超大断面浅埋岩层隧道施工方案优化及稳定性评价研究 111页

分类号：U455密级：硕士学位论文超大断面浅埋岩层隧道施工方案优化及稳定性评价研究StudyonConstructionOptimizationandEstimationofStabilityforShallow-buriedLargeCrossSectionRockTunnel申请人姓名：王明明指导教师：奚家米专业名称：岩土工程研究方向：隧道工程施工技术2015年5月21日 学位论文独创性说明本人郑重声明：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其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技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做了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：日期：学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：指导教师签名：年月日 论文题目：超大断面浅埋岩层隧道施工方案优化及稳定性评价研究专业：岩土工程硕士生：王明明（签名）指导老师：奚家米（签名）摘要铁路是我国重要的基础运输设施，在交通体系中占有非常重要的地位。近年来由于我国经济体制的快速发展，高速铁路进入了一个快速建设时期，大断面、超大断面隧道在山岭高铁区间的使用尤为突出。超大断面隧道因其开挖跨度大，施工工序复杂，对围岩造成多次扰动，岩石和土体受力复杂，合理的开挖方法及衬砌变形受力的实时监控是确保隧道安全施工的关键。本文以西安-成都铁路客运专线得利隧道建设为背景，通过理论分析、数值模拟、现场监测相结合的方法，确定了得利隧道的施工方案并对其稳定性做出了评价。论文在查阅相关文献资料的基础上，分析了国内外关于大断面及超大断面隧道的研究进展，掌握了不同工况下大断面隧道围岩受力、变形、沉降之间的相互关系。针对得利隧道工程实际，初步选定两种施工方案，建立二维数值模型，对两种不同施工方案进行了数值分析计算。在二维数值计算结果的基础上，针对不同施工方法、不同步距开展了三维数值模拟分析。通过对比各工况下隧道围岩及支护结构的受力、变形、沉降，综合现场施工的经济性、时效性，对超大断面浅埋隧道进行了施工方案的优化。对得利隧道施工进行了现场监测，监测内容包括：钢拱架应力监测、锚杆轴力监测、隧道围岩压力监测、围岩深部位移监测、衬砌间压力监测及隧道沉降的监测等。通过对监测数据及三维数值模拟数据的分析，对隧道的稳定性做出了评价分析。本文为得利隧道安全施工提供了理论依据，本文的研究方法可供超大断面隧道施工方案选择和稳定性评价借鉴。关键词：超大断面隧道，高速铁路，施工工法，数值模拟，现场监测研究类型：应用研究 Subject:StudyonConstructionOptimizationandEstimationofStabilityforShallow-buriedLargeCrossSectionRockTunnelSpecialty:GeotechnicalEngineeringCandidate:WangMingming(Signature)Supervisor:XiJiami(Signature)ABSTRACTRailwaytransportationasagreatimportantcommunicationinfrastructureholdsahighpositionintrafficsystem.Recently,withtherapideconomicdevelopmentinourcountry,theHighSpeedRailconstructionhascometoanageofspeedingup,especiallyinmountaintunnels.Forthepropertyoflargesectiontunnelislongspanandcomplexityofconstructionmethod,itwillcausetoomuchsoildisturbanceandacomplexstress.Thekeypointforatunnelingmethod’sstabilityistomonitoringthedisturbanceandthestress.Inthepaper,basedontheengineeringofXi’an-ChengduhighspeedrailwayconstructionDelitunnel,westartwithacombinationofthetheoreticalanalysis,numericalsimulationandfieldmonitoringmethod.Wemadetheconclusionofthebestconstructionmethodandstabliaztionanalysisofthislargesectiontunnel.Firstly,weresearchedthetheoriesinlargesectionandheavysectiontunnelrelatedfields,checkrelatedinformationtomasterthelargecrosssectiontunnelunderdifferentworkingconditionofmutualrelationshipbetweenstress,deformationandsettlement.Accordingtotheactualengineeringdataandfieldtesting,weanalyzedthestressofthelargecrosssectiontunnelunderdifferentworkingconditions,stability,settlement,etc.Secondly,undervariousoperatingconditions,webuilt2-Dnumericalmodeltosimulatetheexcavationandanalizeddifferentworkingconditionsoflargecrosssectiontunnelproblemssuchasstress,deformationandsettlement.Basedonthe2-Dnumericalanalysisresults,weuse3-Dnumericalmodlestosimulatedifferentconditonsoftheconstructionmethod.Withtheconsiderationofnumericalanalysisandtheconstructionaleconomyandtimecost,weoptimizedtheconstructionmethod.Finally,thefieldmonitoringwereusedtomeasurethesimulatedtunnelsection.Usingthecompareddataofthenumericalsimulationresultsandthemeasuredvalues,weoptimizedthetunnel’sstability.Thestudyonconstructionoptimizationandestimationofstabilitywillprovidesometheoreticalsignificanceandconstructionalmeanings. Keywords:LargecrosssectiontunnelHighspeedrailwayFiledmornitoringConstructionmethodNumericalsimulationReservoirparameterThesis:ApplicationResearch 目录目录1引言............................................................................................................................11.1研究背景及意义................................................................................................11.2浅埋大断面隧道建设现状................................................................................21.3大断面隧道施工方法及优化现状....................................................................41.4隧道稳定性评价研究现状................................................................................51.5本文采取的研究内容、研究方案及技术路线................................................71.5.1本文采取的研究内容.................................................................................71.5.2本文采取的研究方案.................................................................................81.5.3本文采取的技术路线.................................................................................92超大断面隧道施工方法.........................................................................................102.1新奥法简介......................................................................................................102.2适用于大断面隧道开挖的新奥法..................................................................122.2.1环形开挖留核心土法...............................................................................132.2.2双侧壁导坑法...........................................................................................132.2.3中洞法.......................................................................................................132.2.4中隔壁法（CD）.....................................................................................142.2.5交叉中隔壁法（CRD）...........................................................................142.3本章小结..........................................................................................................153基于数值模拟的施工方案优化.............................................................................163.1工程背景..........................................................................................................163.2工程地质概况..................................................................................................173.3初选施工方案及数值模型的建立..................................................................173.3.1双侧壁导坑法施工...................................................................................183.3.2三台阶七步开挖法施工...........................................................................193.3.3数值模型的建立.......................................................................................203.4二维数值计算结果分析..................................................................................213.4.1位移分析...................................................................................................213.4.2等效应力分析...........................................................................................233.4.3支护结构轴力分析...................................................................................253.4.4锚杆轴力分析...........................................................................................263.4.5二维数值模拟结果比较分析...................................................................263.5不同工况下三维数值模型的建立..................................................................273.5.1不同施工方案下各工况详述...................................................................283.5.2三维有限元模型材料的选取...................................................................303.5.3三维有限元模型的建立...........................................................................313.6三维数值计算结果分析..................................................................................373.6.1自重应力场下的应力与变形分析...........................................................373.6.2各工况下位移计算结果分析...................................................................383.6.3围岩应力变化分析...................................................................................493.7现场施工方法简述..........................................................................................62 西安科技大学硕士学位论文3.8本章小结..........................................................................................................634隧道围岩信息化监测.............................................................................................654.1本文的监测目的、内容、方法、频率及仪器设备......................................654.1.1隧道施工监测目的...................................................................................654.1.2监测内容...................................................................................................664.1.3监测方法与测试频率...............................................................................664.1.4监测仪器设备...........................................................................................664.2测试断面布置方案..........................................................................................664.2.1锚杆轴力监测...........................................................................................674.2.2初支围岩压力监测...................................................................................684.2.3钢架应力应变监测...................................................................................694.2.4围岩深部位移监测...................................................................................714.2.5初支与二衬间压力监测...........................................................................724.3监测结果分析..................................................................................................734.3.1锚杆轴力监测数据分析...........................................................................734.3.2初支围岩压力监测数据分析...................................................................774.3.3钢架应力应变监测数据分析...................................................................814.3.4围岩深部位移监测数据分析...................................................................854.3.5衬砌间接触压力监测数据分析...............................................................874.3.6沉降监测数据分析...................................................................................884.4本章小结..........................................................................................................895得利隧道稳定性综合评价.....................................................................................915.1基于围岩因素稳定性评价..............................................................................915.1.1围岩稳定性分级.......................................................................................915.1.2围岩变形的稳定性判别...........................................................................925.2得利隧道稳定性评价......................................................................................935.2.1基于隧道施工方法的隧道稳定性判断...................................................935.2.2基于初期衬砌的隧道稳定性判断...........................................................945.2.3基于监测数据的围岩稳定性判别...........................................................965.3本章小结..........................................................................................................986结论及展望.............................................................................................................996.1结论..................................................................................................................996.2展望................................................................................................................100致谢...........................................................................................................................101参考文献...................................................................................................................102硕士期间发表的学术论文及成果...........................................................................104 1引言1引言1.1研究背景及意义铁路运输是我国重要的交通运输方式，在推动我国国民经济的发展、交通运输的发展及战略和国防等方面起着重要而特殊的作用。从优化交通结构，节能减排，节约成本等多方面出发，我国政府已经连续3年在高速铁路建设上加大了投资力度，2015年总理报告更是指出，高速铁路建设上要投资8000亿元，新建里程超过8000公里，并重点向中西部地区倾斜。西部地区多为山岭地段，随着高速铁路速度的提高，为了满足列车运行对平稳的要求，穿越山岭已经成为不可避免的一个工程实际问题。为了提高行车速度、节省行车燃料、缩短行车距离、节省行车时间，高速铁路山岭隧道一般采用大断面隧道。大断面隧道具有断面面积大、跨度大等特点，是近几年来为适应高速铁路的建设而发展起来的一种隧道形式[1]。大断面隧道的应力应变与围岩地质性质相关性较高，在开挖完成之后，初期支护与开挖的围岩形成了一个统一的受力体，岩石和初衬共同承担了应力应变作用。大断面、超大断面隧道在其施工和设计方面仍然存在许多亟待解决的问题。在同样地围岩条件下，随着开挖断面面积的增大，会造成掌子面围岩稳定性的降低和初期支护结构质量要求的增高。在大断面隧道的建设中，掌子面的失稳有如下的可能：掌子面的挤出、拱顶部位的坍塌、上半断面拱脚下沉、底鼓突起等。近年来，大断面、超大断面隧道在我国建成的实例不少，大断面、超大断面隧道的开挖方法和施工过程较多，具体的施工方案需要根据工程地质条件和施工要求来进行选择。但一般来讲，还是首先经过适当的地层超前支护处理，然后再根据实际施工条件，采用各种施工方法进行分步开挖的方法进行施工。大断面隧道施工工法的出发点是先拱后墙或先墙后拱，快速封闭并进行仰拱开挖的思想。在大断面隧道的开挖过程中，虽一般采用新奥法进行施工，但多采用分步开挖的方法对不同工法组合进行隧道施工，主要[2][3][4－6]的施工工法有：上半断面超前短台阶分步法、中壁工法、单侧壁导坑法、双侧壁[7－8]导坑法、柱洞法、墙洞法等。由于大断面隧道建设方式多种多样，并且现场条件复杂，每个工程与其他工程不具有太多的可比性与相关性，可参照的工程实例也并不多见。加上大断面隧道施工具有技术及施工工艺复杂、开挖断面规模大和施工精度高等特点，因此在工程设计中需要进行多方案的设计比选，从不同的设计方案中进行综合权衡和系统分析，比选出较优的施工方案进行施工。在使用某一工法进行实际施工的过程中，也存在着施工工法与现场实际工况不符的情况，如上台阶净空较小，不利于现场施工的操作或台阶步距较短，不利于1 西安科技大学硕士学位论文现场实际施工等状况，因此针对选定的施工方案也需要相应做出优化。相对国外发达国家来讲，我国在大断面隧道建设方面的起步较晚，实际修筑的大断面隧道相对较少，对于特大断面隧道稳定性评价的研究，基本处于空白状态[9]。我国的超大断面隧道施工技术在初步设计、开挖施工及稳定性评价等关键技术方面，同发达国家相比较，研究成果还不够多。现阶段我国的大断面隧道建设，既无完整的规范可参考执行，也没有非常好的工程建设案例来参照对比。隧道力学及稳定性评价涉及许多复杂因素，另外加上超大断面隧道的跨度一般都较大，因而无论是在设计方面还是施工方法的研究与围岩稳定性判别等诸多方面，相关科研工作人员还面临着较大的挑战。目前对大断面隧道的应力应变及稳定性的研究主要集中在以下三个方面：模型试验、对施工方法的数值模拟、现场试验方面。对大断面大跨度隧道尚未形成统一的设计与施工标准，尤其是高速铁路客运专线特大断面、大跨度隧道在施工过程中围岩变形的研究目前较少，还没有新的成果。超大断面隧道在修建过程中的特点是，开挖跨度大，净空高，施工工序复杂，分步开挖对围岩会造成多次扰动，岩土应力复杂多变。及时监控和反馈围岩以及衬砌变形以及受力的状况对于大跨度隧道的稳定性控制尤为关键[10]。因此，开展超大断面隧道施工方案优化及稳定性评价研究具有很强的工程应用价值和理论意义。论文以西成客专得利隧道为研究对象，该隧道最大断面302m2，隧道最浅埋深为22m，是国内少见的浅埋超大断面隧道，具有典型的代表性。论文采用理论分析、数值模拟、现场监测相结合的方法开展了隧道的施工方案比选、优化及稳定性评价研究。研究成果可为隧道安全施工提供技术支持，更可作为同类型隧道施工、稳定性评价所借鉴。1.2浅埋大断面隧道建设现状对于单线或双线铁路隧道，浅埋隧道的定义如下：VI级围岩隧道洞顶埋深小于35-40m；V级围岩洞顶埋深小于18-25m；IV级围岩洞顶埋深小于10-14m；III级围岩洞顶埋深小于5-7m。对于大断面隧道，根据《铁路隧道施工规范》[11]要求，定义如下：断面面积在10m2以下为小断面；断面面积在10m2以上至50m2为中等断面；断面面积在50m2以上至100m2为大断面；断面面积在100m2以上为特大断面。国外在修建高铁的时候较少采用大断面及超大断面的隧道，一般在公路隧道中较多采用大断面隧道。英吉利海峡铁路隧道超大断面位于英吉利海峡隧道的分叉处，此处开挖宽度达到21.2m，开挖高度达到15.4m，隧道断面达到252m2，属于超大断面隧道。日本的第二布引隧道四车道断面开挖面积也达到240m2，属于超大断面隧道。日本横滨地铁3号线三泽上街站和下街站也涉及到超大断面和浅埋，开挖宽度达到16.8m，开挖高度达到11m，隧道开挖断面达到146m2，且埋深为22m，属于浅埋大断面隧道。韩国1992年完工的汉城（现首尔）附近的四车道大跨高速公路隧道清溪隧道开挖断面在186.42m2，2 1引言也属于大断面隧道。在浅埋大断面方面，德国波鸿地铁的赫林站开挖跨度19m，开挖高度12.66m，隧道净空220m2，埋深却只有3.8m，属于大断面浅埋隧道。随着国内高速铁路的快速发展，国内的大断面隧道也进入了高速发展时期。80年代前，我国修建的一些大断面隧道，有松树坡车站隧道、柳林河隧道、文贩隧道等等，其断面积都在170m2以上。80年代后，我们又修建了狗磨湾、鹰山一号隧道等铁路大断面隧道，其断面面积都在200m2以上。近年来修建的山西太岳山双线铁路隧道，开挖断面在110m2左右，郑西客运专线秦东隧道，开挖断面在145m2，在浅埋超大断面隧道方面，国内一般只有地铁车站隧道才会遇到。目前查阅相关文献，国内埋深最浅、断面最大的隧道是重庆地铁三号线红旗河沟车站隧道，隧道最大断面净空730m2，覆盖岩层8.6m，其断面大小约为一般双线公路隧道的10倍，属于世界罕见的超大断面浅埋岩石隧道。国内已修建的大断面隧道如表1.1所示。表1.1国内近年修建的部分大断面隧道序号工程隧道时间最大断面（m2）开挖方法1武广客专牛轭湾隧道2006150三台阶七步法2广州地铁2号线公园前-纪念堂区间2001253.7三台阶七步法3沈大高速公路金州隧道2004329.6双侧壁导坑+台阶法4宁淮高速公路老山隧道2006178.93台阶法5北京铁路西站枢纽鹰山隧道2007223.45台阶弧形导坑法6惠深高速公路牛湖山隧道2006158.85双侧壁导坑法双侧壁导坑法和台7深圳福龙路横龙山隧道2007304阶法8郑西客专张茅隧道2008164三台阶七步法9哈大客专笔架山隧道2009205CRD法10吉茶高速公路矮寨隧道2008240双侧壁导坑法11西商高速公路黄沙岭隧道2010166.9单侧壁导坑法12京珠复线狮子垄隧道2012180三台阶法13山西铁路太岳山双线铁路隧道201393-110中隔壁14郑西客运专线秦东隧道2009145双侧壁导坑法15湘桂铁路扩改工程大坪隧道2012200CRD法3 西安科技大学硕士学位论文1.3大断面隧道施工方法及优化现状如前所述，超大断面隧道的开挖方法和施工过程较多，但一般来讲，还是首先经过适当的地层超前支护处理，然后再根据实际施工条件，采用各种施工方法进行分部开挖的方法进行施工。分部开挖的思想是将隧道断面划分为不同的部分，通过进行二次及以上的开挖步进行分部开挖，以达到隧道稳定的一种施工方法。常用的分部开挖施工方法包括单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、交叉中隔壁法、三台阶七步开挖法等开挖方法，它们各自使用的开挖条件如下：单侧壁导坑法适用于断面跨度大、软弱松散围岩并对地表沉降可控制要求严格的隧道开挖中；双侧壁导坑法开挖适用于单侧壁导坑法开挖下并不能有效控制沉降时的情况；交叉中隔壁法适用于对地表可控制要求更为严格的软弱围岩大断面隧道中，但是开挖跨度需要小于18-20m；三台阶七步开挖法适用于断面跨度大的IV、V级软弱围岩、破碎围岩及富水围岩中，对沉降控制并不十分有利。目前对大断面隧道施工方案的优化研究主要集中在对隧道围岩应力和位移影响及初期支护结构应力的研究上。而对不同施工工法的比选和对具体施工工艺的优化的研究方法主要集中在数值分析、模型试验及现场试验和工程类比上。其中数值分析试验相比其他几种研究方法具有重复性强且快捷方便等优点，并能快速根据不同的地质条件模拟各种工况及施工工法，是进行施工方案的优化及比选中最常用的一种研究方法。操太林[12]通过具体的工程实践和对多种不同的施工方案进行了对比研究，得出了双侧壁导坑法在一些特殊围岩环境下的最优施工方法。王志等[13]使用三维数值模拟对前黄隧道交叉高速公路段进行了施工工法的分析，结果是，大管棚超前支护的选取和选用双侧壁导坑法开挖对路面及隧道拱顶的沉降都起到了很好的控制作用。覆土厚度和纵向开挖的时空效应对隧道拱顶沉降和水平收敛都有较大的影响作用，王志等的计算结果对铁路隧道的设计和施工具有一定的借鉴意义。曹瑞军[14]针对大断面软弱围岩进行了稳定性评价研究，具体的研究方法采用模型试验加数值模拟分析，对中隔壁法和三台阶开挖工法进行了初步探讨，从结构的角度考虑到中隔壁法对大断面隧道的施工稳定性较有利。王华川[15]针对大断面黄土隧道进行了双侧壁法开挖的数值模拟研究，从施工步序的角度和衬砌受力的角度对双侧壁导坑法进行了一定程度的研究。申灵君[16]使用数值模拟加监控测量对桂湘铁路扩大改造工程大坪隧道进行了CRD法开挖和三台阶七步开挖的研究，对比分析了两种工法的可行性。大断面隧道开挖跨度和开挖净空都比较大，分步开挖产生的围岩扰动也较为复杂，4 1引言因此及时监控和反馈围岩衬砌变形以及受力的状况对于大跨度隧道的稳定性控制尤为关键。应在施工前对衬砌力学分析及围岩变形机理进行可行性研究，以采取合适的开挖顺序和支护方案，从而确保施工的安全可控[17]。通过以上相关文献的阅读和比对，目前对于大断面施工方案的优化比选都集中在对不同施工方法的数值模拟或模型试验上，通过对不同施工方法下围岩应力应变的分析和衬砌结构应力的分析来对比施工方法本身的优劣。而在实际的施工中，还需要考虑到现场人力、物力情况及建设单位对工期和验收结果的要求，综合各个条件对施工方法进行综合的比选分析。1.4隧道稳定性评价研究现状目前对于超大断面隧道的变形及稳定性研究主要针对以下三个方面：对施工方法进行数值模拟、模型试验、现场试验。采用计算机数值方法对隧道的施工进行全过程模拟是研究超大断面的应力应变及稳定性的一种行之有效的方法。[18-21]杨建华[22]、刘德平[23]、余存鹏[12]针对软弱围岩的情况对不同的施工方法进行了数值模拟的研究，得出的结论是，拱脚处的围岩，在整个施工过程中都会存在应力集中的现象。对于刚开挖的大断面隧道，开挖产生的围岩第一主应力与原岩应力相比，变化较大，而且在两侧边墙和拱脚处的应力集中程度较大[20]。开挖之后，围岩的稳定性变差了，尤其在其拱顶位置，非常容易发生坍塌和冒顶等事故[21]。围岩成拱的条件变得苛刻，因为开挖跨度较大，要求围岩的埋深需要较深，浅埋条件下一般无法形成自稳拱，围岩会产生较大的松弛压力[24]。同时，衬砌的跨度变大、初衬结构封闭时间变长也导致其能够提供的承载力相对较小[25]。因此，在施工过程中，不同的施工方法对围岩稳定性的影响是不一样的。因此，可以通过设计、支护结构的选取及具体的处理措施等方面加以解决。与此同时，地质勘查中根据不同的施工方法进行围岩的分类目前还不够成熟[26]。针对岩体工程复杂性、特殊性的特点，目前在理论探索中采用的途径和分析方法多种多样，如，工程类比分析方法、极限平衡分析方法、应力应变分析方法（有限单元法、有限差分法、离散元等）、模型试验方法等。各种分析方法都有其优缺点、针对性和局限性。总的来讲，目前对大断面隧道的稳定性评价的方法的研究主要集中在以下三个方法上：相似模型试验、理论及二维、三维的数值仿真模拟、现场监测数据的反馈分析。⑴相似模型试验相似模型的想法最早是由格恩库兹涅佐夫在1936年提出的，又在1978年由B.Stillborg和O.Stepphansson首次将相似模型的试验方法用在了大跨度洞室的模拟研究中。我国在70年代初期，同济大学首次运用三维物理相似模型的模拟实验进行了围岩及衬砌5 西安科技大学硕士学位论文结构应力的研究，取得了一定的研究成果。近年来，我国隧道工程的科学研究人员对相似模型的研究现状见表1.2。表1.2模型试验研究现状序号时间研究人员研究内容11984同济大学利用平面应力模型研究大跨度洞室稳定性21995西南交通大学：王明年、何川1：25比例尺研究三车道公路隧道交通部重庆公路科学研究院：蒋31995公路隧道结构与围岩综合实验树屏小净距公路隧道净距的取值、施工力学形态、施42004同济大学：刘伟工相互影响52005西南交通大学：肖林萍双连拱隧道施工方法和结构内力、稳定性研究新奥法施工的四车道大跨度隧道围岩位移、应力62006重庆大学：吴梦军、黄伦海应变分析前人已经做出了一些模型试验方面的研究，但是我们还须认识到，模型试验研究只是实际问题的一种简化方法，与实际结果还有较大的出入。⑵数值模拟试验目前在隧道力学的数值模拟计算中所采用的力学理论主要有：线弹性理论、非线性弹性理论、弹塑性理论、粘塑性理论、弹粘塑性理论等。在数值计算及模拟原理方面，我们最常使用的是限单元法、边界元法、离散元法、有限差分法等。使用的数值计算软件有ANSYS软件、MIDAS软件、FLAC软件、ANDIA软件、ABAQUS软件等。使用这些计算机软件，可以方便准确、高效地对隧道开挖的全过程进行二维和三维的模拟计算，并通过计算来分析隧道在开挖过程中围岩发生的应力、应变及其规律。计算机数值模拟在地下结构的计算中应用越来越多，但是总地来讲，数值模拟的理论计算发展还不够成熟，数值计算方法采用的模型建立、边界条件的选取、材料本构模型的选取对其计算结果影响非常大，而且不同的实际工程模型差异较大。在参数的确定方面，对科研人员个人的工程判断力要求较高，而且对复杂地质条件下的工程难以估算合理的计算参数。加上目前对锚杆和喷射混凝土支护体系的支护机理的研究还不够深入，地下结构的支护分析还处于模糊理论的阶段。因此，数值计算结果在目前的隧道工程当中并不能起到决定性的作用。⑶监测数据反馈监控测量是新奥法施工的一项重要技术，在施工过程中一直以来都受到很大的重视。6 1引言过内外研究人员通过建立信息化监测及对数据信息的整理，是确定隧道在开挖过程中，围岩的稳定性判断的一项重要依据。现阶段我国的监测反馈主要集中在对围岩应变的监测和分析以及对初期衬砌等支护结构应力应变的监测分析。由于围岩变形监控测量方便操作，且相对直观，目前在围岩变形方面研究较多。在进行监测反馈分析研究的过程中，围岩性质和具体的物理参数往往难以取得，隧道穿越的地层变化多样，也对监测结果的准确性和分析的难度产生了一定的影响。目前对现场的监测数据的分析对监测人员的工程经验要求较高。目前我国研究人员对隧道稳定性评价的研究主要集中在数值模拟与现场监控测量数据相结合的方法。如刘长祥[26]通过对设岭隧道的监控测量，以及对其进行模糊评价的方法得出其稳定性评价。通过计算机数值模拟，定性判断隧道围岩变化规律及趋势，为提早发现隐患及调整监测方案、施工方案。朱永全[27]明确了位移条件对隧道稳定性判别的概念，以隧道位移为判据的隧道稳定性分析的关键和难点是围岩及支护结构的位移极限值的确定。通过现场监测+实验模拟+计算机数值模拟，可以判别隧道的稳定性，提出了稳定性判断的标准。杨建华[28]通过监测和数值模拟，总结了影响隧道围岩稳定性的5个重要因素，包括围岩地质结构、岩体力学性质、埋深对围岩稳定性的影响、地应力对稳定性的影响、地下水对稳定性的影响。结合数值模拟以及针对这5个影响围岩稳定性的因素对隧道的稳定性做出了一定评价。1.5本文采取的研究内容、研究方案及技术路线1.5.1本文采取的研究内容综合以上几个方面，本论文主要研究内容如下：⑴收集和整理各种不同的施工工法，总结国内外大断面、超大断面隧道的研究现状。结合国内外研究现状及规范要求对超大断面浅埋隧道施工方案的各种施工方法进行比选和优化研究。⑵分析不同工况下隧道围岩、支护结构的应力应变大小并总结规律。利用ANSYS软件模拟不同的施工方案，通过数值计算的结果对隧道围岩应力、应变分布进行分析，并按照施工顺序考虑有支护和无支护条件下的应力值和应变值大小以及分布特征。⑶超大断面隧道稳定性评价。利用数值模拟分析不同施工方法下施工期间临时支护时围岩和支护结构的应力应变；通过分析工程现场实测数据，并将实测数据与数值计算结果进行比较分析，对得利隧道进行稳定性评价。7 西安科技大学硕士学位论文1.5.2本文采取的研究方案本课题以西安-成都铁路客运专线项目(简称西成客专)得利隧道建设为工程背景，通过理论分析、数值模拟、现场监测相结合的方法，具体方法研究如下：⑴理论分析了解目前国内外在大断面及超大断面隧道方面所取得相关理论，掌握目前隧道施工过程中普遍使用的施工方法，了解不同工况下大断面隧道的受力、变形、沉降之间相互关系。并针对工程背景的地质条件和施工要求，初步选定两种不同的施工方案进行综合对比和理论分析。⑵数值模拟通过建立二维ANSYS数值模型，模拟初选的两种施工方法下具体的开挖过程，对这两种施工方法下超大断面隧道的受力、变形、沉降等问题进行综合分析，确定所选模型和材料是否符合实际情况。在二维数值模拟的分析基础上，得出初步的分析结论并对每种施工方法进行不同步距的三维施工模拟。通过数值计算分析和现场施工条件，综合比选出合适的开挖方法。⑶现场监测对施工现场进行监测，主要包括开挖过程中隧道围岩压力、支护结构应力和围岩变形情况，分析现场真实的隧道应力、应变、围岩沉降等规律，对现场实测数据进行处理分析，同时通过将现场监测的数据与计算机数值模拟的结果进行对比分析，评价得利隧道的稳定性。8 1引言1.5.3本文采取的技术路线通过本章对前人研究的整理和对本文研究方案的梳理，本文采取的技术路线如图1.1。原始资料收集及整理超大断面隧道研究现状得利隧道地质勘查数据典型工法比较初步确定两种不同的工法二维计算机数值模型的建立计算应力应变特征三维数值模拟计算不同工况的选取数值模拟结果与隧道监测数值对比分析得利隧道施工方案优化及稳定性评价图1.1本课题采用的技术路线9 西安科技大学硕士学位论文2超大断面隧道施工方法众所周知，大断面隧道的施工具有一定的灵活性，而且是一项综合性的施工技术。根据目前隧道施工方法的发展以及隧道穿越地层的不同情况，山岭隧道施工一般可分为传统的矿山法、新奥法（NATM）和掘进机法。新奥法施工中经常采用的施工工法是台阶法、全断面法和分部开挖法这三大类，分部开挖的方法适用于大断面隧道。在大断面及超大断面隧道中，采用较多的是环形开挖保留核心土法、中洞法、中隔壁法和双侧壁导坑法等。超大断面隧道的开挖方法和施工过程较多，但一般来讲，还是首先经过适当的地层超前支护处理，然后再根据实际施工条件，采用上述施工方法进行分步开挖的方法进行施工。大断面隧道施工工法的出发点是先拱后墙或先墙后拱，快速封闭并进行仰拱开挖的思想。2.1新奥法简介1963年，由奥地利学者L·腊布兹维奇教授命名为“新奥地利隧道施工法（NewAustriaTunnelingMethod），简称“新奥法（NATM）”正式出台。它是以矿山法掘进为基础，通过采用锚杆和喷射混凝土进行初期支护，将信息化监测加入施工过程中进行实时反馈的一种施工思想[27]。新奥法可以定义为：利用围岩自稳的特性，通过施做锚杆和喷射混凝土等初期支护来加强围岩的这种自稳特性，约束围岩的松弛和变形。通过高频度的监控和测量对施工和设计进行反馈和指导的一种隧道施工思想。新奥法的基本构思为:在原岩开挖后，先建立“初次支护”，初期支护一般为锚杆加喷射混凝土和钢拱架等。它的主要功能是加强围岩的自稳特性，并对围岩起到一定的保护作用和支护作用。等到初期支护达到了一定的稳定条件，然后修筑我们称之为二次衬砌的永久性承重构件，由一衬和二衬同时承担围岩的压力达到稳定性。新奥法的重要出发点为，尽可能的利用围岩整体的自承能力，在围岩应力发生重分布之后，修建一个受力合理的支撑结构，使围岩最大程度地发挥其自稳的特性，与支护结构一起变形。新奥法的最重要的核心思想就是监控测量。伴随着隧道的开挖，监控测量作为一个重要的组成对隧道围岩进行结构变形和受力的监控，已达到对围岩整体性态的判断作用。新奥法的隧道施工工艺原则可以言简意赅地总结为:“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。10 2超大断面隧道施工方法新奥法的主要支护手段是喷射混凝土加锚杆支护，喷射混凝土能够在围岩表面形成一层保护层，与围岩紧密贴合，这样既可以保护围岩遭到破坏，还可以与围岩一起进行变形。新奥法开挖的一般方法可概括为图2.1。施工准备超前地质预报、测量、量测、爆破设计布置炮眼台架（台车）就位钻孔、装药、爆破修正爆破参数通风排烟找顶排险装运机械就位出碴运输开挖质量检查地质描述初期支护表面处理不合格隐蔽检查合格防排水系统施工不合格隐蔽检查合格变形量满足后二次衬砌结束图2.1新奥法施工方法11 西安科技大学硕士学位论文2.2适用于大断面隧道开挖的新奥法新奥法施工，按其开挖断面的位置及开挖次序，基本上又可分为以下几种:⑴全断面开挖法。⑵台阶法，其中包括:①长台阶法；②短台阶法；③超短台阶法。⑶分部开挖法。大断面隧道主要施工工法集中在分部开挖法上，大断面隧道的主要施工工法法见表2.1。表2.1大断面隧道的主要施工工法序号名称横断面示意图纵断面示意图1环形开挖保留核心土法2双侧壁导坑法3中洞法4中隔壁法（CD法）5交叉中隔壁法（CRD）法12 2超大断面隧道施工方法2.2.1环形开挖留核心土法环形开挖留核心土法见表2.1的1，适用于V-VI级围岩，软弱围岩、断面较大的隧道施工。施工顺序:掘进并进行拱部初期支护的施做、核心土的开挖、边墙初期支护的施做、封闭成环、施做二次衬砌。施工时要求:环形开挖进尺一般为0.5-1.0m;开挖后及时进行支护，核心土面积要大于断面的一半。钢拱架底部施做锁脚锚杆，如果围岩条件较差，需要进行超前支护，一半采用管棚等。二次衬砌一般作为预留的保护作用。环形开挖留核心土法的优点是可以对台阶的长度适度增长，以减小上下台阶施工时的干扰，且相对于其他更加复杂的开挖方法，机械化施工程度高，施工速度相对较快。三台阶七步开挖法就是这种工法一种变形。环形开挖留核心土法施工速度较快，支护结构的成本比侧壁法较小，但对围岩变形控制较为不利。2.2.2双侧壁导坑法双侧壁导坑法见表2.1的2，适用于V-VI级围岩。双侧壁导坑法的导坑相当于先开挖左右2个小断面隧道，对这两个小断面的隧道进行初期支护，再根据现场条件对中间部分进行开挖，从而达到控制变形和沉降的目的，安全可靠。双侧壁导坑法，导坑断面为整个断面的1/3；侧壁导坑的台阶长度一般为3-5m。两个导坑之间围岩应力重分布造成的相互之间的影响较小。与其他施工工法相同的是，需要及时封闭成环，并施做仰拱。双侧壁导坑法的优点是对隧道围岩的应变控制较好，因此在大断面隧道的建设中，经常采用双侧壁导坑法进行施工。不过，它的缺点在于施工速度慢，成本高等，因此只有隧道围岩特别差的隧道一般才会考虑使用双侧壁导坑法。双侧壁导坑法在开挖时，分部较多，对围岩的扰动较多，而且断面的闭合时间较长。但由于每部都有初期支护单独闭合，因此变形在整个开挖的过程中几乎不太发展，较为安全。但其缺点也较为明显，施工速度非常慢，而且因为每部都需要单独进行支护，因此支护成本高。2.2.3中洞法中洞法施工工法见表2.1的3，当地层条件差、断面特大时，一般设计成多跨结构，跨与跨之间有梁、柱连接，这种施工工法就叫做中洞法。13 西安科技大学硕士学位论文它的施工方法是：先开挖隧道中部，施作隧道中部的衬砌结构，进行混凝土的浇注，然后开挖两侧隧道。中洞法在开挖的过程中，可以先贯通中隔墙，然后在施做隧道两侧的隧道，中洞开挖后应及时施做其初期支护，分段进行中墙混凝土的浇注。中洞法的施工特点是中洞法的特点是初期支护自上而下，每一步封闭成环，环环相扣，二次衬砌自下而上施工，施工质量容易得到保证。其缺点也是施工速度较慢，初期支护成本较高。2.2.4中隔壁法（CD）中隔壁法（CD）施工工法见表2.1的4，适用于V-VI级围岩，一般用于铁路隧道和城市地下铁路隧道的施工。在经过软弱和浅埋地层的时候，中隔壁法可以有效控制隧道开挖产生的沉降和变形。中隔壁法开挖一般步骤为：先开挖中隔墙，沿一侧自上而下分为二或三部进行开挖，及时施作初期支护。及时进行封闭和进行临时仰拱的施做，之后再开挖中隔墙的另一侧。中隔壁法的优点是各部封闭成环的时间短，结构受力均匀，形变小，且由于支护刚度大，施工时隧道整体下沉微弱，地层沉降量不大，而且容易控制。且相对于交叉中隔壁法，虽然对隧道变形的控制较为不利，但是施工工序不太复杂且进度较快。2.2.5交叉中隔壁法（CRD）交叉中隔壁法（CRD）施工工法见表2.1的5，适用于围岩较差的V-VI级围岩。交叉中隔壁法的施工方法为：先开挖中隔墙的一侧，分为二到三个台阶进行开挖，在开挖的过程中及时进行支护，完成这部分的开挖之后，对另一侧进行同样的开挖及支护，形成左右两边同时进行交叉开挖及支护的施工方法。采用交叉中隔壁法施工，首先要满足中隔壁法的要求，同时需要设置临时仰拱，步步成环。交叉中隔壁法对隧道围岩的变形控制较好，但它的缺点也较为明显，它的施工工序复杂，隔墙拆除非常困难，初期支护成本较高，进度缓慢。上述采用的施工工法的优缺点比较如表2.1。14 2超大断面隧道施工方法表2.1各施工工法的优缺点比较施工工法沉降控制工期初期支护工作量造价环形开挖预留核心土法一般短小低双侧壁导坑法好长大高中隔壁法较好长较大较高交叉中隔壁法好长大高中洞法较好长大较高2.3本章小结本章对大断面隧道普遍采用的施工方法进行了总结，超大断面隧道的开挖方法和施工过程较多，但一般来讲，还是首先经过适当的地层超前支护处理，然后再根据实际施工条件，采用各种施工方法进行分步开挖的方法进行施工。大断面隧道施工工法的出发点是先拱后墙或先墙后拱，快速封闭并进行仰拱开挖的思想。本章对环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、中洞法、中隔壁法及交叉中隔壁法进行了介绍和分析。15 西安科技大学硕士学位论文3基于数值模拟的施工方案优化3.1工程背景本论文依托的工程背景为新建的西安至成都高速铁路，线路全长643km。起点位于陕西省西安市北客站，向西南方向穿过汉中境内至成都东站（见图3.1、3.2）。西成客专建成之后，将与徐兰、大西、成渝、成贵等客运专线相衔接，整个高铁的设计时速为250km。图3.1西成客运铁路专线示意图西安至成都客运专线于2012年10月27日正式开工，建设工期5年，计划2017年11月30日竣工。建成后，西安至汉中方向，只需要1小时即可抵达，西安至成都最短需要3小时即可抵达。图3.2西成客运铁路专线详图西成客专全线共设车站14个，其中新建10个车站，利用既有车站4个，本文研究的得利隧道即为汉中市佛坪县佛坪站的一部分。隧道入口接桥处为佛坪站的车站站台。16 3基于数值模拟的施工方案优化西成客专有135公里的线路都是穿越秦岭的路段，其中桥隧比高达94%，隧道总长度为127公里，属于国内罕见的高铁建设工程。3.2工程地质概况西成客运铁路专线得利隧道（DK144+663—DK152+500段）位于陕西省佛坪县椒溪河右岸，椒溪河特大桥桥上设车站，佛坪车站安全线及咽喉区进入隧道，隧道最大埋深1030m，最小埋深22m。椒溪河特大桥全长885m，桥上设车站，共设5条轨道线；得利隧道正洞全长7837m，隧道内纵坡依次为1‰下坡，3‰上坡，18‰下坡。得利隧道主要岩性为第四系膨胀土、细圆砾土、碎石土、块石土，变质岩类和花岗岩、闪长岩等岩浆岩，还包括一部分构造岩石及碎裂岩石等。隧道区位于商丹断裂带和勉略-巴山弧形断裂构造带夹持的南秦岭构造带，地表水以河水、沟水为主，河水常年流水，雨季水量增建显著。3.3初选施工方案及数值模型的建立为研究得利隧道超大断面隧道建设施工方案的优化比选，本文首先经过对各种施工工艺的比较和选择，初步拟定了两种施工方案：一种是双侧壁导坑法，另一种是三台阶七步开挖法。两种隧道施工工法在进行超大断面隧道的施工过程中，都有其优缺点，因此本节着重对两种施工方法进行二维数值模拟计算。通过二维数值模拟计算两种施工方法下的隧道围岩应力、应变及初期支护的应变来比较不同施工方法下施工的优劣性，以期开展后续的施工方案优化工作。西安至成都铁路客运专线陕西段得利隧道进口段7837m，其中DK144+663-DK144+865段为车站咽喉区进洞加宽段，隧道跨度大、埋深浅；该段落202m共有四种不同断面，本次计算选取了DK144+696-DK144+755段59m的大跨B型V级围岩断面（开挖净空20.7m×14.51m）。本文选取模拟的断面施工图见图3.3，支护参数见表3.1。17 西安科技大学硕士学位论文图3.3B型V级围岩断面施工图超大断面隧道的开挖方法和施工过程较多，但一般来讲，还是首先经过适当的地层超前支护处理，然后再根据实际施工条件，采用各种施工方法进行分步开挖的方法进行施工。先拱后墙或先墙后拱，快速封闭是超大断面隧道施工过程中需要注意的点。通过对隧道基本施工方法的研究以及工程实例的调研，结合新奥法在隧道工程施工中的应用与本工程的现场实际情况，本文选择了三台阶七步开挖法与双侧壁导坑法施工下工况的对比。为统一计算，初期支护采用同样的材料，支护结构详细参数见表1。表3.1支护结构参数支护结构参数喷砼部位全断面厚度32cm钢筋网部位拱墙规格φ8间距20×20cm锚杆部位拱墙长度5m间距0.8×0.8cm钢架部位全环类型I25a型钢间距0.5m3.3.1双侧壁导坑法施工双侧壁导坑法开挖断面如图3.4。18 3基于数值模拟的施工方案优化图3.4双侧壁导坑法施工断面图施工工序：①在必要的情况下施作隧道超前支护。②人工风镐开挖（必要时弱爆破）或者机械开挖开挖①部。③施作①部导坑周边的初期支护和临时支护，即进行钢架的架立和横撑的设立，并设洞身锚杆及锁脚锚管、布置周边初期支护钢筋网；然后进行喷射砼作业直至设计厚度32cm。④人工风镐开挖（必要时弱爆破）后者机械开挖开挖②部；②部与①部间距离宜保持在3～5m左右；⑤施作②部导坑周边的初期支护和临时支护，即初喷32cm厚混凝土，进行钢架的架立和横撑的设立，并设洞身锚杆及锁脚锚管、布置周边初期支护钢筋网；然后进行喷射砼作业直至设计厚度。⑥按顺序开挖④、⑤、⑥部并施做导坑周边的初期支护和临时支护，施工步骤同上。⑦开挖⑦部，并架设拱部钢架，施工初期支护。⑧按两台阶法施工⑧部、⑨部，导坑底部安设钢架封闭成环，喷射砼至设计厚度。⑨逐步拆除临时钢架，一次性拆除长度不得超过15m,灌注仰拱砼。⑩灌注隧底填充砼。3.3.2三台阶七步开挖法施工台阶法开挖断面如图3.5。图3.5台阶法施工断面图施工工序：三台阶七步法开挖分为上中下三个台阶和仰拱四个部分进行开挖。先开19 西安科技大学硕士学位论文挖上部台阶①部，上部开挖完成后施作上部洞身结构的初期支护，即初喷混凝土，架立钢架，施做喷锚支护，喷砼的厚度为32cm。上台阶施工至1~3m后，开挖中部台阶左侧②部，施作左侧洞身中台阶结构的初期支护，支护结构同①部。②部施工至1~3m后，开挖中部台阶右侧③部，施作右侧洞身中台阶结构的初期支护。③部施工至1~3m后依照②、③部施工方法施做下台阶④、⑤部。然后开挖核心土⑥、⑦、⑧部，并与上中下台阶保留一定步距1~3m。最后开挖仰拱部分⑨，及时进行支护结构的封闭和仰拱的开挖和浇注。台阶长度控制在1～3m，相互之间保留一定步距以确保开挖、支护质量及施工安全。确定上下台阶之间并无相互影响之后，可进行上下台阶的同时开挖。3.3.3数值模型的建立本次计算以西成客运铁路专线得利隧道为工程背景实例，针对V级围岩开挖普遍使用的方法，采用大型通用有限元软件ANSYS对双侧壁导坑和三台阶七步开挖法施工过程进行了平面数值模拟分析。本次计算中采用了三种单元：用于模拟围岩的实体单元(Plane42)；用于模拟喷射混凝土和钢拱架的梁单元(Beam3)，用于模拟锚杆的杆单元(Link1)。因为钢拱架和喷射混凝土折算为一个整体，在计算中考虑了钢拱架的弯曲刚度，折算后的梁单元能够很好地模拟钢拱架和喷射混凝土的力学性质。在该模型中，围岩的单元选取全部采用实体单元Plane42。在本次计算中，围岩的破坏准则采用弹塑性DP本构模型，结构的破坏准则采用的是线弹性本构模型。初期支护模型见图3.6，计算单元的材料性质见表3.2。图3.6初期支护材料模型图在有限元计算过程中，边界条件对计算的结果影响是非常大的，为了减小边界条件对模型计算的结果产生影响，在本次计算中计算模型的长度边界按照隧道跨度的4倍进行选取，深度边界按照隧道高度的3被进行选取。隧道埋深22m，高度14.5m，跨度20.7m，故建立的模型边界总长为185.66m，总高为80m。计算模型的边界条件：底面为竖向约束，上边界自由边界，左右边界为横向约束。20 3基于数值模拟的施工方案优化表3.2计算材料属性材料围岩锚杆C30砼密度（kg/m3）200079592500弹性模量（Pa）1.00E+091.70E+113.00E+10泊松比0.40.30.2摩檫角（°）28--粘聚力（kPa）100--3.4二维数值计算结果分析3.4.1位移分析⑴双侧壁导坑法位移分析双侧壁导坑法数值模拟计算Y位移如图3.7(a)所示，隧道每步开挖的Y位移沉降变化如图3.7(b)所示，隧道各部位沉降数值见表3.3。双侧壁法Y位移8642(mm)0-2-4-6沉降数值-8-10-1212345678910开挖步拱顶侧壁顶部拱腰拱脚仰拱中央(a)双侧壁法Y位移云图(b)双侧壁法Y位移沉降变化图图3.7双侧壁导坑法Y位移变形图从图3.7双侧壁导坑法开挖隧道的位移变形数据可以看出：①拱顶沉降比较大，核心土上部开挖时发生的沉降量最大，最终步减去初始位移下的地层沉降后的相对沉降值为6.636mm，说明拱顶在完全失去下部岩体的支撑之后，在初期衬砌的保护下仍会发生较大的沉降；②计算结果显示，拱顶的水平位移很小，几乎可以认为没有位移。而与此同时，拱21 西安科技大学硕士学位论文腰和拱脚处的水平位移均向洞内方向发展，且位移量较大。这是因为拱顶完全失去支撑后，上部荷载完全由开挖形成的拱和初期支护结构来承担，致使拱腰处受到较大的压力，从而发生向洞内的水平位移；表3.3双侧壁法分步开挖隧道每步沉降数值（mm）开挖步12345678910拱顶0.370.681.191.812.403.456.466.356.196.64侧壁顶部0.701.030.831.091.412.795.014.904.765.22拱腰-0.160.860.540.670.801.242.071.971.832.34拱脚-0.54-1.28-1.75-1.66-1.57-1.37-0.86-0.96-1.10-0.55仰拱中央-0.38-0.81-1.11-1.48-1.97-3.66-8.15-8.63-9.61-8.65③如表3.3所示，在核心土开挖的第7步时，拱顶开始产生较大的沉降变形，同时拱底的也发生了较大的突起变形，表现为向上起拱。核心土的卸载产生的附加应力是仰拱向上起拱的主要原因。由此可知，核心土上部开挖对本次计算中隧道各个特征关键点的位移影响都较大，不仅会产生较大的沉降变形，也会产生较大的底鼓突起变形，在隧道进行双侧壁导坑法开挖的时候应特别注意监测和及时支护。⑵台阶法位移分析台阶法数值模拟计算Y位移云图如图3.8(a)所示，隧道每步开挖的Y位移沉降变化如图3.8(b)所示，隧道各部位沉降数值见表3.4。三台阶七步开挖法Y位移108642(mm)0-2-4沉降数值-6-8-10-1212345678910开挖步拱顶一台阶下部二台阶下部三台阶下部仰拱中央(a)台阶法Y位移云图(b)台阶法Y位移沉降变化图图3.8台阶法Y位移变形图从图3.8台阶法Y位移变形图可以看出：①台阶法施工拱顶沉降比较大,核心土上部开挖时发生的沉降量最大，最终步减去初22 3基于数值模拟的施工方案优化始位移下的地层沉降后的相对沉降值为7.448mm，说明拱顶在完全失去下部岩体的支撑之后，在初期衬砌的保护下仍会发生较大的沉降，且变形幅度比双侧壁导坑法要大0.812mm，同时变形较大的部位的也比双侧壁导坑法范围大；台阶法拱腰和拱脚处的沉降量也比双侧壁导坑法拱腰和拱脚处的沉降量大0.872mm左右，说明台阶法对沉降的控制要劣于双侧壁导坑法；②台阶法施工拱底的Y方向位移随着核心土的开挖缓慢增长，浇注仰拱对拱底变形的控制较为有利，这是因为仰拱浇注混凝土后，结构是一个刚性构件，同时它能够将抵抗隧道下部围岩的地层反力。同时，通过将边墙处的结构受力传递到下部，可以有效增强结构稳定性。根据《铁路隧道施工规范》表9.0.11-2双线隧道初期支护极限相对位移（%）[11]对50m以下埋深V级围岩的隧道拱顶相对下沉的要求：0.08-0.16%，本工程的要求为11.6mm-23.2mm，由此可知双侧壁法和台阶法施工都符合规范要求。表3.4台阶法分步开挖隧道每步沉降数值（mm）开挖步12345678910拱顶6.297.047.837.897.967.837.577.327.007.45一台阶下部3.116.026.236.756.696.566.296.025.736.21二台阶下部0.372.582.803.723.673.533.262.982.693.21三台阶下部-0.61-0.92-1.10-0.26-0.35-0.50-0.78-1.07-1.39-0.83仰拱中央-3.08-4.16-5.39-6.07-6.83-7.30-8.13-9.30-10.19-9.24经过对比表3.3以及表3.4可以得知，双侧壁导坑法在侧壁开挖的过程中，沉降数值相对较小，最大沉降出现在拱顶部位，最大降数值为7.96mm，而在核心土开挖的时候会产生较大的沉降；台阶法在一开始开挖的时候就产生了较大的沉降，之后随着隧道的开挖，沉降数值缓慢增加。可以看出，双侧壁导坑法开挖对拱顶沉降的控制较为有利，但对仰拱中央部位的底鼓突起控制并不有利，尤其是在其核心土开挖的时候，会发生较大的底鼓突起现象，对隧道的稳定性可控制较为不利。但是综合来看，双侧壁导坑法开挖对隧道沉降的控制较好。而台阶法进行开挖时，隧道围岩的变形没有较大的突变，每一步开挖时均有一定程度的变形，总体来讲，台阶法开挖隧道围岩的变形较双侧壁法要大一些。综上，台阶法开挖对大断面隧道变形的控制较不利；双侧壁法开挖对围岩变形控制较好；隧道底部设立仰拱结构对隧道稳定有较大的帮助。3.4.2等效应力分析根据双侧壁导坑法等效应力图（图3.9）以及台阶法等效应力图（图3.10）显示，双23 西安科技大学硕士学位论文侧壁导坑法开挖后土体最大应力部分出现在双侧壁的顶部位置以及两侧的拱脚位置而且最大应力大小为1.25MPa，这与支护结构的作用有很大的关系，钢拱架支撑对隧道的稳定起了很大的作用；台阶法开挖后土体最大应力部分出现在拱顶正上方中间部位和两侧拱脚位置，最大应力大小为1.29MPa。台阶法施工的受力较双侧壁导坑法大，且台阶法受力大的区域范围也比双侧壁法大。图3.9双侧壁导坑法等效应力云图图3.10台阶法等效应力图24 3基于数值模拟的施工方案优化3.4.3支护结构轴力分析图3.11双侧壁法轴力图图3.12台阶法轴力图根据轴力图图3.11及图3.12显示（图中轴力只显示为大小），双侧壁导坑法开挖后钢拱架支撑及喷射混凝土的最大应力出现在左侧拱璧的中上部位，最大轴力为198KN；双侧壁施工过程中，左侧开挖的初衬轴力较右侧开挖的初衬轴力大，这与开挖步序有很大的关系，说明初次开挖地应力的释放较大，因此初衬承受了较大的轴力，在施工过程中需要加强监控测量；台阶法开挖后钢拱架支撑及喷射混凝土的最大应力出现在一台阶拱顶处，最大轴力为186KN。台阶法施工的时候需要多加注意一台阶施工时拱顶的变形监测，必要时可加强支护。台阶法刚拱架受力比双侧壁法钢拱架支撑及喷射混凝土的受力小11KN。25 西安科技大学硕士学位论文3.4.4锚杆轴力分析图3.13双侧壁法锚杆轴力图图3.14台阶法锚杆轴力图根据图3.13及图3.14锚杆的轴力图显示，双侧壁法开挖后，左侧开挖的锚杆轴力最大，最大轴力为25.221KN，说明初次开挖地应力的释放较大，此时锚杆承受了较大的拉力，在施工过程中需要加强监控测量；而右侧开挖是锚杆的轴力相对较小，说明双侧壁法分步开挖对隧道围岩的应力应变控制较好。台阶法开挖后锚杆最大的轴力出现在二台阶左侧和右侧，最大轴力为36.428KN，说明此时洞壁可能会向洞内产生较大的x方向位移，在施工过程中需要加强测量监测。3.4.5二维数值模拟结果比较分析通过对得利隧道进行二维数值模拟开挖分析，我们可以初步得出如下结论：1.台阶法开挖中需要注意的关键步是一台阶上部开挖，双侧壁导坑法开挖中需要及26 3基于数值模拟的施工方案优化时注意的关键是核心土上部开挖，在实际施工过程中，不管采用的是哪种工法，尤其对这些重点开挖的施工过程要加强监控量测，及时支护，保证施工安全。2.双侧壁导坑开挖的施工工法步序较多，施工方法较为复杂。但是它特有的分步、多步卸载，尤其是在导坑开挖的过程中，每次开挖围岩的应力重分布影响不会太大，这也保证了围岩的自身稳定性。从数值计算结果上来看，应力应变均较为合适，说明双侧壁法在控制应力应变上比台阶法开挖要好。3.台阶法开挖较为简单，但是对大断面隧道变形的控制却较为不利；双侧壁导坑法开挖复杂，但是对于大断面隧道变形的控制较好。隧道底部设立仰拱结构对隧道稳定有较大的帮助，同时，隧道底部设有仰拱结构时，拱脚处受力较大。4.双侧壁法开挖时初期支护的受力与台阶法相比较大，在施作初期支护的时候需要待混凝土达到规范要求的抗压强度时再进行下一循环的开挖，在施工过程中需要详加注意。5.得利隧道开挖断面大，现场条件复杂，在施工过程中应加强监控量测，及时地对数据信息进行处理和分析，将新奥法的指导思想用在得利隧道的工程实践中去。3.5不同工况下三维数值模型的建立二维数值模拟有其局限性，一般来讲，二维数值模拟并不能很好地反应隧道工程在开挖时岩土体的时间和空间效应。在实际分析中，二维数值模拟可以很好地模拟支护结构的应力应变，但是对于分部开挖来讲，二维数值模拟并不能反应隧道在开挖过程中的进尺及土体和支护结构之间的影响。在之前的计算中，每一步开挖只是将平面相应的单元杀死操作，但实际上在隧道开挖的过程中，上部掌子面进行了推进，但是下部的围岩还处于未开挖的状态，这时候二维平面模型就无法很好地反映掌子面推进之间的关系。而且二维数值模型无法对同一施工方法的不同开挖步距进行模拟，因此有必要建立三维数值模型进行计算，以分析不同开挖步距下隧道开挖的应力和应变。经过对得利隧道的二维平面数值模拟分析，数据结果表明现有模型的材料选取和模型的建立具有一定的可靠性，可以基本按照初选模型和材料进行三维数值模拟计算。本次三维数值模拟计算，对得利隧道DK144+733-DK144+734区间隧道进行了数值模拟，与二维平面数值模拟一样，本次计算分为两种工法，四种工况分别计算。第一种施工工法为台阶法分部开挖，工况为开挖步距分别为2m和3m。第二种施工工法为双侧壁导坑法分部开挖，工况为开挖步距分别为3m和5m。由于施工工序繁杂，计算条件所限，本次三维数值计算的四种工况均对各种工况进行了一个完整的开挖步模拟计算，以期达到所需要的研究结果。27 西安科技大学硕士学位论文3.5.1不同施工方案下各工况详述⑴双侧壁导坑法分为两种工况，分述如下：①工况一：每台阶步距为3m图3.15双侧壁导坑法开挖工况一（步距为3m）双侧壁导坑开挖的工法一每台阶的步距均为3m，左右导坑间距6m，横断面施工工序为：1)在必要的情况下施作隧道超前支护。2)人工风镐开挖（必要时弱爆破）或者机械开挖开挖①部。3)施作①部导坑周边的初期支护和临时支护，即进行钢架的架立和横撑的设立，并设洞身锚杆及锁脚锚管、布置周边初期支护钢筋网；然后进行喷射砼作业直至设计厚度32cm。4)人工风镐开挖（必要时弱爆破）后者机械开挖开挖②部；②部与①部间距离保持在3m；5)施作②部导坑周边的初期支护和临时支护，即初喷32cm厚混凝土，进行钢架的架立和横撑的设立，并设洞身锚杆及锁脚锚管、布置周边初期支护钢筋网；然后进行喷射砼作业直至设计厚度。6)按顺序开挖④、⑤、⑥部并施做导坑周边的初期支护和临时支护，施工步骤同上。7)开挖⑦部，并架设拱部钢架，施工初期支护。8)按两台阶法施工⑧部、⑨部，导坑底部安设钢架封闭成环，喷射砼至设计厚度。9)逐步拆除临时钢架。10)灌注隧底填充砼。②工况二：每台阶步距为5m图3.16双侧壁导坑法开挖工况二（步距为5m）双侧壁导坑开挖的工法二每台阶的步距均为5m，左右导坑间距15m，横断面施工工序与工况一相同，此处不再赘述。28 3基于数值模拟的施工方案优化⑵三台阶七步开挖法分为两种工况，分述如下：①工况一：每台阶步距为2m图3.17台阶法开挖工况一（步距为2m）台阶法分部开挖的工况一每台阶步距为2m，从一台阶到仰拱处距离为10m。台阶法分部开挖工况一的施工工序为：三台阶七步法开挖分为上中下三个台阶和仰拱四个部分进行开挖。先开挖上部台阶①部，上部开挖完成后施作上部洞身结构的初期支护，即初喷混凝土，架立钢架，施做喷锚支护，喷砼的厚度为32cm。上台阶施工至2m后，开挖中部台阶左侧②部，施作左侧洞身中台阶结构的初期支护，支护结构同①部。②部施工至2m后，开挖中部台阶右侧③部，施作右侧洞身中台阶结构的初期支护。③部施工至2m后依照②、③部施工方法施做下台阶④、⑤部。然后开挖核心土⑥、⑦、⑧部，并与上中下台阶保留步距2m。最后开挖仰拱部分⑨，及时进行支护结构的封闭和仰拱的开挖和浇注。台阶长度控制在2m，相互之间保留一定步距以确保开挖、支护质量及施工安全。确定上下台阶之间并无相互影响之后，可进行上下台阶的同时开挖。②工况二：每台阶步距为3m图3.18台阶法开挖工况二（步距为3m）台阶法分部开挖的工况二每台阶步距为3m，从一台阶到仰拱处距离为15m，横断面施工工序与工况一相同，此处不再赘述。29 西安科技大学硕士学位论文3.5.2三维有限元模型材料的选取本次计算以西成客运铁路专线得利隧道为工程背景实例，针对V级围岩开挖普遍使用的方法，采用大型通用有限元软件ANSYS对双侧壁导坑和三台阶七步开挖法施工过程进行了三维数值模拟分析。为简化计算，本次计算中采用了两种单元：用于模拟围岩的实体单元(Solid45)；用于模拟喷射混凝土和钢拱架的梁单元(Shell63)；将围岩参数提高以模拟锚杆支护。因为钢拱架和喷射混凝土折算为一个整体，在计算中考虑了钢拱架的弯曲刚度，折算后的梁单元能够很好地模拟钢拱架和喷射混凝土的力学性质。在本次计算中，围岩的破坏准则采用弹塑性DP本构模型，结构的破坏准则采用的是线弹性本构模型。采用ANSYS进行有限元分析的基本过程如下：⑴定义材料、实常数和单元类型，根据具体的施工工况和问题条件，选择合适的材料进行数值模拟。⑵建立几何模型：根据具体工况进行模型的建立，一般为简化模型，以适应计算条件。⑶划分网格：对建立好的几何模型进行有限单元法网格的划分，以进行下一步计算。边界条件的施加：对单元施加位移边界条件、重力条件及荷载边界条件。⑷求解：选用合适的求解器进行模型求解。⑸查看结果：ANSYS提供了功能繁多的后处理程序，可以用来查看计算结果。⑹根据二维计算结果，材料属性的选择比较合适，可以用于三维数值计算的模型参数。模型中，围岩参数和初期支护的参数都适当提高以折算锚杆支护。具体参数见表3.5。ANSYS建立模型的时候，先建立平面模型，使用MESH200单元划分平面模型，然后对划分好网格的平面模型进行拉伸，就变成了立体的模型。表3.5计算材料属性材料围岩初期支护密度（kg/m3）20002500弹性模量（Pa）1.00E+093.00E+10泊松比0.40.2摩檫角（°）28-粘聚力（kPa）100-30 3基于数值模拟的施工方案优化根据现场施工条件，按照地层-结构连续体建立三维有限元模型。在有限元计算中，边界条件对计算的影响比较大，为了尽可能减小边界条件对结果的影响，本次计算计算模型的长度边界按照隧道跨度的4倍进行选取，深度边界按照隧道高度的3被进行选取。隧道埋深为DK144+733断面的隧道埋深，约为24m，隧道高度14.75m，跨度20.7m，故建立的模型边界总长为185.66m，总高为82m。由于台阶法开挖和双侧壁导坑法工况下台阶长度差异较大，其中台阶法开挖，每步距间距较小，而双侧壁导坑法开挖步距较大，综合考虑模型长边界影响及计算机性能，双侧壁导坑法建模长度取为30m，台阶法开挖建模长度取为20m。计算模型的边界条件为：底面为竖向约束，上边界自由边界，左右边界为横向约束。3.5.3三维有限元模型的建立1.双侧壁导坑法有限元模型双侧壁导坑法施工工序较多，对围岩的扰动次数较多，因此其开挖方法分为左右两导洞和中部核心土部分，前后左右也有7个不同的开挖面相互错开，每部设立钢拱架和临时横撑支护。双侧壁导坑法将大断面分为若干个小断面隧道进行分步开挖，总体有利于围岩的稳定。由于双侧壁导坑法开挖每台阶间距较大，综合考虑模型长边界影响及计算机性能，双侧壁导坑法建模长度取为30m，模型边界总长为185.66m，总高为82m。双侧壁导坑法模型有限元实体模型见图3.19。图3.19双侧壁导坑法有限元实体模型双侧壁导坑法初期支护及临时支撑模型见图3.20。31 西安科技大学硕士学位论文图3.20双侧壁导坑法初期衬砌及临时支撑有限元模型双侧壁导坑法有限元模型边界约束条件见图3.21。在建立的三维有限元模型前后两面进行Z方向的位移约束，在左右两侧面进行X方向位移约束，在底面进行Y方向的位移约束，模型的顶面不进行约束。图3.21双侧壁导坑法有限元模型约束条件双侧壁导坑法有限元施工模拟过程分为以下步骤：⑴施加自重应力，计算并得到自重应力场；⑵左导坑上部开挖并施加初期支护和临时横撑，进行模拟计算；⑶左导坑中部开挖并施加初期支护和临时横撑，进行模拟计算；⑷左导坑下部开挖并施加初期支护和临时横撑，进行模拟计算；⑸右导坑上部开挖并施加初期支护和临时横撑，进行模拟计算；⑹右导坑中部开挖并施加初期支护和临时横撑，进行模拟计算；⑺右导坑下部开挖并施加初期支护和临时横撑，进行模拟计算；⑻核心土上部开挖及施加临时横撑，进行模拟计算；⑼核心土中部开挖及施加临时横撑，进行模拟计算；⑽核心土下部开挖及施加临时横撑，进行模拟计算；⑾拆除已完整开挖断面的临时支撑并浇筑仰拱混凝土，进行模拟计算。其中，不同台阶的进尺开挖可同时进行。模拟中选择了同时进尺的开挖方式。详细32 3基于数值模拟的施工方案优化施工工序示意图见图3.22。(a)左导坑上部开挖(b)左导坑中部开挖(c)左导坑下部开挖(d)右导坑上部开挖(e)右导坑中部开挖(f)右导坑下部开挖33 西安科技大学硕士学位论文(g)核心土上部开挖(h)核心土中部开挖(i)核心土下部开挖(j)拆除临时支撑并浇筑仰拱图3.22双侧壁导坑法施工工序如图3.22所示为双侧壁导坑法开挖工况一的施工工序，每台阶开挖步距为3m，双侧壁导坑法开挖工况二的施工工序与工况一相同，每台阶开挖步距为5m，此处不再赘述。2.台阶法有限元模型三台阶七步开挖法工序较为简单，隧道开挖分为上中下三个台阶和仰拱四个部分，前后左右7个不同的开挖面相互错开，分部同时支护，最后形成闭合支护整体，可以缩短作业循环时间，逐步向纵深推进。由于台阶法开挖每台阶步距较小，综合考虑模型长边界影响及计算机性能，三台阶七步开挖法建模长度取为20m，模型边界总长为185.66m，总高为82m。三台阶七步开挖法有限元模型如图3.23。34 3基于数值模拟的施工方案优化图3.23台阶法开挖有限元实体模型三台阶七步开挖法初期衬砌有限元模型见图3.24。图3.24三台阶七步开挖法初期衬砌有限元模型三台阶七步开挖法边界条件见图7.13。在建立的三维有限元模型前后两面进行Z方向位移约束，在左右两侧面进行X方向位移约束，在底面进行Y方向的位移约束，模型的顶面为自由面。图3.25三台阶七步开挖法约束条件三台阶七步开挖法有限元施工模拟过程分为以下步骤：⑴施加自重应力，得到自重应力场；⑵一台阶开挖并保留核心土，施做顶部初期支护；35 西安科技大学硕士学位论文⑶二台阶左侧开挖并保留核心土，施做二台阶左侧初期支护；⑷二台阶右侧开挖并保留核心土，施做二台阶右侧初期支护；⑸三台阶左侧开挖并保留核心土，施做三台阶左侧初期支护；⑹三台阶右侧开挖并保留核心土，施做三台阶右侧初期支护；⑺按顺序开挖一台阶、二台阶、三台阶核心土；⑻开挖仰拱并浇筑仰拱混凝土。其中，不同台阶的进尺开挖可同时进行。模拟中选择了同时进尺的开挖方式。详细施工工序示意图见图3.26。(a)一台阶开挖(b)二台阶左侧开挖(c)二台阶右侧开挖(d)三台阶左侧开挖(e)三台阶右侧开挖(f)核心土开挖36 3基于数值模拟的施工方案优化(g)仰拱开挖(h)仰拱混凝土浇筑图3.26三台阶七步开挖施工工序如图3.26所示为三台阶七步开挖工况一的施工工序，每台阶开挖步距为2m，三台阶七步开挖工况二的施工工序与工况一相同，每台阶开挖步距为3m，此处不再赘述。3.6三维数值计算结果分析3.6.1自重应力场下的应力与变形分析自重应力计算是岩土有限元计算分析的第一步，地应力的测试需要做专门的现场实验进行确定，但是由于技术条件的限制，目前绝大多数研究均以近似的方法来模拟原始地应力。围岩的形成需要上亿年的过程，由于地质构造和地质运动的复杂性，地应力分布十分复杂，在有限元计算当中，我们对地应力进行简化计算，在此我们假定隧道初始地应力仅为围岩自重产生的应力，不考虑其构造应力。基于以上的假定，在计算中我们可以发现，重力场下围岩应力分布均匀，σz和第一主应力σ1均沿重力方向均匀分布，呈层状分布状态。自重应力计算结果见图3.27。(a)重力场下Y方向应力(b)重力场下Y方向位移37 西安科技大学硕士学位论文(c)重力场下等效应力(d)重力场下塑性区（无塑性区）图3.27地应力计算结果图各工况下初始初始地应力计算结果一致，因此此处不再赘述。3.6.2各工况下位移计算结果分析隧道开挖之后，围岩主要位移方向为竖直方向，在隧道洞身周边也会出现水平方向的位移变化。而隧道进尺方向可认为无位移变化。以下对各工况下洞身周边的位移变化进行分析。⑴双侧壁导坑法位移分析①双侧壁导坑法步距为3m的位移分析步距为3m的双侧壁导坑法隧道UY位移发展过程如图3.28所示。(a)第一步开挖(b)第二步开挖38 3基于数值模拟的施工方案优化(c)第三步开挖(d)第四步开挖(e)第五步开挖(f)第六步开挖(g)第七步开挖(h)第八步开挖39 西安科技大学硕士学位论文(i)第九步开挖(j)仰拱浇筑图3.28双侧壁法工况一UY位移随时间变化云图从图3.28可以看出，双侧壁导坑法隧道在开挖以后，显示出如下规律：(i)在左导坑开挖的第一、二步，隧道的竖向位移主要出现在拱璧中部和下部，隧道开挖会在底部产生底鼓作用，横撑对于隧道具有一定的支护作用。在左右导坑开挖的时候需要及时注意侧壁边墙的位移变化。(ii)隧道左导坑开挖成环之后，左导坑右下部衬砌直角相交部位产生了较大的变形，而与此同时，左导坑左下部并未产生较大变形；右导坑开挖完毕的情况下也有同样的结果，说明隧道拱脚部位设置为拱形支护结构有利于开挖面的稳定性。(iii)在隧道中部核心土开挖的时候，拱顶和拱顶下部的刚拱架支护会产生较大的变形，说明核心土开挖是整个双侧壁导坑法开挖的关键。此时需要注意加强支护。(iv)对已封闭成环开挖面的临时钢架进行拆除的时候，拱顶变形范围扩大，说明临时支撑的拆除对拱顶部位变形有影响；进行仰拱的浇筑可以有效抑制隧道底鼓现象，且浇筑仰拱之后拱顶UY位移变小，说明仰拱的浇筑有利于支护结构的稳定。第一断面开挖完毕后，分别以左导坑顶部、隧道拱顶顶部和右导坑顶部轴线为剖切线对隧道剖切的剖面UY位移见图3.29。(a)左导坑剖面UY位移(b)隧道中线剖面UY位移40 3基于数值模拟的施工方案优化(c)右导坑剖面UY位移图3.29双侧壁导坑法工况一剖面UY位移变化云图从图3.29也可以看出：(i)由于左侧导坑先开挖且进尺较长，因此左导坑的位移变化较右导坑较大。(ii)临时支撑刚拱架拆除的区域围岩变形也比未拆除区域围岩变化要大，说明临时支撑在双侧壁导坑法中起到了相对重要的支护作用。(iii)沿隧道进尺方向，从初期支护封闭面到隧道开挖掌子面，隧道围岩的沉降变化是逐渐增大再到逐渐减小，说明掌子面处围岩相对稳定，而核心土开挖位置上方的隧道围岩变形较大，说明此处围岩最不稳定。在各开挖步下，洞身围岩位移最值见表3.6。表3.6双侧壁工况一围岩UY位移最值表开挖步MAX(mm)部位MIN(mm)部位11.87左导坑底部-0.74左导坑左右侧壁22.57左导坑底部-0.80左导坑左侧壁中部及右侧壁底部32.50左导坑中部核心土-1.09左导坑右侧边墙底部42.73左导坑底部-1.15左导坑右侧边墙底部52.89左导坑底部-1.11左导坑右侧边墙底部62.99左导坑底部-1.01左导坑右侧边墙底部73.26左导坑底部-1.15隧道拱顶83.38左导坑底部-1.57隧道拱顶93.38左导坑底部-1.80隧道拱顶103.91仰拱位置-1.75隧道拱顶41 西安科技大学硕士学位论文其中，数值为正表示底鼓凸起，数值为负表示隧道沉降。（2）双侧壁导坑法步距为5m的位移分析步距为5m的双侧壁导坑法隧道UY位移发展过程如图3.30所示。双侧壁法工况二下的位移变化规律与工况一类似，此处不再赘述，仅选取关键步骤示意如下。(a)左导坑二台阶开挖(b)左导坑三台阶开挖(c)右导坑二台阶开挖(d)右导坑三台阶开挖(e)核心土开挖(f)仰拱浇筑图3.30双侧壁法工况二UY位移随时间变化云图从图3.30可以看出，双侧壁导坑法步距为5m的工况下，发生沉降的岩土区域比步距为3m的工况要大，总沉降量也相对较大。第一断面开挖完毕后，分别以左导坑顶部、42 3基于数值模拟的施工方案优化隧道拱顶顶部和右导坑顶部轴线为剖切线对隧道剖切的剖面UY位移见图3.31。(a)左导坑剖面UY位移(b)隧道中线剖面UY位移(c)右导坑剖面UY位移图3.31双侧壁导坑法工况二剖面UY位移变化云图从图3.31可以看出，工况二下，沉降范围已扩展到地表。而在工况一同一开挖循环下，地表并未发生明显沉降，工况二下的变形范围和变形大小都比工况一下要大，说明双侧壁导坑法开挖合适的步距为3m。在各开挖步下，洞身围岩位移最值见表3.7。其中，数值为正表示底鼓凸起，数值为负表示隧道沉降。表3.7双侧壁工况二围岩UY位移最值表开挖步MAX(mm)部位MIN(mm）部位12.08左导坑底部-0.82左导坑左右侧壁22.90左导坑底部-1.08左导坑左侧壁中部及右侧壁底部32.85左导坑中部核心土-1.15左导坑右侧边墙底部42.92左导坑底部-1.11左导坑右侧边墙底部53.07左导坑底部-1.12左导坑右侧边墙底部43 西安科技大学硕士学位论文续表3.7双侧壁工况二围岩UY位移最值表开挖步MAX(mm)部位MIN(mm)部位63.18左导坑底部-0.89左导坑右侧边墙底部73.16左导坑底部-1.35隧道拱顶83.67左导坑底部-1.77隧道拱顶94.21左导坑底部-1.93隧道拱顶104.84仰拱位置-1.99隧道拱顶⑵三台阶七步开挖法位移分析①三台阶七步开挖法步距为2m的位移分析步距为2m的三台阶七步开挖法隧道UY位移发展过程如图3.32所示。(a)一台阶开挖(b)二台阶左侧开挖(c)二台阶右侧开挖(d)三台阶左侧开挖44 3基于数值模拟的施工方案优化(e)三台阶右侧开挖(f)核心土开挖(g)仰拱开挖(h)仰拱浇筑图3.32台阶法法工况一UY位移随时间变化云图从图3.32可以看出，隧道在使用台阶法开挖以后，洞身周边位移基本集中在拱顶和拱顶下方核心土位置以及左侧台阶位置。三台阶七步开挖法显示出以下规律：(i)一台阶开挖时产生的围岩位移变化较大，主要集中在拱顶正中央位置，位移变化从拱顶中央向两边均匀减小。(ii)随着二台阶左侧的开挖，隧道拱顶和左拱腰位置位移变化明显，与此同时，核心土也有较大的变形，说明此时隧道处于最不稳定状态，此时需要注意二台阶边墙处隧道的初期支护。(iii)随着二台阶右侧开挖，及三台阶的开挖，隧道拱顶处沉降逐渐增大，地表也出现了一定程度的沉降，说明台阶法开挖不利于控制地表沉降。(iv)每台阶的左侧边墙处的位移变化均比右侧的位移变化要大，这是应为左侧台阶均处于先开挖状态，围岩封闭成环的时间较长，因此此处围岩力学性能不稳定，因此在使用三台阶七步开挖的过程中，需要对左侧先开挖部分加强注意。(v)三台阶七步开挖核心土开挖的时候拱顶产生了一定程度的回弹变形，仰拱开挖完毕后，隧道拱顶又产生了一定程度的回弹变形，说明三台阶七步开挖法中，核心土的开挖有利于围岩的稳定，仰拱的开挖和隧道断面封闭成环有利于隧道围岩变形控制。45 西安科技大学硕士学位论文第一断面开挖完毕后，分别以左台阶顶部、隧道拱顶顶部和右台阶顶部轴线为剖切线对隧道剖切的剖面UY位移见图3.33。(a)左台阶剖面UY位移(b)隧道中线剖面UY位移(c)右台阶剖面UY位移图3.33台阶法工况一剖面UY位移变化云图在各开挖步下，洞身围岩位移最值见表3.8。其中，数值为正表示底鼓凸起，数值为负表示隧道沉降。表3.8三台阶七步开挖法工况一围岩UY位移最值表开挖步MAX(mm)部位MIN(mm）部位12.49核心土两侧-1.40隧道拱顶23.25核心土-2.08隧道拱顶34.60核心土-2.65隧道拱顶45.56核心土-3.07隧道拱顶56.41核心土-3.28隧道拱顶65.64仰拱核心土-3.20隧道拱顶46 3基于数值模拟的施工方案优化续表3.8三台阶七步开挖法工况一围岩UY位移最值表开挖步MAX(mm)部位MIN(mm）部位75.01核心土-3.08隧道拱顶85.80核心土-3.21隧道拱顶95.99核心土-3.14隧道拱顶②三台阶七步开挖法步距为3m的位移分析步距为3m的三台阶七步开挖法隧道UY位移发展过程如图7.22所示。三台阶七步开挖法工况二下的位移变化规律与工况一类似，此处不再赘述，仅选取关键步骤示意如下。(a)一台阶开挖(b)二台阶左侧开挖(c)三台阶左侧开挖(d)三台阶右侧开挖47 西安科技大学硕士学位论文(e)核心土开挖(f)仰拱开挖图3.34台阶法法工况二UY位移随时间变化云图第一断面开挖完毕后，分别以左台阶顶部、隧道拱顶顶部和右台阶顶部轴线为剖切线对隧道剖切的剖面UY位移见图3.35。(a)左台阶剖面UY位移(b)隧道中线剖面UY位移(c)右台阶剖面UY位移图3.35台阶法工况二剖面UY位移变化云图从图3.35可以看出，工况二下，二台阶左侧开挖时沉降范围已扩展到地表。而在工况一同一开挖循环下，地表并未发生明显沉降，工况二下的变形范围和变形大小都比工况一下要大，说明三台阶七步法开挖合适的步距为2m。48 3基于数值模拟的施工方案优化在各开挖步下，洞身围岩位移最值见表3.9。其中，数值为正表示底鼓凸起，数值为负表示隧道沉降。表3.9三台阶七步开挖法工况二围岩UY位移最值表开挖步MAX(mm)部位MIN(mm）部位12.49核心土两侧-1.40隧道拱顶24.38核心土-2.81隧道拱顶35.47核心土-3.23隧道拱顶46.73核心土-3.96隧道拱顶57.37核心土-3.26隧道拱顶66.83仰拱核心土-3.10隧道拱顶76.21核心土-2.93隧道拱顶87.20核心土-3.15隧道拱顶97.28核心土-3.10隧道拱顶3.6.3围岩应力变化分析围岩是一种弹塑性材料，随着隧道的开挖，隧道洞身周边的围岩应力变化最大，洞身周边围岩应力变化超过岩石的弹性极限就会发生塑性变形。衡量围岩的力学性质指标较多，ANSYS中可以查看的围岩应力一般包括第1，第2，第3主应力，应力强度和等效应力。应力强度是根据第三强度理论得到的当量应力，其值为第一主应力减去第三主应力。等效应力是根据第四强度理论推导出来的一种复杂状态下的当量应力，其值可由第1、2、3主应力计算得到。等效应力可以快速判断结构最危险的部位。这一小节通过对对围岩的第一主应力和等效应力的分析来研究围岩应力的变化规律。通过对岩石的力学性能进行一定的探讨，来达到比选超大断面隧道施工工法的目的。前面已经判断出，双侧壁导坑法开挖的最优步距为3m，三台阶七步开挖法最优步距为2m，因此本节在进行第一主应力分析的时候，主要对3m步距下的双侧壁导坑法和2m步距下的三台阶七步开挖法进行分析。其中，应力强度的表达式为：σcr3=σ1−σ349 西安科技大学硕士学位论文等效应力的表达式为：1222σcr4=√（σx−σy）+（σy−σz）+（σz−σx）+6（τ2xy+τ2yz+τ2zx）√2或1222σcr4=√（σ1−σ2）+（σ2−σ3）+（σ3−σ1）√2⑴第一主应力变化规律①双侧壁导坑法步距3m如图3.36所示为3m步距下双侧壁导坑法开挖第一主应力分布云图。(a)重力作用下(b)左导坑上部开挖(c)左导坑中部开挖(d)左导坑下部开挖50 3基于数值模拟的施工方案优化(e)右导坑上部开挖(f)右导坑中部开挖(g)右导坑下部开挖(h)核心土开挖(i)仰拱浇筑图3.36双侧壁法3m步距第一主应力变化云图图3.37显示为双侧壁法第一主应力剖面图。51 西安科技大学硕士学位论文(a)左导坑剖面(b)隧道中线剖面(c)右台阶剖面图3.37双侧壁法3m步距第一主应力剖面变化云图可以看出，围岩在重力场下的第一主应力分布均匀，随着隧道的开挖，主应力在洞身周边产生了不均匀的变化，左导坑开挖时，应力逐渐向洞深发展，拱底及边墙处有应力集中；右导坑开挖的时候围岩应力产生了大的调整，应力逐渐向洞身周围发展，核心土开挖的时候拱顶处围岩产生了较大的应力变化。仰拱混凝土的浇筑对仰拱处的土体产生了较大的应力控制作用。说明仰拱混凝土的浇筑是控制围岩应力变化的核心步骤。在左导坑第一台阶开挖完毕之后，左导坑两侧边墙的第一主应力发生了较大变化，边墙处出现了压应力集中区，一台阶拱顶处出现了拉应力集中区，最大拉应力为0.52MPa；第一台阶底部出现了较大的压应力集中区，最大压应力为0.13MPa。随着左导坑的进一步开挖，第一主应力变化不大，出现的位置也基本处于边墙的上部和拱顶以及底部位置。左导坑三台阶开挖完毕之后，左导坑右侧边墙底部出现了较大的压应力集中区，最大压应力为1.2MPa。这也与变形计算结果相匹配，说明左导坑开挖过程中，右侧边墙底部是最容易失稳的位置，需要加强支护。随着右导坑的开挖，第一主应力发生了较大的变化，左导坑拱顶处的最大拉应力扩大为0.58MPa，导坑底部的最大压应力也增长为0.19MPa。之后随着右侧导坑的开挖，第一主应力发生了一定程度的回落，变化不大。52 3基于数值模拟的施工方案优化随着核心土的开挖，第一主应力的分布发生了明显的变化，拱顶部位产生了较大的压应力变化，拱顶处压应力为0.27MPa。之后随着仰拱的开挖和浇筑，拱顶部位的压应力减小为0.23MPa，仰拱部位的拉应力也减小为0.17MPa，说明仰拱的浇筑和隧道断面的封闭有利于隧道围岩的稳定。②三台阶七步开挖法步距2m如图3.38所示为2m步距下三台阶七步开挖法开挖第一主应力分布云图。(a)重力作用下(b)一台阶开挖(c)二台阶左侧开挖(d)二台阶右侧开挖(e)三台阶左侧开挖(f)三台阶右侧开挖53 西安科技大学硕士学位论文(g)核心土开挖(h)仰拱开挖及浇注图3.38三台阶七步开挖2m步距第一主应力变化云图(a)左侧剖面(b)隧道中线剖面(c)右侧剖面图3.39三台阶七步开挖2m步距第一主应力变化云图可以看出，围岩在重力场下的第一主应力分布均匀，随着隧道的开挖，主应力在一台阶洞身周边产生了不均匀的变化。一台阶开挖时，开挖部位土体第一主应力均产生了较大的变化，有其在隧道拱顶以及隧道一台阶两侧产生了较大的第一主应力集中区域，最大第一主应力为0.15MPa。在二台阶左侧开挖的时候，隧道第一主应力产生了左右侧不均匀分布，左侧第一主54 3基于数值模拟的施工方案优化应力集中区较大，且最大第一主应力出现在左侧核心土位置，最大第一主应力为0.18MPa。随着二台阶右侧的开挖，隧道左侧核心土和隧道左侧掌子面的第一主应力持续增大，最大第一主应力为0.20MPa。说明在二台阶右侧开挖的时候，需要对左侧台阶加强支护。随着三台阶的开挖，隧道第一主应力持续增大，最大第一主应力出现在三台阶左侧开挖位置的底部，最大第一主应力为0.34MPa。随着三台阶右侧的开挖，隧道左侧开挖位置底部的最大第一主应力增大为0.42MPa，以上结果说明无论是开挖隧道的左侧还是开挖隧道的右侧，隧道台阶的左侧始终处于应力较大的状态，在每一个开挖步都需要对隧道左侧加强支护。随着核心土的开挖，隧道的最大第一主应力出现在了掌子面的右侧一台阶部位，说明核心土的开挖对一台阶应力状态不利，此时应注意一台阶的及时支护。随着仰拱的开挖和仰拱混凝土的浇注，最大第一主应力的大小发生了明显的减小，最大第一主应力为0.33PMa。最大第一主应力出现在二台阶左侧核心土的位置，其他部位的第一主应力也明显减小，说明仰拱的开挖和仰拱混凝土的浇注对隧道的力学稳定性起着非常重要的作用。⑵等效应力变化规律①双侧壁导坑法步距3m如图3.40所示为3m步距下双侧壁导坑法施工围岩的等效应力云图。(a)重力作用下(b)左导坑上部开挖(c)左导坑中部开挖(d)左导坑下部开挖55 西安科技大学硕士学位论文(e)右导坑上部开挖(f)右导坑中部开挖(g)右导坑下部开挖(h)核心土开挖(i)仰拱浇筑后图3.40双侧壁法3m步距等效应力变化云图如下图显示为双侧壁法第一断面开挖完毕后等效应力剖面图。56 3基于数值模拟的施工方案优化(a)左导坑剖面(b)隧道中线剖面(c)右台阶剖面图3.41双侧壁法3m步距等效应力剖面变化云图可以看出，围岩在重力场下的等效应力分布均匀，随着隧道的开挖，等效应力在洞身周边产生了不均匀的变化，左导坑开挖时，应力逐渐向洞深发展，拱底及边墙处有应力集中；右导坑开挖的时候围岩应力产生了大的调整，应力逐渐向洞身周围发展，核心土开挖的时候拱顶处围岩产生了较大的应力变化。仰拱混凝土的浇筑对仰拱处的土体产生了较大的应力控制作用。说明仰拱混凝土的浇筑是控制围岩应力变化的核心步骤。在左导坑第一台阶开挖完毕之后，左导坑左侧边墙的等效应力发生了较大变化，两侧边墙底部和掌子面部位产生了较大的等效应力集中区，说明此处围岩易发生失稳和塑性变形等破坏形态，最大等效应力为0.78MPa。左导坑第二台阶开挖完毕之后，等效应力集中区出现在两侧边墙底部，顶部等效应力也出现了一定程度的增加，最大等效应力出现在边墙底部，为0.95MPa。左导坑第三台阶开挖完毕之后，等效应力出现在左仰拱位置和右边墙直角处，最大等效应力有所降低，为0.85MPa，说明圆形仰拱的出现有利于围岩应力的稳定性。右导坑开挖时等效应力的作用效果与左导坑开挖时相似，最大等效应力出现在边墙下部，最大等效应力缓慢增长，最大为0.87MPa。右导坑第二台阶开挖完毕时，等效应力发生了较大变化，最大等效应力出现在右导坑二台阶边墙下部，最大等效应力为57 西安科技大学硕士学位论文1.02MPa，说明此步是整个开挖过程中，围岩最容易出现失稳状态的步骤，在开挖右导坑二台阶的时候，需要时刻注意，加强初期支护。随着右导坑仰拱的开挖，等效应力逐渐减小，最大等效应力也仅为0.87MPa，说明导坑仰拱的开挖有利于围岩的稳定。随着核心土的开挖和仰拱的开挖，隧道的等效应力逐渐减小，在开挖完毕且封闭成环的隧道断面上没有出现较大的等效应力区域，等效应力集中区域出现在仰拱与拱腰交接的左右两下侧位置，最大等效应力也仅为0.61MPa左右，说明仰拱的开挖和隧道的封闭成环对隧道围岩的稳定性具有很好的作用，因此在隧道的建设过程中，应在保证隧道施工工期的情况下减小步距，尽快使隧道封闭成环，达到力学上的稳定。（2）三台阶七步开挖法步距2m如图3.42所示为三台阶七步开挖法步距为2m时的等效应力变化云图。(a)重力作用下(b)一台阶开挖(c)二台阶左侧开挖(d)二台阶右侧开挖58 3基于数值模拟的施工方案优化(e)三台阶左侧开挖(f)三台阶右侧开挖(g)核心土开挖(h)仰拱开挖及浇注图3.42三台阶法2m步距等效应力变化云图可以看出，围岩在重力场下的等效应力分布均匀，随着隧道的开挖，等效应力在开挖洞身周边产生了不均匀的变化，上台阶开挖时，应力逐渐向掌子面发展，掌子面两侧拱脚处有应力集中；随着二、三台阶的开挖，围岩应力产生了大的调整，应力逐渐向边墙及拱脚发展，三台阶右侧开挖的时候拱脚周围围岩产生了较大的应力变化，核心土的开挖和仰拱混凝土的浇筑对仰拱处的土体产生了较大的应力控制作用。说明三台阶七步开挖法核心土的开挖和仰拱混凝土的浇筑是控制围岩应力变化的核心步骤。在一台阶开挖完毕之后，掌子面处的围岩等效应力集中区应力较大，最大等效应力为0.83MPa，说明一台阶开挖时对掌子面岩石稳定性不利。在二台阶左侧开挖完毕之后，左右边墙位置等效应力增长较大，最大等效应力出现在掌子面部位，最大等效应力为1.1MPa。在二台阶右侧开挖完毕之后，等效应力分布变化不大，最大等效应力出现在掌子面部位，最大等效应力为1.11MPa。在三台阶左侧开挖完毕之后，等效应力增长较大，最大等效应力出现在三台阶左侧下方，最大等效应力为1.34MPa。在三台阶右侧开挖完毕之后，左右两侧边墙下部出现了较大的应力集中区域，最大等效应力出现在三台阶左侧下方位置，最大等效应力为1.57MPa，说明三台阶的开挖是整个三台阶七步开挖法中围岩应力最大的时刻，需要加59 西安科技大学硕士学位论文强注意。核心土的开挖完毕之后，最大等效应力出现在掌子面部位，且最大等效应力有所减小，为1.13MPa。仰拱的开挖和仰拱的浇注之后，最大等效应力出现在仰拱底部，最大等效应力为1.14MPa，说明核心土的开挖和仰拱的开挖及仰拱的混凝土浇注对三台阶七步开挖法的围岩应力有着很好的控制作用。⑶围岩塑性应力变化围岩是一种弹塑性材料，当应力达到围岩的屈服强度时，围岩会发生塑性变形甚至破坏。在ANSYS进行数值计算分析中，塑性区的分布可以通过等效塑性应力来确定。①步距为3m的双侧壁导坑法开挖塑性应力分析图3.43显示了开挖关键时刻围岩的塑性区变化。(a)左导坑开挖完毕(b)右导坑开挖完毕(c)核心土开挖完毕(d)仰拱混凝土浇筑完毕图3.43双侧壁法围岩等效塑性应变区从图3.43可以看出，左导坑开挖完毕之后，在左导坑的左侧仰拱部位下方出现了明显的塑性区，导坑核心土和掌子面也发生了塑性区。在右导坑开挖完毕之后，右导坑右侧仰拱部位也出现了明显的塑性区，左右导坑仰拱部位的塑性区对称分布。在隧道仰拱混凝土浇筑之后，仰拱区域的塑性区几乎没有，说明仰拱混凝土的浇筑对于仰拱部位的塑性变形有着很好的抑制作用。60 3基于数值模拟的施工方案优化围岩进入塑性状态之后，会发生很大程度的变形和位移，从而使应力向深部位置转移，塑性区是围岩力学性质判断的关键，必须加以控制，防止塑性变形及破坏。②步距为2m的三台阶七步开挖法塑性应力分析步距为2m的三台阶七步开挖法塑性应力图见图3.44。(a)一台阶开挖(b)二台阶左侧开挖(c)二台阶右侧开挖(d)三台阶左侧开挖(e)三台阶右侧开挖(f)核心土及仰拱开挖61 西安科技大学硕士学位论文(g)仰拱浇注图3.44步距为2m的三台阶七步开挖法塑性应力从图3.44可以看出，一台阶开挖的时候，一台阶两侧底部产生了明显的塑形应变区，说明一台阶开挖时，一台阶两侧下方有可能发生围岩失稳、崩塌等情况。二台阶左侧开挖的时候，二台阶核心土左侧位置有较大的塑形变形，二台阶右侧开挖的时候，二台阶右侧边墙底部有塑形变形。三台阶左侧开挖时，基本无塑形区，而三台阶右侧开挖的时候，二台阶和三台阶两侧边墙底部都发生了明显的塑形变形，说明三台阶的开挖对围岩的稳定性有较大的不利。核心土开挖及仰拱的开挖以及仰拱混凝土的浇注对隧道围岩的塑形区影响不大，不过此时塑形区变小，说明核心土的开挖、仰拱的开挖和仰拱混凝土的浇注对隧道稳定性有着较大的帮助。3.7现场施工方法简述综合数值分析的结果和对隧道工程建设的经济性、时效性综合考虑，得利隧道在进行现场施工时，最终决定采用的施工方案为三台阶七步开挖工法，施工步距采用3m的施工步距。这样既能够保证隧道在开挖的过程中的施工安全，又能够保证隧道工程建设的经济性，最重要的是，三台阶七步开挖法是超大断面隧道掘进方法中，开挖速度较快的，这样能够保证隧道施工能够按照要求的施工工期按时完成。而且在三台阶七步开挖法中，使用3m的步距与2m的步距均可以保证施工的安全进行，3m步距与2m步距相比，在沉降数值上相差不大，而且在隧道实际施工当中，若采用3m的步距，不仅施工速度较快，而且3m的台阶也便于施工时机具的放置和人工的操作。因此本文建议采用的隧道的具体施工方案采取步距为3m的三台阶七步开挖法。如图3.45所示为得利隧道的具体施工现场情况，现场的施工采用了步距为3m的三台阶七步开挖法。62 3基于数值模拟的施工方案优化图3.45得利隧道现场施工工法图3.46步距为3m的台阶法开挖现场采取的三台阶七步开挖法如图3.46所示，从一台阶到仰拱处距离为15m。台阶法分部开挖工况一的施工工序为：三台阶七步法开挖分为上中下三个台阶和仰拱四个部分进行开挖。先开挖上部台阶①部，上部开挖完成后施作上部洞身结构的初期支护，即初喷混凝土，架立钢架，施做喷锚支护，喷砼的厚度为32cm。上台阶施工至3m后，开挖中部台阶左侧②部，施作左侧洞身中台阶结构的初期支护，支护结构同①部。②部施工至3m后，开挖中部台阶右侧③部，施作右侧洞身中台阶结构的初期支护。③部施工至3m后依照②、③部施工方法施做下台阶④、⑤部。然后开挖核心土⑥、⑦、⑧部，并与上中下台阶保留一定步距3m。最后开挖仰拱部分⑨，及时进行支护结构的封闭和仰拱的开挖和浇注。台阶长度控制在3m，相互之间保留一定步距以确保开挖、支护质量及施工安全。确定上下台阶之间并无相互影响之后，可进行上下台阶的同时开挖。3.8本章小结如上文所述，经过对得利隧道二维和三维的数值模拟计算分析，分析了两种不同施工工法，即双侧壁导坑法施工和三台阶七步开挖法施工。针对每种不同的施工工法，本文又分别选取了不同的施工步距进行了施工模拟，进行优化分析。针对双侧壁导坑法，本文选取了3m步距和5m步距进行优化分析；针对三台阶七步开挖法，本文选取了2m63 西安科技大学硕士学位论文步距和3m步距进行了优化分析。从位移计算结果上来看，双侧壁导坑法开挖的沉降数值相对于三台阶七步开挖法较小，这是因为双侧壁导坑开挖的施工步序多，多步卸载，确保一次应力释放不会太大，从而保证围岩的自身稳定。同时，双侧壁导坑法的临时横撑和临时支撑也对隧道的稳定性起到了非常好的作用。不过，双侧壁法开挖时初期支护的受力与台阶法相比较大，在施作初期支护的时候需要待混凝土达到规范要求的抗压强度时再进行下一循环的开挖，在施工过程中需要注意。从数值计算结果上来看，双侧壁导坑法和三台阶七步开挖法均可以对超大断面隧道的变形起到较好的控制，对变形的控制均处于规范所要求的范围内。从应力应变上来讲，双侧壁法在控制应力应变上比台阶法开挖要好。但是双侧壁导坑法的缺点是开挖工序较多，需要进行横向临时支撑和对支撑的破坏性拆除，进尺较慢；而且双侧壁导坑法使用耗费的喷射混凝土较多，在拆除的过程中还会对围岩造成扰动，对临时支撑结构的拆除需要耗费较多的人力和物力；双侧壁导坑法初期支护受力较大，在开挖的过程中，需要对初期支护多加保护。64 4隧道围岩信息化监测4隧道围岩信息化监测新奥法隧道施工的重要思想就是“勤测量”。监控测量的含义为，随着隧道的开挖，实时通过各种监测设备对围岩应力应变和初期衬砌的应力应变进行监控测量，并提出稳定性分析[27]。隧道工程中的监测工作是监视设计、施工是否正确的眼睛，是监视围岩是否安全稳定的手段，它始终伴随着施工的全过程，是新奥法构筑隧道非常重要的一环。在隧道的设计与施工过程中，施工和监测可以反过来指导设计的变更。在初步地质调查的基础上，根据数值模拟分析、经验或力学计算进行预设计，初步选定支护参数；然后，在施工过程中根据监测得到关于围岩稳定性和支护力学、工作状态的信息，对初步设计和施工过程进行调整[28]。可以认为，根据施工环境和现场监测数据对设计进行调整和修正是非常具有必要的。隧道工程的基本特点可以总结为“地质环境复杂，基础信息匾乏”。在隧道建设的整个过程中，需要对隧道进行及时的监控测量，得到实时的地质信息和隧道围岩的应力应变信息，并对设计实时反馈和指导施工。只有这样才能真正通过信息化监控测量达到对隧道工程建设的动态优化和稳定性评价分析。通过不间断的监测和信息的处理，可以及时发现施工中存在的隐患并对其进行处理，有效地避免了安全事故的发生[29]。4.1本文的监测目的、内容、方法、频率及仪器设备4.1.1隧道施工监测目的⑴监控测量隧道围岩的应力、应变条件可以很好地知道施工各个阶段围岩地层和支护结构的动态变化，可以很好地把握施工过程中围岩及支护结构所处的安全状态，从而判断围岩的稳定性以及支护结构的可靠性。⑵理论分析的过程必然存在不足，现场监控测量的内容可以很好地弥补这个缺点，并把监测结果反馈给设计及指导施工。⑶通过对隧道的监控量测可以更好地进行隧道日常的施工管理，用以确保施工安全和施工质量。⑷通过施工现场的监控量测，施工单位可以很方便地确定二次衬砌合理施作时间。⑸通过监控量测了解该工程条件下所反映出来的一些地下工程规律和特点，通过总结此工程案例的特点，以及通过此案例得出的经验和教训，可以为今后类似工程或提供借鉴，也可为同样施工条件下或者同样的施工工法进行一定程度的优化研究。65 西安科技大学硕士学位论文4.1.2监测内容本次监测的具体内容有：⑴锚杆轴力；⑵初支围岩压力和二衬接触压力；⑶钢架应力应变；⑷围岩深部位移。4.1.3监测方法与测试频率本次监测的方法与测试频率如下表4.1所示：表4.1监测方法、频率一览表序测试频率项目名称测试方法号1-15天16天-1个月1锚杆轴力钢筋计测试法1-2次/天1次/2天2初支围岩压力和二衬接触压力压力盒测试法1-2次/天1次/2天3钢架应力应变压力盒测试法1-2次/天1次/2天4围岩深部位移混凝土内应变计测试法1-2次/天1次/2天4.1.4监测仪器设备本次监测所投入仪器设备如下表4.2所示：表4.2监测仪器设备一览表数量序号名称型号仪器编号（个）1钢筋应变计ZY-322220-221216钢拱架表面2ZY-116CTBM592-BM6018应变计3土压力盒ZY-40310814-10643104多点位移计ZY-5301-224.2测试断面布置方案现场测试选取了得利隧道具有代表性的进口浅埋段Ⅴ级围岩段落K144+733.3及K144+743处B型断面作为监测断面。66 4隧道围岩信息化监测4.2.1锚杆轴力监测监测在K144+733.3断面左、右拱腰各布置2根测量锚杆；在K144+743断面左右台阶各布置1跟测量锚杆，共计监测6根锚杆轴力，测试断面布置如图4.1所示。图4.1锚杆轴力监测仪器埋设位置示意图每根锚杆由2根钢筋计与Φ22的钢筋对焊连接而成，测试锚杆长度为3.0m（见下图4.2，图中尺寸标注单位为cm）。测试直接测出锚杆前、后部应力，然后换算出锚杆所受轴力。图4.2锚杆轴力监测测量锚杆布设图监测采用钢弦式钢筋计量测锚杆轴力，具体做法是将钢筋对焊在钢筋计的两端接好，直接测出锚杆的轴力，然后换算出锚杆的弯矩，分析锚杆的受力。锚杆轴力监测设备现场埋设见图4.3。67 西安科技大学硕士学位论文图4.3钢筋计现场焊接及埋设⑴锚杆轴力的要求监测方法如下：①首先对围岩进行打孔，以将锚杆布设在围岩内。②钻孔应该干净并无碎石等堵塞物。③将钢筋计焊接在一起，并组装成锚杆轴力计。④对组装好的锚杆监测设备进行检查，重新查看频率读数。⑤使用锚杆的安装方法将锚杆监测设备放置在围岩中。⑥锚杆应力计入孔后装好灌浆管，用水泥沙浆封闭孔口。再次检测锚杆的初始频率读数。⑦进行注浆操作，浆液的配合比为：灰砂比为1：1~1：2,水灰比为0.38~0.40。⑧每天对监测设备进行数据的读取和整理。⑵监测数据处理与分析换算出每个传感器的轴力值后，就可得到一根锚杆不同部位的轴力值，根据轴力值的大小评价支护的合理性，从而指导设计与施工。⑶监测中应注意的问题①注意锚杆应力计的组装质量。②注意锚杆应力计的初始频率。从组装、埋设、灌浆、固化都要进行检测。③注意电缆引线的保护，电缆引线不能破损，更不能折断。4.2.2初支围岩压力监测监测在K144+733.3断面左、右拱腰各布置2个测量压力盒，拱顶1个测量压力盒；在K144+743断面左右台阶各布置1个测量压力盒，拱顶1个测量压力盒，共计8个测量压力盒，测试断面布置如图4.4所示。68 4隧道围岩信息化监测图4.4压力盒监测埋设示意图监测采用钢弦式压力盒进行量测，预先将压力盒固定在钢拱架内侧紧贴围岩，待浇筑混凝土后结构成型稳定的测试数据作为现场测试的压力值。压力盒的现场埋设见图4.5所示：图4.5压力盒现场埋设在初支钢拱架架立好后，待没有喷射混凝土之前，将待测围岩压力部位的围岩表面或初支表面凿平或用水泥砂浆抹平，以使压力盒能与围岩充分接触，并固定好，然后用预制的混凝土垫块将压力盒按图4.4所示位置垫牢、固定，顺着钢拱架引出到地面位置，并记好记录。4.2.3钢架应力应变监测监测在K144+733.3断面左、右拱腰各布置2个表面应变计，拱顶处布置1个表面应变计；在K144+743断面左右台阶各布置1个表面应变计，拱顶1个表面应变计；共计监测8个表面应变计，测试断面布置如图4.6所示。69 西安科技大学硕士学位论文图4.6表面应变计埋设示意图监测采用钢弦式表面应变计进行量测，预先表面应变计的底座焊接在钢架的内侧，待底座彻底冷却之后将表面应变计用螺丝固定在底座上，待浇筑混凝土后结构成型稳定的测试数据作为现场测试值。表面应变计的具体埋设方式见图4.7所示：图4.7表面应变计现场埋设⑴元件埋设方法及数据采集将表面应变计两头的座冒焊接在钢架上，待冷却后将表面应变计拧接在座冒上。将导线顺着钢拱架延伸至地面，进行初次频率的测试，并记录好埋设位置和编号。⑵测试数据处理现场测试读取的数据为频率大小，根据厂家提供的标定公式和曲线可计算出相应的应变值。钢筋应力：X(ffFF)K式中：X—荷载（MPa）；f—荷载频率；70 4隧道围岩信息化监测F—初始频率；K—系数。4.2.4围岩深部位移监测监测在K144+733.3断面左、右拱腰处各布置1个表面应变计，测试断面布置如图4.8所示。图4.8多点位移计埋设示意图围岩深部位移监测计采用钢弦式四点位移计，每点长度1.5米，总长度共6米。埋设方法是预先在布点位置打直径为80cm长6m的钻孔，将四点位移计安插在钻好的孔内进行位移测量。四点位移计的现场埋设方法见图5.9所示：图4.9多点位移计现场埋设围岩多点位移计可以监测隧道周边某点延伸至隧道围岩深部不同点的位移状态。多点位移计的埋设目的为：判别浅埋、偏压和强构造岩体中隧道围岩稳定性和支护效果，71 西安科技大学硕士学位论文确保施工安全和工程质量；判别围岩松驰范围，优化锚杆设计参数。目前对围岩内部位移进行量测的仪器，主要使用多点位移计，一般为四点位移计，本文采用的即为四点位移计。本次测点的布设为隧道两边拱腰3台阶位置。4.2.5初支与二衬间压力监测监测在K144+733.3断面左、右拱腰各布置2个测量压力盒，拱顶1个测量压力盒；在K144+743断面左右台阶各布置1个测量压力盒，拱顶1个测量压力盒，共计8个测量压力盒，测试断面布置如图4.10所示。图4.10压力盒监测埋设示意图监测采用钢弦式压力盒进行量测，预先将初衬压力盒固定在钢拱架内侧紧贴围岩，待浇筑混凝土后结构成型稳定的测试数据作为现场测试的压力值。衬砌间接触压力压力盒布设压力盒的现场埋设见图4.11所示：图4.11初衬二衬接触压力压力盒现场埋设⑴元件埋设方法及数据采集：土压力计埋设时，和初期支护围岩压力检测仪器埋设方式一样，首先要将埋设处的围岩仔细夯实找平，然后使压力计就位。将导线顺着布设好的钢筋引入地面，进行初始72 4隧道围岩信息化监测频率的读取。⑵测试数据处理现场所测得的是传感器的频率值，最后根据厂家提供的标定公式和曲线就可以计算出相应的压力。压力盒压力：X(ffFF)K式中：X—荷载（MPa）；f—荷载频率；F—初始频率；K—系数。4.3监测结果分析4.3.1锚杆轴力监测数据分析通过现场数据的采集、计算及处理后得到了DK144+733.3断面和DK144+743.3断面拱腰、边墙位置6组锚杆轴力受力—时间曲线图（图4.13~图4.18）。可得以下结论：⑴由图4.13~图4.18所示，根据锚杆应力计的监测数据可以判断其轴力的方向和大小的均值。测试数据显示锚杆受拉力和压力共同作用，是锚杆悬吊理论的体现。10.009.008.007.00/KN6.00围岩深部测试拉力5.004.00围岩浅部测试压力测试应力3.002.001.000.000246810测量天数图4.13DK144+733.3断面二台阶右侧锚杆轴力受力-时间曲线图73 西安科技大学硕士学位论文12.0010.008.00/KN围岩浅部测试压力6.00围岩深部测试拉力测试应力4.002.000.0002468101214测量天数图4.14DK144+733.3断面二台阶左侧锚杆轴力受力-时间曲线图10.009.008.007.00/KN6.005.00围岩浅部测试压力4.00测试应力围岩深部测试拉力3.002.001.000.0002468101214测量天数图4.15DK144+733.3断面三台阶右侧锚杆轴力受力-时间曲线图74 4隧道围岩信息化监测10.009.008.007.00/KN6.005.00围岩浅部测试压力4.00测试应力围岩深部测试拉力3.002.001.000.0002468101214测量天数图4.16DK144+733.3断面三台阶左侧锚杆轴力受力-时间曲线图9.008.007.006.00/KN5.004.00围岩浅部测试压力测试应力3.00围岩深部测试压力2.001.000.000246810测量天数图4.17DK144+743.3断面一台阶右侧锚杆轴力受力-时间曲线图75 西安科技大学硕士学位论文16.0014.0012.0010.00/KN围岩深部测试压力8.00围岩浅部测试压力6.00测试应力4.002.000.000246810测量天数图4.18DK144+743.3断面一台阶左侧锚杆轴力受力-时间曲线图⑵DK144+733.3断面处锚杆最大轴力值是左拱二台阶围岩浅部229号钢筋计受压的10.68kN，最小轴力是左拱二台阶围岩深部222号钢筋计受拉的0.94kN（图4.14）。锚杆轴力分布在10.68kN范围内。锚杆轴力在埋深较浅处为压力,在较深处为拉力,说明在靠近隧道初次衬砌的位置围岩较为松动,对锚杆产生了压应力,而深处的围岩岩性较好,锚杆能很好地锚固在围岩里,证明锚杆在拱腰、边墙位置对围岩起到一定的支撑作用。⑶DK144+743.3断面处锚杆最大轴力值是左拱一台阶围岩深部2214号钢筋计受压的14.03KN（图4.18）,最小轴力是右拱一台阶围岩深部226号钢筋计受压的0.13KN（图4.17）。锚杆轴力分布在0.13kN-14.03kN范围内。锚杆轴力在埋深较浅的位置受压较大，在埋深较深的位置受压较小，说明此处锚杆并未穿透围岩松动圈，锚杆未能很好地锚固在围岩中，在一台阶的部位建议适当地增长锚杆的长度。如图4.19台阶法锚杆轴力数值计算结果，二维数值计算中对锚杆的模拟与实测数据对比结果显示，二台阶锚杆监测数据与模拟数据较为接近，锚杆拉力和压力分布在3KN-9KN之间。说明计算模型的选取较为合适。76 4隧道围岩信息化监测图4.19数值计算锚杆应力结果4.3.2初支围岩压力监测数据分析通过现场数据的采集、计算及处理后围岩压力—时间曲线图（图4.20-5.23）。由数据分析及图表显示可知：围岩压力在埋设后的1~5天内变化较大，在监测的5~10天内缓慢增长，在10天后趋于稳定。测试数据显示两帮围岩压力大致相当，围岩压力相对较小。0.0190.0180.0170.0160.015/Mpa0.0140.013拱顶测试压力测试压力0.0120.0110.010.0090510152025测量天数图4.20DK144+733.3拱顶压力盒受力-时间曲线图77 西安科技大学硕士学位论文0.0260.0240.022左拱一台阶测试压力0.02/Mpa0.0180.016测试压力0.0140.0120.0105101520测量天数图4.21DK144+733.3左拱一台阶压力盒受力-时间曲线图0.020.0180.0160.014右拱一台阶测试压力0.012/Mpa0.010.008测试压力0.0060.0040.00200510152025测量天数图4.22DK144+733.3右拱一台阶压力盒受力-时间曲线图78 4隧道围岩信息化监测0.0120.010.008/Mpa0.006左拱三台阶测试压力测试压力0.0040.002002468101214测量天数图4.23DK144+733.3左拱三台阶压力盒受力-时间曲线图0.0250.02右拱三台阶测试压力0.015/Mpa0.01测试压力0.005002468101214测量天数图4.24DK144+733.3右拱三台阶压力盒受力-时间曲线图79 西安科技大学硕士学位论文0.0160.015拱顶测试压力0.0140.0130.012/Mpa0.0110.01测试压力0.0090.0080.0070.006024681012测量天数图4.25DK144+743.3拱顶压力盒受力-时间曲线图0.03350.0330.0325左拱一台阶测试压力0.0320.0315/Mpa0.0310.03050.03测试压力0.02950.0290.02850.028024681012测量天数图4.26DK144+743.3左拱一台阶压力盒受力-时间曲线图80 4隧道围岩信息化监测0.0220.02右拱一台阶测试压力0.018/Mpa0.016测试压力0.0140.0120.0102468测量天数图4.27DK144+743.3右拱一台阶压力盒受力-时间曲线图4.3.3钢架应力应变监测数据分析通过现场数据的采集、计算及处理后得到K144+733.3及K144+743处钢拱架应变—时间变化曲线图（图4.28-4.35）。由数据分析及图表显示可知：钢架应变在测试的5天内变化较大，5~20天缓慢变化，20~50天趋于平稳。左钢拱架和拱顶钢拱架应变较大,说明此处围岩应力应变较大,钢架支撑起到了较好的稳定作用。DK144+733.3断面拱顶处钢拱架受力稳定在340Mpa大小，已接近型钢的极限抗压值，说明此处需加强支护，多监测沉降数值。边墙受力不均匀，左侧受力偏大，说明需要对左侧部位加强支护，在施工过程中也需要时刻注意此处的安全。DK144+743.3断面处拱顶钢拱架受力稳定在250Mpa大小附近，小于型钢的极限抗压值，原因之一是施工单位在此处使用了超前管棚加强支护，钢拱架监测结果也说明管棚支护对围岩稳定性起到了很好的作用。81 西安科技大学硕士学位论文测量天数-350.00-330.00-310.00-290.00/Mpa-270.00-250.00拱顶测试应力测试应力-230.00-210.00-190.00051015202530图4.28DK144+733.3拱顶表面应变计应力-时间曲线图200.00测量天数190.00左拱一台阶测试应力180.00170.00/Mpa160.00150.00测试应力140.0005101520图4.29DK144+733.3左拱一台阶表面应变计应力-时间曲线图82 4隧道围岩信息化监测测量天数-300.00-250.00-200.00/Mpa-150.00-100.00右拱一台阶测试应力测试应力-50.000.000510152025图4.30DK144+733.3右拱一台阶表面应变计应力-时间曲线图测量天数-26.00-24.00-22.00/Mpa-20.00-18.00测试应力左拱三台阶测试应力-16.00-14.0002468101214图4.31DK144+733.3左拱三台阶表面应变计应力-时间曲线图83 西安科技大学硕士学位论文测量天数-75.00-70.00-65.00-60.00/Mpa-55.00右拱三台阶测试应力测试应力-50.00-45.00-40.0002468101214图4.32DK144+733.3右拱三台阶表面应变计应力-时间曲线图测量天数-240.00-230.00-220.00-210.00/Mpa-200.00-190.00测试应力拱顶测试应力-180.00-170.00-160.000246810图4.33DK144+734拱顶表面应变计应力-时间曲线图84 4隧道围岩信息化监测测量天数-170.00-168.00-166.00-164.00-162.00/Mpa-160.00-158.00测试应力-156.00左拱一台阶测试应力-154.00-152.00-150.0002468图4.34DK144+734左拱一台阶表面应变计应力-时间曲线图测量天数-165.00-160.00-155.00/Mpa-150.00右拱一台阶测试应力测试应力-145.00-140.00-135.0002468图4.35DK144+734右拱一台阶表面应变计应力-时间曲线图测量监控从衬砌的轴向方向进行了应力的监测，在数值计算中，对围岩作用在初期支护上的等效应力也进行了分析，可以综合考虑初期支护的应力应变。4.3.4围岩深部位移监测数据分析通过现场数据的采集、计算及处理后得到K144+733.3断面围岩深部位移—时间变化曲线图(4.38，4.39)。图中1-4号测点由围岩浅部延伸至围岩深部，测点间距为1.5m，总埋深为6m，如图5.32。85 西安科技大学硕士学位论文图4.37多点位移计埋设示意通过现场数据的采集、计算及处理后得到K144+733.3断面围岩深部位移—时间变化曲线图（图4.38-4.39）。由数据分析及图表显示可知：围岩深部位移的1~3天变化较大，3~5天缓慢变化，在5天后趋于稳定。0.400.350.300.25/mm1#测试位移/mm0.202#测试位移/mm0.15测试位移3#测试位移/mm0.104#测试位移/mm0.050.00051015测量天数图4.38DK144+733.3断面右侧围岩位移-时间曲线图86 4隧道围岩信息化监测0.450.400.350.30/mm0.251#测试位移/mm0.202#测试位移/mm测试位移0.154#测试位移/mm0.103#测试位移/mm0.050.00051015测量天数图4.39DK144+733.3断面左侧围岩位移-时间曲线图由图4.38和图4.39可看出，右侧多点位移计埋深最深处位移约为0.23mm，左侧多点位移计埋深最深处位移约为0.41mm，说明左侧围岩性质较差，位移较大，这也与其他监测结果相一致，说明左侧位置的围岩需要加强支护加强观测，以确保安全施工。4.3.5衬砌间接触压力监测数据分析通过现场数据的采集、计算及处理后衬砌间压力—时间曲线图（图4.40、4.41）。由数据分析及图表显示可知：围岩压力在埋设后的1~5天内变化较大，在监测的5~10天内趋于稳定。测试数据显示两帮衬砌间接触压力大致相当，左侧衬砌间压力较大，最大值为0.45Mpa左右，说明左侧初衬承受了较大的围岩压力。0.38050.380.37950.379/Mpa0.37850.3780.37750.377二衬右侧接触压力0.3765二衬接触压力0.3760.37550.3750246810测量天数图4.40DK144+733.3右侧衬砌间接触压力87 西安科技大学硕士学位论文0.4530.4520.451/Mpa0.450.449二衬左侧接触压力0.448二衬接触压力0.4470.4460246810测量天数图4.41DK144+733.3左侧衬砌间接触压力4.3.6沉降监测数据分析根据现场监测条件，本项目对得利隧道的DK144+733.3断面进行了一个开挖的完整监测，沉降监测见表4.5。根据表4.5的监测结果，隧道在初期开挖过程中出现的最大沉降为4.1mm，符合规范要求的安全区域。表4.5得利隧道开挖沉降监测数据序号时间量测值（m）差值（mm）累计值（mm）下沉速度（mm/d）16月11日836.819400026月12日836.81652.92.92.936月13日836.81531.24.11.246月14日836.8179-2.61.5-2.656月15日836.8198-1.9-0.4-1.966月16日836.81861.20.81.276月17日836.81642.232.286月18日836.81610.33.30.3根据之前三维数值计算结果，数值计算的一个开挖循环的最大沉降值为3.28mm，详见表4.6（表中符号为正表示向上突起，符号为负表示沉降）。说明三维数值计算结果与现场监测情况较为吻合。88 4隧道围岩信息化监测表4.6三台阶七步开挖法围岩UY位移最值表开挖步MAX(mm)部位MIN(mm）部位12.49核心土两侧-1.40隧道拱顶23.25核心土-2.08隧道拱顶34.60核心土-2.65隧道拱顶45.56核心土-3.07隧道拱顶56.41核心土-3.28隧道拱顶65.64仰拱核心土-3.20隧道拱顶75.01核心土-3.08隧道拱顶85.80核心土-3.21隧道拱顶95.99核心土-3.14隧道拱顶4.4本章小结本章首先介绍了本项目的监测目的、内容、方法及仪器设备的选取，通过对监测内容的介绍，引出了本项目具体的监测实施方案。通过现场监测，获得了一定的监测数据，并对数据进行了处理分析。通过对DK144+733.3以及DK144+743.3断面结构内力的监控结果分析得知：⑴DK144+733.3断面锚杆轴力在监测结束后分布于0.94-10.68kN范围内，锚杆处于正常受压和受拉范围，但未达到理想锚固效果；DK144+743.3断面锚杆轴力监测结束后分布于0.13-14.03kN范围内，全部受压，说明锚杆并未穿透围岩松动圈，未能很好地锚固在围岩中，需要在一台阶处适当增长锚杆的长度。⑵DK144+733.3断面拱顶处钢拱架受力已接近型钢的极限抗压值，说明此处需加强支护；边墙受力不均匀，左侧受力偏大，说明需要对左侧部位加强支护，在施工过程中也需要时刻注意此处的安全。DK144+743.3断面处拱顶钢拱架受力小于型钢的极限抗压值，数据稳定，未发现异常现象，说明管棚支护对围岩稳定性起到了很好的作用。⑶结合层间接触压力和衬砌内力的监测结果显示可知，初衬受力正常，且结构处于稳定状态。⑷通过现场监测与数值计算的结果对比分析，表明本文在数值模型的建立和材料的选择上较为合适，该材料可用于得利隧道工程其他断面的计算。⑸通过数值计算和监控测量结果表明，衬砌受力处于合理状态，能够保证隧道的稳89 西安科技大学硕士学位论文定；隧道围岩的应变也处于规范要求的控制范围之内，这也验证了隧道的稳定性。综合本章内容，可认为本隧道所选取的施工方法和工况能够保证隧道施工的稳定。90 5得利隧道稳定性综合评价5得利隧道稳定性综合评价隧道围岩的稳定性是隧道建设需要考虑的重点和难点，也是保证施工质量和施工安全的重要部分。本工程由其超大断面及浅埋的的特殊性，其围岩性质、施工工艺及初期支护结构的稳定性是本论文考虑的重点。影响隧道围岩稳定性的因素多种多样，主要分为三个因素：隧道围岩的性质、施工方法对其的影响、支护结构的因素。本章将从隧道围岩、施工工法和支护结构三方面综合分析隧道的稳定性。5.1基于围岩因素稳定性评价5.1.1围岩稳定性分级岩石的破坏一般为拉裂破坏和剪切破坏，因此岩石本身的抗拉强度和抗剪强度对其稳定性起着至关重要的作用。隧道围岩本身就是隧道开挖后的天然支护体，其本身的强度对隧道的稳定性起着决定性作用。围岩强度越高，隧道本身就越稳定，隧道开挖后围岩的变形就越小。目前国际上的通用做法是将围岩进行分级，在分级的基础上判别其稳定程度。围岩分级是指根据岩体的破碎程度和其本身的强度将岩体划分为不同的稳定级别，将稳定性相似的一些围岩归为一类的分类方法。根据划分的不同围岩等级，可以确定其合适的施工方法和支护结构的设计。根据我国现行的规范，围岩根据其稳定性及破碎情况，分为I-VI这6个等级。从I级围岩的稳定性最高，到VI级围岩的稳定性最差。详细的分级标准见表5.1。本文所研究的得利隧道的围岩属于V级围岩，即较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎～破碎；极破碎各类岩体，碎、裂状，松散结构。根据围岩分级来判断其稳定性，属于较为不稳定的岩体，因此在施工过程中需要“强支护、勤测量”，以达到安全施工的要求。91 西安科技大学硕士学位论文表5.1围岩分级围岩级别主要特性I坚硬岩，岩体完整，巨整体状或巨厚层状结构坚硬岩，岩体较完整，块状或厚层状结构；较坚硬岩，岩体完整，块II状整体结构坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构；较坚硬岩或III软硬岩层，岩体较完整，块状体或中厚层结构坚硬岩，岩体破碎，碎裂结构；较坚硬岩，岩体较破碎～破碎，镶嵌IV碎裂结构；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整～较破碎，中薄层状结构较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎～破碎；极破碎各类岩体，V碎、裂状，松散结构VI软塑状粘性土及潮湿、饱和粉细砂层、软土等5.1.2围岩变形的稳定性判别隧道围岩变形的稳定性判别一般可以从以下三个方面展开：⑴根据最大位移值来判断在隧道开挖过程中，如果隧道的实测最大位移超过极限位移，隧道很可能发生失稳破坏。事实上，由于隧道及地下工程地质条件、环境条件、开挖方式、支护形式复杂多变，极限位移的精确确定是十分困难的，因此采用实测最大位移和极限位移比较就难以操作。一般情况下，设计图纸或有关规范给出了隧道初期支护的预留变形量，为了确保围岩和初期支护不侵入二次衬砌空间，并保证二次衬砌以后，隧道建筑限界准确，可将隧道的设计预留变形量作为极限位移进行控制。同时，设计预留变形量应根据前期的监测成果，在施工过程中不断修正。⑵根据位移变化速率判断速率大于1mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护；速率变化在0.2～1.0mm/d时，应加强观测，做好加固的准备；速率小于0.2mm/d时，围岩达到基本稳定。在高地应力、岩溶地层和挤压地层等不良地质中，应根据具体情况制定判断标准。⑶按变形曲线形态判断围岩稳定标准92 5得利隧道稳定性综合评价图5.1位移u—时间t的关系曲线图22①当变形曲线dU/dt0时，表明曲线变形的速率下降，变形曲线趋于平缓，表明围岩变形趋于稳定；22②当变形曲线dU/dt0时，表明曲线变形速率匀速变化，变形曲线直线上升，表明围岩趋于不稳定的状态。在这时应立即通知施工管理人员和现场监理，检查围岩状态和支护状态，发现裂纹扩大应立即加固，严重时可停止掘进；22③当变形曲线dU/dt0时，表明曲线变形速率出现拐点，即变形速率逐步增大，表明围岩即将失稳。应立即通知施工管理人员和现场监理，暂停施工。5.2得利隧道稳定性评价5.2.1基于隧道施工方法的隧道稳定性判断隧道施工是造成隧道围岩失稳的一个重要影响因素。隧道的开挖会造成隧道围岩应力的重分布，因此需要讨论不同施工方法对其稳定性造成的影响。如第三章所述，本文分析比对了双侧壁导坑法和三台阶七步开挖法施工时，不同施工工法对施工稳定的影响。从前面的结果可以看出，在双侧壁导坑法中，由于左侧导坑先开挖且进尺较长，因此左导坑的位移变化较右导坑较大。同时，临时支撑刚拱架拆除的区域围岩变形也比未拆除区域围岩变化要大，说明临时支撑在双侧壁导坑法中起到了相对重要的支护作用。沿隧道进尺方向，从初期支护封闭面到隧道开挖掌子面，隧道围岩的沉降变化是逐渐增大再到逐渐减小，说明掌子面处围岩相对稳定，而核心土开挖位置上方的隧道围岩变形较大，说明此处围岩最不稳定。同时可以看出，双侧壁导坑法围岩在重力场下的第一主应力分布均匀，随着隧道的开挖，主应力在洞身周边产生了不均匀的变化，左导坑开挖时，应力逐渐向洞深发展，拱底及边墙处有应力集中；右导坑开挖的时候围岩应力产生了大的调整，应力逐渐向洞身周围发展，核心土开挖的时候拱顶处围岩产生了较大的应力变化。仰拱混凝土的浇筑对仰拱处的土体产生了较大的应力控制作用。说明仰拱混凝土的浇筑是控制围岩应力变化的核心步骤。而在三台阶七步开挖法中，一台阶开挖时产生的围岩位移变化较大，主要集中在拱93 西安科技大学硕士学位论文顶正中央位置，位移变化从拱顶中央向两边均匀减小。随着二台阶左侧的开挖，隧道拱顶和左拱腰位置位移变化明显，与此同时，核心土也有较大的变形，说明此时隧道处于最不稳定状态，此时需要注意二台阶边墙处隧道的初期支护。随着二台阶右侧开挖，及三台阶的开挖，隧道拱顶处沉降逐渐增大，地表也出现了一定程度的沉降，说明台阶法开挖不利于控制地表沉降。每台阶的左侧边墙处的位移变化均比右侧的位移变化要大，这是应为左侧台阶均处于先开挖状态，围岩封闭成环的时间较长，因此此处围岩力学性能不稳定，因此在使用三台阶七步开挖的过程中，需要对左侧先开挖部分加强注意。三台阶七步开挖核心土开挖的时候拱顶产生了一定程度的回弹变形，仰拱开挖完毕后，隧道拱顶又产生了一定程度的回弹变形，说明三台阶七步开挖法中，核心土的开挖有利于围岩的稳定，仰拱的开挖和隧道断面封闭成环有利于隧道围岩变形控制。三台阶七步开挖法围岩在重力场下的第一主应力分布均匀，随着隧道的开挖，主应力在一台阶洞身周边产生了不均匀的变化。一台阶开挖时，在隧道拱顶以及隧道一台阶两侧产生了较大的第一主应力集中区域。在二台阶左侧开挖的时候，隧道第一主应力产生了左右侧不均匀分布，左侧第一主应力集中区较大，且最大第一主应力出现在左侧核心土位置，说明在二台阶右侧开挖的时候，需要对左侧台阶加强支护。三台阶七步开挖法无论是开挖隧道的左侧还是开挖隧道的右侧，隧道台阶的左侧始终处于应力较大的状态，在每一个开挖步都需要对隧道左侧加强支护。随着核心土的开挖，隧道的最大第一主应力出现在了掌子面的右侧一台阶部位，说明核心土的开挖对一台阶应力状态不利，此时应注意一台阶的及时支护。5.2.2基于初期衬砌的隧道稳定性判断对于开挖后的隧道岩体，如果不加初期支护结构，一般会发生不断的沉降变形，在缺乏足够的自承能力的情况下，一般会发生坍塌等围岩失稳的情况，最终隧道将完全破坏。因此，使用正确合适的支护结构对围岩的稳定性起着至关重要的作用。本节从支护结构的应力角度来判断隧道开挖后的稳定性判断。如第四章监测数据表明，本文依托的得利隧道初期支护结构在隧道开挖后，拱顶处型钢的应力大约为350MPa，表现为受拉。说明拱顶处初期支护所承受的竖直压力最大，因此才会在型钢处表现为水平方向的受拉状况。而且此处已经接近型钢的极限抗拉强度值，因此在拱顶部位，可以认为初期支护处于不太稳定的状态。而两侧的监测数据表明，两侧初期支护的应力状态都小于型钢的极限抗压强度，因此可以认为两侧的初期支护处于稳定的状态。而相对来讲，三台阶七步开挖法左侧的初期支护应力要大于右侧的应力，说明三台阶七步开挖法对左侧先开挖的部位稳定性不利。因此在施工的过程中需要对拱顶部位和左侧先开挖的部位加强施工支护和施工监测。初期支护的数值计算的结果也表现出相同的征兆。94 5得利隧道稳定性综合评价如图5.4所示为三台阶七步开挖法初期支护等效应力云图。(a)一台阶开挖(b)二台阶左侧开挖(c)二台阶右侧开挖(d)三台阶左侧开挖(e)三台阶右侧开挖(f)核心土开挖95 西安科技大学硕士学位论文(g)仰拱混凝土开挖及浇注图5.4台阶法初期支护等效应力云图从图5.4台阶法初开挖的过程中，隧道初次衬砌的等效应力显示出如下的规律：在一台阶开挖完毕的时候，一台阶拱顶左右两侧靠近拱脚处的初期衬砌的等效应力最大，最大等效应力为5.06MPa，比双侧壁导坑法衬砌受力要小。说明台阶法分步开挖的时候，一台阶衬砌处于较为稳定的状态。二台阶左侧开挖的时候，最大等效应力明显增大，最大等效应力出现在左侧二台阶和一台阶交接的地方，最大等效应力为8.85MPa，说明此时衬砌最不稳定的地方在于一二台阶交接处。二台阶右侧开挖的时候，等效应力明显增大，最大等效应力出现在右台接一二台阶交接处，最大等效应力为10.1MPa。三台阶左侧开挖完毕之后，等效应力明显增大，最大等效应力出现在左侧二三台阶交接处。最大等效应力为15MPa。在三台阶右侧开挖完毕之后，等效应力变化同上，最大等效应力出现在右侧二三台阶交接处，最大等效应力为16.9MPa。说明台阶法开挖中，各台阶支护衬砌在交接处处于最大应力状态。在核心土的开挖完毕的时候，最大等效应力变化不大，最大等效应力出现在左侧三台阶中上部位，最大等效应力为17.0MPa，说明核心土的开挖对隧道初期支护并没有太大的影响。当仰拱开挖和仰拱混凝土浇注的时候，隧道最大等效应力突然增大，最大等效应力出现在隧道两侧拱脚的位置，最大等效应力大小为30.4MPa。说明仰拱的开挖虽然有利于隧道整体的稳定性，但是在初期衬砌的拱脚处会产生较大的应力。5.2.3基于监测数据的围岩稳定性判别⑴根据最大位移的隧道围岩稳定性判别根据《铁路隧道施工规范》表9.0.11-2双线隧道初期支护极限相对位移（%）[11]对50m以下埋深V级围岩的隧道拱顶相对下沉的要求：0.08-0.16%，本工程的要求为11.6mm-23.2mm，DK144+733.3断面现场监测沉降数据见图5.2。如图所示，现场监测沉降数值最终缓慢增长稳定在8.7mm，小于规范中对沉降数值的最大要求。因此可以认为隧道在施工期间处于较为稳定的状态。96 5得利隧道稳定性综合评价DK144+733.3拱顶沉降（mm）108642012345678910111213141516171819-2-4-6图5.2DK144+733.3拱顶沉降⑵根据位移变化速率的隧道围岩稳定性判别对得利隧道DK144+733.3断面的监测的沉降速率见图5.2，该断面的位移-时间曲线图见图5.3。DK144+733.3拱顶下沉速度（mm/d）4321012345678910111213141516171819-1-2-3图5.3DK144+733.3拱顶下沉速度从图5.3可以看出，在隧道开挖监测到第11次以后，隧道沉的变化量已经小于0.2mm/d，说明此时隧道已基本达到稳定。从图5.2也可以看出，隧道的位移-时间曲线的曲率也处于降低的趋势，说明隧道在此时已基本达到稳定的状态。⑶根据变形曲线形态的隧道围岩稳定性分析22将图5.2与图5.1(a)进行对比，可以看出，变形曲线dU/dt0时，表明曲线变形97 西安科技大学硕士学位论文的速率下降，变形曲线趋于平缓，表明围岩变形趋于稳定。5.3本章小结本章首先基于围岩因素对稳定性评价做出了综述和说明，围岩根据其稳定性及破碎情况可以分为I-VI级，判断了本文研究对象得利隧道的围岩属于V级围岩，属于较为不稳定的岩体，因此在施工过程中需要“强支护、勤测量”，以达到安全施工的要求。本章又介绍了3个围岩变形的稳定性判别准则：根据最大位移值判断围岩稳定性方法、根据位移变化速率判断围岩稳定性和根据变形曲线形态判断围岩稳定性。并根据这三点结合现场监测数据进行了围岩稳定性的综合判断。根据现场实测的监测结果，表明隧道在最大沉降上属于安全稳定的状态、在监测后期的围岩变化速率已达到稳定状态、围岩变形曲线也趋于平缓，说明围岩变形趋于稳定的状态。本章还根据施工方法和初期衬砌的应力综合判断了隧道的稳定性。判断结果表明，三台阶七步开挖法施工时隧道左侧的围岩应力较大，应力分布较为不均匀，因此在隧道左侧开挖的时候需要加强支护；随着核心土的开挖，隧道最大第一主应力出现在了掌子面的右侧一台阶部位，说明此处可能处于失稳状态，因此，此时应注意一台阶的及时支护。对初期支护的数值计算表明，三台阶七步开挖法施工的时候，一台阶衬砌处于较为稳定的状态，衬砌最不稳定部位位于每台阶交接的部位。核心土的开挖对隧道初期衬砌并无太大的影响，但是在仰拱开挖和浇注的时候对隧道衬砌的稳定性较为不利，因此，此时需要及时监测支护结构的应力应变情况，及时支护。98 6结论及展望6结论及展望6.1结论本文以西安-成都铁路客运专线项目得利隧道工程为背景，通过理论分析、数值模拟、现场监测相结合的方法，通过比选确定了隧道施工方案，并进行了优化，同时对其稳定性做出了评价。为得利隧道的安全施工提供了理论依据，研究方法可供超大断面隧道施工方案优化借鉴。主要结论如下：⑴本文首先通过查阅相关文献资料，分析了目前国内外在大断面及特大断面隧道方面的研究进展，掌握了不同工况下大断面隧道围岩受力、变形、沉降之间的相互关系。针对本课题研究背景的得利隧道工程建设项目，本文结合目前大断面隧道通常采用的各种分部开挖的施工方法，初步选定了两种施工方案，即双侧壁导坑法和三台阶七步开挖方法，并使用计算机分别建立了两种施工方法的二维数值模型，对这两种施工方法进行了二维数值分析计算。⑵两种施工方案的平面数值分析结果表明：①台阶法开挖的关键步是上部开挖，双侧壁导坑法开挖的关键是核心土上部开挖。双侧壁导坑开挖的施工步序多，多步卸载，确保一次应力释放不会太大，从而保证围岩的自身稳定。②台阶法开挖较为简单，但是对大断面隧道变形的控制却较为不利；双侧壁导坑法开挖复杂，但是对于大断面隧道变形的控制较好。③隧道底部设立仰拱结构对隧道稳定有较大的帮助，同时，隧道底部设有仰拱结构时，拱脚处受力较大。④双侧壁法开挖时初期支护的受力与台阶法相比较大，在施作初期支护的时候需要待混凝土达到规范要求的抗压强度时再进行下一循环的开挖，在施工过程中需要详加注意。⑶在二维计算结果的基础上，本文针对双侧壁导坑法分别进行了步距为3m和步距为5m的三维数值计算分析；并对三台阶七步开挖法分别进行了步距为2m和步距为3m的三维数值计算分析。通过分析不同工况下的不同施工步距，对超大断面隧道的这4种施工工况进行了对比分析。通过综合评价分析，对比结果表明，两种工况都有其优点及缺点。总体来讲，双侧壁导坑施工工法在对隧道沉降的控制较为有利，但是双侧壁导坑法施工工序较多，施工耗费的人力、物力及时间成本较高；三台阶七步开挖施工工法隧道变形相对双侧壁法要大一些，但是均处于规范要求的控制范围之内，且三台阶七步开挖法隧道初期支护衬砌的应力较小。经过综合分析和考虑，最终在得利隧道施工时采用99 西安科技大学硕士学位论文了三台阶七步开挖的施工方法，施工步距采用3m。⑷在得利隧道现场施工时对所模拟的DK144+733.3-DK144+743隧道区间进行了现场监测，监测了钢拱架应力、锚杆轴力、隧道围岩压力、围岩深部位移监测、衬砌间压力的监测及隧道沉降等数据。通过监测数据判断了隧道初期支护结构的稳定性。钢拱架应力和混凝土压力均处于安全范围之内，隧道拱顶沉降数值也处于规范要求的数值范围之内，可以认为隧道处于稳定的状态。⑸本文基于隧道施工方法、初期衬砌应力应变的监测和数值分析及对比监测数据及三维数值模拟数据，对得利隧道的稳定性做出了评价分析，分析结论是隧道基本处于稳定状态。本文的研究方法和结论，可为超大断面浅埋隧道施工方案的优化及稳定性评价提供理论及工程意义。6.2展望由于时间和篇幅所限，本文在研究内容上，还有存在一些疏漏，如没有对隧道长期的稳定性进行详细跟踪监测分析等，进一步的研究可以从以下方面进行展开：⑴对超大断面隧道进行长期监控测量，以观察在施工后的较长时间内，隧道围岩稳定性的状态及长期稳定性判别方法。⑵数值计算模拟和现场施工还存在一定的差异性，因为隧道的施工时会遇到复杂的地质问题，计算机模拟并不能实现完全的仿真分析，如何通过计算机对现场施工进行更为精确的模拟是今后需要完善的地方。⑶在数值模拟的时候，为简化模型，考虑围岩是连续且各向同性的材料，但是在实际监测过程中，发现隧道的部分围岩发生了破碎和裂隙，因此也造成了锚杆监测数据与数值计算数据并不十分符合的问题。如何针对这样的破碎围岩进行数值分析计算，是今后需要完善的难点。100 致谢致谢经过研究生一年级对基础课程的学习，研究生二年级对相关文献的查阅，以及对工程背景的现场施工调研及监测，到目前为止，本文的研究内容基本上告一段落，这也预示着为期三年在西安科技大学的研究生学习阶段的结束。回想起这三年来的求学经历，我感触颇多，给我留下最深刻印象的还是母校西安科技大学的学习氛围和学习环境对我的影响。首先感谢母校西安科技大学接受了我，能够让我以学生的状态再接受为期三年的高等教育，这是我一生中宝贵的财富。今天我走出校门的时候，我以学校为荣，在我走上未来的工作岗位，我也将以最积极的态度面对所有的挑战，让母校也以我为荣。我还要感谢我的导师——奚家米教授。在这三年的研究生阶段，奚老师严谨的治学态度给我了很大的震撼。奚老师平常因为学校的行政工作比较忙碌，但是每次我去老师探讨学术问题，都能发现老师一直在阅读文献和进行论文的写作，而且老师对学术问题往往都能切中我们没有想到的要点上，老师对科研的敏锐和直切问题要点的洞察力都是值得我毕生学习的内容。这令我和我宿舍的舍友都深深地折服。借此机会向恩师表示最诚挚的敬意和感谢！并送上我最真诚的祝福：祝老师和师娘还有老师的小女儿身体健康，万事如意！祝老师事业进步，并在科研的道路上有更深的造诣！借此机会感谢指导得利隧道监测报告写作、一起工作过的朱彬老师和在论文写作中对我帮助很多的同门巨龙同学，以及中铁十二局第三工程有限公司西成客专项目部三工区徐锋总工以及现场负责人张彦冲对本文现场监测的大力支持。在得利隧道的监测过程中，他们给了我很大的帮助，在此一并谢过！感谢我的师兄贾晓峰师兄，在来到西安科技大学的第一年，遇到的困惑和问题都是找贾师兄解决的。同时也感谢另外两位师兄张世雷师兄和邸惠龙师兄，祝三位师兄在工作中事业进步。感谢我的萌萌的师妹赵望希，以及三位师弟王亚斌、宁利青及陈文平，在论文的写作过程中，他们都给了我很多帮助。感谢我的舍友王兵强、董西好、黄荣斌、孟昌四位同学，在三年的学习和生活中，互相照应，也给了我很大的帮助。最后感谢我的父亲王宏斌，我的母亲韩美琴，和我的家人们，在我研究生学习期间，他们给了我很大的鼓励。祝我的父亲母亲和我的家人们身体健康，万事如意。101 西安科技大学硕士学位论文参考文献[1]周丁恒,曲海锋.特大断面大跨度隧道围岩变形的现场试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(9),1773-1782.[2]高璋生.软弱围岩条件下的大断面小净距浅埋隧道施工方案研究[J].福建建设科技,2007,(2):5-6.[3]丁文其,王晓形,李志刚等.龙山浅埋大跨度连拱隧道施工方案优化分析[J].岩石力学与工程学,2005,24(22):4042-4047.[4]梁巍,黄明利.大跨度隧CRD法穿越含水软弱层沉降变形控制[J].岩石力学与工程学报,2007,26(增2):3738-3742.[5]涂碧海,李正文,冯金海.CRD法在大跨度隧道掘进中的应用[J].中国市政工程,2005,(5):39-41.[6]黄明琦,付贤伦,李云超.大断面海底隧道软弱地层CRD法施工稳定性控制研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(增2):3084-3089.[7]郝小苏,金露,何远康.双向八车道公路隧道双侧壁导坑法施工优化[J].现代交通技术,2008,5(1):61-64.[8]黄伦海.双洞八车道公路隧道施工方案研究[J].公路,2005,(9):206-211.[9]吴梦军,黄伦海,刘新荣.特大断面隧道施工方法试验研究[J].重庆建筑大学学报,2005,27(5),57-60.[10]奚正兵,焦苍,王连山等.超大断面隧道不同工法引起软弱围岩变形机理分析[J].2006,35(增),50,51,68.[11]TB_10204.铁路隧道施工规范[S].北京:中国铁道出版社,2002,38.[12]余存鹏.明垭子软岩隧道围岩稳定性评价[J].西安科技大学学报,2012,32(6),707-711.[13]操太林.双侧壁导坑法在隧道特殊段施工中的应用[J].华东公路,1997(1):57-59.[14]王志,杜守继,张文波,等.浅埋铁路隧道下穿高速公路施工沉降分析[J].地下空间与工程学报,209,5(3):531-535.[15]曹瑞君.大断面软弱围岩隧道稳定性研究[D].河北工程大学,2013.[16]王华川.超大断面黄土隧道双侧壁导坑法施工过程受力分析[D].华南理工大学,2009.[17]申灵君.软弱地层大断面隧道施工方案优化与施工技术研究[D].中南大学，2012.[18]吴崔鹏,大断面隧道施工过程数值分析[D].长安大学,2009,2-3.[19]夏保祥,程崇国.三车道大断面公路隧道研究现状综述(J).地下空间，2002，22(4):360-366.[20]SWOBODAG,MOUSSAA.Numericalmodelingofshotcreteandconcretetunnellinings[C]//ProceedingsoftheInternationalCongressonTunnelingandGroundConditions.Cairo,Egypt:A.A.Balkema,1994:427-439.[21]孙钧,侯学渊.地下工程[M].北京:科学出版社,1988.[22]杨建华,朱彬.大跨度软岩隧道开挖方法及施工方案数值模拟研究[J].西安科技大学学报,2011,31(3),287-292.102 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