法施工工序：开挖左右侧壁导坑→施作围岩初期支护以及左右侧临时支撑→开挖上部核心土→施作拱部初期支护→开挖下台阶→施作底部初期支护→拆除临时支撑→施作全断面二次衬砌。隧道采用双侧壁导坑法开挖施工时，开挖数值模型见图4-11所示。21 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究FLAC3D3.00Step3064ModelPerspective20:28:43WedJun222016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500BlockGroup围岩临时支撑左侧上临时支撑左侧下临时支撑右侧上临时支撑右侧下初支1初支2初支3初支4初支5-1初支5-2初支6二衬1二衬2二衬3二衬4二衬5-1二衬5-2二衬6开挖1ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA图4-11双侧壁导坑法模型示意图采用台阶法开挖，各开挖步下隧道围岩位移见图4-12所示。FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step8616ModelPerspectiveStep21334ModelPerspective10:20:41FriJun24201610:21:37FriJun242016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:360.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.95Dist:1.261e+002Mag.:1.95Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofY-DisplacementContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+000-1.1073e-002to-1.0000e-002-1.2480e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to-5.0000e-003-1.0000e-002to-7.5000e-003-5.0000e-003to0.0000e+000-7.5000e-003to-5.0000e-0030.0000e+000to5.0000e-003-5.0000e-003to-2.5000e-0035.0000e-003to1.0000e-002-2.5000e-003to0.0000e+0001.0000e-002to1.5000e-0020.0000e+000to2.5000e-0031.5000e-002to2.0000e-0022.5000e-003to5.0000e-0032.0000e-002to2.0460e-0025.0000e-003to7.5000e-003Interval=5.0e-0037.5000e-003to1.0000e-0021.0000e-002to1.0083e-002Interval=2.5e-003ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA开挖左上岩体开挖左下岩体FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step27906ModelPerspectiveStep44884ModelPerspective10:22:59FriJun24201610:25:11FriJun242016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.95Dist:1.261e+002Mag.:1.95Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofY-DisplacementContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+000-1.7455e-002to-1.5000e-002-1.9086e-002to-1.5000e-002-1.5000e-002to-1.0000e-002-1.5000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to-5.0000e-003-1.0000e-002to-5.0000e-003-5.0000e-003to0.0000e+000-5.0000e-003to0.0000e+0000.0000e+000to5.0000e-0030.0000e+000to5.0000e-0035.0000e-003to1.0000e-0025.0000e-003to1.0000e-0021.0000e-002to1.5000e-0021.0000e-002to1.0994e-0021.5000e-002to1.8843e-002Interval=5.0e-003Interval=5.0e-003ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA开挖右上岩体开挖右下岩体22 不同开挖方法下隧道围岩变形规律研究FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step55153ModelPerspectiveStep73220ModelPerspective10:28:53FriJun24201610:30:03FriJun242016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.95Dist:1.261e+002Mag.:1.95Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofY-DisplacementContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+000-1.7732e-002to-1.5000e-002-1.8838e-002to-1.5000e-002-1.5000e-002to-1.0000e-002-1.5000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to-5.0000e-003-1.0000e-002to-5.0000e-003-5.0000e-003to0.0000e+000-5.0000e-003to0.0000e+0000.0000e+000to5.0000e-0030.0000e+000to5.0000e-0035.0000e-003to1.0000e-0025.0000e-003to1.0000e-0021.0000e-002to1.5000e-0021.0000e-002to1.5000e-0021.5000e-002to1.5997e-0021.5000e-002to2.0000e-002Interval=5.0e-0032.0000e-002to2.5000e-0022.5000e-002to3.0000e-0023.0000e-002to3.5000e-0023.5000e-002to3.5157e-002Interval=5.0e-003ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA开挖中上岩体开挖中下岩体FLAC3D3.00Step76995ModelPerspective10:30:51FriJun242016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.95Ang.:22.500ContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000-2.0004e-002to-2.0000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to0.0000e+0000.0000e+000to1.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0022.0000e-002to3.0000e-0023.0000e-002to3.4035e-002Interval=1.0e-002ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA拆除临时支撑并完成二衬图4-12不同开挖步下双侧壁导坑法的围岩位移表4-4双侧壁导坑法下不同开挖步的关键点位移（mm）开挖步数1234567拱顶位移-3-6-11-13-17-19-20地表沉降-1-1-3-3-13-15-16仰拱隆起1248123534由不同开挖步下双侧壁导坑法的围岩位移云图4-12和表4-4可以看出：随着开挖步骤的进行，隧道围岩的位移变形越来越大，仰拱隆起位移最大，拱顶位移相对较小，地表位移次之。在开挖步骤的前四步，各关键点的位移值都比较小，则双侧壁导坑法对隧道围岩的扰动较小，而从第五步开始，各关键点的位移值突然增大，即对隧道围岩的扰动较大。23 不同开挖方法下各开挖步关键点位移对比第五章不同开挖方法下各开挖步关键点位移对比5.1拱顶位移对比不同开挖工法下，隧道拱顶沉降最大值见表5-1。表5-1不同开挖法下不同开挖步的拱顶位移（mm）不同开挖步下1234567的位移二台阶法-32-33-35三台阶法-28-32-30-33环形开挖预留-21-25-28-28-27-28核心土法双侧壁导坑法-3-6-11-13-17-19-20图5-1不同开挖法下不同开挖步的拱顶位移由不同开挖法下不同步骤的位移值可以看出：二台阶法所造成的拱顶位移值最大，三台阶法、环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法则依次减小。二台阶法、三台阶法、环形开挖预留核心土法在开挖初期就形成了很大的位移，围岩形成了很大的扰动变形，对围岩的稳定性影响较大。双侧壁导坑法则随着开挖步骤的进行而拱顶位移值逐渐增大。24 不同开挖方法下各开挖步关键点位移对比5.2地表沉降对比不同开挖工法下，地表沉降最大值见表5-2。表5.2不同开挖法下不同开挖步的地表沉降（mm）开挖步1234567二台阶法-26-26-27三台阶法-18-23-24-25环形开挖预-14-15-17-18-18-19留核心土法双侧壁导坑-1-1-3-3-13-15-16法图5-2不同开挖法下不同开挖步的地表沉降由不同开挖法下不同步骤的地表位移值可以看出：二台阶法所造成的地表位移值最大，三台阶法、环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法则依次减小。二台阶法、三台阶法、环形开挖预留核心土法在开挖初期就形成了较大的地表位移，围岩形成了很大的扰动变形，对围岩的稳定性影响较大。双侧壁导坑法则随着开挖步骤的进行而地表位移值逐渐增大，在进行第五步开挖时地表位移值明显增大。5.3仰拱隆起对比隧道在不同开挖工法下，隧道仰拱隆起量见表5-3所示。25 不同开挖方法下各开挖步关键点位移对比表5-3不同开挖法下不同开挖步的仰拱隆起量（mm）开挖步1234567二台阶法183230三台阶法15192423环形开挖预留核6914161918心土法双侧壁导坑法1248123534图5-3不同开挖法下不同开挖步的仰拱隆起由不同开挖法下不同步骤的仰拱隆起位移值可以看出：双侧壁导坑法所造成的仰拱隆起值最大，二台阶法、三台阶法、环形开挖预留核心土法则依次减小。二台阶法、三台阶法、在开挖初期就形成了很大的仰拱隆起位移，环形开挖预留核心土法和双侧壁导坑法初期仰拱隆起较小。双侧壁导坑法在进行第六步开挖时仰拱位移值明显增大，需要注意施工。26 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析第六章不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析不同的隧道开挖工法所引起的围岩变形和应力以及支护结构应力和地表沉降等都是不一样的。本文选用台阶法（二台阶法、三台阶法）、环形预留核心土法、以及双侧壁导坑法分别对小半径黄土铁路隧道进行开挖工法的对比分析以及优化研究。隧道各开挖工法特点见表6-1所示。表6-1三种施工方法的对比环形开挖预留核项目台阶法双侧壁导坑法心土法两个侧洞先施工，将断面分为环形台阶分步施工，按然后再施作中洞拱部、上部核心主要特点照工程设计选择导洞多，工序多，土、下部台阶等三开挖步长对底层扰动大，废部分弃工程量大适用于少水，围岩用于一般土质或差的各种地层适用于稳定岩层者易坍塌的围岩、适用范围适用于单、双层中中断面大的隧道施大跨度的地下工工程开挖中围岩要经过多次扰动，而且断面分块多，支护控制隧道的变形对大跨度地下结施工难度结构形成全断面难度较大构，施工难度较大封闭的时间长，有可能使围岩的变形增大施工分步小，施工工序多，施工总体施工速度施工较快较快较慢地面沉降较大一般较小造价低低高隧道开挖数值模型各参数见表6-2所示。27 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析表6-2隧道开挖数值模型参数表喷层厚度二衬厚度(cm)埋深（m）围岩等级（cm）拱墙仰拱31V2240456.1围岩的应力及位移对比在隧道的施工过程中，根据具体的地质条件、开挖断面尺寸及当地的施工技术水平，合理的选择各种开挖支护方法，控制围岩变形，使其在有效的控制范围之内，是极其重要的，也时工程中的难点和长期以来研究的课题。在隧道工程的开挖支护过程中，位移是衡量围岩和支护结构变化特征的一项重要指标，该指标分析具有直观、有效及可靠的特点。本模型针对四种不同开完工况下隧道围岩的位移变形情况，提取平面模型的位移云图及不同监测点的竖向位移位移值，以研究和探讨不同开挖方法对隧道围岩变形的影响。各开挖工法下隧道竖向位移见图6-1所示。FLAC3D3.00Step23722ModelPerspective20:12:25WedJun222016Center:Rotation:X:2.000e+001X:100.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500ContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000-3.5365e-002to-3.0000e-002-3.0000e-002to-2.0000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to0.0000e+0000.0000e+000to1.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0022.0000e-002to3.0000e-0023.0000e-002to3.0039e-002Interval=1.0e-002ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA二台阶法28 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析FLAC3D3.00Step25689ModelPerspective21:09:22WedJun222016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500ContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000-3.2751e-002to-3.0000e-002-3.0000e-002to-2.0000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to0.0000e+0000.0000e+000to1.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0022.0000e-002to2.3403e-002Interval=1.0e-002ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA三台阶法FLAC3D3.00Step59877ModelPerspective20:06:08WedJun222016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500ContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000-2.8907e-002to-2.5000e-002-2.5000e-002to-2.0000e-002-2.0000e-002to-1.5000e-002-1.5000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to-5.0000e-003-5.0000e-003to0.0000e+0000.0000e+000to5.0000e-0035.0000e-003to1.0000e-0021.0000e-002to1.5000e-0021.5000e-002to1.8344e-002Interval=5.0e-003ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA环形开挖预留核心土法FLAC3D3.00Step76995ModelPerspective21:00:29WedJun222016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.819e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.95Ang.:22.500ContourofY-DisplacementMagfac=0.000e+000-2.0004e-002to-2.0000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to0.0000e+0000.0000e+000to1.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0022.0000e-002to3.0000e-0023.0000e-002to3.4035e-002Interval=1.0e-002ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA双侧壁导坑法图6-1不同开挖方法下围岩的位移图29 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析隧道施工而引起的围岩位移场重分布是施工效应中的一项内容，他它直接表征了围岩及隧道结构的变形发展情况。图6-1为提取的施工后围岩的竖向位移云图。由图6-1可得四种开挖工况围岩地表、拱顶以及隧道边墙脚等位置的最大值，如下表6-3所示（向上为正）：表6-3不同开挖方法的监测点位移（mm）监测点位移123456台阶法-35-2718-32-22-19三台阶法-33-2518-30-20-17环形开挖预留-28-1917-25-18-15核心土法双侧壁导坑法-20-1617-19-15-13可以看出：在隧道中拱顶的位移值最大，其次是拱腰，而隧道边墙脚的位移值则相对较小；在地表上隧道中心线处的位移值最大，越偏离隧道中心线地表的沉降值越小。在四种开挖方法中，双侧壁导坑法开挖隧道所引起的位移值最小即其对隧道围岩的扰动较小，而环形开挖预留核心土法、三台阶法、二台阶法开挖造隧道成的位移值逐渐增大。由此可见，在小半径黄土隧道施工时，地质条件较差且对围岩位移要求较为严格时，采用双侧壁导坑法开挖隧道较为合适。隧道围岩应力特征直接表征这隧道开挖所引起应力场的变化及支护结构受力特点。为了了解和分析不同开挖方法下的受力特点，分别取出了各个不同开挖方法的应力云图，如图6-2所示。由于FLAC3D中默认拉应力为正，压应力为负，因此最小主应力图能反应出围岩的最大应力情况。各开挖工法下隧道最小主应力见图6-2所示。FLAC3D3.00Step23722ModelPerspective22:08:03ThuJun232016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.418e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:3.81Ang.:22.500ContourofSMinMagfac=0.000e+000GradientCalculation-9.5564e+005to-9.0000e+005-9.0000e+005to-8.0000e+005-8.0000e+005to-7.0000e+005-7.0000e+005to-6.0000e+005-6.0000e+005to-5.0000e+005-5.0000e+005to-4.0000e+005-4.0000e+005to-3.9176e+005Interval=1.0e+005ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA30 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析二台阶法FLAC3D3.00Step25689ModelPerspective21:10:50WedJun222016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:3.05Ang.:22.500ContourofSMinMagfac=0.000e+000GradientCalculation-9.6924e+005to-9.5000e+005-9.5000e+005to-9.0000e+005-9.0000e+005to-8.5000e+005-8.5000e+005to-8.0000e+005-8.0000e+005to-7.5000e+005-7.5000e+005to-7.0000e+005-7.0000e+005to-6.5000e+005-6.5000e+005to-6.0000e+005-6.0000e+005to-5.5000e+005-5.5000e+005to-5.0000e+005-5.0000e+005to-4.5000e+005-4.5000e+005to-4.0091e+005Interval=5.0e+004ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA三台阶法FLAC3D3.00Step59877ModelPerspective22:14:41ThuJun232016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.418e+001Y:350.000Z:5.000e-001Z:360.000Dist:1.261e+002Mag.:3.81Ang.:22.500ContourofSMinMagfac=0.000e+000GradientCalculation-9.8162e+005to-9.0000e+005-9.0000e+005to-8.0000e+005-8.0000e+005to-7.0000e+005-7.0000e+005to-6.0000e+005-6.0000e+005to-5.0000e+005-5.0000e+005to-4.0000e+005-4.0000e+005to-3.4103e+005Interval=1.0e+005ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA环形开挖预留核心土法FLAC3D3.00Step76995ModelPerspective21:02:55WedJun222016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.399e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:3.81Ang.:22.500ContourofSMinMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.2688e+006to-1.2000e+006-1.2000e+006to-1.1000e+006-1.1000e+006to-1.0000e+006-1.0000e+006to-9.0000e+005-9.0000e+005to-8.0000e+005-8.0000e+005to-7.0000e+005-7.0000e+005to-6.0000e+005-6.0000e+005to-5.0000e+005-5.0000e+005to-4.8572e+005Interval=1.0e+005ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA31 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析双侧壁导坑法图6-2不同开挖方法下的围岩应力将隧道拱顶、两侧和底部的应力数据进行整理，得到不同开挖方法下隧道的应力值，如表6-4和图6-3所示：表6-4不同开挖方法下的监测点应力监测点应力拱顶两侧底部最大值（MPa）台阶法0.40.850.60.95三台阶法0.450.90.60.97环形开挖预留0.40.850.650.98核心土法双侧壁导坑法0.50.81.21.27图6-3不同开挖方法下的围岩应力由上图可以看出：二台阶法、三台阶法和环形开挖预留核心土法开挖隧道后都在两侧处产生最大应力，拱顶和拱底处应力相对较小得多。隧道周边以压应力出现，且与隧道距离越近，压应力集中越明显，随着距离的增大，应力减弱，变化也越来越小，三种开挖方法中均在两侧处出现了压应力集中现象。而当采用双侧壁导坑法开挖隧道后，在隧道拱底处应力最大，出现应力集中现象，但是双侧壁导坑法开挖对围岩扰动较小，围岩应力重分布大小较小，围岩应力大致呈水平分布。相对于其他开挖方法，双侧壁导坑法较对围岩的稳定性有利。32 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析6.2围岩的塑性区对比隧道各开挖工法下，隧道围岩塑性区分布见图6-4所示。FLAC3D3.00Step23722ModelPerspective22:36:29ThuJun232016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:3.05Ang.:22.500BlockStateNoneshear-nshear-pshear-pItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA二台阶法FLAC3D3.00Step25689ModelPerspective22:33:33ThuJun232016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:3.05Ang.:22.500BlockStateNoneshear-nshear-pshear-pItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA三台阶法FLAC3D3.00Step59877ModelPerspective22:37:38ThuJun232016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:3.05Ang.:22.500BlockStateNoneshear-pItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA33 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析环形开挖预留核心土法FLAC3D3.00Step76995ModelPerspective22:39:05ThuJun232016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.418e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:3.81Ang.:22.500BlockStateNoneshear-nshear-pshear-pshear-ptension-pItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA双侧壁导坑法图6-4不同开挖方法下的围岩塑性区隧道开挖以后，原有的天然应力状态被破坏，围岩中应力重分布，切向应力增大的同时，径向应力减小，并在洞壁处达到极限。在围岩应力条件下，切向应力在洞壁附近发生高度集中。图6-4为不同开挖方法下隧道围岩的塑形区分布。二台阶法、三台阶法和环形开挖预留核心土法开挖隧道时，隧道围岩只在两侧处和边墙脚发生剪应力塑形应变且塑性区较大，在拱底和拱顶未发生。而双侧壁导坑法开挖隧道时，除了在隧道两侧产生剪应力塑性区外，在拱底也产生了剪应力塑性区，且在拱底还存在拉应力塑性区。6.3初支及二衬的应变和应力对比在隧道结构的设计中，支护结构施工过程及施工后的应力和位移值往往是设计人员关心的问题，亦是工程设计中的重要指标。因此，研究和探讨不同开挖方法下支护结构的位移和应力值是极其重要的。隧道在不同开挖工法下，其初期支护结构的应力和变形见图6-5所示。FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step23722ModelPerspectiveStep23722ModelPerspective16:51:20ThuJun23201616:52:03ThuJun232016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.105e+001X:90.000X:2.105e+001X:90.000Y:1.453e+001Y:0.000Y:1.453e+001Y:0.000Z:-3.785e-001Z:0.000Z:-3.785e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:3.81Dist:1.261e+002Mag.:3.81Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofDisplacementMag.ContourofSMinMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+0005.0380e-003to1.0000e-002GradientCalculation1.0000e-002to1.5000e-002-1.1622e+007to-1.0000e+0071.5000e-002to2.0000e-002-1.0000e+007to-8.0000e+0062.0000e-002to2.5000e-002-8.0000e+006to-6.0000e+0062.5000e-002to3.0000e-002-6.0000e+006to-4.0000e+0063.0000e-002to3.5000e-002-4.0000e+006to-2.0000e+0063.5000e-002to3.6575e-002-2.0000e+006to0.0000e+000Interval=5.0e-0030.0000e+000to1.4640e+006Interval=2.0e+006ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA二台阶法34 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step25689ModelPerspectiveStep25689ModelPerspective21:16:14ThuJun23201621:16:39ThuJun232016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.000e+001X:80.000X:2.000e+001X:80.000Y:1.446e+001Y:0.000Y:1.446e+001Y:0.000Z:3.173e-001Z:0.000Z:3.173e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:4.77Dist:1.261e+002Mag.:4.77Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofDisplacementMag.ContourofSMinMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+0002.0758e-003to5.0000e-003GradientCalculation5.0000e-003to1.0000e-002-8.6833e+006to-8.0000e+0061.0000e-002to1.5000e-002-8.0000e+006to-7.0000e+0061.5000e-002to2.0000e-002-7.0000e+006to-6.0000e+0062.0000e-002to2.5000e-002-6.0000e+006to-5.0000e+0062.5000e-002to3.0000e-002-5.0000e+006to-4.0000e+0063.0000e-002to3.2907e-002-4.0000e+006to-3.0000e+006Interval=5.0e-003-3.0000e+006to-2.6557e+006Interval=1.0e+006ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA三台阶法FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step59877ModelPerspectiveStep59877ModelPerspective17:08:00ThuJun23201617:08:36ThuJun232016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.026e+001X:90.000X:2.026e+001X:90.000Y:1.418e+001Y:0.000Y:1.418e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:4.77Dist:1.261e+002Mag.:4.77Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofDisplacementMag.ContourofSMinMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+0002.1796e-003to2.5000e-003GradientCalculation2.5000e-003to5.0000e-003-9.8806e+006to-9.0000e+0065.0000e-003to7.5000e-003-9.0000e+006to-8.0000e+0067.5000e-003to1.0000e-002-8.0000e+006to-7.0000e+0061.0000e-002to1.2500e-002-7.0000e+006to-6.0000e+0061.2500e-002to1.5000e-002-6.0000e+006to-5.0000e+0061.5000e-002to1.7500e-002-5.0000e+006to-4.0000e+0061.7500e-002to2.0000e-002-4.0000e+006to-3.1361e+0062.0000e-002to2.2500e-002Interval=1.0e+0062.2500e-002to2.5000e-0022.5000e-002to2.7500e-0022.7500e-002to2.8909e-002Interval=2.5e-003ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA环形开挖预留核心土法FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step76995ModelPerspectiveStep76995ModelPerspective21:04:10ThuJun23201621:05:51ThuJun232016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000X:2.000e+001X:90.000Y:1.415e+001Y:0.000Y:1.415e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:4.073e+001Mag.:1.56Dist:4.073e+001Mag.:1.56Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofDisplacementMag.ContourofSMinMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+0004.4981e-004to5.0000e-003GradientCalculation5.0000e-003to1.0000e-002-1.0430e+007to-1.0000e+0071.0000e-002to1.5000e-002-1.0000e+007to-9.0000e+0061.5000e-002to2.0000e-002-9.0000e+006to-8.0000e+0062.0000e-002to2.5000e-002-8.0000e+006to-7.0000e+0062.5000e-002to3.0000e-002-7.0000e+006to-6.0000e+0063.0000e-002to3.4036e-002-6.0000e+006to-5.0000e+006Interval=5.0e-003-5.0000e+006to-4.0000e+006-4.0000e+006to-3.0000e+006-3.0000e+006to-2.0000e+006-2.0000e+006to-1.0000e+006-1.0000e+006to-6.2077e+005Interval=1.0e+006ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA双侧壁导坑法图6-5不同开挖方法下的初支的位移和应力云图（左侧为位移图，右侧为应力图）上图为施工后初期支护的应力云图和位移云图，由此可得不同开挖工法下初期支护拱顶、拱肩、拱腰、拱脚、拱底等位置的位移和应力的最大值及发生的位置，如下表6-5、图6-6和图6-7所示：35 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析表6-5不同开挖方法下初支关键点的应力和应变环形开挖预留双侧壁导坑先上下台阶法三台阶法核心土拱后墙计算点最小主最小主最小主最小主位移位移位移位移应力应力应力应力/mm/mm/mm/mm/MPa/MPa/MPa/MPa拱顶25-828.909-60.4498-730-6拱肩30-11.1627.5-910-930-8.69拱腰15-1012.5-820-715-8拱脚10-810-725-75-8拱底5.038-65-534.036-15-5最大拱顶拱肩拱顶拱肩拱肩拱顶拱底拱顶位置内侧外侧外侧外侧外侧图6-6不同开挖方法下的初支的位移图6-7不同开挖方法下的初支的应力36 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析可以看出：在位移图中，二台阶法、三台阶法和环形开挖预留核心土法开挖隧道时，在拱顶和拱肩处产生较大的位移值，拱底位移值最小；而当使用双侧壁导坑法开挖隧道时，初期支护的最大位移值却发生在拱底，拱顶和拱肩处的位移值最小。在应力图中，四种开挖方法工况下初期支护的应力值分布较为一致，即在拱顶和隧道拱肩较大，在拱底时应力值较小。隧道在不同开挖工法下，其二次衬砌结构的应力和变形见图6-8所示。FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step23722ModelPerspectiveStep23722ModelPerspective16:55:13ThuJun23201616:56:06ThuJun232016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000X:2.000e+001X:90.000Y:1.404e+001Y:0.000Y:1.404e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:4.063e+001Mag.:1.25Dist:4.063e+001Mag.:1.25Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofDisplacementMag.ContourofSMinMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+0001.8462e-003to2.5000e-003GradientCalculation2.5000e-003to5.0000e-003-4.3793e+004to-4.0000e+0045.0000e-003to7.5000e-003-4.0000e+004to-3.5000e+0047.5000e-003to1.0000e-002-3.5000e+004to-3.0000e+0041.0000e-002to1.2500e-002-3.0000e+004to-2.5000e+0041.2500e-002to1.5000e-002-2.5000e+004to-2.0000e+0041.5000e-002to1.7500e-002-2.0000e+004to-1.5000e+0041.7500e-002to2.0000e-002-1.5000e+004to-1.0000e+0042.0000e-002to2.2500e-002-1.0000e+004to-5.0000e+0032.2500e-002to2.5000e-002-5.0000e+003to-3.3443e+0032.5000e-002to2.6649e-002Interval=5.0e+003Interval=2.5e-003ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA二台阶法FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step25689ModelPerspectiveStep25689ModelPerspective21:23:49ThuJun23201621:24:23ThuJun232016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.103e+001X:80.000X:2.000e+001X:80.000Y:1.404e+001Y:0.000Y:1.404e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:360.000Z:5.000e-001Z:360.000Dist:4.063e+001Mag.:1.56Dist:4.063e+001Mag.:1.56Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofDisplacementMag.ContourofSMinMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+0001.3082e-003to2.5000e-003GradientCalculation2.5000e-003to5.0000e-003-4.8040e+004to-4.5000e+0045.0000e-003to7.5000e-003-4.5000e+004to-4.0000e+0047.5000e-003to1.0000e-002-4.0000e+004to-3.5000e+0041.0000e-002to1.2500e-002-3.5000e+004to-3.0000e+0041.2500e-002to1.5000e-002-3.0000e+004to-2.5000e+0041.5000e-002to1.7500e-002-2.5000e+004to-2.0000e+0041.7500e-002to2.0000e-002-2.0000e+004to-1.5000e+0042.0000e-002to2.2500e-002-1.5000e+004to-1.0000e+0042.2500e-002to2.5000e-002-1.0000e+004to-5.0000e+0032.5000e-002to2.7375e-002-5.0000e+003to0.0000e+000Interval=2.5e-0030.0000e+000to5.0000e+0035.0000e+003to9.2113e+003Interval=5.0e+003ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA三台阶法FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step59877ModelPerspectiveStep59877ModelPerspective20:41:29ThuJun23201620:41:45ThuJun232016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.104e+001X:80.000X:2.104e+001X:80.000Y:1.404e+001Y:0.000Y:1.404e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:360.000Z:5.000e-001Z:360.000Dist:4.064e+001Mag.:1.56Dist:4.064e+001Mag.:1.56Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofDisplacementMag.ContourofSMinMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+0001.2392e-003to2.5000e-003GradientCalculation2.5000e-003to5.0000e-003-4.7864e+004to-4.5000e+0045.0000e-003to7.5000e-003-4.5000e+004to-4.0000e+0047.5000e-003to1.0000e-002-4.0000e+004to-3.5000e+0041.0000e-002to1.2500e-002-3.5000e+004to-3.0000e+0041.2500e-002to1.5000e-002-3.0000e+004to-2.5000e+0041.5000e-002to1.7500e-002-2.5000e+004to-2.0000e+0041.7500e-002to2.0000e-002-2.0000e+004to-1.5000e+0042.0000e-002to2.2500e-002-1.5000e+004to-1.0000e+0042.2500e-002to2.5000e-002-1.0000e+004to-5.0000e+0032.5000e-002to2.5079e-002-5.0000e+003to0.0000e+000Interval=2.5e-0030.0000e+000to3.9410e+003Interval=5.0e+003ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA环形开挖预留核心土法37 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析FLAC3D3.00FLAC3D3.00Step76995ModelPerspectiveStep76995ModelPerspective21:13:24ThuJun23201621:13:40ThuJun232016Center:Rotation:Center:Rotation:X:2.105e+001X:90.000X:2.105e+001X:90.000Y:1.445e+001Y:0.000Y:1.445e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:4.77Dist:1.261e+002Mag.:4.77Ang.:22.500Ang.:22.500ContourofDisplacementMag.ContourofSMinMagfac=0.000e+000Magfac=0.000e+0004.4982e-004to5.0000e-003GradientCalculation5.0000e-003to1.0000e-002-5.8515e+005to-5.0000e+0051.0000e-002to1.5000e-002-5.0000e+005to-4.0000e+0051.5000e-002to2.0000e-002-4.0000e+005to-3.0000e+0052.0000e-002to2.5000e-002-3.0000e+005to-2.0000e+0052.5000e-002to3.0000e-002-2.0000e+005to-1.0000e+0053.0000e-002to3.4035e-002-1.0000e+005to0.0000e+000Interval=5.0e-0030.0000e+000to4.9457e+004Interval=1.0e+005ItascaConsultingGroup,Inc.ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAMinneapolis,MNUSA双侧壁导坑法图6-8不同开挖方法下的二衬的应力和应变上图为施工后二次衬砌的应力云图和位移云图，由此可得三种埋深下二次衬砌拱顶、拱肩、拱腰、拱脚、拱底等位置的位移和应力的最大值及发生的位置，如下表6-6、图6-8和图6-9所示：表6-6不同开挖方法下二衬关键点的应力和应变环形开挖预留双侧壁导坑先上下台阶法三台阶法核心土拱后墙计算点最小主最小主最小主最小主位移位移位移位移应力应力应力应力/mm/mm/mm/mm/kPa/kPa/kPa/kPa拱顶1.8462-402.5-105-101.3028-30-43.79拱肩1.84622.5-405-301.30289.21133拱腰1.8462-202.5-405-201.3028-30拱脚1.8462-302.5-305-501.3028-40拱底1.8462-152.5-205-301.3028-30最大拱顶拱肩拱顶拱底拱顶内右拱肩拱腰下拱脚位置内侧外侧内侧内侧侧内侧38 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析图6-8不同开挖方法下的二衬的位移图6-9不同开挖方法下的二衬的应力可以看出：在位移图中，隧道不同位置处的二衬位移都相同，采用二台阶法和三台阶法开挖隧道时，隧道二衬的位移值较小；而采用环形开挖预留核心土法和双侧壁导坑法开挖隧道时，二衬位移值较大。其中，双侧壁导坑法开挖隧道时，二衬的位置值最大。在应力图中，当采用二台阶法时，拱顶和隧道两侧处二衬应力值最大，拱底二衬应力值最小；环形开挖预留核心土法时，隧道两侧二衬应力值较小，拱顶和拱底处二衬应力值较小；双侧壁导坑法时，隧道两侧和拱底二衬应力值较小，拱顶处二衬应力值最小；采用三台阶法时，在拱肩处二衬产生拉应力值，其余各处应力皆为压应力且分布均匀。6.4锚杆的应力对比在各开挖方法下，隧道系统锚杆受力图见图6-10所示。39 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析FLAC3D3.00Step13210ModelPerspective21:25:37MonJun272016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500BlockGroup围岩仰拱回填初支上初支中初支下二衬上二衬中二衬下cableAxialStressMagfac=0.000e+000tensioncompressionMaximum=4.554e+007ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA二台阶法FLAC3D3.00Step15770ModelPerspective22:10:16MonJun272016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500BlockGroup围岩仰拱回填初支上初支中初支下二衬上二衬中二衬下cableAxialStressMagfac=0.000e+000tensioncompressionMaximum=5.932e+007ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA三台阶法FLAC3D3.00Step27728ModelPerspective21:26:48MonJun272016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500BlockGroup围岩仰拱回填初支1初支2初支3初支5二衬1二衬2二衬3二衬5cableAxialStressMagfac=0.000e+000tensioncompressionMaximum=4.036e+007ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA环形开挖预留核心土法40 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析FLAC3D3.00Step38020ModelPerspective21:40:04MonJun272016Center:Rotation:X:2.000e+001X:90.000Y:1.550e+001Y:0.000Z:5.000e-001Z:0.000Dist:1.261e+002Mag.:1.56Ang.:22.500BlockGroup围岩临时支撑左侧上临时支撑左侧下临时支撑右侧上临时支撑右侧下初支1初支2初支3初支4初支5-1初支5-2初支6二衬1二衬2二衬3二衬4二衬5-1二衬5-2二衬6ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA双侧壁导坑法图6-10不同开挖方法下的锚杆应力上图为施工完成后锚杆的应力示意图，由此可得不同开挖方法下锚杆的最大拉应力和最大压应力的大小以及其相应发生的位移，如下表6-7所示：表6-7不同开挖方法下的锚杆应力环形开挖工法双侧壁导坑二台阶法预留核心三台阶法比较法土法最大大小45.5440.3641.6159.32拉应（MPa）力位置拱腰拱腰拱腰拱腰最大大小15.1813.504.2515.00压应（MPa）力位置拱脚拱脚拱脚拱脚由图6-10可以看出，对于二台阶法，两侧拱腰部位锚杆受拉，应力较大；拱脚部位锚杆受压，最大压应力约为最大拉应力的1/3。拱肩部位出现同一根锚杆既受压又受拉的复杂应力状况。对于三台阶法，拱腰部位锚杆均受拉，最大拉应力出现在拱腰中部锚杆；拱脚部锚杆受压，应力较拉应力小。对于环形开挖预留核心土法，大部分锚杆均受拉，且最大拉应力分布在拱腰中部位置。仅右侧拱脚部锚杆出现部分受压状态。对于双侧壁导坑法，拱腰部锚杆均受拉，且中间部位拉应力最大，拱脚部位锚杆受压，应力较小。四种方法下，锚杆受力分布状态较为相似，总体规律为拱腰受拉，拱脚受压。三41 不同开挖方法下隧道围岩及支护结构的受力变形对比分析台阶法锚杆受拉应力最大，双侧壁导坑先拱后墙法锚杆受压应力最小且锚杆受力分布较为均匀。42 总结及展望第七章总结及展望（1）由不同开挖法下隧道拱顶位移值对比可以看出：二台阶法所造成的拱顶位移值最大，三台阶法、环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法则依次减小。二台阶法、三台阶法、环形开挖预留核心土法在开挖初期就形成了很大的位移，围岩形成了很大的扰动变形，对围岩的稳定性影响较大。双侧壁导坑法则随着开挖步骤的进行而拱顶位移值逐渐增大。（2）由不同开挖法下隧道地表位移值对比可以看出：二台阶法所造成的地表位移值最大，三台阶法、环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法则依次减小。二台阶法、三台阶法、环形开挖预留核心土法在开挖初期就形成了较大的地表位移，围岩形成了很大的扰动变形，对围岩的稳定性影响较大。双侧壁导坑法则随着开挖步骤的进行而地表位移值逐渐增大，在进行第五步开挖时地表位移值明显增大。（3）由不同开挖法下隧道仰拱隆起位移值对比可以看出：双侧壁导坑法所造成的仰拱隆起值最大，二台阶法、三台阶法、环形开挖预留核心土法则依次减小。二台阶法、三台阶法、在开挖初期就形成了很大的仰拱隆起位移，环形开挖预留核心土法和双侧壁导坑法初期仰拱隆起较小。双侧壁导坑法在进行第六步开挖时仰拱位移值明显增大，需要注意施工。（4）由隧道围岩位移云图可知，在隧道中拱顶的位移值最大，其次是拱腰，而隧道边墙脚的位移值则相对较小；在地表上隧道中心线处的位移值最大，越偏离隧道中心线地表的沉降值越小。在四种开挖方法中，双侧壁导坑法开挖隧道所引起的位移值最小即其对隧道围岩的扰动较小，而环形开挖预留核心土法、三台阶法、二台阶法开挖造隧道成的位移值逐渐增大。由此可见，在小半径黄土隧道施工时，地质条件较差且对围岩位移要求较为严格时，采用双侧壁导坑法开挖隧道较为合适。（5）由隧道开挖后围岩应力云图可以看出：二台阶法、三台阶法和环形开挖预留核心土法开挖隧道后都在两侧处产生最大应力，拱顶和拱底处应力相对较小得多。隧道周边以压应力出现，且与隧道距离越近，压应力集中越明显，随着距离的增大，应力减弱，变化也越来越小，三种开挖方法中均在两侧处出现了压应力集中现象。而当采用双侧壁导坑法开挖隧道后，在隧道拱底处应力最大，出现应力集中现象，但是双侧壁导坑法开挖对围岩扰动较小，围岩应力重分布大小较小，围岩应力大致呈水平分布。相对于其他开挖方法，双侧壁导坑法较对围岩的稳定性有利。（6）不同开挖方法下隧道围岩的塑形区分布图可知：二台阶法、三台阶法和环形开挖预留核心土法开挖隧道时，隧道围岩只在两侧处和边墙脚发生剪应力塑形应变且塑性区较大，在拱底和拱顶未发生。而双侧壁导坑法开挖隧道时，除了在隧道两侧产生剪应力塑性区外，在拱底也产生了剪应力塑性区，且在拱底还存在拉应力塑性区。43 总结及展望（7）由不同开挖方法下隧道初期支护位移图可知，二台阶法、三台阶法和环形开挖预留核心土法开挖隧道时，在拱顶和拱肩处产生较大的位移值，拱底位移值最小；而当使用双侧壁导坑法开挖隧道时，初期支护的最大位移值却发生在拱底，拱顶和拱肩处的位移值最小。在应力图中，四种开挖方法工况下初期支护的应力值分布较为一致，即在拱顶和隧道拱肩较大，在拱底时应力值较小（8）由不同开挖方法下隧道二次衬砌位移图可知，在位移图中，隧道不同位置处的二衬位移都相同，采用二台阶法和三台阶法开挖隧道时，隧道二衬的位移值较小；而采用环形开挖预留核心土法和双侧壁导坑法开挖隧道时，二衬位移值较大。其中，双侧壁导坑法开挖隧道时，二衬的位置值最大。在应力图中，当采用二台阶法时，拱顶和隧道两侧处二衬应力值最大，拱底二衬应力值最小；环形开挖预留核心土法时，隧道两侧二衬应力值较小，拱顶和拱底处二衬应力值较小；双侧壁导坑法时，隧道两侧和拱底二衬应力值较小，拱顶处二衬应力值最小；采用三台阶法时，在拱肩处二衬产生拉应力值，其余各处应力皆为压应力且分布均匀。（9）由不同开挖方法下隧道锚杆应力图可以看出，对于二台阶法，两侧拱腰部位锚杆受拉，应力较大；拱脚部位锚杆受压，最大压应力约为最大拉应力的1/3。拱肩部位出现同一根锚杆既受压又受拉的复杂应力状况。对于三台阶法，拱腰部位锚杆均受拉，最大拉应力出现在拱腰中部锚杆；拱脚部锚杆受压，应力较拉应力小。对于环形开挖预留核心土法，大部分锚杆均受拉，且最大拉应力分布在拱腰中部位置。仅右侧拱脚部锚杆出现部分受压状态。对于双侧壁导坑法，拱腰部锚杆均受拉，且中间部位拉应力最大，拱脚部位锚杆受压，应力较小。四种方法下，锚杆受力分布状态较为相似，总体规律为拱腰受拉，拱脚受压。三台阶法锚杆受拉应力最大，双侧壁导坑先拱后墙法锚杆受压应力最小且锚杆受力分布较为均匀。44 个人简历在读期间发表的学术论文参考文献[1]张成平,张顶立,王梦恕,项彦勇.高水压富水区隧道限排衬砌注浆圈合理参数研究[J].岩石力学与工程学报,2007,11:2270-2276.[2]祝末.富水地层中的破碎带对隧道围岩稳定性影响数值分析[D].浙江大学,2010.[3]郭佳奇.岩溶隧道防突厚度及突水机制研究[D].北京：北京交通大学,2011.[4]刘招伟,何满潮,王树仁.圆梁山隧道岩溶突水机理及防治对策研究[J].岩土力学,2006,02:228-232+246.[5]孙谋,刘维宁.高风险岩溶隧道掌子面突水机制研究[J].岩土力学,2011,04:1175-1180.[6]蒋建平,高广运,李晓昭,罗国煜.隧道工程突水机制及对策[J].中国铁道科学,2006,05:76-82.[7]王遇国.岩溶隧道突水灾害与防治研究[D].中国铁道科学研究院,2010.[8]张庆松,李术才,韩宏伟,葛颜慧,刘人太,张霄.岩溶隧道施工风险评价与突水灾害防治技术研究[J].山东大学学报(工学版),2009,03:106-110.[9]张成平,张顶立,叶英,骆建军.高压富水岩溶隧道注浆机理及作用效果分析[J].地下空间与工程学报,2009,05:996-1002.[10]李年辉.富水软弱地层隧道洞内降水理论及应用[D].北京:北京交通大学,2011.[11]沈祥明,刘坡拉,汪继锋.基于层次分析法的铁路岩溶隧道突水风险评价[J].铁道工程学报,2010,12:56-63.[12]许振浩,李术才,李利平,侯建刚,隋斌,石少帅.基于层次分析法的岩溶隧道突水突泥风险评估[J].岩土力学,2011,06:1757-1766.[13]白明洲,许兆义,王勐,王连俊.长大隧道施工过程中突水突泥灾害预测预报技术研究[J].公路交通科技,2005,S1:123-126.[14]杨寅静.岩溶区隧道突水地质灾害的临界预警特征研究[D].北京交通大学,2011.[15]马士伟.岩溶隧道涌突水地质灾害破坏机理与预警技术研究[D].中国铁道科学研究院,2011.[16]葛颜慧.岩溶隧道突水风险评价与预警机制研究[D].山东:山东大学,2010.[17]张乐中.水平岩层地区隧道围岩稳定性研究[D].长安大学,2006.[18]罗选红.包西铁路施工期隧道水平层状围岩稳定性评价与支护[J].铁道勘察,2010,02:43-46.[19]邵明敏,王忠伟,付景宇.火风山隧道水平岩层稳定性分析及施工措施[J].铁道建筑,2011,12:69-71+88.[20]汶文钊.横山隧道水平岩层稳定性分析及施工措施[J].铁道标准设计,2009,S1:133-135.[21]曹伟.层状岩体隧道稳定性及控制爆破技术研究[D].中南大学,2011.[22]卫亚科.光面爆破技术在水平岩层施工中的应用[J].铁道建筑技术,2010,03:101-105.[23]张运良,曹伟,王剑,雷明锋.水平层状岩体隧道超欠挖控制爆破技术[J].铁道科学与工程学报,2010,05:70-74.[24]赵军,庞前凤.隧洞水平岩层光面爆破技术[J].西部探矿工程,2003,09:90-91.[25]李文广.铁路隧道软弱围岩水平岩层施工技术[J].铁道建筑技术,2011,11:18-21.[26]刘芳,金宝.包西铁路郝家村隧道水平岩层坍塌整治技术探讨[J].中国铁路,2010,07:71-73.[27]郭爱东,刘磊,祝岚.地铁长大山岭隧道通风及防排烟系统方案[J].暖通空调,2011,06:12-15.[28]赵录学.长大隧道通风与防灾技术研究[J].隧道建设,2007,S2:171-173.45 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