摘要 在我國，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，隧道工程建設(shè)得到大力的推進，同時，我們也 看到了新的問題。由于地質(zhì)條件、地形條件、氣候條件和設(shè)計、施工、運營過程中各種 因素的影響，不少公路隧道襯砌背后的圍巖產(chǎn)生各種各樣的缺陷，導致隧道建成后，出 現(xiàn)各種各樣不同程度的病害，這給公路運輸帶來了安全隱患。 為了維護隧道的結(jié)構(gòu)安全，保證公路安全暢通，保護人民群眾的生命財產(chǎn)安全和地 區(qū)經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，本文利用模型試驗結(jié)合數(shù)值模擬的方法研究隧道拱頂襯砌背后和隧 道邊墻背后存在空洞或者破碎圍巖的情況下，襯砌在側(cè)壓力系數(shù)九為1 5 ，1 ，0 5 的應 力場中，其形變及產(chǎn)生病害的過程與特點，總結(jié)隧道襯砌破壞規(guī)律；另外，還探討了對 存在缺陷的圍巖處治后，隧道襯砌在不同應力場中的變形、形成病害直到完全破壞的過 程與特點，并評價處治方法對隧道極限承載能力的提升效果。 將本文成果反饋到隧道的建設(shè)和管理中，這為今后隧道病害處治的研究提供了借鑒 和參考，對減小隧道病害的危害，提高隧道運營的安全性，保障公路運輸?shù)耐〞承跃哂?重要的意義。 關(guān)鍵詞：隧道，空洞，破碎圍巖，模型試驗，病害處治 a b s t r a c t i no u rc o u n t r y , 、析t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , t h et u n n e lp r o j e c t h a sb e e nv i g o r o u s l yp u s h i n gf o r w a r d ，a tt h es a m et i m e ，w ea l s os e et h en e wp r o b l e m s d u et o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t e r r a i nc o n d i t i o n s ，c l i m a t e c o n d i t i o n sa n dd e s i g n ，c o n s t r u c t i o n ， o p e r a t i o np r o c e s so ft h ei m p a c to fv a r i o u sf a c t o r s ，m a n yr o a d ss u r r o u n d i n gt h et u n n e ll i n i n g b e h i n dt h er i s et ov a r i o u st y p e so fd e f e c t s ，l e a d i n gt ot h et u n n e lc o m p l e t e d ，l e a dt ov a r i o u s v a r y i n g d e g r e e so fd i s e a s e ，w h i c hh a sb r o u g h t t ot h er o a dt r a n s p o r ts a f e t y i no r d e rt om a i n t a i nt h es t r u c t u r a ls a f e t yo ft h et u n n e lt oe n s u r et h es m o o t hf l o wo fr o a d s a f e t y , t h ep r o t e c t i o no fp e o p l e sl i v e s ，p r o p e r t ya n dt h es t e a d yd e v e l o p m e n to fr e g i o n a l e c o n o m y , t h i sp a p e rc o m b i n e st h eu s e o fm o d e lt e s to ft h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h et u n n e lv a u l ta n dt u n n e ll i n i n gb e h i n dt h ew a l lb e h i n dt h ee x i s t e n c eo fe m p t yo rb r o k e n s u r r o u n d i n gr o c k , t h el i n i n go ft h el a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n t 九f o r1 5 ，1 ，0 5o f t h es t r e s sf i e l d ， t h ed e f o r m a t i o na n dp r o d u c t i o no fd i s e a s ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o c e s so fs u m m i n g u pt h el a wo ft h et u n n e ll i n i n gd a m a g e ；i na d d i t i o n , t h ee x i s t e n c eo f d e f e c t so nt h et r e a t m e n t o fr o c k , t h et u n n e ll i n i n ga td i f f e r e n ts t r e s sf i e l di nt h ed e f o r m a t i o n ，t h ef o r m a t i o no fd i s e a s e u n t i lt h ef u l la n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o c e s so fd e s t r u c t i o n ，a n dt oe v a l u a t et r e a t m e n t m e t h o d so nu l t i m a t eb e a t i n gc a p a c i t yo ft h et u n n e le f f e c to ft h eu p g r a d e i nt h i sp a p e r , t h er e s u l t sw i l lb ef e db a c kt ot h et u n n e lc o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n t ，t h i s t u n n e lf o rt h ef u t u r et r e a t m e n to fd i s e a s e sr e s e a r c ha n dr e f e r e n c ef r o mt h et u n n e lt or e d u c e d i s e a s eh a z a r d s ，t h et u n n e lo p e r a t o r st oi m p r o v es a f e t y , p r o t e c tt h ep a t e n c yo f r o a dt r a n s p o r ti s a l li m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：t u n n e l ，e m p t y , b r o k e nr o c k , m o d e lt e s t i i 論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明：本人所呈交的學位論文是在導師的指導下，獨立進行研究工 作所取得的成果。除論文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，對論文的研究做出重 要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本論文中不包含任何 未加明確注明的其他個人或集體己經(jīng)公開發(fā)表的成果。 本聲明的法律責任由本人承擔。 論文作者簽名： 論文知識產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明 年月日 本人在導師指導下所完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識產(chǎn)權(quán)歸屬學 校。學校享有以任何方式發(fā)表、復制、公開閱覽、借閱以及申請專利等權(quán) 利。本人離校后發(fā)表或使用學位論文或與該論文直接相關(guān)的學術(shù)論文或成 果時，署名單位仍然為長安大學。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 論文作者簽名： 導師簽名： 書樣 【 年月 日 年月 日 長安大學碩士學位論文 第一章緒論 1 1 概述 公路隧道作為高速公路快速發(fā)展不可或缺的地下工程，在世界各國尤其是發(fā)達國家 得到了廣泛的應用。在我國，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，隧道工程得到大力的建設(shè)。近 幾年，我國鐵路隧道和公路隧道分別以每年3 0 0 k r n 和1 5 0 k m 甚至更快的建設(shè)速度增長， 并且現(xiàn)已建成或正在修建的秦嶺終南山隧道( 1 8 2 k m ) 、大坪里隧道( 1 2 k m ) 、包家 山隧道( 1 1 2 k m ) 、雪峰山隧道( 6 8 9 0 m ) 、銅鑼山隧道( 5 1 9 7 m ) 、華鎣山隧道( 4 7 0 6 m ) 、 鷓鴣山隧道( 4 4 0 0 m ) 、泥巴山隧道( 8 0 0 0 m ) 等長大隧道彰顯了我國隧道建設(shè)的巨大規(guī) 模。在2 0 0 9 年，為應對國際金融危機的沖擊，兩會制定出臺了兩年4 萬億元的經(jīng)濟刺 激方案其中1 8 萬億的基礎(chǔ)建設(shè)投資，這拉開了我國有史以來最大規(guī)模投資建設(shè)的 序幕，公路隧道也將迎來新的建設(shè)高潮。 在這樣特殊的歷史條件下，隧道建設(shè)如火如荼的同時，我們看到了新的問題。由于 地質(zhì)條件、地形條件、氣候條件和設(shè)計、施工、運營過程中各種因素的影響，隧道襯砌 背后的圍巖生成各種各樣的缺陷譬如空洞、破碎圍巖、解理發(fā)育等，導致隧道建成后， 出現(xiàn)各種各樣不同程度的病害，相當一部分隧道甚至出現(xiàn)比較嚴重的病害，比如襯砌裂 損、變形、掉塊、隧道滲漏水、基底下沉和底鼓等。病害的存在會影響交通質(zhì)量，威脅 到隧道內(nèi)行車的安全，縮短公路隧道的維護周期和使用壽命。隧道內(nèi)多次發(fā)生因隧道襯 砌裂損、剝落、掉塊而導致嚴重的交通事故，對人民的生命財產(chǎn)安全和社會的經(jīng)濟發(fā)展 都構(gòu)成巨大威脅【1 ，2 別。 為了維護隧道的結(jié)構(gòu)安全，保證公路安全暢通，保護人民群眾的生命財產(chǎn)安全和地 區(qū)經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展，圍巖缺陷給隧道的結(jié)構(gòu)安全帶來巨大的隱患，對其進行及時合理的 處治是當今我國隧道建設(shè)面臨的一項重大任務(wù)。本文通過模型試驗結(jié)合數(shù)值模擬的方法 研究襯砌背后空洞和破碎圍巖對公路隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響，探討其病害形成的規(guī)律； 隨后，針對圍巖缺陷施以處治措施，治理病害，并評價處治措施對隧道安全性提升的效 果。這對于減小隧道病害的危害，提高隧道結(jié)構(gòu)安全性具有重要的意義。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1 公路隧道病害現(xiàn)狀 目前，我國高速公路隧道普遍采用新奧法設(shè)計施工技術(shù)，隧道主體結(jié)構(gòu)以錨噴支護 第一章緒論 和模筑混凝土復合襯砌結(jié)構(gòu)為主流形式。具體的隧道設(shè)計往往是直接根據(jù)圍巖分類，套 用經(jīng)驗進行設(shè)計，而對于深埋、偏壓及塑性地壓的隧道往往會因不適應實際應力場而發(fā) 生破損或破壞，從而產(chǎn)生一系列病害在施工過程中由于施工單位的技術(shù)水平和圍巖性質(zhì) 多變常產(chǎn)生超、欠挖。超挖回填往往不密實而在襯砌背后形成空洞，改變了襯砌的受力 狀態(tài)：欠挖則再次擾動圍巖。而且超、欠挖產(chǎn)生巨大的應力集中( 可達初始應力值的十幾 倍) 使圍巖產(chǎn)生較大的變形和位移，導致圍巖物理力學性質(zhì)的惡化，嚴重影響結(jié)構(gòu)的耐 久性。施工澆筑混凝土時容易產(chǎn)生二襯強度不足、二襯厚度不均，以及拆模過早產(chǎn)生裂 紋、混凝土本身缺陷等也會造成隧道結(jié)構(gòu)的破損、破壞和耐久性降低。國內(nèi)外均有因工 程病害而使隧道出現(xiàn)破壞，影響行車安全和中斷交通的報導【2 一。 關(guān)寶樹【4 5 】根據(jù)病害成因?qū)⒉『Ψ譃橥饬σ鸩『?、材料劣化病害、其他病害三大類?并根據(jù)形成機理將每類病害細分為若干小類，并對每小類病害的病害特征、形成機理、 病害具體形態(tài)等進行了詳細的定性說明。代高飛，鄭立煌4 7 】對目前隧道常見病害調(diào)查 的病害成因、特征都做了詳細的綜述與說明。佘健，何川【4 8 】等根據(jù)關(guān)寶樹文獻，將隧道 病害分成了豎直荷載、塑性荷載、偏壓坡面蠕動三類，并將該三類病害分成了四個等級， 并提出了不同等級的病害處治措施，并利用有限元方法對豎直荷載的治理方法進行了驗 證。黃鎮(zhèn)南【4 9 】通過對隧道的選址、地質(zhì)條件所致病害以及隧道遺留病害的成因分析，提 出病害的預防和整治措施。 1 2 2 公路隧道維護加固的研究現(xiàn)狀 在國外，高速公路發(fā)達的國家其公路建設(shè)及管理部門十分重視對隧道維護加固的基 礎(chǔ)和應用研究工作，在許多國家各級建設(shè)管理部門根據(jù)本地區(qū)或部門的特點，在開展大 量應用研究的基礎(chǔ)上，已形成制度性，建立了相應嚴格的章程。在法國和德國等隧道較 多的國家，采用地質(zhì)雷達、紅外線測試和光譜分析試驗等無損傷檢測技術(shù)對隧道襯砌進 行檢查已經(jīng)引起了隧道工作者越來越大的興趣。日本在近年組織進行了多項有關(guān)公路隧 道長期安全性評價和維護加固對策的專題研究，在此基礎(chǔ)上形成的公路隧道維護管理 便覽，對高速公路隧道的安全性評價和管理維護加固提供了重要的指導作用。 巴頓根據(jù)約2 0 0 座歐洲隧道資料為基礎(chǔ)進行統(tǒng)計分析，提出了圍巖分類和相應支護 結(jié)構(gòu)的建議【3 2 】。日本在大量分析隧道病害的基礎(chǔ)上，提出了隧道病害的典型形式，并對 隧道病害進行了分級，整理出了隧道變異對策設(shè)計手冊、隧道維修管理手冊等， 為隧道病害的分類及治理提供了大量有益的參考。 2 長安大學碩士學位論文 目前，國內(nèi)對于鐵路隧道有過一定的探索和經(jīng)驗，但對于公路隧道的整治還停留在 比較低的水平，不僅相對國外隧道工程的病害整治是比較落后的，就是與國內(nèi)其它工程 的病害整治相比也是比較落后的。 建成于1 9 7 2 年的襄渝線大巴山隧道，隧道選址區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件惡劣，褶皺、 斷層、節(jié)理和裂隙十分發(fā)育，僅穿越洞身的斷層就達3 3 條之多，加之隧道建設(shè)所處的 非常歷史時期，在設(shè)計和施工方面存在諸多欠缺，進而為今天的病害埋下了眾多隱患。 大巴山隧道運營3 0 余年后，病害十分突出，主要有洞身滲漏水、襯砌破壞、基底翻漿 冒泥等。有關(guān)部門曾于1 9 7 7 和1 9 8 4 年進行過兩次大規(guī)模整治，耗資巨大，但仍未徹底 根治，影響正常運營1 7 j 。因此對運營中的隧道維護加固工作的研究與應用顯得至關(guān)重要， 2 0 0 0 年鐵道部啟動對襄渝線的擴能工程，加大對其整治的工作力度。 1 2 3 模型試驗的研究現(xiàn)狀 米開朗基羅( m i c h e l a n g e l o ) 曾富有詩意地說過：“模型是最神圣的財富，可以授予 每一位從事建筑的人”。隧道構(gòu)筑過程是一個極為復雜的過程，在設(shè)計上還停留在半經(jīng) 驗的狀態(tài)，由于圍巖的千差萬別，存在各種非線性特征，圍巖的應力與位移發(fā)展規(guī)律至 今還未能很好地掌握。理論研究結(jié)果也還只能定性地采用。而隧道模型試驗由于其能夠 真實、全面、直觀、準確地反映地質(zhì)災害對隧道圍巖支護體系各方面的變化和影響，已 成為研究隧道病害的一個重要手段。它的理論基礎(chǔ)是相似理論，國內(nèi)外利用模型試驗進 行結(jié)構(gòu)研究的實例很多。如西南交通大學土木工程學院隧道與地下工程系進行了浙江金 麗溫連拱公路隧道綜合修建技術(shù)研究的模型試驗、鐵山坪隧道模型試驗、雙洞小凈距隧 道設(shè)計施工關(guān)機技術(shù)研究模型試驗等，重慶交通科研設(shè)計院進行了隧道項部溶洞影響圍 巖穩(wěn)定性的模型試驗研究，淮南礦業(yè)學院建筑工程系地下工程結(jié)構(gòu)研究所進行了軟弱圍 巖復合式隧道襯砌模型試驗研究等。用模型試驗的方法對隧道及地下工程進行力學行為 方面的研究，國內(nèi)外已經(jīng)取得了不少的成績，其理論與方法已日趨完善。 1 模型材料 正確地選擇模型材料是能否正確模擬原型的關(guān)鍵，在地質(zhì)力學模型試驗發(fā)展的幾十 年里，國內(nèi)外的科研機構(gòu)開發(fā)出了各種配比的模型材料，它們具有不同的力學特性和優(yōu) 缺點，并且在實際應用中都取得了一定的成果。 意大利等國家的科研單位采用的地質(zhì)力學模型材料主要有兩類。一類是采用鉛氧化 物( p b o 或p b 3 0 4 ) 和石膏的混合物為主料，以砂子或小圓石作為輔助材料。另一類模型 3 第一章緒論 材料主要以環(huán)氧樹脂、重晶石粉和甘油為組分，其強度和彈模均高于第一類模型材料， 但是需要高溫固化，其固化過程中散發(fā)的有毒氣體也會危害人體的健康。 趙震英( 1 9 9 5 ) 【2 1 1 研制了采用砂、石膏作為主要材料，其余材料為添加劑的模型材 料。 韓伯鯉( 1 9 9 7 ) 1 2 2 開發(fā)了一種新型的模型材料，該材料的粗骨料使用加膜鐵粉和加 膜石英砂。加膜用的膠粘劑為氯丁橡膠溶劑，細骨料為重晶石粉，膠結(jié)劑為松香酒精溶 液。該相似材料的變形模量的范圍在6 0 - - 3 0 0 m p a 之間，屬于覆蓋面較廣的低彈模材料。 其容重的范圍在2 2 - - - 4 0 k n m 3 之間，屬于可調(diào)整的高容重材料。而泊松比的變化范圍為 0 2 2 - - 0 2 4 ，基本上保持不變，是一種較為理想的地質(zhì)力學模型材料。 馬芳平( 2 0 0 4 ) 2 3 】所在的清華大學水利系水電站課題組為了克服現(xiàn)有模型材料無法 模擬高容重材料、性質(zhì)不穩(wěn)定、容易生銹及成本過高的缺陷，經(jīng)過上千次試驗，研制成 功一種新型地質(zhì)力學模型材料n i o s 地質(zhì)力學模型材料。n i o s 模型材料中含有主料 磁鐵礦精礦粉、河砂、粘結(jié)劑石膏或水泥、拌和用水及添加劑，n i o s 就是這種材料主 要成分的英文縮寫。作為一種新型的地質(zhì)力學模型材料，n i o s 模型材料可以模擬較大 的容重，其彈性模量和抗壓強度等主要力學指標可以在比較大的范圍內(nèi)進行調(diào)整，配制 也比較方便，并且其物理化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，成本低廉，沒有毒性，對操作人員的身體 健康和環(huán)境沒有危害。 2 隧道模型試驗 6 0 年代，以e f u m a g a l l i 為首的專家在意大利結(jié)構(gòu)模型試驗所( i s i d e s ) 開創(chuàng)了工程地 質(zhì)力學模型試驗技術(shù)，試驗研究范圍從彈性到塑性直至最終破壞階段。 今田轍、豬熊明( 1 9 8 2 ) 【2 0 】取代傳統(tǒng)的二維模型試驗，進行了三維模型試驗以調(diào)查 隧道所受的外力以及隧道周邊地層中的應力狀態(tài)。試驗結(jié)果表明：如果使用適合的試驗 地層材料，對研究隧道土壓力問題是一個有效的方法，對于開挖面附近地層中的應力狀 況進行了區(qū)域劃分，記述了它們各自的特征，從概念上明確了應力重分布的機理。 王明年( 1 9 9 6 ) 2 5 1 通過大比例尺模型試驗與有限元相結(jié)合的方法對隧道仰拱的力學 行為進行研究。結(jié)果表明：隧道仰拱對提高隧道結(jié)構(gòu)的承載力，抑制圍巖內(nèi)塑性區(qū)的擴 展，約束隧道洞周位移的發(fā)展及提高襯砌結(jié)構(gòu)安全度等方面都有非常重要的作用。 蔣樹屏( 2 0 0 2 ) 2 6 】通過對某二車道公路隧道在3 種不同圍巖條件下的大型相似模型 實驗，研究了二車道公路隧道圍巖在隧道施工中的位移發(fā)展過程、隧道圍巖最終位移及 圍巖的穩(wěn)定性，并對依托隧道工程施工進行了指導。 4 長安大學碩士學位論文 王戍平( 2 0 0 4 ) 1 6 】應用相似理論，以重晶石粉、石英砂及凡士林為基材，對不同配 比( 重量比) 的合成材料進行了密度、強度、彈模及泊桑比的測定試驗。在成功選取基本 能模擬i 、i i 、i 類圍巖的合成材料后，采用不同密度的該合成材料設(shè)置了具有不同研 究內(nèi)容的8 個單拱隧道模型和4 個連拱隧道模型。通過模型試驗，對隧道圍巖的壓力場 分布、變形特征、襯砌壓力與支護時機的關(guān)系、施錨的效果、連拱隧道的開挖次序、連 拱隧道的合理斷面及破壞形態(tài)等作了較為深入的分析研究。采用特定的河砂作為模型材 料設(shè)置6 個模型，對圍巖的滲水力學問題進行了模擬。在此基礎(chǔ)上，提出了破碎圍巖單、 連拱隧道的合理開挖方法，并用三維有限元進行了數(shù)值分析。提出的破碎圍巖單、連拱 隧道施工方法，待試驗條件改善后，其合理性可通過模型試驗進行驗證。與此同時，破 碎圍巖的蠕變特性有待在模型上作進一步的分析研究。 林剛( 2 0 0 5 ) 【27 】以幾何相似比c l - 2 0 和容重相似比c 1 為基礎(chǔ)相似比，以圍巖類別 進行分組，實現(xiàn)在彈性范圍內(nèi)各控制性物理力學參數(shù)的全相似性，對圍巖特征、物性、 原始地應力場、支護結(jié)構(gòu)剛度和支護時機、開挖步驟進行了嚴格的相似模擬，完成了i i 、 、類三種圍巖，三導洞、中導洞半斷面和中導洞全斷面三種施工方法共9 組的連拱 隧道施工全過程相似模擬試驗；并對其中7 組施工結(jié)束后的結(jié)構(gòu)體系進行了安全性相似 模擬試驗；最后完成了i i 、類三種圍巖不同配筋率共7 組的二次襯砌長期安全性 相似模擬試驗。對雙向4 車道雙連拱公路隧道施工全過程、隧道建成初期系統(tǒng)安全性和 隧道長期安全性進行全面系統(tǒng)的研究。 蘭宇( 2 0 0 5 ) 【5 l 以室內(nèi)相似模型試驗的方法為主進行研究，室內(nèi)相似模型試驗按相 似理論對襯砌原有結(jié)構(gòu)、缺陷形式、加固結(jié)構(gòu)、地應力場等進行相似模擬。試驗在圍巖 條件下對隧道加載至隧道產(chǎn)生病害并對其采取相應的加固對策進行加固，加固后加載至 結(jié)構(gòu)破壞。通過隧道原有結(jié)構(gòu)和加固后結(jié)構(gòu)的承載能力評價相應維護加固對策的效果。 對高速公路隧道維護加固模型試驗結(jié)果的分析研究，得出了缺陷形式對隧道襯砌結(jié)構(gòu)承 載力的影響和隧道維護加固對策的適用性。 來弘鵬( 2 0 0 7 ) 1 1 】針對軟弱圍巖公路隧道理論研究不足的現(xiàn)狀，通過基于相似理論 的模型試驗、基于有限元理論的數(shù)值仿真、基于連續(xù)體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論、現(xiàn)場實測及理 論分析等手段對軟弱圍巖公路隧道結(jié)構(gòu)性能進行了全面系統(tǒng)的研究。系統(tǒng)開展了基于先 加載后開洞思路的不同應力場單拱、連拱隧道模型試驗，并對不同應力場軟弱圍巖公路 單拱、連拱隧道結(jié)構(gòu)進行了安全性評價，提出了簡單實用的軟弱圍巖公路隧道初始應力 場確定方法。 5 第一章緒論 1 2 4 數(shù)值分析方法研究現(xiàn)狀 隨著高性能電子計算機的出現(xiàn)、巖土介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系研究的進步以及計算技術(shù)的相當 完備，地下工程的數(shù)值仿真研究有了很大的發(fā)展。k u i h a w y ( 1 9 7 5 ) 用有限元法探討了 幾種因素對地下洞室受力變形的影響和開挖面附近隧洞圍巖的三維應力狀態(tài)，開始將力 學分析引入非連續(xù)巖體和施工過程的計算。進入8 0 年代以來，數(shù)值計算技術(shù)有了更快 的發(fā)展。h i s a t a k e ( 1 9 8 2 ) 利用邊界元方法分析淺埋隧道掘進引起的三維地面沉陷，考 慮了掘進速度和隧道開挖面位置的影響，由所得的分析結(jié)果提出了一個計算多層粘彈性 地層沉陷的簡便方法。1 9 9 7 年在德國漢堡召開的第四屆國際土力學與基礎(chǔ)工程會議上， 也介紹了一些用有限元方法對軟土隧道的計算分析工作。 我國學者在地下洞室及隧道結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真方面開展了大量的工作，并不遜于國際 水平，孫鈞等人進行了深層隧洞圍巖的粘彈塑性分析和大斷面地下結(jié)構(gòu)的粘塑性分析。 沈珠江用劍橋模型分析了上海地鐵隧道的土體位移。李世輝編制邊界元法程序?qū)鷰r的 穩(wěn)定性問題進行分析，而且運用系統(tǒng)科學的原理對圍巖的穩(wěn)定性影響因素分析、數(shù)值計 算評估和設(shè)計思想等方面進行了探索。 賴金星( 2 0 0 3 ) 2 8 1 應用有限元程序?qū)Χ丈剿淼肋M行了仿真分析，模擬其施工過程中 的受力性態(tài)，獲得了有關(guān)連拱隧道在施工過程中圍巖和支護體系的力學性狀，對影響隧 道受力和變形的因素進行了分析。找出施工過程中結(jié)構(gòu)受力薄弱部位和體系轉(zhuǎn)換過程中 的結(jié)構(gòu)位移量，為優(yōu)化軟巖連拱隧道的設(shè)計與施工提供依據(jù)和指導。 佘健( 2 0 0 4 ) 【2 卅以浙江省某高速公路連拱隧道為工程背景，應用a n s y s 有限元程 序?qū)ζ涫┕と^程進行了研究，得出隧道圍巖、噴混凝土、錨桿、中隔墻的應力應變、 位移隨施工過程的分布規(guī)律。另外，通過采用不同的支護方式和不同的開挖順序的模擬， 得出了應力、應變和位移的變化規(guī)律。 陳貴紅( 2 0 0 5 ) 3 0 1 采用有限元數(shù)值計算方法，進行連拱隧道中墻的受力分析研究。 結(jié)果表明：在中墻一定的情況下，兩側(cè)主洞的施工順序、支護情況、應力釋放系數(shù)對中 墻的最終受力影響不大；中墻軸力隨中導坑的擴大而減小，其中中導坑寬度影響較大； 中墻應力隨中墻厚度的增加而減小，但超過21 1 1 以后，減小幅度變得不明顯，說明一味 采用增加中墻厚度來確保中墻安全的做法是不合理的；在一定范圍內(nèi)，隨著埋深的增加 中墻受力增大；當埋深較大時，在中墻項部預留適當?shù)淖冃瘟?，可以有效減小中墻承受 的形變壓力。 王亞瓊( 2 0 0 5 ) 3 1 】以青海省丹東拉薩國道主干線煌源至倒淌河一級公路藥水峽1 4 6 長安大學碩士學位論文 和3 4 連拱隧道為研究對象，應用有限元程序，對隧道不同的施工方法進行仿真分析，模 擬其施工過程中的受力性狀，獲取有關(guān)連拱隧道施工過程中圍巖和支護的力學特性，提 出中導正洞臺階與導坑法，并進行仿真分析。 來弘鵬( 2 0 0 7 ) e l l 】建立有限元模型，采用不同加載方式，模擬不同應力場，對軟弱 圍巖公路單拱、連拱隧道施工過程中隧道圍巖位移和應力變化特征及其影響范圍進行了 詳細分析，并對襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形特征進行深入研究。 1 3 研究意義與研究內(nèi)容 1 3 1 研究意義 在隧道的施工過程中，因襯砌厚度不足、設(shè)計厚度與實際厚度存在差異、施工塌方 處理不徹底，或在隧道建成后，由于地應力影響、地質(zhì)條件惡化而導致在隧道襯砌背后 留有空洞或形成破碎圍巖帶的現(xiàn)象是比較普遍的，這給隧道的結(jié)構(gòu)埋下巨大的安全隱 患。 空洞作為隧道病害產(chǎn)生的主要原因之一，它使襯砌受到不均勻的荷載，不能產(chǎn)生充 分的地層反力，襯砌上邊緣容易發(fā)生開裂，導致失穩(wěn)、脫落，嚴重時會發(fā)生突發(fā)性崩塌， 因此處理隧道背后空洞對隧道的安全維護具有重大意義。 破碎圍巖是隧道病害產(chǎn)生的另一主要原因，它屬于軟弱圍巖的一種。由于強烈的地 質(zhì)構(gòu)造運動或風化作用造成巖體極度破碎，近乎散體。破碎圍巖的巖塊本身強度較高， 圍巖結(jié)構(gòu)面極為發(fā)育，相互交織，將巖體切割成碎屑、顆粒狀。隧道襯砌結(jié)構(gòu)形成之后， 破碎圍巖適應不了應力重分布作用而發(fā)生變形和破壞，引起巷道洞室周圍形成松動帶或 松動圈，給隧道的運營帶來極大的安全隱患【5 j 。 本文利用模型試驗結(jié)合數(shù)值模擬的方法研究襯砌背后空洞和破碎圍巖所導致的隧 道病害，總結(jié)其產(chǎn)生規(guī)律；并針對圍巖缺陷施以處治措施，評價其對隧道安全性提升的 效果。這對于今后隧道病害處治的研究具有借鑒和參考的價值，同時將本文成果反饋到 隧道的建設(shè)和管理中，對減小隧道病害的危害，提高隧道運營的安全性具有重要的意義。 1 3 2 研究內(nèi)容 ( 1 ) 模型試驗 本文采用p y d 5 0 平面應變?nèi)蚣虞d地質(zhì)力學模型試驗裝置進行隧道襯砌加載模型 試驗( 模型比例尺為l ：8 0 ) 。試驗基本內(nèi)容如下： 7 第一章緒論 1 分別研究隧道襯砌背后存在空洞和破碎圍巖的情況，以模型中直徑約3 厘米的 空洞模擬實際生產(chǎn)中直徑約2 5 米的空洞，以注入直徑約5 厘米洞室的石英砂來模擬實 際生產(chǎn)中直徑約4 米的破碎圍巖帶。 2 對于某一種圍巖缺陷( 空洞或破碎圍巖) ，討論其在襯砌不同的位置時拱 頂上方、邊墻背后，襯砌結(jié)構(gòu)在荷載作用下的受力變形特點。 3 針對一種的圍巖缺陷，當其在襯砌背后特定的位置，依次以側(cè)壓力系數(shù)九為1 5 ， 1 ，0 5 的不同應力場對隧道襯砌結(jié)構(gòu)進行加載，觀察其形變及產(chǎn)生病害的過程與特點， 同時采用d y b 1 型電阻應變式土壓力計來測量圍巖中的壓力，采用應變片量測襯砌的 切向應力，并總結(jié)隧道襯砌破壞規(guī)律。 4 試驗探討了對存在缺陷的圍巖處治后，隧道襯砌在不同應力場中的變形和受力 特點，并評價處治方法對隧道極限承載能力提升效果，這為保障隧道安全運營，選擇合 理的病害處治方案提供參考與借鑒。 ( 2 ) 數(shù)值模擬 為了彌補模型試驗的尺寸和試驗成本的限制，更清晰地把握隧道襯砌的彎矩和軸力 分布特點，本文通過基于有限元理論的數(shù)值仿真分析，利用大型通用有限元計算軟件建 立有限元模型。數(shù)值仿真的基本內(nèi)容如下 1 利用c a d 繪制數(shù)值模擬計算所需的幾何模型，將幾何模型導入a n s y s 中，對 幾何單元進行屬性分配。隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性體考慮，初次襯砌與二次襯砌 材料特性按均質(zhì)線彈性體考慮，假定其皆遵循d r u c k e r p r a g e r 屈服準則。 2 對幾何模型采用不同的參數(shù)的設(shè)置，分別模擬襯砌背后的空洞和破碎圍巖；同 時通過參數(shù)數(shù)值大小的調(diào)整，還可以模擬對缺陷圍巖的處治措施。 3 采用調(diào)整水平和豎直方向的荷載大小，依次模擬側(cè)壓力系數(shù)九為1 5 ，1 ，o 5 的 應力場，對隧道模型進行加載，得出各個工況下的模擬結(jié)果。 4 利用a n s y s 后處理程序，針對各個工況，提取隧道襯砌的軸力分布和彎矩分布， 結(jié)合模型試驗的結(jié)論綜合評價襯砌背后空洞和破碎圍巖對隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響以及 處治措施對隧道極限承載能力提升的效果。 8 長安大學碩士學位論文 第二章模型試驗的理論基礎(chǔ)與試驗準備 幾個物理現(xiàn)象相似，是指幾個物理體系的形態(tài)和某種變化過程的相似。通過對一種 現(xiàn)象的研究去了解與其變化的數(shù)學規(guī)律相同而物理性質(zhì)不同的另一種現(xiàn)象，稱為“模 擬”。 自1 8 4 8 年出現(xiàn)的相似第一定理，1 9 1 4 年相似第二定理以及1 9 3 0 年相似第三定理的 建立至今，相似理論得到了不斷的發(fā)展，日臻完善，為模型試驗研究奠定了扎實的理論基 礎(chǔ)。 以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗應該首先建立正確的相似關(guān)系，只有模型和原型保持 相似，才能由模型試驗的數(shù)據(jù)和結(jié)果推算出原結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)和結(jié)果。 2 1 相似理論【3 3 】 2 1 1 相似常數(shù) 如果表征一個系統(tǒng)中的物理現(xiàn)象的全部量( 如線性尺寸、力、位移等) 的數(shù)值，可由 第二個系統(tǒng)中相對應的諸量乘以不變的無量綱數(shù)得到，則這兩個系統(tǒng)的物理現(xiàn)象就是相 似無量綱又稱為無因次量，指沒有單位的物理量，這種物理量與單位制度( 公制或英 制) 無關(guān)。 若兩個彈性力學問題是力學相似的，以p 和m 分別表示原型和模型的物理量，c 表 示相似常數(shù)，則原型和模型都應滿足彈性力學的基本方程( 平衡方程、相容方程、物理 方程和幾何方程) 和邊界條件。將各物理量之間的相似比定義為如下關(guān)系： 應力相似常數(shù) 應變相似常數(shù) 位移相似常數(shù) 彈性模量相似常數(shù) 泊松比相似常數(shù) 體積力相似常數(shù) 材料密度相似常數(shù) 材料容重相似常數(shù) f ：工 、一o o _ c = 苦 ，一6 ， l 6 一百 c 。= 鼉 c p w i i t , , c ，= 孚 _ c = 苦 c y = 芒 9 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 第二章模型試驗的理論基礎(chǔ)與試驗準備 將以上各個相似比帶入彈性力學的基本方程，可求出各相似比之間的關(guān)系。其關(guān)系 式如下： c 。= c l c ， c 。= c 。c e c - = c 。 c u = 1 c 。= 1 ( 2 9 ) 2 1 2 相似第二定理 相似第二定理( 也稱作兀定理) ：當一個現(xiàn)象由1 1 個物理量，且這些物理量中含有k 個基本量綱則，這1 1 個物理量可以表示成相似準則冗l ，兀2 ，7 1 k 之間的函數(shù)關(guān) 系。 任意物理方程可以表示為： f 【x l ，x 2 ，”。，x n ) = 0 按相似第二定理有： f ( 兀1 ，兀2 ，加- k ) = 0 這樣，就把物理方程轉(zhuǎn)化為準則關(guān)系式，使問題得以簡化。當原型和模型相似時， 在對應點和對應時刻上的相似準則都保持同值，則它們的兀關(guān)系式也應相同，即： 原型f ( 兀1 ，兀2 ，7 l k ) p = 0 模型f ( 兀1 ，兀2 ，加一k ) m = 0 其中：n l m 邗1 p ，砣m 砣p ，l g , 9 u ( n - k ) m 邗( n - k ) p 下標p 表示原型；下標m 表示模型。 相似第二定理表明在彼此相似現(xiàn)象中，其相似準則不必利用相似指標導出，只要將 各物理量之間的關(guān)系方程式轉(zhuǎn)換成無量綱方程式的形式，其方程式的各項就是相似準 則。因為這一定理是1 9 1 4 年由美國學者白金漢首先提出，所以又稱為白金漢 ( j b u c k i n g h a m ) 定理。 2 1 3 相似第三定理 相似第三定理是前蘇聯(lián)人基爾皮契夫提出的。其內(nèi)容是：凡具有同一特性的現(xiàn)象，當 單值條件( 系統(tǒng)的幾何性質(zhì)、介質(zhì)的物理性質(zhì)、起始條件和邊界條件等) 彼此相似，且由 單值條件的物理量所組成的相似判據(jù)在數(shù)值上相等，則這些現(xiàn)象必定相似。 1 0 長安大學碩士學位論文 在保持幾何相似的前提下，兩個規(guī)模不同的系統(tǒng)保持相似的條件是，對應的無量綱 組合量保持對應相等，這些對應相等的無量綱組合稱為相似判據(jù)( 或稱相似準則、相似 準數(shù)、牛頓準數(shù)) 。 2 1 4 相似理論的應用步驟 ( 1 ) 通過分析研究對象，確定模擬試驗所需要方程和參數(shù)； ( 2 ) 根據(jù)相似第二定理建立相似準則； ( 3 ) 確定模型的幾何縮比； ( 4 ) 按照相似準則來設(shè)計試驗模型； ( 5 ) 試驗后用相似準則來處理試驗數(shù)據(jù)。 2 1 5 襯砌結(jié)構(gòu)相似理論 就襯砌結(jié)構(gòu)來說，對安全起控制作用的是抗彎能力和彎曲應變，因此模型相似應以 抗彎剛度為主。隧道襯砌結(jié)構(gòu)是一個彈性圓柱殼體結(jié)構(gòu)，既承受彎曲應力，又承受軸力。 彎曲變形和軸向變形的控制方程不相同，兩者適用的相似準則也不同。彎曲變形和軸向 變形情況下，模型試驗的相似準則如下： ( 1 ) 彎曲變形相似準則將襯砌殼體視為薄板結(jié)構(gòu)。設(shè)板的厚度為h ，x 和y 為橫截 面內(nèi)兩個互相垂直方向的坐標。在橫向均布力q 的作用下，薄板撓曲c o 滿足控制方程： 磐+ 2 宴+ 磐：旦 ( 2 1 0 ) 蘇4 敘2 卻2 。卻4 。k 尺：墨i( 2 1 1 ) 1 2 ( 1 一j u2 ) 式中，k 為板的彎曲剛度，e 為彈性模量，為泊松比。 設(shè)模型的縮尺比例( 模型比) c l = l n 。模型和原型都需滿足式( 2 1 0 ) ，經(jīng)推導可以 得到相似準則： 力，籃：墅生q( 2 1 2 ) 辦p 3毛( 1 一p ；) 由式( 2 1 2 ) 得到模型襯砌厚度的計算公式： = 魯麗e p ( 1 - 麗1 2 m ) 弘 ( 2 1 3 ) 刀也。l l 一：j ( 2 ) 軸向變形相似準則對于軸向承受均布力f 的情況，控制方程為： 第二章模型試驗的理論基礎(chǔ)與試驗準備 ：絲( 2 1 4 ) 尉 式中，為軸向變形量，a 為軸向截面積。推導得到相似準則為： 擰堡：墨( 2 1 5 ) h pe m 模型襯砌厚度的計算公式為： 死：生生( 2 1 6 - p ) = 一子 ) n m 以上得到隧道結(jié)構(gòu)在受彎曲和軸向荷載時的相似條件和模型襯砌厚度的計算公式。 當模型與原型材料一致時，兩種受力條件的相似準則同時得到滿足。當模型材料與原型 材料不同時，兩種相似準則不能同時滿足，因此按兩種準則計算的模型厚度不一樣。隧 道結(jié)構(gòu)彎曲變形是結(jié)構(gòu)安全的控制模式，應以彎曲變形的相似準則確定模型厚度和進行 模型設(shè)計，這樣則彎曲變形與原型是相似的。 2 1 6 破壞試驗地質(zhì)力學模型相似理論 原型與模型的完全相似，包括原型、模型在受力情況下的變形完全相似與直至破壞 結(jié)構(gòu)強度特性的相似兩個方面，其相似關(guān)系分別見圖2 1 【刪及圖2 2 【刪。 圖2 1 原型與模型材料的應力應變關(guān)系相似圖2 2原型與模型材料的強度線相似 當荷載超過某一數(shù)值時，巖體內(nèi)部有的點處于彈性階段，有的點處于塑性階段，也 有的點已經(jīng)開裂。因此，在模型上進行破壞試驗時，不僅要求在彈性階段模型的應力和 變形狀態(tài)與原型相似，同時要求在超出彈性階段后一直到破壞為止，模型的應力和變形 狀態(tài)也與原型相似。當超出彈性階段后，結(jié)構(gòu)物受到非單調(diào)荷載作用時，還應滿足殘余 應變相等的條件，即s ：= s ：，s o 為殘余應變。這種應變常包括時間因素的影響。如果變 形隨時間而變化( 如蠕變) ，則這種變形的研究就演變成流變力學問題。這時必須考慮 1 2 長安大學碩士學位論文 時間相似常數(shù)c 。 如設(shè)殘余應變相似常數(shù)為c 。= 魯，則綜上所述，彈塑性體的相似判據(jù)為： e e c ，= 1 ( 2 1 7 ) q = 1 ( 2 1 8 ) 貢2 而虧互 ( 2 1 9 ) 1 + 露一7 r u g c o = 1 ( 2 2 0 ) c a c , = 1 ( 2 2 1 ) c c = 1 ( 2 2 2 ) o， e 。= 1 ( 2 2 3 ) 由式( 2 1 7 ) ( 2 2 3 ) 可見彈塑性模型的應力應變關(guān)系曲線應有如下的關(guān)系： s 。= ， ( 2 2 4 ) 仃。= c o p ( 2 2 5 ) 大量巖體強度試驗證實，在多軸應力作用下，巖體的強度基本上服從摩爾一庫侖理 論或格利菲思強度理論。摩爾一庫侖理論和格利菲思理論的公式型式大致相同，只不過 推導的出發(fā)點不同。格利菲思把材料內(nèi)部隨機分布的缺陷視為橢圓形裂縫，并且認為一 旦縫邊上某點的最大拉應力達到理論強度值，材料即從該點開始發(fā)生脆性斷裂，從而建 立其理論公式： o 三) 。一4 e 【( 仃，) 。+ 聰】= 0 ( 2 2 6 ) 式中，為模型材料的抗拉強度；當( 仃，) ，= o 時，0 ；) 。相當于模型材料的凝聚力為氣。 根據(jù)修正的格利菲思理論可求出抗壓強度和抗拉強度的關(guān)系： 壬r m c ：，l ( 2 2 7 ) 1 + 鬈一無 式中，為模型材料的抗壓強度；六為內(nèi)摩擦系數(shù)。 設(shè)： 凝聚力的相似常數(shù)e = 乏 ( 2 2 8 ) 1 3 第二章模型試驗的理論基礎(chǔ)與試驗準備 抗壓強度的相似常數(shù) 抗拉強度的相似常數(shù)： ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 內(nèi)摩擦系數(shù)的相似常數(shù)： c ，= 等 ( 2 3 1 ) j 拼 把相似常數(shù)代入式( 2 2 6 ) 和( 2 2 7 ) 后可以得到如下判據(jù)： g g = 1 ( 2 3 2 ) c c r = 1 ( 2 3 3 ) g = l ( 2 3 4 ) g = l ( 2 3 5 ) 完全滿足上述相似判據(jù)的模型為完全相似模型。實際上，獲得完全相似模型很困難， 問題主要在于模型材料的丫m ，p m ，e m ，g ，m c ，g ，i ，厶，c r a ，6 ：，s ：等都是獨立的 物理量，因而選擇了一種模型材料后，它滿足了某個相似判據(jù)，并不一定能滿足其他的 相似判據(jù)。因此，破壞試驗只能滿足主要的相似判據(jù)，這樣的模型稱為基本相似模型。 從目前能采用的模型材料性能看，要求模型材料與原型材料的應力應變關(guān)系曲線始 終完全相似不易做到。因為巖體在破壞前局部進入塑性階段，其應力應變關(guān)系的影響因 素非常復雜，它與材料的種類、齡期、巖體的初始條件、荷載施加速度、作用時間等均 有關(guān)系。 2 2 模型材料選取 試驗模型，不僅要與原型幾何形狀相似，而且在模型試驗過程中所包括的各項物理 量或主要的物理量應與原型相似。對于原型材料混凝土、巖石來說，如果所研究的 問題僅限于彈性范圍內(nèi)的靜力學問題，一般說來模型材料的選擇不存在什么困難。如研 究的問題超出了彈性范圍直至破壞，顯然應考慮到各種材料混凝土和巖體的物理力 學性能及整個變化范圍。 地質(zhì)力學模型主要用于研究超過彈性范圍直至破壞階段的建筑物及周圍巖體的靜 力平衡問題，因此不同于的彈性模型試驗。它所研究的不是己知荷載作用下的某一狀態(tài)， 而是研究從荷載開始作用起，經(jīng)過彈性、彈塑性或粘彈塑性階段直至破壞的整個發(fā)展過 程。 1 4 嘭可墮群墨 肛 ， q q 長安大學碩士學位論文 在地質(zhì)力學模型試驗發(fā)展幾十年里，國內(nèi)外的科研機構(gòu)開發(fā)出了各種配比的模型材 料，他們具有不同的力學特性和優(yōu)缺點，并且在實際應用中取得了一定的成果。但是要 找到完全相似的模擬材料是十分困難的，般要根據(jù)所研究具體問題的性質(zhì)，尋找滿足 主要參數(shù)相似的材料。另外，研究滿足相似關(guān)系的模型是地質(zhì)力學模型試驗最主要的內(nèi) 容，正確地選擇模型材料是能否正確模擬原型的關(guān)鍵。如下表2 1 和表2 2 是國際和國 內(nèi)科研機構(gòu)研制成功的不同模型材料的配比及性能。 表2 1 國外一些地質(zhì)力學模型材料【3 4 】 研究單位 材料配比( 重量比) 材料的物理力學特性 或個人 重度抗壓強度變形模量e s ：r c 意大利加 莫結(jié)構(gòu)模石膏p i g ) 粉膨潤土 水 型試驗所1 os 5 一1 2 oo - 1 4 旬2 2 1 8 5 2 5 9 3 5 & 0 6 5o 7 7 一旬35 5 m o o o7 1 和1 0 0 0 ( i s m e s ) 巴頓石膏p b 3 0 4 粉砂及小米石 水 1 9 3 1 9 80 3 4 旬0 7 217 9 2 5 24 6 0 5 0 b a l t o n1 04 8 09 6 1 6 0 3 3 巧8 葡萄牙土木 石膏p b 3 0 4 粉鈦鐵礦粉 水 3 4 10 。4 62 0 0 牛5 8 7 工程研究所 1 o1 6 o3 1 9 4 8 ( l n e c ) 環(huán)氧重晶石粉 浮石粉固化劑甘油 水 2 3 蜊5 1 3 加41 1 5 m 之5 0 08 8 5 ，2 5 ( i s m e s ) 樹月旨 1 6 2 4 2 3 2 ，3 5 81 02 孓0 89 9 1 6 7 1 0- 2 4 4 8 表2 2 長江水科院重晶石粉和砂子不同配比的力學變形性能【3 4 i 配比重晶石粉砂子石膏水甘油重度抗壓強度r c變形模量 重晶石粉：砂 ( g )( g )( g )( g )( g ) ( k n m 3 )( 口a ) e s ( m p a ) 1 ：13 6 3 03 6 3 03 2 610 0 01 4 52 2 o 0 1 7 3 4 1 5 ：l4 3 6 02 9 0 03 2 61 0 0 01 4 52 3 0 0 1 9 3 5 2 ：14 8 3 02 4 3 03 2 61 0 0 01 4 52 3 70 23 6