浅埋、软弱围岩大跨隧道的施工技术研究-海文库
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浅埋、软弱围岩大跨隧道的施工技术研究
西南交通大学硕士学位论文浅埋、软弱围岩大跨隧道的施工技术研究姓名：傅鑫彬申请学位级别：硕士专业：建筑与土木工程指导教师：仇文革;张丕界西南交通大学硕士研究生学位论文第１页摘要文章以（北）京珠（海）高速公路靠椅山隧道为工程依托，采用目前较为成熟的弹性力学理论及有限元分析理论，基于浅埋、软弱围岩中大跨隧道的施工力学行为以及洞室围岩的整体稳定性进行了研究。在此基础上，对靠椅山隧道的合理施工方法和施工组织进行了研究，为整个隧道安全、快速、有效地施工提供了理论依据和现实意义，并节省了投资。首先，与接近圆形的两车道断面相比，大跨隧道具有以下基本力学特性：①开挖后的应力重分布变得很不利，需要强大的支护结构才可控制其变形：②隧道底脚处的应力集中过大，要求较大的地基承载力；③隧道扁平率大，拱顶围岩极不稳定，一般情况下需要辅助措施对拱顶范围内的岩层进行加固；④隧道开挖后会产生较大的松弛地压。其次，在浅埋、软弱岩层中，影响大跨隧道围岩稳定性的主要因素有：地应力、施工方法、开挖工艺、地下水、时间因素以及扁平率等。在实际工程应用中，由于时间和空间的不同，往往其中某一种或几种影响因素处于主导地位，需要采取相应的对策，尽量减小其对围岩的影响。再次，通过对三台阶分步平行开挖法和ｃＤ法两种不同开挖模式下大跨隧道的施工力学行为研究可知，三台阶分步平行开挖法在施工过程中引起的拱顶沉降明显小于ｃＤ工法，在浅埋、软弱岩层中对保持围岩的整体稳定性很有利，建议在浅埋、软弱岩层中修建大跨隧道优先采用三台阶分步平行开挖法，在靠椅山隧道的成功应用也证明了这一点。然后，经计算分析，在ｃＤ工法中，“后拆中壁”在隧道周边围岩内产生的位移场、应力场以及塑性区都比“先拆中壁”工法的小，所以建议在整个洞室开挖完毕后，支护结构形成整体闭合环以后再拆除中壁。最后，在开挖隧道围岩稳定性及大跨隧道施工力学研究的基础上，提出了靠椅山隧道工程的合理施工技术方案，为整个隧道的安全施工提供了可靠的理论依据，确保旌工得以顺利进行。关键词：大跨隧道：软弱岩层；围岩稳定性；旎工力学行为西南交通大学硕士研究生学位论文第｜Ｉ页ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄＴｕｎｎｅｌｏｎ行ｅｅ、ｖａＹ＇ｔ｝ｌｅｔｈｅｓｉｓ洳ａｒｉｌｖＫａｏｙｉｓｈａｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎｔｈｅＪｉｎｇ幽ｕ（Ｂｅｉｊｉｎｇ～Ｚｈｕｈ螂ｓｔｕｄｉｅｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｌｌｉｃｓｂｅｈａｖｉｏｒａ１１ｄⅡ１ｅｏｎｈｏｌｉｓｔｉｃｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓｕｒｒｏｕＩｌｄｉｎｇｒｏｃｋ、Ⅳｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｌｏｎｇｓｐａｎｔｕｎｎｅｌｓｉｎｍｅｓｈａｌｌｏｗａｎｄｗｅａｋｃｏｕｎｔｒｙｒｏｃｋ，ｗｈｉｃｈａｄｏｐｔｓｖｅｒｙｍａｔｕｒｃｅｌａｓｔｉｃｍｅｃｈａｎｉｃｓｔｈｅｏｒｖａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）．０ｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｉｔ，ｔｈｅ血ｅｓｉｓｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂＩｅｃｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ甜ｌｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｃｐａｒａｔｉｏｎｏｆｓａｆｅ、ｉｎｖｅｓｔＩ工ｌｅｎｔ．ＫａｏｙｉｓｈａｎＴｈｎｎｅｌ，ａｎｄｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｍｅｏｒｙｂａＳｉｓａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆ．ｏｒｒａ口ｉｄ、ｅｆｒｅｃｔｉｖｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｎｍＩｌｅｌ，ａｎｄＦｉｒｓｔｌｙ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔ、ｖｏ―ｌａｌｌｅｓｅｃｔｉｏｎｓａｖｅｓｏｎｏｆ印ｐｒｏａｃｈｉｎｇｃｉｒｃｌｅ，ｔｈｅｌｏｎｇｓｐａｎｔＩ瑚ｍｅｌｓｈａｖｅｍｅｆｏｌＩｏｗｉｎｇｂａｓｉｃｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｌｓｔｉｃｓ：ｑ）ｓ打ｅｓｓｒｅｄｉｓ啊ｂｕｔｉｏｎａ矗ｅｒｅｘｃａｖａｔｉｎｇｂｅｃｏｍｅｓｖｅｒｙｈａｒｍ如ｌ，ｐｏｗ盯ｆｍｓｕｐｐｏｒｔｓ帆ｌｃｔｕｒｅｉｓｎｅｅｄｅｄｔｏｃｏｎ订０１ｉｔｓｔｏｏｌａｒｇｅ，ｇｒｅａｔｄｅｆｏｍａｔｉｏｎ：②ｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｍ舡ｏｎｍｔ１１ｅｔｕＩｌＩｌｅｌ’ｓｆｃｃｔｉｓｆｌａｔｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｓｏｉｌｉｓｄｅｍａｎｄｅｄ；铷ｗｉｎｇｔｏｔｌｌｅ１ａ唱ｅｃｒｏⅥｍ，ｇｅｎ盯ａｌｌｙｔｕｎｎｅｌｅｘｃａ、７ａｔｉｏｎ．ｒｏｃｋ，ｔｈｅｐｒｉｍｅｒａｔｉｏｏｆｍｅｔｕｎｎｅｌａｎｄｒａｔｈｅｒｕｎｓｔａｂｌｅｒｏｃｋｏｆａｒｃｈａｓｓｉｓｔａｎｔｍｅａｓｕｒｅｓａｒｅｓｐｅａｋｉｎｇ，ｒｌｅｅｄｅｄｆｏｒｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｍｃｋａｒｏｕｎｄａｒｃｈｃｒｏｗｎ；④ＬａｒｇｅＩ．ａｃｔｏｒｓｌｏｏｓｅｎｉｎ２ｃｒｕｓｔａｌｓｔｒｅｓｓｗｉｌｌｃｏｍｅＳｅｃｏｎｄｌｙ，ｉｎｔｈｅｏｕｔ心ｅｒｔｈｅｓｈａｌｌｏｗａｎｄｓｐａｎｗｅａｋｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｉｎｎｕｅｎｃｉｎｇｍｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＩｏｎｇＩｎｍｅａｃｔｕａｌｓｐａｃｅ，ａｔｕ衄ｅｌｓｉｎｃｌｕｄｅ：ｃｎｌｓｔａｌｓ廿ｅｓｓ、ｃｏｎｓ仇ｌｃｔｉｏｎｎａｔｒａｔｉｏ，ａｎｄｓｏｏｎ．ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｅｘｃａｖａｔｉｏｎｔｅｃｌｌｌｌｉｃｓ、ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ、ｔｉｍｅｆａｃｔｏｒ、ｅｎｇｉｎｅ耐ｎ２ｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｄｉｆｒｅｒｃｎｃｅｓｂｅｔ、Ⅳｅｅｎｔｉｍｅａｎｄｆｅｄｕｃｅｉｔｓｅｆｆｂｃｔｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｍｃｋｃｅｒｔａｉｎａｒｅｓｅｖｅｒａｌａｆｒｅｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓｕｓｕａｌｌｙｈａｖｅｔｈｅｃａｌｌ，ｓｏｒｅＩｅｖａｎｔｔｏｏｎｍｅａｓｕｒｅｓｎｅｅｄｅｄｉｎｏｒｄｅｒＴｈｉｒｄｌｙ，ｂｙｒｅｓｅａｒｃｈｉｎ２ｔｕｍｌｅｌｓｕｎｄｅｒｔｗｏｏｎｔｈｅｃｏｎｓｔｎｌｅｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｃｓｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｌｏｎｇｓｐａｎａｒｅｄｉ＆ｒｅｍｅｘｃａｖａｔｉｏｎｍｏｄｅｓｗｈ王ｃｈｐａｒａｌｌｅｌｐａｒｔｉａｌｅｘｃａｖａｄｏｎｏｆａｒｃｈｃｒｏｗｎｉｌｌｔｈｅｍｅｍｏｄｗｉｔｌｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｒｅｅ－ｂｅｎｃｈａｎｄｃｏｕｒｓｅｃｅｎｔｅｒｄｉａｇｒ锄ｍｅｔｌｌｏｄ，ｔｈｅｓｅｍｅｍｅｎｔｂｙｐａｍｌｌｅｌｐａｒｔｉａｌｏｆｃｏｎｓｔｎ尬ｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｔｋｅｅ－ｂｅｎｃｈｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｌｅｓｓｔ｝ｌａＩｌｃａｕｓｅｄｂｙＣＤｍｅｍｏｄ，ｔｈｅｆｏ】皿ｃｒｉｓＶｅｒｙ９００ｄｆｏｒｋｅｅｐｉｎｇｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｉｎｓｈａｌｌｏｗａｎｄｗｅ矗ｋｓｔｒａｔａｔｏｔａｌｌｙｓｔａｂｌｅ．Ｉｔｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔ１１ａｔｉｔｉｓｐｒｉｏｒｔｏａｐｐｌｙｔｈｅｐａｒａｌｌｅｌｐａｎｉａｌｅｘｃａＶａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｉｍｔ１１ｒｅｅ－ｂｅｎｃｈｗｈｅｎｌｏｎｇｓｐａｎｔｕ王ｍｅＩｓａｒｅｂｕｉｌｔｉｎｓｈａｌｌｏｗａ１１ｄｗｅａｋｓｔｒａｔａ，ｉｔｉｓｐｒｏｖｅｄｂｙｓｕｃｃｅｓｓ如ｌａｐｐｌｙｉｎｇｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅＫａｎｙｉｓｈａｎｚｏｎｅｔｌｌｎｎｅｌ．ｃｅｎｔｅｒＴｈｅｎ，ｂｙｃ越ｃｕｌａｔｊｎ窖ａｎｄａｎ缸ｙｚｉｎｇ，ｉｎｔ１１ｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎＩ丘ｅｌｄ、ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｐｌａｓｔｉｃｃｅｎｔｅｒｄｉａｇｒａｍｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｃａｕｓｅｄｂｙ“ｄｅｍｏｌｉｓｈｊｎｇｄｉａ田ｒａｍｐｏｓｔｅｒｉｏ订ｙ”ｃｅｎｔｅｒｉｎｍｅｓｕｒｒｏｕｎｄｊｎｇｒｏｃｋａｒｏｕｎｄｍｅｔｕｎｌｌｅｌｉｓｌｅｓｓｔ｝ｍｂｖ‘‘ｄｅｍｏｌｉｓｈｉｎｇｄｉａｇｒａｍｆｉｒｓｔ”，ｓｏｉｔｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｍａｔｔ１１ｅｃｅｎｔｅｒ西南交通大学硕士研究生学位论文第ｌＩＩ页ｄｊａ掣砌ｓｈｏ山ｄｓｕｐｐｏｒｔｂｅｄｅｍｏｌｉｓｈｅｄａＲｅｒ啪ｅｗｈｏｌｅｃａｌ，ｅｍｉｓｅｘｃａｖａｔｅｄａｎｄｔｈｅｓｈ印ｅｈｏｌｉｓｔｉｃｃｌｏｓｉｎｇｒｉｎｇ．ｏｎＦｉＩｌａｌｌｙ’ｂａｓｅｄｓｔＩｌｄｙｉｎｇｔｌｌｅｓｔａｂｉｌｉ哆ｏｆｓｕｒｒｏ咖ｄｉｎｇｒｏｃｋａ∞ｕｎｄｅｘｃａｖａｔｅｄｔｕｍｌｅｌ锄ｄｃＯｎＳｔｎｌｃｔｉｏｎｍｅｃｈ趾ｉｃｓｏｆｔ｝１ｅｌｏｎｇｓｐａｌｌｔｕｎｎｅｌ，ｔｌｌｅａｍｃｋｐｒｏｐｏｓｅｔｈｅ螂惦ｏｎａｂｌｅｃｏｎｓ咖ｃｔｉｏｎＳｃｈｅｍｅＯｆＫａｌｌｙｉｎｓｌｌａｌｌｃｒｅｄｊｂｌｅ１１１ｅｏｒｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｗｂ０１ｅｔ１１ｎｎｅｌ’ｓ也ａｔｎｌｃｃｏｎｓｎｌｌｃｔｉｏｎｉｓｗｅｌｌｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．ｔＩｌｌ】ｎｅｌ，ａｎｄｔｈｅｓｃｈｅｍｅｓｕｐｐｌｙｓｅｃｕｒｃｃｏｎｓ打ｕｃｔｉｏｎａｎｄｅ１１ｓｕｆｅＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｎｇｓｐ蚰ｔＩＩｎⅡｅｌ；ｗｅ叠ｋｍｃｋ；ｔｈｅｓｔ童ｂｉＩｉｔｙｏｆｔｈｅｓｕｒｍｕｎｄｉｎｇｍｃｋ．ｃｏｎｓｔｎＩｃｔｉｏｎｍｅｃｈ矗ｎｉｅｓｂｅｈａｖｉＯｒ语南交通大学硕士研究生学位论文第１页第１章绪论１．１问题的提出当代国家中的经济发展都离不开交通这一重要基础设施。而交通的支柱是交通功能，尤其是陆上交通担当着主要任务。陆上交通的发展，尤其是在多山地区，必然伴随着大量隧道的出现，所谓“隧道”是指：“在保留上部地层前提下，开挖出能够提供某种用途的地下空间”。”。由于经济、交通和隧道技术的发展，隧道的定义范围也出现相应扩大，社会对隧道的需要已不仅存在于铁道、公路、航运之中，而且近年来随着城市建设的高速发展，为满足其交通要求，对各种城市道路隧道的建设也越来越多。我国是一个发展中国家，举国正在进行大规模的基础建设活动，尤其是西部大开进行得如火如荼，西部正是我国高原多山地带。由于隧道在缩短线路长度、穿越不良地质地段、提高道路的可靠性和安全性及在运营阶段比路堑因滑坡、落石等病害维修费用少等方面的优点及国防意义上的隐蔽性，因此在未来的几十年内中国必将设计及修建大量的铁路、公路等各种交通隧道。据最新的不完全统计资料表明，我国已建成（含改建扩建）的铁路隧道总数超过６８７６座，总里程达到３６７０ｋ翔，建成的公路隧道总数达到１７８２座，总延长超过１０００ｋｍ。近几年，随着交通需求量的急剧增加，高速公路隧道的建设规模也越来越大，出现了大量的三车道大跨（大断面）交通隧道，其开挖断面为１１３～１７０ｍ２，比～般的双车道隧道断面大１．５～２．Ｏ倍”’“。显然，传统的施工技术已不能完全适应大跨隧道的施工，特别是在浅埋、软弱围岩中地质条件下。因此，对浅埋、软弱围岩中大跨隧道的施工西南交通大学硕士研究生学位论文第２页１７０ｍ２，开挖断面的宽、高为１４．５３０ｍ×８．４６４ｍ，高跨比达到０．６４。１９９５年７月２６日开挖面积达２６５ｍ２的德国最大的高速公路三车道隧道――恩格贝格山底公路隧道开始采用拱部、台阶和仰拱三层七部暗挖――复合衬砌技术施工。国内近两年建成（含部分规划、在建）的大跨隧道有：北京――张家口高速公路的石佛寺１号一２号一３号；潭峪沟；八达岭；昆玉高速公路的山心坡；沪宁高速公路的南京市中山门：京珠高速公路广东省的大宝山；靠椅山；长涪高速公路的铁山坪；渝黔高速公路的重庆市铁山坪；蚌壳山；义学大山：真武山；三王岗；香港的西营盘至西九龙的双洞三车道海底隧道；以及广东省的白云山；虎背山；白花山等均为三车道高速公路隧道，此外还建成了象小浪底试验洞、城市过街通道、地下运输廊道等数目众多的扁坦地下洞室。表１．１列举了国内外部分大跨度扁坦隧道的旌工事例。”。表１．１国内外部分大跨度扁坦隧道施工事例基于烈车道隧道的ＮＡ孙台阶开挖法，一般地段新都采用上台阶一下台阶同时掘进的短台阶ＮＡＴＭ旖短台阶ＮＡＴＭ工法，野公右分割的中壁式施工。在洞口附近，覆盖层较薄，道。＋＋。芸：嚣＝夫良工，局部对地表沉陷有严格要求时而用上台阶左上部短台阶一次封星＝含嚣路隧地层承载力差．而用双侧壁导坑法一上台阶开挖台阶左右分割的中鐾篇言罕一下台阶法施工，当地层自稳性较好时，改用上壁式Ｔ法。部短台阶一次封闭式ＮＡｎｌ施工。（１９８９）闭式ＮＡＴＭ工法，上翟２芸嚣竺翟＝金“……“罐一黼黧蘸燃黼戮攀飘雾ａｍ；９警挖方式。中壁的撤除时间原计划在仰拱完成后进鲨２翥善鉴夏霁二不翼篇言罕“行，后来监测发现中壁应力和位移都非常小而决并妄‘：“。……”７舂＝盖及台阶斜面不易维护而最终采用交替并进的开济性等因素，原设计为左右分部或上下台阶同时并进，但由于开挖机械、喷浆设备等进出困难以芸矗盆兰啬２：＝“；姜瓮＝显篇＝ｊ＝＝二盘１，裂＝言２票善＝≤＝苫篙。＿１；＝＝要篡竺：ｊ：＝盆………“定在修反拱之前就拆去中壁；若上台阶分部开挖…一。武田层的流纹石英安山岩为主，裂隙发育，埋深ｏ～美＝釜；２＝羔！。。；。。．尾隧１００ｍ。崖堆堆积层区用管棚辅助施工的顶部导坑言苎翟未…。：：。会宗墨…”道车先行的侧壁导坑工法，中等坚硬岩石区间用中央芏掣…一…’…“工程简述施工方法说明
西南交通大学硕士研究生学位论文径向应力。，：第８页盯，＝三｝【（１一口２ｘｌ＋２）＋０―４口２＋３ａ４）×（１一五）ｃ。ｓ２Ｐ】切向应力ｏ。：仃ｆ＝孚【（１＋口２ｘ１＋五）一０＋３口４ｘ１―２）ｃ。ｓ２伊］剪应力ｒ“（２．１．１）ｒ。＝一≥（１一五）×０＋２口２―３口４）ｓｉｎ２妒式中：口＝％抄，其中：乃为开挖坑道洞室的半径，、妒――围岩内任一点的极坐标盯。――初始地应力。１）研究坑道周边（口＝１）的应力状态，此时：径向应力：盯．＝Ｏ切向应力：ｑ＝盯，［（１―２ｃｏｓ２妒）＋丑（１＋２ｃｏｓ２妒）】（２．１．２）即沿坑道周边只存在切向应力一：，径向应力一，变为０。这说明坑道的开挖使坑道周边的围岩从二向（或三向）应力状态变成单向（或两向）应力状态。沿坑道周边的应力值及其分布主要决定于＾值。分别取不同的＾值（＾＝Ｏ、ｌ／３、Ｏ．５、１），切向应力沿坑道周边的分布如图２．１．２所示。图２．１．２说明：①＾＝０（即只有初始垂直应力时），拱顶出现最大切向拉应力，并分布在拱顶一定范围内。拱顶处的最大拉应力盯，＝一盯。，在拱顶受拉范围内为盯，＝盯。（１―２ｃｏｓ２ｐ）＝Ｏ所以２舻＝６０。即出现在与垂直轴成３０。角的范围内。②随着＾的增加，拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减少。西南交通大学硕士研究生学位论文第９页ｐ甲ｑ争一年图２．１２圆形坑道Ｊ司边切问应力。ｔ分布拱顶切向拉应力等于Ｏ（图２．１．２ｂ）。＾大于ｌ／３后，整个坑道周边的切向应力皆为压应力。这说明，＾在０～ｌ／３之间时，坑道拱顶（拱底）范围是受拉的。由于岩石的抗拉强度较弱，当切向拉应力超过其抗拉强度时，拱顶可能发生局部掉块或落石，但不会造成整个坑道的破坏。当＾＞１／３后，坑道则逐渐变得稳定。③在侧壁范围内，＾值变化在Ｏ～１．Ｏ之间时，周边切向应力总是压应力，而且总比拱顶范围的应力值大。这说明，侧壁处在较大的应力状态下。例如当＾＝Ｏ时，侧壁中点（够＝９０。）的最大压力等于ｏｔ２３０Ｙ随着＾值的增大，侧壁中点的压应力逐渐减小，当＾＝ｌ时，其值变成盯，＝２ｄ。。侧壁处在较大的压应力作用下是造成侧壁剪切破坏或岩爆（分离破坏）的主要原因之一。而且，常常是整个坑道丧失稳定的主要原因。④从图２．１．２可知，当＾＝１（即初始垂直应力与初始水平应力相等）时，坑道围岩的应力状态是回转对称的，各点的应力皆相同，即为一常数值（盯，＝２盯，，），这种应力状态对圆形坑道稳定是很有利的。⑤通常围岩的水平应力系数＾变动在Ｏ．２～Ｏ．５之间。在这个范围内，坑道周边切向应力都是压应力。因此，要十分注意切向应力的变化，它是造成坑道破坏的主要原因之一。２）围岩应力向深处变化的规律。根据（２．１．１）式，围岩应力沿坑道水平轴断面（妒＝９０。）及沿坑道垂
西南交通大学硕士研究生学位论文联立以上两式，得盯护（１一ｓｉｎ劝一盯伊（１＋ｓｉｎ妒）一月。（１一ｓｉｎ伊）＝Ｏ第１３页（２．１．４）设等《耻怒ｃｌ―Ｓｌｎ凹则式（２．１ｌ４）可以写成ｏ∞一｛ｏ．ｐ―Ｒ：＝ｏ亦可写成盯加（１一ｓｉｎ们一盯舶（１＋ｓｉｎｐ）一２ｃｃｏｓ矿＝Ｏ（２．１．５）（２．１．６）式（２．１．５）或（２．１．６）就是目前通常采用的求解坑道周边塑性区的塑性判据。当＾＝ｌ时，坑道周边的口产２口，，口产０，将该值代入式（２．１．５），即可得出隧道周边的岩体是否进入塑性状态的判据为２仃．，≥Ｒ，（２．１．７）上述的分析是建立在坑道周围出现塑性区后岩性没有发生变化，即ｃ、妒值不变的前提下。实际上岩石在开挖后由于爆破、应力重分布等影响己被破坏，其ｃ、妒值皆有变化。设以岩体的残余粘聚力ｃ，和残余内摩擦角吼表示改变后的岩体特性，则（２．１．５）式可写成盯，７一鼻盯，’一Ｒ。７＝０或（２．１．８）盯ｒ’（１一ｓｉｎ妒，）一仃ｒ，（１＋ｓ血伊，）一２ｃ，ｃｏｓ口Ｉ＝ｏ式中，带角标“ｒ”者，皆指破碎岩体的残余特性。２）轴对称条件下围岩应力的弹塑性分析轴对称条件下（＾＝１）围岩内的应力及变形均仅为，的函数，而与讨论点与竖直轴的夹角ｐ无关，且塑性区为一等厚圆，我们假设在塑性区中ｃ、妒值为常数。解题的基本原理是使塑性区满足塑性条件和平衡方程，使弹性区满足弹性条件和平衡方程，在弹性区与塑性区交界处既满足弹性条件又满足塑性条件。计算简图如图２．１．７所示。①塑性区内的应力场在塑性区内，任意一点的应力分量仍需满足平衡条件。对于轴对称问题，西南交通大学硕士研究生学位论文第１４’页图２．１．７塑性区内单元体的受力状态当不考虑体积力时，极坐标的平衡方程为旦！竺＋！！二！塑＝ｏｄ卜７（２．１．９）式中的仃，Ｐ和％分别表示塑性区的径向应力和切向应力。在塑性区的边界上，除满足平衡方程外，还需满足塑性条件。将式（２．１．６）的塑性判据写成如下的形式！型±！！！！！＝！二！垫竺盯ｍ＋ｃｃｏｔ妒（２．１．１０）ｌ＋ｓｊＩｌｐ联立式（２．１．９）和式（２．１．１０），得＃望¨＋ｃ：ｌｎ（％＋㈣ｔ伊）Ｊ一５¨ｌ凹（２．１．１１）当有支护时，支护与围岩边界上（，＝％）的应力即为支护阻力，即盯。＝儿，则求出积分常数ｃ＝１ｎ（ｐ。＋ｃｃｏｔ伊）一掣ｈ，ｏｌ―Ｓｌｎ∞代入式（２．１．１０）和式（２．１＿“），并整理之，印得塑性区的应力铲溉…㈣㈡ｌ…飞旷魄…咖，篙（垆…唧ｊ式（２．１．１２）即为塑性区内的应力状态。由式中可知，围岩塑性区内的西南交通大学硕士研究生学位论文第１５页应力值与初始应力状态无关，仅与围岩的物理力学性质、开挖半径及支护提供的阻力儿有关。’②弹性区内的应力场在塑性区域以外的弹性区域内，其应力状态是由初始应力状态及塑性区边界上提供的径向应力盯凡决定的。令塑性区半径为Ｒ。，且塑性区与弹性区边界上应力协调。当，＝凰时，有盯岛＝盯甲＝口坩及盯加＝盯＂对于弹性区，，≥Ｒ，相当于“开挖半径”为月。，其周边作用有“支护阻力”盯Ｒ时，围岩内的应力与变形。此时，弹性区内的应力为咿小针‰譬］咿小针‰譬ｊ汜¨。，把式（２．１．１３）中的两式相加消去盯岛，即得弹、塑性区边界上（ｒ＝Ｒ。）韵应力为盯。＋ｑ。２２盯。同理有盯Ｐ＋％＝２仃，（２．１．１４）以上两式也代表着弹塑性区边界上，径向应力和切向应力应满足的塑性判据。将上式带入塑性判据式（２．１．１０），即可得ｒ＝Ｒ。处的应力盯ｒ２盯，（１一ＳｉｎＰ’一ｃｃ。ｓ妒２∥岛，ｑ＝盯，（１＋ｓｉｎ妒）＋ｃｃｏｓ妒＝２盯，一盯凡Ｊ式（２．１．１５）指出，弹塑性边界上的应力与围岩的初应力状态盯。、围岩西南交通大学硕士研究生学位论文本身的力学性质ｃ、妒有关，而与支护阻力成和开挖半径％无关。③塑性区半径与支护阻力的关系第１６页将ｒ＝氏代入式（２．１．１２），并考虑该处的应力应满足式（２．１．１５）所示的塑性条件，可得塑性区半径一ｃｃｏ＂咖“叫…唧…唧㈨面……耻％卜训筹爿百或耻％［南筹糟］西式（２．１．１７）表达了在其围岩岩性特征参数已知时，径向支护阻力儿与塑性区风之间的关系。该式说明，随着儿的增加，塑性区域相应减小。即径向支护阻力见的存在限制了塑性区域的发展，这是支护阻力的一个很重要的支护作用。又如，若坑道开挖后不修筑衬砌，即径向支护阻力儿＝Ｏ时，则式（２．１．１７）变成：Ｒ。：％Ｉ（１一。ｉｎ伊）三！！堕坚』２““９Ｌｃｃｏｓｐｊ或耻％高等竽］西在这种情况下塑性区是最大的。着想使塑性区域不形成，即％＝ｒ０时，就可以由式（２．１．１７）求出不形成塑性区所需的支护阻力ｐ。＝仃，（１一ｓｉｎ∞一ｃｃｏｓ妒西南交通大学硕士研究生学位论文第１７页或胪等这就是维持坑道处于弹性应力场所需的最小支护阻力。它的大小仅与初始应力场及岩性指标有关，而与坑道尺寸无关。上式的儿实际上和弹塑性边界上的应力表达式（２．１．１５）一致，说明支护阻力仅能改变塑性区的大小和塑性区的大小和塑性区内的应力，而不能改变弹塑性边界上的应力。实际上衬砌是在坑道开挖后一定时间内修筑的，塑性区域及其变形已发生和发展。因此，所需的支护阻力将小于式（２．１．１９）所决定的数值。以上所述，坑道开挖后如果不加支护，坑道围岩将会经过应力集中――形成塑性区――发生向坑道内位移――塑性区迸一步扩大――坑道围岩松弛、坍塌等几个过程。这个过程视围岩的性质、坑道尺寸和形状，有长有短。也并不是所有坑道破坏都要经过上述几个阶段。例如在整体、坚硬的脆性岩体中可能形成自稳坑道。在松散岩体中，坑道会迅速达到坍塌等。坑道围岩这个力学过程基本上决定了围岩压力的性质以及坑道失稳破坏的不同方式。在前面的各种分析中，都是以圆形坑道为基础的，当坑道形状不是圆形时，相应的公式都要改变，此时可用有限单元数值分析法进行求解。但在初步设计中，亦可采用将不同形状坑道变换成当量的圆形坑道的方法近似地加以分析，或直接以坑道跨度代替公式中的坑道直径亦可。２．２大断面隧道的定义及基本划分标准这里所谓的大断面隧道的基本划分可参考表２．２．１和表２．２．２的划分标准，表２．２．１是日本的隧道断面划分和开挖断面积的关系，国际隧道协会的断面划分的建议如表２．２．２。。。表２．２．１隧道断面划分和开挖断面积超小断面小断面＜３．Ｏ３．Ｏ～１０．Ｏ１０．Ｏ～５０．０５０．Ｏ～１００．Ｏ＞１００，０中等断面大断面超大断面
西南交通大学硕士研究生学位论文第１９页２．４浅埋、软弱岩层中大跨隧道的围岩稳定性分析地下洞室一般指人工开挖或生产活动在地层中形成的地下空间。其稳定性依生产领域及使用要求的不同，可能有不完全相同的概念。一般来讲，围岩不稳定是指妨碍生产使用或安全的围岩破坏或过大变形现象，比如不应有的顶板塌落、两帮挤入、底板隆起、围岩开裂、突发岩爆、围岩变形造成衬砌裂开或支护折断等，都是围岩不稳定的显现。但从永久性地下建筑物及生产矿山的许多地下空间的对比来看，由于使用要求或标准的不同，稳定性的定义就会有差别。比如有的永久性地下工程因要保证在其中的生产设施安全运行，甚至不允许基础有微小的差异性位移、微量渗水或小石块掉落。而在生产矿山的许多采准空间中个别落石、支护局部开裂及围岩变形十几厘米等都完全不算什么稳定性问题ｎ１。”，。本节将针对浅埋、软弱岩层中大跨公路隧道的围岩稳定性展开分析。２．４．１软弱岩层的主要特点所谓“软弱围岩”一般情况下指两种情况：地质结构面十分发育，岩体极度破碎，近乎松散，如处于大型断层、层间破碎带或强烈风化带中的岩体；块体强度很低，如泥岩、黄土等。这些围岩主要有以下一些特点“。１”：（１）由于这类围岩或因十分破碎，地质结构面十分发育，呈相互交织状，以致没有明显的方向性；或囚块体本身强度很低，结构面（弱面）的影响相对不甚显著，而地质结构面一般可传递压应力和剪应力，所以，在不承受拉应力的情况下，可以近似地把软弱围岩看成是各向同性的均匀连续体（或称“似连续体”）。（２）这类岩体不仅不能承受拉应力而且抗压强度也很低。峒室开挖后，围岩不但会在拉应力的作用下破碎坍塌（如果这种拉应力存在的话），而且会在应力集中后压应力的作用下产生破坏滑移，形成剪切破坏区。如果不加支护，则随着围岩变形的发展引起峒室的坍塌，围岩总体丧失稳定，不光是顶部个别落石的问题。（３）软弱围岩这种“似连续体”在承受压应力的情况下从岩体总体上又往往可表现为一定的弹塑性特征，这种弹塑性特征也可理解为当岩体中的应力引起岩体破坏而产生滑移以后，在变形发展的过程中尚可保持一定的强度。因此在软弱围岩中设计支护时应考虑和利用这种特征，可以用连续介质的弹塑性理论作为工具来对它进行研究。２．４．２浅埋、软弱岩层中大跨隧道围岩稳定性的影响因素１．地应力地下工程的失稳主要是由于开挖工作引起的应力重分布超过围岩强度或
西南交通大学硕士研究生学位论文第３；贫辑蒋甜耐竿蒋鞋柚骘：菠靴画至睡Ｆ型戋一匐玟ＪＦ霸强赫融酋旨剥甄型缸捌掣锝仝告器蠢Ｗ锆裂俚耸肇，一再吲群ｊ剖蹦乳鹳鲤鹳雏骘踅＂鹭疆饕轻铥薹兰坛盟出；意嚆璎羝臻镬甬理蔼掣强驰豫姥婴ｎ。薹配蛆盘赢甜曼酲拦殚筚尘刨翕烈垒。蒹曼攀趔｜Ｊ！ｉ棚惰爱掰珀褂巯西ｉ啦晤甄霸毒羹铲射蕈期簿帚掣冠劐鹫刚基秘《蒸霉讣莲雾彗銎丁ｐ毖掣～。（４．２．２）式中叠｝――单元内任一点的应变列阵【Ｂ］――单元应变矩阵。②利用本构方程，由应变的表达式导出节点位移表示单元应力的关系式ｐ）：［ＤＩＢ】ｐ｝。式中｛盯｝――单元内任一点的应力列阵；（４．２．３）【Ｄ】――与材料有关的弹性矩阵。③利用变分原理，建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，即单元的平衡方程扩）。＝时ｐ｝。式中，ｌｔ（４．２．４）ｒ称为单元刚度矩阵，其表达式为（４．２．５）时：ｆｆｐ】’【Ｄｐｋ纰利用变分原理还同时导得等效节点力｛，｝。。）集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程。这个集合包括有两方面的内容：～方面将各个单元的刚度矩阵，集合成整个刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵，集合成总的载荷列阵。最常用的集合刚度矩阵的方法是直接刚度法。一般来说，集合所依据的理由是要求所有相邻（４的单元在公共节点处的位移相等。于是得到以整个刚度矩阵ＩＫＩ、荷载矩阵扩］以及整个物体的节点位移列阵ｐ｝表示的整个结构的平衡方程ｋ］
西南交通大学硕士研究生学位论文第２３页也会产生流变现象。所谓流变性质，简单来讲就是围岩变形在应力状态不变情况下不断增加（蠕变），或在变形约束情况下应力随时间而变化（降低）即松弛，以及围岩强度随时间而降低的性质（图２．４．６）。由于这种流变性质，时间长了塑性区会扩大，变形会增加，破裂及松动区会发展。（ａ）在不同定常应力下岩石蠕变图２．４．６（ｂ）在定常应变时内应力松弛（２）时间的增长加剧了围岩的弱化过程，比如开洞后温度、湿度的变化，气流及地下水的分化侵蚀作用，施工爆破的冲击振动作用或机械振动引起的疲劳作用等都可逐渐或大大削弱围岩的刚度和强度，从而导致围岩变形的增加、塑性或松动破裂区的扩大等。５．扁平率对围岩稳定性的影响扁平率对衬砌结构稳定性的影响，可通过对不同扁平率条件下结构内力及应力的分帮ｌ青况进行研究。文献［３］中给出了分别考虑了高度不变，宽度变化和宽度不变，高度变化两种变化条件下，扁平率从０．５～ｌ－Ｏ变化过程中，衬砌结构内力及应力的变化情况。（１）轴力的变化随洞室扁平率的减小，轴力在数值上增大，扁平率为Ｏ．５时的轴力大约是扁平率为１时的４倍左右。但是最大轴力的作用位置，随扁平率的减小，从墙角上移至最大跨度处（当ｐ＝Ｏ．６时）。（２）弯矩的变化随扁平率的减小，拱顶弯矩逐渐增大，扁平率为０．５时的拱顶弯矩是扁平率为１时５倍。最大负弯矩发生在拱腰处，数值也随扁平率的减小而增大，扁平率为０．５时该处弯矩是扁平率为１时的５倍。负弯矩均发生在洞室两侧，说明随着扁平率的减小，隧道两侧的应力是较大的。（３）应力的变化拱顶出现拉应力，两侧为压应力，应力的变化也是随扁平率的减小而增力口。由此可见，扁平率对衬砌结构的受力状态影响较大，当扁平率较低时，衬砌两侧的受力状态不利于结构的稳定，应采取加强措施。因此，在低扁平
西南交通大学硕士研究生学位论文第２５页第３章浅埋、软弱围岩中大跨隧道的施工方法研究隧道的施工方法要根据断面形状、隧道长度、施工工期、工程地质、涌水情况、周围环境等条件综合确定。在洞口浅埋段以及未固结围岩、断层破碎带等不稳定围岩中施工时，由于其地质条件一般较差、围岩较破碎，地表水及地下水较丰富，施工困难、易塌方，因此，在施工前应充分调查，有针对性地进行施工组织设计。且宜先修洞外工程，如边、仰坡土石方，路堑挡墙，天沟、边沟等排水工程，以在进洞前修建为宜。这样，可使边坡稳定，隧道开挖得以顺利进行，同时避免在雨季进行浅埋段的施工。对浅埋、软弱围岩中大跨隧道的施工采取的主要对策有：缩短开挖进尺、分割掌子面和采用辅助工法等。“”２…３．１大跨隧道的开挖方法及其适用性３．１．１中壁法（ＣＤ法、ｃＲＤ法）在掌子面不太稳定，埋深较浅及围岩较差的工程中常使用中壁法，如图３．１．１所示。该方法因纵向分割断面，能确保掌子面的稳定性，其开挖断面相对较小，若支护及时，可防止隧道周边围岩松弛范围的扩大。当施工地质变化较大时，ＣＤ法、ＣＲＤ法易于与其它旋工方法进行转换。。”…（ａ）ＣＤ法（ｂ）ＣＲＤ法图３．１，１中壁法ｃＤ法属于大断面分割施工，施工技术难度较低，施工工序简单，工期较快，而且造价相对较低，在大型电站和城市地下工程中被广泛使用；但由于中壁的存在，使工作空间缩小，所以只适用于中小型机械进行作业。ｃＲＤ法是解决超浅埋、大跨度地下工程的一种行之有效的施工方法。其最大特点是将大断面化成小断面，步步成环，每个施工阶段都是一个完整的受力体系，结构受力明确，变形小，工法安全性高。在施工时一般与超前支护手段配合使用，严格控制施工进尺，同时坚持及时量测，并根据量测信息调整施工迸尺。西南交通大学硕士研究生学位论文第２６页根据大量的实测资料，ｃＲＤ法比ｃＤ法减少地表沉降将近５０％，如果采用严格的施工措施，确定较好的台阶步距并认真对待每一施工细节，则采用ＣＲＤ法时，可大大减小地表下沉与地中土体位移。尽管在超浅埋大跨度情形下，也能控制住地表下沉在３５ｍｍ以内，水平位移在１０ｍｍ以内，且大部分变位７５％作用发生在前四步施工后。另外，临时中隔墙及横撑在开挖阶段是很重要地支撑构件，是ｃＲＤ法化大为小、步步越闭成环地保证，但整个初期支护封闭后，中墙及水平横撑地作用不大，拆除后对地层与结构位移及支护内力影响均较小，可重复使用，起到节能的效果。３．１．２双侧导坑开挖法（双侧导坑超前开挖法、眼镜法）在埋深超浅、围岩特别差以及地表沉降控制严格的工程中常使用双侧壁导坑法，如图３．１．２所示。该方法因分割断面细，能确保掌子面的稳定和有效控制隧道周边围岩松弛范围，超前的导坑能探明前方的地质情况，遇到不良地质时可在开挖前采取预防措旌，但当地质变好时改变工法困难。‘””（ａ）侧导坑法图３１．２双侧壁导坑法（ｂ）眼镜法双侧壁导坑法由于分割断面较小，围岩变形较小，故施工安全度很高。同时，也造成了该工法工序复杂，造价高，施工速度慢，特别是限制了大型机械的使用，施工条件很差。３．１．３三台阶分步平行开挖法在工程实践中，中壁法和双侧壁导坑法以下缺点很难克服：①限制了大型施工机械的使用，降低了工效；②在软、硬围岩相间的隧道，施工方法的调整时间很长；③临时施工支护多，投入大，不经济；④施工中相互干扰大；⑤分部施工防水层和混凝土衬砌，运营病害多。在京珠高速公路靠椅山隧道施工中，采用三台阶分步平行开挖法旅工，如图３．１．１所示，成功地解决了软岩、断层等地质难题，确保了工程质量和工期。Ⅲ”三台阶分步平行开挖法采用分步平行开挖，分步平行施作拱墙初期支护，混凝土仰拱超前施做及时闭合，构成稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承
西南交通大学硕士研究生学位论文第２９页３．２．５预衬砌法（ＰｒｅｌｉｎｉｎｇＭｅｔｈｏｄ）在软岩中，该工法称预筑拱法，即沿开挖面周围用机械（链锯）切割围岩，形成环形沟槽，立即用速凝混凝土填充以在开挖面前方形成一个类似拱壳的锥形衬砌连续体，再开挖中间部分，混凝土拱壳加固前方地层，并用作初期支护来保持地层弹性，防止崩塌和地层沉降；在硬岩中，该工法称预切施工法（ＰｒｅｃｕｔｔｉｎｇＭｅｔｈｏｄ），即沿开挖面周围用机械（链锯）切割围岩，再用爆破法开挖内部岩体，可保证不超挖，开挖周边光滑，应力集中小，爆破作业不影响洞外围岩，耗药量低，地面爆震小。在巴黎地铁石灰岩段施工时该工法曾有应用。另外，还有挤压混凝土衬砌法（ＥｘｔｒｕｄｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＬｉｎｉｎｇＭｅｔｈｏｄ），简称ＥｃＬ法，它是边掘进边向地层灌注混凝土使之与地层紧密结合的新型混凝土衬砌法，掘进速度快，最高可达３４０米／月。还有一种叫做高压悬喷灌注桩法（Ｈｉ曲ＰｒｅｓｓｕｒｅＪｅｔＧｒｏｕｔｉｎｇ），其基本原理是以低于２０～４０ＭＰａ的高压将水泥浆强行喷入地层中，借助于钻杆转动和不断提升将地层改良成承载柱体或成为地下挡墙或隔水幕墙，在拟开挖隧道轮廓上方形成喷灌柱体项拱，再进行隧道开挖的施工法，适于无粘聚力的砂层或砾石，不适于有粘性和不透水的地层。３．３大跨隧道建造方法的一般步骤如何根据隧道工程的具体条件来选择一个恰当合适的建造方法并非易事。因要涉及到相关施工技术是否成熟可行且可靠、财力物力能否承受、政策是否允许及现场旖工条件是否满足旄工设备、人员要求等诸多复杂因素。选择建造方法时，应首先经过定性比较和可行性分析确定采用哪几大类工法？比如应用暗挖法还是明挖法？沉管法抑或浮管法？～般在城市地铁或山岭隧道中应用暗挖法。那么在暗挖法中选择机械式还是钻爆式呢？这就主要取决于待穿过的未知地层的物理力学性质是否悬殊、初期资金投入有多大，其次是水文地质和进度要求。表３．３．１比较了明挖法、半明挖法和暗挖法的优缺点，表３．３．２则对钻爆法和掘进机法的适用范围进行了比较。表３．３１明挖法、半明挖法和暗挖法之比较明挖法半明挖法暗挖法优缺挖填方量大，占地广，时挖填方量小，对地面影响较由于是封闭式开挖，占黎覆土薄ｃ一般小于ｓｍ，季盍‰卷茇豫嚣位瑟纂砉溢主馨蓼体点间长，对地面影响很大小，但需短时中断地面工况地少，不破坏原地表状态目前，由于环境保护越来越受到国家和政府部门的重视，所以在大跨隧道的施工时，基本上都采用暗挖法，而且由表３．３．２看出，掘进机法投入相对较大，地质适应性较差，目前在隧道施工中，钻爆法仍处于主要地位。在初步确定采用钻爆法后，常常需要借助于工程类比或数值分析手段来获得更详细的、定量
西南交通大学硕士研究生学位论文第３１页第４章浅埋、软弱围岩中大跨隧道的施工力学数值模拟分析研究隧道围岩稳定性和支护结构的方法很多，尽管经验类比和弹塑性分析方法在围岩稳定性分析与支护设计中得到应用和发展，但岩体不仅为一般的材料，更重要的是一种地质构造体，它具有非均质、非连续、非线性以及复杂的加卸载条件和边界条件，这使得岩石力学问题通常无法用解析方法简单的求解。相比之下，数值方法具有较广泛的应用性，它不仅能模拟岩体的复杂力学与结构特征，也可很方便地分析各种边值问题和施工工程，并对工程进行预测和预报。因此，数值分析方法是研究围岩稳定性与隧道动态施工的有效工具之一，目前较常用的方法有：有限元法、边界元法、有限差分法等，它们都是基于连续介质力学的分析方法。本章将应用有限元法对浅埋、软弱围岩中大跨隧道的施工力学问题进行数值模拟分析。４．１有限元的理论基础有限元是一种离散化的数值解法，对于结构力学特性的分析而言，它的理论基础是能量原理，得到的方程组中所含未知数的性质有三种情况：一种是以位移作为未知量的分析法，这种情况称为位移法。位移法采用最小位能原理或虚位移原理进行分析；另一种是以应力作为未知量的分析法，称作应力法。应力解法常采用最小余能原理进行分析；第三种是以一部分位移和一部分应力作为未知量的分析法，属于位移法、应力法，称为混合法，采甩修正的能量原理进行分析。通过上述分析介绍可知，虚位移原理或最小位能原理、最小余能原理是有限元的又一重要理论基础。”””。虚位移原理也称为虚功原理，是最基本的能量原理，它用功的概念来阐述弹性体或结构的平衡条件。弹性体在平衡状态下发生虚位移时，不仅在外载的作用点发生虚位移｛酽｝，而在虚位移的过程中，弹性体内部将产生虚应变陋｝，则外载在虚位移上所作的功称为虚功，用｛挪｝表示，得胛＝阿ｒ伊）式中｛月――施加在弹性体上的外载；应力在虚应变上所作的虚功，是贮存在弹性体内的虚应变能，用占ｕ表示因此可得（４．１．１）ｔ５【，＝ｆ｛曲｝。｛盯｝ｄｙ（４．１．２）
移位函的的点单一简）中任某内１的元及标．以单坐案是示方移割表分位２和移定状假位形．是的点元就节单也择用，选４虑定出：考假骤（导要步的需个以阵定就六，下可一下以体出列就为用续作分作连，以布移力的可式际外分来实的起的模位近定括移逼概移给，位地的在位程效体中过有性的元析点了弹分单定为：的位能。为了念法～为作概式，本选项时基多此的择。法元选析元述常分限通性有。特是键行它单关进，据的元步叙中单一析型第分典的任限法对析元以分限可法以有就元是，单根数后限有函散有移离是位的化可构散当结离适成的择完构选在结理内原能元位小最单，析―分述上―据根｝扩中式西南交通大学硕士研究生学位论文定平衡状态，这个极值是极小值，这就是最小或极小位能原理。第３３页移。４．２有限元的分析过程（１）结构的离散化确定单元和节点的数目等问题。（２）选择位移模式数，这种函数称为位移模式或插值函数。于所有光滑函数的局部，都可以用多项式逼近。关系式，其矩阵形式是∽＝【Ⅳ舱）。协｝。――单元的节点位移列阵；与经典的近似法相比较，有限元法具有明显的优越性。例如，在经典的Ⅳ――形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。里兹法中，要求选取一个函数来近似地描述真个求解区域中的位移，并须满足边界条件；而在有限元法中则采用分块近似，只需对一个单元选择一个近似位移函数。此时，不必考虑位移边界条件，只需考虑单元之间位移的连续
西南交通大学硕士研究生学位论文第３５页这些方程还应该考虑集合边界条件作适当的修改之后，才能够解出所有的未知节点位移。（５）求解未知节点位移和计算单元应力，由集合起来的平衡方程组式（４．２．６）解出未知位移。（６）利用式（４．２．３）和已求出的节点位移计算各单元的应力，并加以整理得出所要的结果。４．３有限元计算模型４．３．１计算原型以京珠高速公路靠椅山隧道作为有限元计算的结构原型，该隧道为上下行分离的六车道高速公路隧道。左线隧道长２９８１ｍ，右线隧道长２９４９ｍ，设计纵坡为一１．５５％～一２．０％，建筑限界净空１４．２５ｍ，净高５．Ｏｍ，隧道最大开挖宽度为１７．０４ｍ，最大开挖高度为１０．３８ｍ。其中在右线出口端地质为中下泥盆统桂光群砂岩及泥质粉砂岩夹薄层页岩，因受褶曲及构造挤压的影响，岩层节理裂隙发育岩层破碎，风化严重，埋深仅为１５ｍ，综合评定为Ｖ级围岩。””４．３．２计算模型图４３ｌ（ａ）三台阶分步平行开挖法计算模型图４３１（ｂ）支护结构有限元离散图图４．３＿２（ａ）ｃＤ开挖法计算模型图４．３．２（ｂ）ｃＤ工法支护结构有限元离散图建模时，严格按照施工图进行，从而完成二维有限元弹塑性分析。在整
西南交通大学硕士研究生学位论文第３７页岩体的两个重要的参数粘聚力ｃ和内摩擦角妒都能通过材料数据表输入。“…Ｄｒｕｃｋｅｒ―Ｐｒａｇｅｒ屈服准则的表达式为：彬１＋（＾’）２＝＿ｊ｝式中口：；型！生√３（３一ｓｉｎ≯）（４．４．１），女：』竺！生；√３（３一ｓｉｎ≯）ｃ――岩土类材料的内聚力，勋％；一――岩土类材料的内摩擦角。一――应力第一不变量，；ＪＬ＝６。七ｏＹ七ｏ：，，‘――第二偏应力张量不变量，其表达式为爿＝吉№，一叫２＋（ｑ一叫２＋（盯：一¨２＋６（《＋ｒ，２＂。２）］（４．４．２）４．４．３计算荷载及开挖支护效果实现本计算模型埋深为１５ｍ，属于浅埋地段，荷载主要考虑地层自重应力场以及支护结构的重力。开挖效果的模拟采用空单元法来实现，具体是通过ＡＮＳＹＳ软件提供的单元“死”功能来实现，即在保证方程不出现病态的情况下，把要挖掉单元的刚度矩阵乘以一个很小的比例因子，使其刚度贡献变的很小可忽略不计，同时使其质量、荷载等效果的值也设为零，这样便可在整个开挖计算过程中采用同一种有限元剖分网格。支护结构的施做是通过程序提供的单元“生”功能实现，也就是在合适的荷载步中使先前处于“死”状态的单元的刚度、质量、荷载等在当前的构型中恢复其原始的数值，使模拟分析完全反映施工的动态过程。４．５三台阶分步平行开挖法数值模拟计算及其结果分析４．５．１开挖支护的动态数值模拟三台阶分步平行开挖法的施工步骤如下：西南交通大学硕士研究生学位论文第３８页图４５．１．１施作注浆加固圈图４．５．１．２上半断面开挖并支护图４．５．１．３左中断面开挖及支护图４．５．１．４右中断面开挖及支护圈４．５．１．５左下断面开挖及支护图４．５．１．６右下断面开挖及支护１）旌作超前支护注浆加固圈：２）开挖上半断面并支护；３）开挖左中断面并支护；４）开挖右中断面并支护；
５）开挖左下断面并支护：西南交通大学硕士研究生学位论文第３９页６）开挖右下断面并支护。其动态模拟施工步骤划分网格见图４．５．１．１～４．５．１．６。４．５．２围岩位移场及塑性区变化分析为考察在各施工步中围岩的稳定性，本节重点研究了隧道周围围岩的应力场和塑性区的变化发展趋势。在围岩应力场分析中，重点考察了隧道拱顶及左右拱腰的位移韵变化，从而来研究施工步骤对整体洞室稳定性的影响。同时，围岩塑性区也是表征围岩稳定性的重要特性之一，在隧道开挖后，当围岩的二次应力状态超过围岩的抗压强度或是局部的剪应力超过岩体的抗剪强度，此时该部分岩体将进入塑性状态。表４．５．２．１为三台阶分步平行开挖法围岩应力场及塑性区变化，从表中可以清楚地看出：（１）隧道拱顶位置的竖向位移量是最大的，为１．６６２珊，而在左右拱腰处的位移量并不相等，这是由于施工时不对称造成的；同时，隧道各个位置的位移量主要是隧道在刚开挖时形成的，以后各个工序引起它的增量值都很小，这也说明，采用三台阶分步平行开挖法施工值得注意的是上台阶的施工，它对隧道的整个变形量起着决定性的作用，这也正是在施工时采用超前预支护的根本原因所在。（２）在隧道仰拱部位，围岩有明显向上的位移，最大值为４．０９８咖，而且大于拱项下沉量，这应值得我们注意，所以在施工过程中，如围岩变形过大时，应设置临时仰拱。（３）从围岩的塑性应变的变化趋势可以看出，应变值先增大后减小，最大应变值并没有出现在施工完毕，这表明塑性区的发展与开挖方式有很密切的关系。同时，塑性区大部分出现在开挖断面的突变部位和拐角处，这是由于在此形成了应力集中，最大塑性应变值出现在右中断面开挖后，其值为０．００２３，而在拱顶范围采用了超前注浆支护，并没有出现塑性区。（４）根据以上分析结果可知，在隧道断面设计或施工过程中，尽量使开挖轮廓线圆顺，或在断面突变的部位对围岩进行加强，这样就可避免出现塑性区或塑性应变很小，保持整个围岩的稳定性。４．６ＣＤ开挖法数值模拟计算及其结果分析４．６．１开挖支护的动态数值模拟对于ＣＤ开挖法，为考察临时中壁的拆除时机对整个围岩位移场、应力场以及支护结构内力的影响，本节分别对两种施工工况进行了研究，即开挖中拆除中壁和开挖完成后拆除中壁“…，下文中简称“先拆中壁”和“后拆中壁”。其施工步骤见表４．６．１．１。西南交通大学硕士研究生学位论文表４．５．２．１三台阶分步平行开挖法围岩应力场及塑性区变化第４０页
西南交通大学硕士研究生学位论文第４３页（３）在“后拆中壁”工况下，右上断面开挖后，由于中壁的支撑作用，尽管最大竖向应力仍处在左墙角处，但其值仅为Ｏ．７８ＭＰａ；当整个洞室开挖完毕，整个中壁拆除后，最大竖向应力值增加到Ｏ．８８ＭＰａ。（４）采用ＣＤ工法施工时，在两种不同的工况下，围岩竖向应力场的发展变化存在着显著的不同。很容易看出，不管是在施工过程中，还是施工完毕，“后拆中壁”比“先拆中壁”工况下产生的最大竖向应力值都要小一些，所以，在围岩破碎、隧道浅埋地段，建议采用“后拆中壁”的ｃＤ工法，这样可减小对围岩的扰动，保持围岩的整体稳定性。
表４．６．２．１不同工况下ｃＤ施工法围岩位移场变化
西南交通大学硕士研究生学位论文第４７页（１）在“先拆中壁”和“后拆中壁”两种工况下，上台阶开挖时，在下台阶岩层内会出现一定范围的塑性区，当下台阶开挖时洞周塑性区的分布范围转移到了墙角处，因此，施工过程中墙角成为施工中的薄弱部位，应该对该部位的安全加以重视。（２）在“先拆中壁”工况下，最大塑性应变值出现在右上断面开挖以及中壁拆除后，应变值达到０．００１１７；而在“后拆中壁”工况下，最大塑性应变值也出现在右上断面开挖后，但由于中壁的支撑作用，应变值只有Ｏ．０００６９，仅为“先拆中壁”工况最大塑性应变值的５９％，而且塑性区明显要小一些，从而又一次证明中壁对保持围岩整体稳定性的重要作用。４．７数值模拟计算结论针对三台阶分步平行开挖法、ＣＤ工法两种不同的工况的施工方法，对整个施工工序过程中围岩位移场、应力场以及围岩塑性区的研究分析，得出以下主要结论：（１）三台阶分步平行开挖法在施工过程中引起的拱顶沉降明显小于ＣＤ工法，这对保持围岩的整体很有利，尤其是在浅埋、软弱岩层中就显得更加重要。因此，建议在浅埋、软弱岩层中修建大跨隧道优先采用三台阶分步平行开挖法。（２）在采用三台阶分步平行开挖工法中，上台阶的施工对隧道的整个变形量起着决定性的作用，所以在施工时采用超前预支护来控制围岩的变形；同时，仰拱的位移量大予拱顶下沉量，这应值得我们注意，在施工过程中如围岩变形过大时，应设置临时仰拱。（３）在ｃＤ工法中，中壁是一个很重要的受力构件，它的拆除时机直接影响到整个洞室的稳定性。因此，建议在整个洞室开挖完毕后，支护结构形成整体闭合环以后再拆除中壁。（４）整个施工过程中，在开挖轮廓突变的部位容易出现明显的应力集中，并形成一定的塑性区，对整个围岩的稳定产生不利的影响。所以在隧道开挖过程中以及结构设计时，尽量使开挖轮廓或支护结构圆顺。（５）围岩、锚杆和初期支护共同组成承载体系，一方面可分散作用在喷混凝土上的外力，使隧道周边的裂隙的抗剪能力加强，防止掉块，可在壁面形成拱壳：另一方面支护体系可约束围岩的变形，给以内压，使围岩保持三维的应力状态，保证了围岩的整体稳定性。西南交通大学硕士研究生学位论文第４８页第５章浅埋、软弱围岩中大跨隧道的施工案例５．１工程概况靠椅山隧道位于京珠高速公路主干线，广东省翁源县境内甘塘至翁城段，北起铁龙丘屋村东南山麓，南至新江凉桥管理区西南山脚，走向ＮＥｌ２５。。该隧道为上下行分离的六车道高速公路隧道，左、右两线隧道横穿靠椅山，一般埋深约１５～２００Ⅲ，最大埋深约４ｌＯｍ，最大开挖宽度１７．０４ｍ，最大开挖高度ｌＯ．３８ｍ。左线隧道进口里程为ＺＫｌ４４＋７４４，明洞长４６ｍ，明、暗洞交界处里程为ｚＫｌ４４＋７９０，全长２９８１ｍ：右线隧道进口里程为ＹＫｌ４４十７６６，明洞长１８ｍ，全长２９４９ｍ。５．１．１地质构造靠椅山相关地带区域构造处于Ｅｗ向大东山一贵东岩浆构造的南缘。受大宝山Ｎｗ―ＳＥ向棋盘格式构造影响，区域构造以断裂断块为主。主要构造线走向有ＮＥ―ｓｗ向及Ｎｗ―ｓＥ向和近Ｅｗ向。不同走向的构造或错、或截，形成棋盘格状、断块状构造。规模较大的Ｎｗ―ＳＥ向断层，呈舒缓波状，略具扭性，局部平移明显并使其走向有所改变。贯穿整个隧道的ＮＥ―ｓｗ向断层规模较小，但发育较密，以逆冲挤压断层为主，亦见张性断层，略具扭性。此类断层及其更低次序的小断层、柔褶带、主剪、挤压结构面，极易产生层问滑动或岩层剥落，对工程产生影响。已建的凉沙公路受其影响，多处出现坍塌、错落等道路地质病害。近Ｅｗ向断层往往为唧一ＳＥ向波状断层的局部错开或转向，其扭性较强。受棋盘格式构造断层的影响，沿线多处山体岩层构造带节理、裂隙发育，影响带内构造劈理、极密状共轭节理及羽状剪张裂隙均十分发育，局部因伴生牵引小褶皱，使岩层产状多变。这些特征对桥隧工程、路基深挖工程都带来一定的影响。靠椅山隧道洞体通过的地段发育一组ＮＥ向断层（Ｆｌ、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４）及一条Ｎｗ向断层（Ｆ５），破碎带宽度大小不等，胶结物较为松散，有一定的渗水现象，特别是Ｆ３附近隧道拱顶易产生坍塌，并可能有较大的渗漏水。本区自古生代以来经历了加里东、燕山、喜马拉雅山等多项及多种性质的构造运动，加之新华厦系构造的出现，造就成一幅构造性质错综复杂的构造图。在燕山期之后，地壳运动渐趋稳定，路线附近未发现区域性深大断裂，新构造运动微弱，地壳基本稳定。李屋拦泥坝水库北岸断块被丘坝岩体南推，断块南缘继而产生逆断层，其次级构造多横穿或斜穿路线地带。西南交通大学硕士研究生学位论文第４９页５．１．２岩浆活动路线邻近地带的岩浆活动频见于燕山期，对线路方案有影响的为第三侵入期、次英安斑岩北邻之丘坝岩体的主技、余枝。主枝余浆顺构造线南下，使松树栋一林排石一带岩层节理、层面多被岩脉充填，并产生张性，也使粉砂岩、页岩等泥质成分较重者蚀变严重，抗风化性进一步降低。岩浆活动产生的水平力使先期断层被追张、推扭。余枝徐屋岩体侵入产生的直接推力使先期断层错移，产状复杂，岩层节理张化。５．１．３地层岩性沿线出露及揭露地层岩性由老到新有：中下泥盆统桂头群（Ｄ。。）的砂岩、石英砂岩及粉砂岩、夹薄层页岩，主要分布在靠椅山隧道中部至出口处；中泥盆统棋梓桥组（Ｄ。。）的泥质粉砂岩、砂质页岩、泥质灰岩、白云质灰岩，零星分布在靠椅山隧道出口及其以南蕉叶陂一带；上泥盆统天子岭组（Ｄ。。）的厚层灰岩，分布于阳河南岸；上泥盆统帽子峰组（Ｄ。）的页岩、粉砂岩、砂岩，分布于五龙岭及其东侧山嘴：下石炭统岩关阶孟公坳组（ｃ。，。）的页岩、泥质灰岩，分布于阳河西岸梅岩塘水库以南；下石炭统大圹阶（ｃｕ）：下段为中厚层灰岩，中段为砂岩、页岩、炭质灰岩夹煤层，上段为燧石灰岩、砂岩，分布于靠椅山隧道进口至中部一带；第四系冲洪积、残坡积砂砾、粘土及人工堆积饱和粉砂、松散土石等，分布于路线的河谷、河滩、阶地及山间盆地中心。靠椅山隧道洞体所穿的岩性有：砂岩、页岩、灰岩、炭质灰岩夹煤层。５．１．４水文地质条件５．１．４．１地表水本地区降雨量丰富，溪沟发育有多条溪沟横穿隧道顶部，一些溪沟常年有水。另外，还有多处泉水分布，由于地层渗透系数大，地表水、溪水形成潜流，使土体含水量达到近饱和状态，强度低，对工程造成极大的危害。５．１．４．２地下水对线路路基影响较大的有第四系孔隙泉水，受水位和季节变化的影响明显。赋存于砂岩、粉砂岩、页岩的风化裂隙水及构造裂隙中的基岩裂隙水，对路基边坡工程有一定的影响。对靠椅山隧道和其它中小隧道工程影响较大的有岩溶裂隙水和构造脉状裂隙水。由于受断层和灰岩溶洞的影响，地下水主要接受大气降雨的补给和沿构造线纵向补给径流，集中在含水层与隔水层的界面和断层附近。具有分解侵蚀性的李屋拦泥坝库区内的污水可能借助既有断层及其次级构造，强化水力联系，使靠椅山隧道水文地质条件恶化。西南交通大学硕士研究生学位论文第５０页５．１．５不良地质５．１．５．１岩溶设计路面上和拱部附近存在大量各种不同类型的溶洞、溶槽，特别是存在无顶竖向洞穴和溶槽，极大危害工程和施工。５．１．５．２高地应力隧道最大埋深达４ｌＯｍ，通过地应力测量显示，构造残余应力大，往往造成拱顶下沉开裂，对隧道施工极为不利。５．１．５．３进口浅埋隧道进口左线长约２５ｍ，拱顶上覆土厚度只有１５ｍ～４５ｍ，进口右线长约４５ｍ，拱顶上覆土厚度１６ｍ～４２ｆ【Ｉ，均为浅埋段，且岩体风化严重破碎，对进洞施工和安全带来极大不利。５．２靠椅山隧道开挖方法的选择隧道旌工时，根据不同工程断面的形状、长度、工期、地质及周围环境等条件可选择相应的施工方西南交通大学硕士研究生学位论文第５１页５．３关键施工工序及辅助工法５．３．１关键施工工序靠椅山隧道的主要开挖和支护步骤如图５．２．１所示（图中数字为隧道开挖顺序）。具体工序为：进行管棚施工并注浆加固拱圈岩层一开挖上半断面并进行初期支护一开挖左中断面并进行初期支护一开挖右中断面并进行初期支护一开挖左下断面并进行初期支护一开挖右下断面并进行初期支护一浇筑仰拱混凝土一进行隧道二次衬砌施工。５．３．２管棚的施工５．３．２．１测定孔位及钻孔（１）管棚方向控制措施①准确计算管棚外插角关于外插角的具体计算方法，②设置导向墙在明洞衬砌外缘施作Ｃ２５级混凝土套拱（拱厚８０ｃｍ），作为管棚施工的导向和固定设施。套拱内按间距６０ｃｍ埋设４榀２０ｂ型工字钢拱架，管棚的孔口管（内径１１９ｍｍ）用西２５钢筋固定在钢拱架上，三者之间均用双面焊接。这里需注意，孑Ｌ口管的方向一定要按计算结果准确安放。③控制钻头的下挠对于控制钻头钻进中因其自重产生的挠度的控制，根据工程类比，采取一’了如下措施：ａ、适当加大拱顶部分管棚的外插角，加大值根据围岩情况和注入的浆液强度确定。ｂ、采取“前进式”注浆加固围岩、钻孔顶管，尽力使围岩的承托力加大以减小钻头的下挠。ｃ、调整钻孔顺序，严格按从两侧拱脚开始对称顺序向拱顶钻孔顶管，使下部注浆体有力地支托其上部的钻进和顶管。④注意事项ａ、套拱工字钢的拱架必须制作精确，不准出现正误差，负误差也需控制在３ｍｍ以内，在运输过程中严防其变形；ｂ、安放工字钢拱架时，底厦要铺垫２０ｃｍ厚的混凝土垫层，其作用一是防止拱架下沉，二是便于放线定位，故要求垫层的平整度应在２ｍｍ以内；ｃ、对安放好的钢拱架必须仔细检查，以确保其位置准确，孔口管的位置必须调正并焊接牢固，尽量减少累计误差；ｄ、导向墙混凝土施工时，必须对称灌注，以避免拱架变形而影响孔口管的方向：西南交通大学硕士研究生学位论文第５２页ｅ、钻孔作业需在导向墙混凝土的强度达到设计强度的７０％后进行。（２）钻孔①钻孔前先检查钻机各部位运转是否正常，对非正常部位进行更换，检查水压能否达到施工要求；钻孑Ｌ时必须按设计位置开钻，如设计位置开钻困难时，采取辅助措施；②钻孔根据情况确定是否加泥浆或水泥浆钻进，当钻至砂层易坍孔时，应加泥浆护壁方可继续钻进；如坍孔较严重时，可加水泥浆或化学浆液护壁继续进行；如不能成孑Ｌ时，可加套筒或将钻头直接焊在钢管前端钻进。③钻孔速度应保持匀速，特别是钻头遇到夹泥夹沙层时，控制钻进速度，避免夹钻现象。④为避免钻杆太长钻头因自重下垂或遇到孤石钻进方向不易控制等现象，开钻上挑角度就控制在３。～５。之间，并随时检查角度值和钻进方向。５．３．２．２安设管棚、钢筋笼①钻孔好后及时安设管棚钢管，避免出现坍孔。②钢管安装困难时，可用卷扬机反压顶入或用其它方式将钢管顶至设计位置。③钢管和钢筋笼应在场外先行预制加工，到篪工场地后再接长。④钢管逐节顶入，采用丝扣连接，保证钢管间的连接强度；钢管安装到位后，再将钢筋笼放入钢管内，钢筋笼采用焊接连接，焊接长度满足规范要求。⑤及时将钢管与钻孔壁问缝隙填塞密实，在钢管外露端焊上法兰盘，并检查焊接强度和密实度。５．３．２．３管棚注浆（１）注浆参数设计①注浆材料及配合比：注浆浆液采用水泥一水玻璃双液浆，水泥采用普通硅酸盐水泥，水玻璃采用Ⅱ型水玻璃，体积质量为１．２５９／ｃ一，水玻璃浓度为３５Ｂｅ。，水泥浆液水灰比为（０．６：１）～（１：１），水泥与水玻璃浆体积比为ｌ：Ｏ．５。②注浆压力：Ｏ．５～１．２ＭＰａ；③浆液扩散半径０．３ｍ；④单根钢管注浆量：Ｑ＝玎?ｒ２工＋。玎?Ｒｆ２三７７筇式中：，――铜管半径，Ｏ．１０８／２＝Ｏ．０５４ｍ；Ｌ――钢管长度，考虑与钻机连接，取２４ｍ：月――浆液扩散半径，取Ｏ．３ｍ；珂――地层孔隙率，洞口岩层经测试为１１％；口――浆液有效充填率，取Ｏ．９；口――浆液损耗系数，取１．１５。
西南交通大学硕士研究生学位论文第５４页锚杆为全长粘结型锚杆，杆体为毋２２ｍｍ的２０ＭｎＳｉ螺纹钢筋，长度为３．０ｍ或是３．５ｍ，间距Ｏ．８～１．Ｏｍ，梅花形布置，径向施作。各台阶初期支护连接处左右均需设不少于两根锁脚锚杆，确保初期支护不失稳。钢筋网为妒８ｍ或毋６ｍｍ钢筋焊接而成，网格为２０ｃｍ或２５ｃｍ。钢筋网应随受喷面的起伏铺设，其间隙不大于３ｃｍ，钢筋网应与锚杆体连接牢固。（３）安装钢架钢架是软弱围岩中初期支护的重要组成部分，严格按设计使用及按设计要求加工制作和架设。拱部单元钢架架设施工：首先进行施工放样，确定钢架基脚位置，然后铺设［２５ａ槽钢垫板，旅作定位系筋，最后架设钢架，设纵向连接筋。墙部单元钢架架设施工：墙脚部位铺设［２５ａ槽钢垫板，施作定位系筋；对应拱部单元钢架位置架设墙部单元钢架，栓接牢固；设纵向连接筋。施工注意事项：①为保证钢架置于稳固的地基上，旌工中应在钢架基脚部位预留足够的坚实地基，架立钢架时挖槽就位。②铜架平面应垂直于隧道中线，其倾斜度不大于２０；钢架的任何部位偏离铅垂面不应大于５ｃｍ。③为增强钢架的整体稳定性，应将钢架与纵向连接筋、结构锚杆、定位系筋和锁脚锚杆焊接牢固。④钢架连接接头要连接牢固。拱脚部位易发生塑性剪切破坏，故该部位接头除栓接外，还应匹ｆ面帮焊，确保接头的刚度和强度。条件允许时，接头最好采用角钢连接板，便于混凝土全面握裹。⑤当钢架和初喷层间存在较大间隙时要设骑马或楔形垫块顶紧围岩；钢架与围岩的间距不应大于５ｃｍ。（４）施作拱部超前支护和二次喷射混凝土拱部按设计技术参数施作下一循环超前支护，并把该支护尾端焊在钢架上。分层喷射混凝土到设计厚度，每层５～６ｃｍ厚；钢架保护层不小于２ｃｍ。整个喷射混凝土表面要平顺。（５）监控量测、修正支护参数严格按设计要求进行拱顶下沉和周边收敛位移量测，通过监控量测的信息反馈，及时调整支护参数，以保证衬砌结构的安全。监控量测中应注意：①为取得开挖后围岩早期状态变化数据，各项测点应尽量靠近开挖面布置（不大于２ｍ），在爆破后２４ｈ内或下次爆破前，读取初次读数。②周边收敛、拱顶下沉及地表下沉各项测点应尽量集中断面布设，以便量测成果的协调分析、综合运用。③量测时，应先把钢尺拉出（拉出长度稍长于量测基线）停放２０秒，以使钢尺温度与环境气温相差达到基本一致。（当在同一洞口内连续量测若干断面，且环境气温相差不大时，可连续量测）。西南交通大学硕士研究生学位论文第５５页④采用台阶法开挖时，当下半断面开挖至上半断面的量测断面时，量测频率应适当增加。５．３．４仰拱施工拱墙初期支护施工完成后，要及时左右错位跳挖仰拱，安装仰拱钢架，进行混凝土仰拱施工，使初期支护尽早闭合成环构成稳固的初期支护体系，并为施工运输创造良好环境。５．３．５二次衬砌混凝土施工采用可调式防水层作业专用台车按设计材料和技术参数施作防水层，铺设时要采用无钉孔工艺，并视初期支护的平整情况，将防水板留一定的富余量，以防止过紧而被混凝土挤破。混凝土衬砌采用全断面液压钢模衬砌台车、泵送混凝土灌注。混凝土生产采用自动计量拌合机拌合，混凝土输送车运输。要左右对称地灌筑，防止台车偏移。设置制式挡头模板，确保施工缝处混凝土质量。５．４工法技术特点及效果分析５．４．１工法技术特点（１）施工空间大，可以引入大型旎工机械多作业面平行施工，工效高；部分软岩地段可以采用反铲挖掘机直接开挖下半断面，减小了对围岩的扰动。（２）在地质结构复杂多变、软硬围岩相问的隧道施工中，便于灵活及时地调整施工方法，进度稳定，工期保障性强。（３）能适应不同跨度和多种断面形式，没有需拆除的临时旌工支护，节省投资。（４）爆破施工可以分成多个作业面进行，分散爆破既减少了对围岩的扰动，又充分利用了时间空间，还增加了爆破临空面，降低了炸药消耗。（５）混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及早闭合成环承载，且改变了洞内作业、运输环境。（６）全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌，确保了混凝土衬砌施工质量，运营病害少。（７）无需增加特殊设备，投入少，操作性强，易推广。５．４．２适用范围及效果分析５４２．１适用范围西南交通大学硕士研究生学位论文第５６页本工法适用于公路、铁路Ⅳ一Ⅵ级岩的隧道：对大跨度地下工程及其他交通通道工程亦有参考价值。在断层带、破碎带及富水地层中，采取大管棚、迈式注浆锚杆和小导管预注浆固结、止水等技术措施后亦可适用。５．４．２．２效果分析（１）本项施工技术为大跨度软岩公路隧道机械化施工积累了成功的经验。（２）灵活的开挖与支护手段及相应的技术措施适应了地质变化，真正做到“岩变我变”，有效地保证了隧道施工的安全。（３）在靠椅山隧道施工中，此法与双侧壁导坑法相比，可节省大量临时钢架施工支护费用，减少了投资。单洞双车道隧道的Ⅲ级围岩条件下，与全断面施工法相比，仅爆破钻眼和炸药两项费用每延米即节约１０００多元。在软岩地段采用采用此法，缩短工期约５０天。隧道按期完成，并节约投资近６０万元。综上所述，三台阶分步平行开挖法在大跨度、软岩隧道施工中，能够缩短工期，保证隧道按期完成，节约投资，具有极高的推广价值。
西南交通大学硕士研究生学位论文第５９页参考文献［１］陈毫雄、殷杰．隧道工程［蜘．北京：中国铁道出版社，１９９５．［２］张进华，大跨公路隧道施工过程空间力学效应研究［Ｄ］，长沙：湖南大学硕士学位论文，２００２．［３］王文权．大跨软岩地铁随道施工方法研究［Ｄ］．成都：西南交通大学硕士学位论文，２００２．［４］刘洪洲．大跨度扁平公路隧道的建造方法探讨［Ｊ］．西部探矿工程，１９９９，ｌｌ（６）：１３～１７．［５］徐干成，白洪才，郑颖人等．地下工程支护结构［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００２．［６］关宝树．隧道力学概论［Ｍ］．成都：西南交通大学出版社，１９９３．［７］李志业，曾艳华．地下结构设计原理与方法［Ｍ］．成都：西南交通大学出版社，２００３．［８］吴家龙．弹性力学『Ｍ］．上海：同济大学出版社，１９９３．［９］关宝树．隧道工程施工要点集［Ｍ］．北京，人民交通出版社，２００３．［１０］徐芝纶．弹性力学简明教程［Ｍ］。北京，高等教育出版社，１９８０．［１１］Ｙｏｉｃｈｉ，ＨａｎｄＹａｍａｓｈｉｔａ，Ｒ．，ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＣａｖｅｒＩｌｓ，ＦｉｆｍＩｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎＮｕｍｅｒｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓａ１．，ＳｏｍｅａｉｎＬ１２］Ｂａｉ，Ｓ．，ｚｈｕ，Ｗ＇，ｅｔＲｏｃｋＧｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｎａｇｏｙａ．１９８５，１２０１～１２０６．ＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓＰｒｏｂｌｅｍｓＲｅｌａｔｅｄｔｏｈｒｇｅｗｉｔｈＨｉｇｈＲｏｃｋｓｔｒｅｓｓ，５ｔｈＩｎｔ．ＣｏｎｇＬｏｎＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＰｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎｉｎＲｅ舀ｏｎＭｅｃｈ．，Ｍｅｌｂｏｕｍｅ，１９８３．［１３］朱维申，何满潮．复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学［Ｍ］．一北京：科学出版社，１９９５．ｆ１４】ｃｒｏｕｃｈ，ｓ．Ｌ，ｓ０１ｕｔｉｏｎｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙｏｆｐｌａｎｅｅｌａｓｔｊｃｊｔｙｐｒｏｂｌｅｍｓｂｙｔｈｅｄｉＳｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．ｈｔ．Ｊ．Ｎ啪．ＭｅｔｈｏｄｓＥｎｇｎｇ（１０）．１９７６．［１５］王建宇．隧道工程的技术进步［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００４．［１６］朱维申，李术才，陈卫忠．节理岩体破坏机理和锚固效应及工程应用［御．北京：科学出版社，２００２．［１７］何满潮，景海河，孙晓明．软岩工程力学［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２．［１８］张顶立，王梦恕，高军等．复杂围岩条件下大跨隧道修建技术研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００３，２２（２）：２９０～２９６．［１９］霍卫华．软岩大跨隧道施工力学研究［Ｊ］．河北理工学院学报，２００４，１２６（１４）：６～ｌｏｏ．［２０］蒋树屏，刘洪洲，鲜学福．大跨度扁坦隧道动态施工的相似模拟与数值分析研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０００，１９（５）：５６７～５７２．［２１］刘洪伟，李建华．不同围岩条件下大跨隧道的旌工方案探讨［Ｊ］．地质与勘探，２０００，３６（５）：９ｌ～９４．
西南交通大学硕士研究生学位论文第６１页［４２］蒋树屏，胡学兵。云南扁平状大断面公路隧道施工力学响应数值模拟［Ｊ］．岩土工程学报，２００４，２６（２）：１７８～１８２．［４３］朱合华，丁文其．地下结构施工过程的动态仿真模拟分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９９，１８（５）：５５８～５６２．［４４］刘建鹏，李远．京承高速公路何家沟隧道围岩稳定性数值模拟分析［Ｊ］．隧道建设，２００５，２５（增）：“～１４．［４５］王春生，周翠英．梅河高速公路隧道稳定性数值模拟［Ｊ］．中山大学学报（自然科学版），２００ｊ，１４４（儿）：３８～４０．［４６］张鹏勇，徐林生，杨君．通渝隧道进口施工动态开挖过程的数值模拟研究ｆ』ｊ．岩土工程技术，２００３，（３），ｔ５ｌ～１５４．［４７］徐林生，孙钧，蒋树屏．洋碰隧道ｃＲＤ工法施工过程的动态仿真数值模拟研究［Ｊ］．地质灾害与环境保护，２００ｌ，１２（１）：５８～６２．［４８］Ｋａｒａｎａｇｈ，Ｋ．ａｎｄＣｌｏｕｇｈ，Ｒ．ｗ．ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＥｌａｓｔｉｃＳｏｌｉｄｓ，Ｉｎｔ．』．Ｓｏｌｉｄｓ１３，１９７１．ＳＬｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｖ０１．７，ｌｌ～［４９］张俊儒，仇文革，高新强．新型铁路隧道洞门受力特征三维数值模拟分析［Ｊ］，现代隧道技术，２００４年（增刊），２９２～２９６．［５０］刘涛．精通ＡＮｓＹｓ［Ｍ］．北京，清华大学出版社，２００２．［５１］王勇，徐干成，乔春生．公路隧道数值模拟分析及衬砌安全性评价［Ｊ］．现代隧道技术，２００４（增刊）：３７０～３７４．［５２］林刚．连拱隧道施工力学行为研究［Ｄ］．西南交通大学［博士学位论文］，２００５．［５３］孙钧．地下工程设计与实践［砌．上海，上海科学技术出版社，１９９６．［５４］郑颖人，沈珠江，龚晓南．岩土塑性力学原理［Ｍ］．北京，中国建筑工业出版社，２００２．【５５】潘昌实．隧道力学数值方法【Ｍ】．北京：中国铁道出版社，１９９５．［５６］沈明荣，孔宪立．岩体力学［Ｍ］．上海，同济大学出版社，１９９９．［５７］王思敬，杨志法．地下工程岩体稳定性分析［Ｍ］，北京，科学出版社，１９８４．［５８］李生杰．特殊地质条件下隧道围岩稳定性分析及支护设计研究［Ｄ］．兰州铁道学院［硕士学位论文］，２００２．［５９］雷震宇，郭庆海，周顺华．大跨度浅埋暗挖隧道拆撑的数值模拟［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００５，ｌ（２）：２３７～２４】．
西南交通大学硕士研究生学位论文第６３页个人简历傅鑫彬，男，１９９２年考入长沙铁道学院土木系铁道工程专业学习，１９９６年毕业并获得学士学位，毕业以后一直从事施工技术工作，作为工程技术人员参与和承担的主要工程有：１、１９９６．７～１９９７．７，中铁十一局集团第三工程有限公司福建三明沙县机场工程指挥部工作，其间参与完成软基强夯处理，并参与撰写总结报告，由于工作出色实习期满，被指挥部任命为技术室主任。２、１９９７．８～２０００．１，调入中铁十一局京珠高速公路靠椅山隧道指挥部，任工程部助理工程师，主管质量工作，期问在《铁路地质与路基》杂志上发表论文两篇，并协助领导制定靠椅山隧道大塌方地表深孔注浆的处理方案。３、２０００年２月调入中铁十一局建安处金筠铁路工程指挥部工作，任工程部程长，负责娃娃沟隧道、关山隧道、沐滩抗滑桩、龙井大桥及南广河４号大挢等重点工程的技术质量管理工作，作为主要人员参与完成了山区深水桥梁基础双壁钢围堰施工技术及石灰岩溶蚀地区抗滑桩注浆固结流沙、降水开挖施工技术等高难度的施工方法，确保了工程的质量和顺利竣工。并撰写了两篇论文，其中一篇获得中铁建总公司优秀论文二等奖。４、２００３．６～２００４．７，任中铁十一局建安公司济焦项目部总工，解决了高速公路低液限亚粘土压实度施工技术难题，为工程的顺利开展，打下了基础，撰写的Ｑｃ成果获得中铁十一局集团有限公司优秀Ｑｃ成果二等奖。５、２００４．８～２００５．８，任中铁十一局建安公司朗川项目部项目副经理兼总工，主要解决了高原高寒地区砼施工质量及路基填筑质量控制问题。６、２００５．９～至今，调任中铁二十三局集团第四工程有限公司，任安全质量部部长。
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