武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著我國科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟的迅速發(fā)展，交通運輸、水利、水電、城市地 下交通及空間利用等，特別是近幾年蓬勃興起的高速公路建設(shè)，對隧道工程在 質(zhì)量上和難度上提出了更高的要求。大規(guī)模的地下工程建設(shè)促進了隧道修建技 術(shù)的進步，大量的錨噴支護工程實踐和巖石力學(xué)的迅速發(fā)展，導(dǎo)致了現(xiàn)代支護 理論的建立，在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了更為有效、合理的基于“新奧法( 新奧地利隧 道工程法) ”思想的設(shè)計施工方法?！靶聤W法”旌工一個基本要求就是根據(jù)現(xiàn)場 量測數(shù)據(jù)及時的判斷圍巖的穩(wěn)定情況，從而選取合理的支護參數(shù)和支護時間。 所以，研究隧道圍巖穩(wěn)定性判定對于更好的貫徹“新奧法”思想、做到施工信 息化和節(jié)約隧道的施工成本具有非常重要的意義。 本文以滬蓉高速公路宜( 昌) 至長( 陽) 段殷家?guī)r隧道施工監(jiān)測監(jiān)控項目 為依托，首先從理論上分析了隧道開挖過程中圍巖的力學(xué)特征和穩(wěn)定性判定的 判據(jù)，然后從數(shù)值模擬和現(xiàn)場測控兩個方面對該隧道開挖后的圍巖穩(wěn)定性情況 進行了分析，主要采用的技術(shù)手段有： l 、利用通用有限元計算軟件a n s y s 7 0 模擬整個隧道開挖過程，分析開挖 過程中的危險點和穩(wěn)定性測試的敏感點。 2 、采用先進的光纖光柵傳感器測試開挖后圍巖的應(yīng)變狀態(tài)，并利用彈性力 學(xué)有關(guān)理論導(dǎo)出由應(yīng)變到位移的反演公式，計算出由于開挖所造成的收斂位移 和收斂速率。 3 、根據(jù)灰色理論編寫了圍巖收斂位移的預(yù)測程序g m t u n n e l ，預(yù)測收斂 位移測試點的最終收斂位移。 4 、依據(jù)公路隧道施工技術(shù)規(guī)范( j t j 0 2 4 9 4 ) 和以上計算出的位移收斂 速率和最終收斂位移，有效地判定圍巖的穩(wěn)定情況。 該工程實踐證明，利用上述方法判定隧道圍巖的穩(wěn)定性具有準確可靠、簡 單實用等優(yōu)點。 本文從實際出發(fā)，所采用的程序及研究結(jié)論對以后其它的雙聯(lián)拱隧道的設(shè) 計施工有定的借鑒作用。特別是采用灰色系統(tǒng)的預(yù)測理論和方法以及利用測 試圍巖應(yīng)變反演隧道洞周相對位移的全新方法，為同類雙聯(lián)拱隧道旄工過程中 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 的圍巖穩(wěn)定性判斷提出了一種全新的思路和方法。 關(guān)鍵詞：隧道工程，圍巖穩(wěn)定性，數(shù)值模擬，監(jiān)控量測，灰色理論 i i 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h es c i e n c ea n dt e c h n i q u e ，c o m m u n i c a t i o n sa n d t r a n s p o r t a t i o n ，w a t e rc o n s e r v a n c y , t h ec i t yu n d e r g r o u n d t r a f f i ca n du t i l i z a t i o n u n d e r g r o u n ds p a c e ，e t c ，e s p e c i a l l yt h er a p i d l yd e v e l o p m e n t o f f r e e w a y c o n s t r u c t i o ni n r e c e n ty e a r si no u rc o u n t r y , p u tf o r w a r dt h eh i g h e rr e q u e s tt ot h et u n n e le n g i n e e r i n g o nt h eq u a l i t y t h el a r g e s c a l eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o nh a sp r o m o t e d t h eb u i l d i n gt e c h n o l o g yo ft u n n e l a n dag r e a td e a lo fb o l t i n g s h o t c r e t i n gp r a c t i c e s a n dt h en e wa c h i e v e m e n t so fr o c km e c h a n i c sh a v ee s t a b l i s h e dt h em o d e m s u p p o r t t h e o r i e s ，m o r ev a l i dc o n s t r u c t i o nm e t h o db a s e do nt h et h o u g h to fn e wa u s t r i a n t u n n e l i n gm e t h o d ( n a t m ) h a sa p p e a r e d ab a s i cd e m a n do f t h i sm e t h o di st oc h o o s e t h er e a s o n a b l ep a r a m e t e r sa n dc o n s t r u c t i o nt i m eo fs e c o n d a r yl i n i n g a c c o r d i n gt o j u d g i n g t h es t a b i l i t yo ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c kw i t ht h em o n i t o r i n gd a t a f o r s e e i n g o u tt h et h o u g h to ft h en a t ma n de c o n o m i z i n g p r o j e c tc o s t ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt o j u d g et h es t a b i l i t yo ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c ki nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e d u r e s r e l y i n g o nt h ey i n f i a y a nt u n n e lp r o j e c t , t h et u n n e ls i t u a t e do nt h ef r e e w a yo f h u ( s h a n g h a i ) 一r o n g ( c h e n g d u ) i nh e i b e ip r o v i n c e ，t h i sp a p e rp u t st h ee m p h a s e so n a n a l y z i n gt h es t a b i l i t yo ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c kw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n g t h em e a n so fr e s e a r c ht ob e a d o p t e di nt h i sp a p e rm a i n l yi s a sf o l l o w s ： 1 u t i l i z i n gt h es t r u c t u r ea n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s 7 0t oi m i t a t et h ec o u r s eo f t u n n e l se x c a v a t i n g ，w h i c hi so f g r e a tb e n e f i tt os e a r c hf o rt h es e n s i t i v ep o i n t o nt h es e c t i o no f s t a b i l i t yt e s t 2 t e s t i n g t u n n e l s u r r o t m d i n g r o c k ss t r a i nw i t h f i b e r - g r a t i n gg a u g e ，a n d a c c o r d i n gt os o m ek n o w l e d g eo f t h et h e o r yo f e l a s t i c i t yt oc a l c u l a t eo u tt h e c l e a r a n c ed i s p l a c e m e n to f t u r m e l 3 b a s e do ng r a y s y s t e m ，p r o g r a m m i n gt h es o f t w a r e ，w h i c hc a nb eu s e dt o f o r e c a s tt h ef i n a lc l e a r a n c ed i s p l a c e m e n to ft u n n e la c c o r d i n g t os o m ed a t ao f m o n i t o r i n g 。n a m e dg m - t u n n e l i l l 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 a c c o r d i n gt o t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sf o rc o n s t r u c t i o no f h i g h w a yt u n n e l ( j t j 0 4 2 - 9 4 ) ，i ti s e f f e c t u a lt oj u d g es t a b i l i t yo ft u n n e l s u r r o u n d i n gr o c kw i t ht h e c l e a r a n c ed i s p l a c e m e n ta n df i n a lc l e a r a n c ed i s p l a c e m e n to ft u n n e lt h a th a v eb e e n c a l c u l a t e do u t p r e v i o u s l y t h i s e n g i n e e r i n gp r a c t i c e h a ss h o w e dt h a tt h ea b o v em e t h o di s s i m p l ea n d f e a s i b l e ，t h er e s u l ta r er e l i a b l e a l lm e t h o d sa n dp r o g r a m sa d o p t e di nt h i sp a p e rc a n b eu s e dt ot h eo t h e rm u l t i - a r c h t u n n e l s e s p e c i a l l y ，t h em e t h o d ，c o m b i n i n gg r a y t h e o r yf o rf o r e c a s tt h et u n n e lf i n a lc l e a r a n c ed i s p l a c e m e n tw i t ht h et e c h n o l o g yo f t u n n e l s u r r o u n d i n g r o c ks t r a i nt e s tt o j u d g et h es u r r o u n d i n gr o c k ss t a b i l i t yp u t f o r w a r dan e w t h i n k i n ga n dm e t h o d f o rt h es i m i l a rt u n n e l s k e y w o r d s ：t u n n e l e n g i n e e r i n g ，s t a b i l i t y o ft u n n e l s u r r o u n d i n gr o c k ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n g ，g r a yt h e o r i e s i v 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位望塞 1 。1 問題的提出 第1 章緒論 隨著我國高速公路建設(shè)迅猛發(fā)展，公路隧道工程量猛增。在隧道施工中， 新奧法已經(jīng)成為公路、鐵路隧道修筑的最主要方法。該方法以巖體力學(xué)特性、 巖體變形特性以及莫爾學(xué)說為基礎(chǔ)，維護和利用圍巖的自穩(wěn)能力，并考慮到隧 道掘進時空間效應(yīng)和時間效應(yīng)對圍巖應(yīng)力與變形的影響，將錨桿和噴射混凝土 集合在一起作為主要支護手段，及時進行支護，以控制圍巖的變形與松弛，使 圍巖成為支護體系的組成部分，形成以錨桿、噴射混凝土和隧道圍巖三位一體 的承載結(jié)構(gòu)，共同支承山體壓力。 新奧法提出了與傳統(tǒng)方法完全不同的新概念和新觀點，指導(dǎo)著噴錨支護的 設(shè)計和施工，指導(dǎo)著構(gòu)筑隧道的全過程。因此，在隧道施工過程中，通過施工 監(jiān)測監(jiān)控，及時、準確地了解圍巖的變化情況，有效地判斷圍巖的穩(wěn)定性，對 合理選取隧道支護時間和優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)有著非常重要的作用；并能通過圍巖物 理量的變化采取相應(yīng)的措施，以預(yù)測冒頂、巖爆或坍塌等，其對預(yù)防工程事故 和保證工程質(zhì)量有著極重要的作用。 1 1 1 我國公路隧道的發(fā)展現(xiàn)狀 在上世紀8 0 年代前，我國公路建設(shè)很少設(shè)計長大隧道。改革開放以后，公 路建設(shè)步入快車道，為實現(xiàn)截彎、降坡，避免翻山越嶺相繼修建了一批長大 公路隧道。據(jù)不完全的統(tǒng)計資料表明：目前我國公路隧道已超過1 0 0 0 座，總長 度在2 5 0 k m 以上，而其規(guī)模已出現(xiàn)在成渝高速公路的中梁山特長隧道，單洞長 度在3 t o o m 以上、雙洞總長為6 2 6 3 m ；3 0 0 0 m 以上的隧道還有多座如焦晉高 速公路牛郎河、重慶大溪嶺、福建飛鸞嶺等隧道：四川二郎山隧道長度已接近 或突破4 0 0 0 m ，這些是單洞雙車道；而四川華鎣山隧道已達5 l o o m ，而滬蓉高速 湖北西正在修建隧道中的也有8 0 0 0 m 的特長隧道。京珠高速公路在廣東南嶺山 脈中的隧道，不僅數(shù)量多，有長、中、短隧道外，而且均為雙聯(lián)拱隧道，一般 系四車遭( 單向兩車道) ，還有六車道的( 雙向) 。由于這些超長隧道的機電、 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 通風(fēng)設(shè)施要求齊全，故其造價也很可觀”“。 在隧道施工建設(shè)中，尤其是在推廣新奧法( n e wa u s r i a nt u n n e l i n g m e t h o d ) 以來，我國修建隧道的長度、斷面與難度都是空前的，基本解決了長 大隧道的通風(fēng)、供電、運輸及穿越復(fù)雜地層等技術(shù)難關(guān)，達到了世界先進水平。 在巖石隧道施工中，光面爆破與錨噴支護技術(shù)仍是酋選的工藝技術(shù)，復(fù)合式襯 砌是普及性的支護工藝，監(jiān)控量測與信息反饋改變了人們設(shè)計與施工理念，并 越來越重視信息化設(shè)計與施工，并已成為今后隧道施工發(fā)展的方向。在新奧法 推廣的基礎(chǔ)上，人們開始重視挪威法技術(shù)，相信今后在中硬巖以上的巖體中將 得到推廣與普及。 隨著新技術(shù)、新工藝的推廣應(yīng)用，鉆爆法機械化作業(yè)線已得到普及，其中 裝運及襯砌機械化作業(yè)線己廣泛應(yīng)用。但是鉆孔工藝還處于半機械化作業(yè)階段， 全液壓鑿巖臺車還未廣泛使用鉆爆法仍是2 l 世紀巖石隧道主要的施工方法， 所以鉆爆法全機械化作業(yè)線必然是今后的發(fā)展方向。 我國全斷面掘進機法已經(jīng)開始應(yīng)用。自2 0 世紀8 0 年代在云南紅水河引水 工程中首次使用全斷面掘進機以來，先后在引黃引水隧洞工程、安康線上秦嶺 特長隧道、桃花鋪1 號隧道和磨溝嶺隧道等應(yīng)用全斷面掘進機法施工。但該法 在我國普及率很低，原因主要在于技術(shù)與經(jīng)濟因素o 3 。 1 1 2 公路隧道的特點 1 、斷面面積大 一般說來，公路隧道與鐵路隧道、水工隧洞相比斷面較大，雙車道公路隧道 的斷面可達8 0 m 2 左右。因此公路隧道圍巖受到擾動的范圍較大，其輪廓對圍巖 塊體的不利切割增多，圍巖的拉伸區(qū)與塑性區(qū)加大，導(dǎo)致施工難度增大。若公 路隧道位于土層和軟弱巖體內(nèi)，施工難度更大，通常需要采用特殊的施工方法 來建造。 2 、斷面形狀扁平 在滿足使用功能和施工安全的前提下，盡可能地降低工程造價是隧道設(shè)計和 施工的基本要求。由于公路隧道的建筑限界基本上是個寬度大于高度的截角 矩形斷面，在設(shè)計開挖斷面、襯砌結(jié)構(gòu)時，總是在保證施工安全和結(jié)構(gòu)長期穩(wěn) 定條件下，盡量圍繞建筑限界設(shè)計開挖斷面和凈斷面，因此，公路隧道的斷面 常設(shè)汁為形狀扁平的。 亟堡壟三盔堂堡主堂焦笙塞 一一一 扁平斷面的受力性能不好，容易在拱頂圈巖內(nèi)出現(xiàn)拉伸。由于巖土之類天然 材料抗拉強度較低，因此在旌工中隧道頂部容易崩落，威脅人身安全。 3 、運營通風(fēng) 機動車輛通過隧道時，將不斷地向隧道內(nèi)排放廢氣。特別對于那些較長及 特長隧道，必須采用適當(dāng)?shù)耐L(fēng)方式，將新鮮空氣隨風(fēng)流一起送入隧道，淡化 有害氣體，使其濃度降至安全指標(biāo)之內(nèi)。 4 、運營照明設(shè)備 高速行駛的車輛在白天接近并穿過隧道時，行車環(huán)境要經(jīng)歷一個“亮一暗一 亮”變化過程，司機的視覺在此過程中也要發(fā)生微妙的變化以適應(yīng)環(huán)境。為了 減輕通過隧道時司機的生理和心理壓力，消除車輛進洞時的黑框和黑洞效應(yīng)， 消除出洞的眩光現(xiàn)象，高等級公路上的隧道一般都根據(jù)具體條件，對隧道進行 合理有效的照明。 5 、防水要求高 在離等級公路上，車輛行駛速度比較快，如果隧道內(nèi)出現(xiàn)滲漏或路面溢水， 則會造成路面濕滑，不利于安全行車。特別時在嚴寒地區(qū)，冬季隧道內(nèi)的滲漏 水會在路面上形成冰湖，誘發(fā)交通事故。根據(jù)公路隧道目前的發(fā)展情況來看， 對防水工程的要求會越來越高”1 。 1 1 3 新奧法理論概述 新奧法是新奧地利隧道施工方法的簡稱，原文是n e wa u s t r i a nt u n n e lin g m e t h o d ( 簡稱n a t m ) 。它是奧地利拉布西維茲( l v r a b c e w i c g ) 教授等在長期從事 隧道施工實踐中，從巖石力學(xué)的觀點出發(fā)而提出的一種合理的施工技術(shù)，是采 用噴錨技術(shù)、施工測試等并與巖石力學(xué)理論構(gòu)成的一個體系而形成的一種新方 法。它不僅僅是一種設(shè)計方法，也不單純是一種施工方法，而是把兩者融為一 體的技術(shù)方法，是具體應(yīng)用巖體動態(tài)方面較完善的一個完整的力學(xué)概念，因而 被稱為“新奧地利隧道工程法”更為恰當(dāng)。1 。 新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)原理，其理論是建立在巖體力學(xué)特性、巖體變形特 性以及莫爾學(xué)說的基礎(chǔ)上，以維護和利用圍巖的自穩(wěn)能力為基點，并考慮到隧 道掘進時的空間效應(yīng)和時間效應(yīng)對圍巖應(yīng)力與變形的影響，將錨桿和噴射混凝 土集合在一起作為主要支護手段，及時進行支護以便控制圍巖的變形與松弛， 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 使圍巖成為支護體系的組成部分，形成以錨桿、噴射混凝土和隧道圍巖為三位 一體的承載結(jié)構(gòu)，共同支承山體壓力。新奧法構(gòu)筑隧道的主要特點是，通過多 種量測手段，對開挖后隧道圍巖與支護的現(xiàn)場進行動態(tài)監(jiān)測，及時反饋圍巖一支 護復(fù)合體的力學(xué)動態(tài)及其變化狀況，為二次支護提供合理的架設(shè)時機。它集中 體現(xiàn)在支護結(jié)構(gòu)種類、支護結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑時機、巖體壓力、圍巖變形四者的關(guān)系 上，貫穿在不斷變更的設(shè)計與施工過程中。通過監(jiān)控量測及時反饋的信息來指 導(dǎo)隧道和地下工程的設(shè)計與施工。新奧法提出了與傳統(tǒng)方法完全不同的新概念 和新觀點，指導(dǎo)著噴錨支護的設(shè)計和施工，指導(dǎo)著構(gòu)筑隧道的全過程。 為使圍巖與初期支護形成較穩(wěn)定的支承結(jié)構(gòu)，應(yīng)遵循以下原則： ( 1 ) 考慮巖體的力學(xué)特性。 ( 2 ) 在適宜的時機構(gòu)筑適宜的支護結(jié)構(gòu)，避免在圍巖中出現(xiàn)不利的應(yīng)力一 應(yīng)變狀態(tài)。 ( 3 ) 對于軟弱巖層，為使圍巖形成力學(xué)上十分穩(wěn)定的中空筒狀支承環(huán)結(jié) 構(gòu)，必須構(gòu)筑一個閉合的支護結(jié)構(gòu)。 ( 4 ) 由現(xiàn)場量測監(jiān)控圍巖動態(tài)，根據(jù)允許變形量求得撮適宜的支護結(jié)構(gòu)。 顯然，新奧法不同于傳統(tǒng)隧道工程中應(yīng)用厚壁混凝土結(jié)構(gòu)支護松動圍巖的 理論，而是把巖體視為連續(xù)介質(zhì)，在粘彈、塑性理論指導(dǎo)下，根據(jù)在巖體中開 挖隧道后，從圍巖產(chǎn)生變形到巖體破壞要有一個時間效應(yīng)，適時地構(gòu)筑柔性、 薄壁且能與圍巖緊貼的噴射混凝土和錨桿的支護結(jié)構(gòu)來保護圍巖的天然承載 力，變圍巖本身為支護結(jié)構(gòu)的重要組成部分，使圍巖與支護結(jié)構(gòu)共同形成堅固 的支承環(huán)，共同形成長期穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)。因此，其基本要點可歸納如下： ( 1 ) 開挖作業(yè)多采用光面爆破和預(yù)裂爆破，并盡量采用大斷面或較大斷面 開挖，以減少對圍巖的擾動。 ( 2 ) 隧道開挖后，盡量利用圍巖的自承能力，充分發(fā)揮圍巖自身的支護作 用。 ( 3 ) 根據(jù)圍巖特征采用不同的支護類型和參數(shù)，及時施作密貼于圍巖的柔 性噴射混凝土和錨桿初期支護，以控制圍巖的變形相松弛。 ( 4 ) 在軟弱破碎圍巖地段，使斷面及早閉合，以有效地發(fā)揮支護體系的作 用，保證隧道穩(wěn)定。 ( 5 ) 二次襯砌原則上是在圍巖與初期支護變形基本穩(wěn)定的條件下修筑的， 圍巖與支護結(jié)構(gòu)形成一個整體，因而提高了支護體系的安全度。 4 亟婆堡王叁望塑蘭蘭垡迨塞 ( 6 ) 盡量使隧道斷面周邊輪廓圓順，避免菱角突出。 ( 7 ) 通過施工中對圍巖和支護的動態(tài)觀察、量測，合理安排旖工程序，進 行設(shè)計變更及日常的施工管理。 1 1 4 新奧法的監(jiān)測監(jiān)控概述 施工監(jiān)測監(jiān)控工作是伴隨著施工過程進行的，是新奧法構(gòu)筑隧道中十分重 要的部分，它既監(jiān)視圍巖是否安全穩(wěn)定，又檢驗支護結(jié)構(gòu)是否合理。由于隧道 工程的受力特征及其復(fù)雜性，通過現(xiàn)場監(jiān)控量測來監(jiān)測圍巖與支護的穩(wěn)定陛， 應(yīng)用現(xiàn)場量測結(jié)果來修改設(shè)計、指導(dǎo)施工是成功的，是監(jiān)視工程設(shè)計與施工是 否正確的指針。大量工程實踐證明，量測手段配合其他量測工作，能使設(shè)計、 施工達到更滿意的效果，對提高工效、降低成本、保證安全均有非常重要的作 用州。 隧道施工周期較長、非確定因素較多、影響因素復(fù)雜，稍有不慎可能會造 成無法彌補的損失，輕則影響施工質(zhì)量，留下安全隱患，重則直接造成國家和 人民生命財產(chǎn)損失。新奧法量測工作的作用和目的，主要是為了掌握圍巖動態(tài) 和支護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，利用量測結(jié)果修改設(shè)計、指導(dǎo)施工；預(yù)見事故險情， 以便及時采取措施，防患于未然；為確保隧道安全提供可靠信息，為二次襯砌 提供合理的支護時機，并為進一步深化理論研究提供原始數(shù)據(jù)；同時積累資料， 為以后設(shè)計提供類比依據(jù)。在新奧法施工過程中，通過現(xiàn)場量測可以判斷圍巖 穩(wěn)定性，及早發(fā)現(xiàn)異常情況后可以及時采取措施，因而能保證安全施工。在隧 道長期運營過程中，還可以通過經(jīng)常性的量測來預(yù)測和監(jiān)視隧道的穩(wěn)定狀況。 現(xiàn)場施工監(jiān)測監(jiān)控的作用表現(xiàn)在： 監(jiān)測隧道的圍巖變形和應(yīng)力情況，為選擇合適的支護時機提供數(shù)據(jù)支持。 監(jiān)控新開挖隧道的變形位移，合理的選取隧道支護和襯砌結(jié)構(gòu)、優(yōu)化支護 結(jié)構(gòu)參數(shù)；并且能夠預(yù)測冒頂、巖爆或坍塌，可以為減少事故提供幫助。 有效的量測可以監(jiān)控隧道的走向，防止隧道的軸向偏移或彎曲。 量測錨桿的應(yīng)力損失情況。 對隧道施工及運營中的穩(wěn)定性、安全性、可靠性等做出評估。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 文獻閱讀綜述 i 2 1 隧道工程的發(fā)展趨勢 ( 1 ) 系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用 由于地下工程為復(fù)雜的巨系統(tǒng)，系統(tǒng)的不確定性，往往可采取兩種處理方 法，一為統(tǒng)計處理，求得統(tǒng)計數(shù)；二為采取模糊數(shù)學(xué)方法，求得出模糊數(shù)。統(tǒng) 計處理方法需要大量的歷史資料樣本：而采用模糊數(shù)學(xué)處理方法仍不免帶有主 觀性。而灰色系統(tǒng)理論則是一種簡便實用的方法“1 。 另外，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究巖石工程穩(wěn)定性和隧道圍巖穩(wěn)定性、利用模糊數(shù)學(xué) 綜合評判方法預(yù)測巖爆、以系統(tǒng)工程的思想和方法為指導(dǎo)，對隧道施工進行認 識和管理，提出了量化管理的原則、應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計錨噴支護等已 經(jīng)取得進展。 ( 2 ) 地下工程新技術(shù)新工藝的發(fā)展 高性能噴射混凝土的研究與發(fā)展已克服多孔材料透水性和耐久性的缺點， 其利用高強度噴射混凝土來減少隧道開挖面積，因而減少隧道總成本，形成最 佳噴射混凝土支撐系統(tǒng)。另外，成都巖鋒科技發(fā)展有限公司研制成功t k 9 6 1 型 濕式噴漿機，將鋼纖維噴射混凝土應(yīng)用于單層隧道襯砌。 另外、新奧法技術(shù)仍將長時間內(nèi)得到應(yīng)用，而挪威法也將得到推廣，并能 較好地彌補新奧法的不足。 鉆爆法與全斷面掘進機法將在長時間內(nèi)共存，后者的應(yīng)用比例進一步提高。 且在較長時間后有可能完全代替鉆爆法施工。 ( 3 ) 巖石力學(xué) 巖石力學(xué)是隧道工程必備的知識，當(dāng)前巖石力學(xué)進展及發(fā)展動向可歸納如 下：( 1 ) 重視工程地質(zhì)宏觀研究：( 2 ) 發(fā)展巖石及巖體測試及監(jiān)測技術(shù)：( 3 ) 加強 對巖石( 體) 基本性質(zhì)的研究；( 4 ) 廣泛應(yīng)用數(shù)值分析于巖體力學(xué)中；( 5 ) 強調(diào)巖 體力學(xué)在地下工程上的應(yīng)用；( 6 ) 重視工程實例的總結(jié)分析、現(xiàn)場研究和專家系 統(tǒng)的建立。 ( 4 ) 管理風(fēng)險 目前世界各國正研究如何控制隧道工程的各種風(fēng)險。近幾年，在世界不少 6 武漢理工大學(xué)硬七學(xué)位論文 國家，如法國、奧地利、瑞士及我國都相繼出現(xiàn)長隧道的火災(zāi)，損失慘重，有 些火災(zāi)連續(xù)燃燒幾天而無法施救。這個課題是隧道設(shè)計和運營管理中迫切要解 決的問題。 ( 5 ) 施工管理 隨著信息處理和通信技術(shù)的突飛猛進，發(fā)達國家如美國和r 本的制造業(yè)j f 發(fā)生兩種根本性的變革：一種是技術(shù)性的變葶，另一種是作業(yè)組織方面的變革。 一方面它使得自然資源和人力資源在生產(chǎn)過程中的地位開始發(fā)生逆轉(zhuǎn)，另一方 面它也使得在新型作業(yè)組織中的勞資關(guān)系發(fā)生根本性的變動。市場信息使企業(yè) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)正由”金字塔型”轉(zhuǎn)向”網(wǎng)絡(luò)型”，如果說金字塔結(jié)構(gòu)是制造業(yè)時代 企業(yè)的代表性的組織，那么網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是信息服務(wù)業(yè)時代的代表性結(jié)構(gòu)。 對地下工程設(shè)計與施工來說，信息化設(shè)計與施工是今后施工管理中重要內(nèi) 容，這對提高管理效率與工程質(zhì)量、降低工程成本至關(guān)重要。 1 2 2 隧道設(shè)計方法概述 目前，公路或鐵路隧道的設(shè)計方法有多種，其中常用的大體上分兩種方 法。一種是力學(xué)分析設(shè)計方法，即根據(jù)地面建筑工程的力學(xué)分析方法，確定 結(jié)構(gòu)、荷載和材料的三要素，工程師首先計算荷載，然后選擇結(jié)構(gòu)類型和材 料，最后通過力學(xué)計算確定結(jié)構(gòu)幾何尺寸；工程建設(shè)通常按地質(zhì)勘察、設(shè)計、 施工的程序依次進行；這種方法是用“荷載一結(jié)構(gòu)”模型作力學(xué)計算，并常用 于襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計。另一種是工程類比法或稱經(jīng)驗設(shè)計法，即首先對工程圍巖 進行分類，然后根據(jù)有關(guān)規(guī)范或標(biāo)準進行設(shè)計：這種設(shè)計方法常用于錨噴支 護設(shè)計。另外，數(shù)值法在工程設(shè)計中已得到越來越廣泛的應(yīng)用“。 1 ) 力學(xué)分析設(shè)計法 在力學(xué)分析設(shè)計過程中。需要先對結(jié)構(gòu)部件單獨進行分析，再將構(gòu)成結(jié)構(gòu) 的不同部件組合后進行綜合分析，最后要求各構(gòu)件產(chǎn)生的應(yīng)力不超過允許極限， 否則將使整體結(jié)構(gòu)失去功能和作用。因此，設(shè)計時需要對結(jié)構(gòu)建立分析模型。 解析計算設(shè)計方法就是以彈塑性理論為基礎(chǔ)，通過應(yīng)力應(yīng)變的概念達到設(shè) 計目的。其內(nèi)容包括原位應(yīng)力的分析和因開挖使圍巖應(yīng)力重新分布，造成巖體 強度的損失。在開挖前的地質(zhì)條件下，巖體處于三軸應(yīng)力狀態(tài)，開挖后原三軸 應(yīng)力狀態(tài)減為二軸應(yīng)力或單軸應(yīng)力狀態(tài)，這使的巖體的承載能力大大減小。所 以，這種方法的實質(zhì)上是一種平面問題的求解。 武漢理1 ：大學(xué)碩士學(xué)位論文 變形一約束方法是一種比較抽象的設(shè)計方法。當(dāng)開挖地下結(jié)構(gòu)時，開挖前存 在的應(yīng)力被重新分布，且自動調(diào)節(jié)到一個新的平衡狀態(tài)。這些應(yīng)力使開挖體產(chǎn) 生向臨空面位移的趨勢，收斂量大小視巖體特性、施工方法和開挖i 臨空面尺寸 而定。該方法就是繪制一條收斂量曲線，找出圍巖松動前的最大位移，并在此 處計算應(yīng)力和設(shè)計支護參數(shù)。 不連續(xù)面分析方法該方法認為巖體中存在的不連續(xù)面( 層理面、節(jié)理、斷 層、礦層等) ，這些不連續(xù)面體與洞室開挖面可能形成一個不穩(wěn)定并會滑落的 塊體。根據(jù)g o o d m a n ( 1 9 8 8 ) 的理論，使圍巖穩(wěn)定，需要確定對穩(wěn)定起關(guān)鍵作用 的塊體，關(guān)鍵塊體( k e yb l o c k ) 是一個單個塊體，去掉它，會使得受它控制的 幾個其他塊體產(chǎn)生無法控制的滑動。這種方法需要對定向取心進行地質(zhì)描述， 可了解存在的各種節(jié)理和不連續(xù)面，然后結(jié)合洞室開挖面分析這些節(jié)理和不連 續(xù)面，鑒別出那些塊體有滑動的趨勢，確定滑動塊體的重量，通過計算確定合 適的錨桿參數(shù)。 2 ) 經(jīng)驗設(shè)計法( 工程類比法) 工程類比法的關(guān)鍵就是正確合理的確定圍巖類別。在國外常用的是q 質(zhì)量 指標(biāo)法、r m r 法和r s r 法，在國內(nèi)常用國家標(biāo)準錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范 ( g b j 8 6 8 5 ) 和一些部門提出的圍巖分類方法。工程類比法就是根據(jù)圍巖的類 別，參考艦范或是以往別的隧道上采取的成功的支護設(shè)計實例來確定當(dāng)前設(shè)計 參數(shù)。目前，工程類比法是國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的設(shè)計方法。 q 質(zhì)量指標(biāo)法1 9 7 4 年挪威b a r t o n 等人結(jié)合過去地下開挖工程穩(wěn)定性的大 量實例，提出了確定巖體的隧道開挖質(zhì)量指標(biāo)q 指標(biāo)。這個指標(biāo)是由巖體質(zhì) 量指標(biāo)、節(jié)理密度、節(jié)理系數(shù)、節(jié)理面粗糙度系數(shù)、節(jié)理蝕變系數(shù)、節(jié)理含水 折減系數(shù)、地應(yīng)力影響折減系數(shù)來確定，根據(jù)這個q 值和給出的參考表，可以 設(shè)計出合理的支護結(jié)構(gòu)。 r 幟法z t b i e n i a w s k i ( 1 9 7 4 ) 在考慮巖體材料單軸抗壓強度、巖體質(zhì)量指 標(biāo)、不連續(xù)面間距、走向與傾角、不連續(xù)性條件、地下水條件韻基礎(chǔ)上發(fā)展了 巖體力學(xué)等級理論，通過對巖體上述的6 個指標(biāo)進行打分，最后根據(jù)得出的總 分對巖體分類，依據(jù)巖體類別類比其他工程實際設(shè)計支護參數(shù)。 3 ) 數(shù)值法設(shè)計 隨著計算機的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的現(xiàn)代計算力學(xué)數(shù)值方法，在地下工程 領(lǐng)域正顯示出越來越大的生命力。與大型物理模型實驗和現(xiàn)場實驗相比，數(shù)值 藍堡堡三盔堂亟主堂壘鯊塞 分析法具有快速、便捷、費用低、可以模擬巖體特性和構(gòu)造特點以及施工過程、 可以重復(fù)計算、易于改變參數(shù)等特點。 1 2 3 隧道圍巖穩(wěn)定性分析方法概述 1 ) 力學(xué)分析方法 從1 9 世紀人類對松散地層( 主要是土層) 圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論進行研究 開始到現(xiàn)在，圍巖壓力理論主要經(jīng)歷了古典壓力理論、散體壓力理論及現(xiàn)在廣 泛應(yīng)用的彈性力學(xué)理論、塑性力學(xué)理論。實際工程中，隧道開挖后由于卸荷作 用使圍巖應(yīng)力進行重分布，并出現(xiàn)應(yīng)力集中。如果圍巖應(yīng)力處處小于巖體彈性 極限強度，這時圍巖處于彈性狀態(tài)。反之，圍巖將部分進入塑性狀態(tài)，但局部區(qū) 域進入塑性狀態(tài)并不意味著圍巖將發(fā)生坍落或失穩(wěn)，因而研究圍巖穩(wěn)定就不能 不考慮塑性問題。芬納( f e n n e r ) 一塔羅勃( t a l o b r e j ) 和卡斯特奈( k a s t e r h ) 等給 出了圍巖的彈塑性應(yīng)力圖形。隨著半解析元法以有限厚條法的形式提出。林銀 飛、鄭穎人、將有限厚條法和彈塑性分析結(jié)合在一起，提出了彈塑性有限厚條法， 采用大單元內(nèi)劃分小網(wǎng)格的方法判斷塑性區(qū)范圍，在彈性區(qū)及塑性區(qū)內(nèi)采用統(tǒng) 一的解析函數(shù)級數(shù)，以修正常剛度增量法為迭代方法，推導(dǎo)出了塑性系數(shù)矩陣 及塑性剛度矩陣。并將其應(yīng)用于地下工程三維彈塑性圍巖穩(wěn)定性分析中。 對于深埋隧道，因其埋深大圍巖大都表現(xiàn)出強烈的流變特性，而軟弱圍 巖，其本身就具有明顯的流變特性。因此，流變理淪逐漸被引用到圍巖穩(wěn)定性 分析的研究中朱素平等“提出了以對數(shù)函數(shù)描述巖石蠕變的粘彈性模型進行 圍巖穩(wěn)定性的力學(xué)分析。日本學(xué)者西原在巖石流變試驗資料的基礎(chǔ)上，建立了能 反映巖石彈一粘彈一粘塑性特性的西原模型。在此基礎(chǔ)上，同濟大學(xué)孫鈞。1 通過對 圍巖一支護系統(tǒng)受力機理的充分闡述，得出了西原模型在隧道圍巖一支護系統(tǒng)中 的有限元解并對層狀節(jié)理圍巖、含軟弱斷層、破碎帶的圍巖分別提出了兩個 b i n g h a m 串聯(lián)模型和四元件的粘彈塑性模型。 1 9 5 8 年前蘇聯(lián)學(xué)者k a c h a n o v 在研究蠕變斷裂時首先提出了損傷的概念，后 經(jīng)法國學(xué)者l w m a i t r e 與c h a b o c h e ( 1 9 7 7 ) 、美國學(xué)者k r a j c i n o v a ( 1 9 8 1 ) 等人利 用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法，根據(jù)不可逆熱力學(xué)原理，建立了“損傷力學(xué)”這一學(xué)科后， 國內(nèi)外許多學(xué)者將其應(yīng)用于節(jié)理巖體的力學(xué)分析中。如同本學(xué)者k a w a m o t o 及國 內(nèi)學(xué)者孫鈞、李術(shù)才等。學(xué)者李術(shù)才采用損傷力學(xué)方法得到的加錨節(jié)理裂隙巖 體的本構(gòu)關(guān)系及其損傷演化方程來評價此類巖體的穩(wěn)定性和變形行為。 9 武漢理 人學(xué)碩十學(xué)位論文 長期以來，工程界一般按二維平面應(yīng)變問題來模擬隧道的開挖效應(yīng)但實際 上，在掘進面之后距其大約2 3 倍洞徑或洞跨的范圍內(nèi)，圍巖體變形的發(fā)展和應(yīng) 力重分布都將受到掘進面本身的制約。因此，工程師們越來越注重掘進面附近 范圍內(nèi)隧道三維空間效應(yīng)( 包括掘進面推進時效) 的研究。我國同濟大學(xué)孫鈞及 朱合華等對此作了大量的數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測研究工作，認為隧道掘進面的空 間幾何效應(yīng)在洞軸縱斷面方向上表現(xiàn)為“半圓穹”約束，在洞室橫斷面方向上則 表現(xiàn)為“環(huán)形”約束用“位移釋放系數(shù)”來反映掘進面對圍巖的空間約束程度， 提出了廣義虛擬支撐力法，并成功地將其應(yīng)用于隧道圍巖穩(wěn)定性分析中“。 2 ) 隧道圍巖巖體工程力學(xué)行為及其變形和破壞機理在主、客觀兩方面，相 當(dāng)程度上都是隨機、模糊的，也就是不確定的：且由于獲取信息與數(shù)據(jù)方面的 限制或不完全、不充分，它又是不確知的。因此，盡管力學(xué)仍然是求解工程問題 必要和不可或缺的手段，但它已不是唯一的手段。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工 智能學(xué)科的興起，為解決這類不確定和不確知的工程問題提供了強有力的理論 基礎(chǔ)。國內(nèi)外不少學(xué)者正是利用這一理論基礎(chǔ)，提出了圍巖穩(wěn)定性分析的新方 法1 。 3 ) 圍巖分類法 在實際工程的計算與設(shè)計中，因圍巖分類法簡單、明了而被廣泛使用圍巖 穩(wěn)定性分類方法，主要有s t i n i 法、f r a n k l i n 法、b i e n i a w s k i 的r m r 法和b a r t o n 等人的q 法，以及a r il d ，p a l m s t r o m 于1 9 9 5 年提出的r m i ( r o c km a s si n d e s ) 法。但此分類方法中包含參數(shù)較多，而有些參數(shù)難以準確測定，加之巖體工程力 學(xué)行為及其變形、破壞機理的不確定性和不確知性。對此情況，不少學(xué)者采用模 糊數(shù)學(xué)的方法加以處理，加以解決。 4 ) 反分析法 自奧地利地質(zhì)學(xué)家拉布西維茲提出以充分發(fā)揮圍巖自承能力為基本原理， 以錨噴支護及復(fù)合柔性襯砌為主要特征的新奧法以來，改變了過去設(shè)計與施工 的一些傳統(tǒng)愚路。它依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果和信息反饋來指導(dǎo)脆工和設(shè)計。因 此，以現(xiàn)場監(jiān)控信息為依據(jù)，通過反演計算圍巖物理力學(xué)參數(shù)來評價隧道圍巖穩(wěn) 定性的反演分析方法日趨完善。 1 2 4 國內(nèi)外隧道圍巖穩(wěn)定性研究的新趨勢 圍巖穩(wěn)定性研究雖已取得重大進步，但針對圍巖巖體本構(gòu)關(guān)系的非線性 0 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 性狀的非連續(xù)、非均質(zhì)性，邊界條件的不確定性以及應(yīng)力條件在空間、時間上 的多變性等特性，國學(xué)者不斷地探索了各種不同的研究方法與手段，以更準確 與真實地反映圍巖的穩(wěn)定性。 1 ) 數(shù)值分析方法的耦臺應(yīng)用 鑒于圍巖巖體的非連續(xù)性和多變性，單純應(yīng)用一種數(shù)值分析方法有時不能 完全滿足計算要求。為了盡量表現(xiàn)巖體的工程特性和分析結(jié)果的準確性，許多 學(xué)者在研究圍巖穩(wěn)定性的過程中，越來越來多地應(yīng)用各種數(shù)值計算方法的耦合 進行分析。如有限元與邊界元的耦合，離散元與邊界元的耦合以至有限元、邊 界元及離散元三者的耦合。通過耦合，充分發(fā)揮不同數(shù)值分析方法的優(yōu)點和克 服各自的缺點，以提高計算速度和精度。 2 ) 塊體理論的發(fā)展 圍巖巖體除極完整和極破碎外，一般情況下將被結(jié)構(gòu)面自身及工程開挖面 共同切割成隨機分布的個別塊體和群體。塊體理論認為，在開挖面上揭露的塊 體可分為不穩(wěn)定的危險塊體和穩(wěn)定塊體，另外，在這些塊體中，存在影響圍巖 穩(wěn)定的“關(guān)鍵塊體”。塊體理論就是針對個性各異巖體中具有切割體( 結(jié)構(gòu)面) 這一共性，根據(jù)集合論拓樸學(xué)原理，運用矢量分析和全空間赤平投影圖形方法 構(gòu)造出可能有的一切塊體類型，進而將這些塊體和開挖面的關(guān)系分為穩(wěn)定塊體、 潛在關(guān)鍵塊體、關(guān)鍵塊體和不可移動塊體，確定了關(guān)鍵塊體后就可進行穩(wěn)定性 分析和支護設(shè)計。 3 ) 非確定性位移反分析法的發(fā)展 針對圍巖巖體工程力學(xué)行為以及它的變形和破壞機理的不確定性，許多專 家開始探討非確定性反分析技術(shù)。如重慶交通科研設(shè)計院的蔣樹屏將最優(yōu)控制 理論的卡爾曼濾波器( k a l m a n f i l t e r ) 用來進行隧道圍巖穩(wěn)定性的反分析，首次 提出了卡爾曼非確定性反分析法“。 4 ) 新奧法監(jiān)控量測技術(shù)的發(fā)展 由于隧道工程圍巖狀況的復(fù)雜多變以及理論上的不完善，目前實際工程中 施工前設(shè)計主要是依靠地堪資料與工程類比法進行，在實際施工過程中經(jīng)常會 由于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及施工方法等的變化，原設(shè)計不盡合理。因此，在施 工過程中，通過監(jiān)控量測，對圍巖穩(wěn)定性做出判斷，并及時調(diào)整設(shè)計，已越來 越多地被隧道工程界采用。 武漢理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 1 3 主要研究目的、內(nèi)容和技術(shù)手段 本論文主要是通過對隧道圍巖的應(yīng)變( 應(yīng)力) 變化的測試，結(jié)合數(shù)值計算， 找出隧道穩(wěn)定性與隧道圍巖應(yīng)變( 應(yīng)力) 之間的規(guī)律，從而為隧道圍巖穩(wěn)定性 的判定提出一條新的思路。 本論文擬結(jié)合滬蓉高速公路湖北西殷家?guī)r隧道( 雙聯(lián)拱) 的監(jiān)測監(jiān)控及信 息化施工方面課題展開研究。主要包括一下內(nèi)容： 1 ) 隧道穩(wěn)定性的數(shù)值計算與模擬 通過運用通用有限元計算軟件a n s s 對殷家?guī)r隧道施工過程進行建模計算， 重點模擬開挖后隧道圍巖內(nèi)部的內(nèi)力重分布情況以及隧道穩(wěn)定后的洞周最大收 斂位移，并且通過計算得出開挖后隧道圍巖中最危險的部位。 2 ) 現(xiàn)場圍巖內(nèi)力變化的測試試驗 在隧道施工過程中，遵照數(shù)值模擬中的最危險部位，埋設(shè)光纖光柵應(yīng)變傳 感器。并且在隧道開挖的一段時期內(nèi)，通過埋設(shè)的光纖光柵傳感器對隧道圍巖 的應(yīng)變進行觀測。 3 ) 圍巖位移求解 利用彈性力學(xué)的有關(guān)知識，對現(xiàn)場試驗的測試數(shù)據(jù)進行分析處理，反演出 隧道洞周收斂位移值，并根據(jù)有關(guān)規(guī)范判斷隧道的穩(wěn)定性。 本課題研究的意義可以體現(xiàn)在如下方面： 通過對殷家?guī)r隧道的監(jiān)控和穩(wěn)定性分析，可以預(yù)防施工過程中工程事故， 判斷合理的支護時間以及對隧道支護進行優(yōu)化設(shè)計，保證該隧道工程按時、優(yōu) 質(zhì)地建成。 通過利用圍巖應(yīng)變測試來判斷圍巖穩(wěn)定性方法的嘗試，克服用收斂計測試 圍巖收斂位移判斷法帶來的操作復(fù)雜、妨礙施工、誤差過大等缺點，為隧道穩(wěn) 定性判定提出了一個新的思路。 將先進的光纖光柵傳感器用于隧道的監(jiān)測監(jiān)控，并為同類型隧道的施工監(jiān) 測監(jiān)控提供借鑒。 本文將圍繞上述的內(nèi)容展開研究，全文總共分6 章： 第1 章，主要介紹我國公路隧道的發(fā)展現(xiàn)狀，新奧法施工的主要思想及其 通過監(jiān)測監(jiān)控掌握圍巖穩(wěn)定性的重要性和必要性。 第2 章，主要對隧道圍巖穩(wěn)定性從理論上進行分析，重點分析隧道圍巖力 1 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 學(xué)特征及穩(wěn)定性的判別依據(jù)。 第3 章，對本課題所涉及的殷家?guī)r隧道建立有限元模型，進行有限元分析， 探討隧道開挖過程中，最容易發(fā)生變形破壞( 失穩(wěn)) 的部位，為選擇最佳的監(jiān) 測監(jiān)控位移測試點作參考。 第4 章，主要介紹光纖光柵傳感器及其在殷家?guī)r隧道圍巖應(yīng)變測試中的應(yīng) 用。并利用有關(guān)彈性力學(xué)理論，探討通過圍巖應(yīng)變反演隧道洞周收斂位移的方 法。 第5 章，主要利用灰色理論預(yù)測隧道洞周最終收斂位移，根據(jù)規(guī)范判斷隧 道圍巖的穩(wěn)定性。 第6 章，論文結(jié)論，并展望需進一步研究的內(nèi)容。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征及穩(wěn)定性原理 2 1 概論 2 1 1 隧道結(jié)構(gòu)體系及其形成 隧道是處在各種地質(zhì)環(huán)境中的地下結(jié)構(gòu)物，其所處的環(huán)境條件與地面工程 完全不同。因此，它必將受到周圍地質(zhì)環(huán)境的強烈影響。這里所謂的地質(zhì)環(huán)境 包括：地質(zhì)體的形成及其經(jīng)歷；初始地應(yīng)力場( 包括構(gòu)造應(yīng)力場在內(nèi)) ：各種地 質(zhì)體的物理、力學(xué)、構(gòu)造和時間特性及其分類等等。科學(xué)地認識地質(zhì)環(huán)境對隧 道等地下結(jié)構(gòu)體系的影響，是正確進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的前提。總的說來，這 個結(jié)構(gòu)體系是由周圍地質(zhì)體和各種支護結(jié)構(gòu)構(gòu)成，即： 隧道結(jié)構(gòu)體系= 周圍地質(zhì)體+ 支護結(jié)構(gòu)“” 它的形成則是通過一定的旌工過程或者說是一定的力學(xué)過程來實現(xiàn)的。這 個過程大體上可作如下表達： 開挖 i 圍巖! - 毛洞 支護 j o 支護體系卜1 ”月 與之相適應(yīng)地力學(xué)過程如下所示 初始應(yīng)力狀態(tài) ( 一次應(yīng)力狀態(tài)) 開挖后應(yīng)力狀 ( 二次應(yīng)力狀態(tài)、 衛(wèi)室 支護體系應(yīng)力狀態(tài) t 三次應(yīng)力狀態(tài)、 終極應(yīng)力狀態(tài) 題次癍力狀態(tài)1 可以看到，隧道結(jié)構(gòu)的形成是一個力學(xué)特性不斷改變的動態(tài)過程。這個過 程成為設(shè)計和施工的主要內(nèi)容和理論基礎(chǔ)。 4 帥l姘l(fā) 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 2 隧道結(jié)構(gòu)中荷載、結(jié)構(gòu)、材料的不可分割。陛 隧道工程像地面工程一樣，也是一個結(jié)構(gòu)體系。以水塔為例( 圖2 一l a ) ， 它是由結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)構(gòu)成，承受著風(fēng)荷載、水壓力等外荷載：而地下結(jié)構(gòu)( 圖2 一l b ) 則是圍巖和支護結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)體系，荷載主要來自圍巖，而這種結(jié)構(gòu) 體系的主要材料是由絕大部分的圍巖構(gòu)成的，混凝土及其他支護材料只占很小 部分。 i _ _ 結(jié)構(gòu) l 上 j ， 基礎(chǔ) 茼載 。 一、 ， 、 ? 夕、j y y 圍巖一 、 圖2 1 結(jié)構(gòu)體系概念圖示 a ) 地面結(jié)構(gòu)；b ) 地下隧道結(jié)構(gòu) 因此，圍巖既是承載結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分，也是構(gòu)成承載結(jié)構(gòu)的基本 建筑材料，它既是承受一定荷載的結(jié)構(gòu)體，又是造成荷載的主要來源，這種三 位( 荷載、材料、承載單元) 一體的特征與地面工程是完全不同的。 從這一結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，研究隧道的穩(wěn)定性就必須從研究圍巖入手。圍巖的 承載條件是不斷變化的，在開挖隧道之前，它處在三維應(yīng)力狀態(tài)條件下，圍巖 具有較高的承載能力；在開挖過程中，承載條件發(fā)生了改變，從三維應(yīng)力狀態(tài) 變成了二維應(yīng)力狀態(tài)，使圍巖的承載能力有了顯著的降低。其次，開挖過后，