（道路與鐵道工程專業(yè)論文）大跨徑連拱隧道塌方預報及其演化機理研究.pdf

摘要 隨著我國公路事業(yè)的蒸蒸日上，高速公路里程不斷刷新記錄。作為保證快速交 通得以實現(xiàn)的穿越層層山嶺的隧道，在公路工程中已成為重要的一環(huán)。在以往的高 速公路修建時，隧道設計方案多采用雙洞分離的形式，通過在左右洞之間保持一定 的間距保證隧道設計施工的安全。 近年來，由于高速公路普遍向雙向六車道及其以上趨勢發(fā)展，連拱隧道方案成 為隧道設計與施工較多的采用形式。連拱隧道線形流暢，占地面積少，空間利用率 高，避免了洞口路基或大橋分幅，與洞外線路連接方便。然而如何安全地施工大跨 徑雙連拱隧道，保障其安全的，正常的掘進，是近年很多學者和現(xiàn)場工程人員努力 探索的一個重要工程問題。如何通過監(jiān)控以及建模模擬實際結構進行安全性分析即 為本文要探索的重要內容。 本文通過總結近年來各地的大跨徑連拱隧道的施工經驗，對大跨徑連拱隧道的 結構特點，施工工藝，設計經驗，圍巖破壞類型，病害機理等進行了研究和總結； 通過宛坪高速公路內鄉(xiāng)至西坪段劉家灣雙向六車道大跨徑連拱隧道圍巖收斂位移 的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及期間曾經的塌方過程的全程監(jiān)控數(shù)據(jù)，進行了位移預測灰色系統(tǒng)模 型的建立和分析；通過有限元軟件建模，模擬現(xiàn)場隧道坍塌情況，結合隧道典型破 壞斷面底摩擦試驗揭示了塌方過程與破壞機理，從而對現(xiàn)場施工方案進行了綜合分 析比選，得出了該項目工程更為有利的施工方法，對今后類似工程具有指導和借鑒 意義。 關鍵詞：公路大跨徑連拱隧道：施工設計；圍巖收斂：灰色系統(tǒng)理論；數(shù)值分析： 底摩擦試驗 a bs t r a c t a l o n gw i t h t h eh i g h w a yb u s i n e s s o fo u rc o u n t r ym a k e r a p i dp r o g r e s s ，t h e s u p e r h i g h w a ym i l e a g eb r u s h e st h en e wr e c o r dc o n t i n u o u s l y t h et u n n e lm a k ea n a s s u r a n c et ot h ef a s tt r a n s p o r t a t i o n ，a n db e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h e h i g h w a ye n g i n e e r i n g i nt h ef o r m e rs u p e r h i g h w a yc o n g s t r u c t i o n ，t h et u n n e ld e s i g n p r o j e c ta d o p t st h ef o r mt h a tt h et w oh o l e s e ss e p a r a t e d ，t om a k es u r et h es a f e t yo ft h e t u n n e ld e s i g n sa n dc o n s t r u c t i o n r e c e n t l y , t h ef o r m e rs u p e r h i g h w a ya r eb e c o m i n gm o r e a n dm o r ew i d t h ，a d o p t i o nt h ea r c ht u n n e lw h i c ht h et w oh o l e sc o n n e c t e d h a sb e c o m e t h ed i r e c t i o no ft u n n e ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o n t h e r ea r em a n ya d v a n t a g ea b o u tt h ea r c h t u n n e lw h i c ht h et w oh o l e sc o n n e c t e d ，s u c ha sl i n ef o r mf l o w i n gf r e e l yb e l o n gt ot h e e n t i r er o a dd e s i g n ，c o v e rt h ea r e al i t t l e ，t h e s p a c eu t i l i z a t i o ni sh i g h ，a v o i d i n gt h e c o n n e c t i o nt h a tb e t w e e nt h er o a d b e da n dt h et u n n e le n t r a n c eo rb e t w e e nt h eb i gb r i d g e s a n dt h et u n n e le n t r a n c et a k em u c ha r e ai fa d o p tt h eh o l e ss e p a r a t e d ，l i n kw i t ht h eo u t s i d e r o a dc o n v e n i e n c e h o w e v e rh o wt oc o n s t r u c tt h ea r c ht u n n e lw h i c ht h et w oh o l e s c o n n e c t e ds a f e l y , h o wt om a k es u r ei ti ss t a b l e ，i sa ni m p o r t a n tc i v i le n g i n e e r i n gp r o b l e m w h i c hp u z z l e dal o to fs c h o l a r sr e c e n t l y i nt h i st e x t ，ih a v es u m m a r yt h ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec o n s t r u c t i o nc r a f ta n dt h e d e s i g ne x p e r i e n c ea b o u tt h ea r c ht u n n e lw h i c ht h et w oh o l e sc o n n e c t e db ys u m m a r y i n g t h ec o n s t r u c t i o n e x p e r i e n c ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l i nr e c e n t y e a r s s e tu p a g r e y m o d e l t o p r e d i c ta n da n a l y z et h e r o c kd i s p l a c e m e n td e p e n do nt h er o c k d i s p l a c e m e n td a t u mi nt h ec o n s t r u c t i o no ft h el i uj i aw a na r c ht u n n e lw h i c hh a ss i x d r i v e w a y s a n ds e tu pam o l dt h r o u g hal i m i t e dd o l l a rs o f t w a r e ，i m i t a t et h es p o th o l e r o o mc i r c u m s t a n c e ，c a r r yo nt h ev a l i dn u m b e ra n a l y s i s ，l a n d s l i d ec a l c u l a t i o na n d d e d u c e b u i l du pa nu s e f u lm o d e lt op r e d i c tt h er o c kd i s p l a c e m e n ta n da ni m i t a t i o n l a b o r a t o r ym o d e lt oa n a l y z et h el a n d s l i d ep r o c e s s ，p o i n to u tab e t t e rc o n s t r u c t i o nm e t h o d i ti su s e f u lt ot h es i m i l a re n g i n e e r i n ga n ds o m e o n ec o u l dd e v e l o pi tm o r e k e yw o r d s ：l o n g - s p a nd o u b l e - a r c ht u n n e l ；c o n s t r u c t i o nd e s i g n ；s u r r o u n d i n gr o c k c o n v e r g e n c e ；g r e ys y s t e mt h e o r y ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；n u m e r i c a l a n a l y s i s ； b o t t o mf r i c t i o nt e s t i l 長沙理工大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取 得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其 他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本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。本人完全意識到本聲明的法律后果 由本人承擔。 作者簽名：能日期滬纊年鄉(xiāng)月壙e l 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學 校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查 閱和借閱。本人授權長沙理工大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入 有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本 學位論文。 本學位論文屬于 1 、保密口，在年解密后適用本授權書。 2 、不保密團。 ( 請在以上相應方框內打“4 ”) 作者簽名：仰 導師簽名：t 黑 1 1研究背景 第一章緒論弟一早三百。了匕 我國高等級公路建設事業(yè)發(fā)展迅速，在高速公路建設過程中需要修建大量的 隧道工程。傳統(tǒng)的隧道設計方案多采用雙洞分離的形式，通過在左右洞之間保持 一定的間距保證隧道設計施工的安全。然而在特殊地質及地形條件限制的地區(qū)， 分離式隧道很難滿足公路隧道設計規(guī)范( j t gd 7 0 - 2 0 0 4 ) 對左右洞凈距的要求， 從總體路線線型、線隧銜接方式等因素綜合考慮，采用連拱隧道方案已成為隧道 設計與施工的發(fā)展趨勢。連拱隧道線形流暢，占地面積少，空間利用率高，避免 了洞口路基或大橋分幅，與洞外線路連接方便。因此，在一些特殊地形條件下連 拱隧道是一種很有效的結構型式。 在全國已建、在建和擬建的高速公路中大量采用了連拱隧道方案，如四川廣 元的石梯溝連拱隧道“，、萬縣的金竹林連拱隧道他，、宜賓的鞋底坡連拱隧道；廣 東京珠高速公路五龍嶺“，、貓山大跨連拱隧道【s ，、江鶴高速公路蓮花山連拱隧道： 福建相思嶺連拱隧道 ，、馬宅頂不對稱連拱隧道細，等。隨著市政基礎設施建設的快 速發(fā)展，在大中城市重要交通樞紐處和繁華地段不斷出現(xiàn)大量的地下交通工程和 地下市政工程，其中連拱及連拱型結構物在這些工程中占相當大的比例。如北京 市二環(huán)路城市鐵路連拱隧道陽，；柳州市桐油山連拱隧道n o ，；南京鼓樓連拱隧道，； 廣州市白云山連拱隧道“2 ，；北京高碑店三連拱排水隧道n 3 一等。地下鐵道已逐漸成為 各大中城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分。在地下鐵道大型的換乘站、車站、區(qū) 間隧道渡線段以及部分區(qū)間隧道大量采用了連拱和連拱型結構方案。如北京地鐵 西單地鐵車站n “。 我國在建和擬建的連拱及連拱型結構物的數(shù)量居世界第一“s ”，已建成連拱隧 道以雙向四車道型式較多。隨著新一輪基礎設施建設尤其是西部大開發(fā)高潮的到 來，雙向四車道高速公路設計逐漸不能滿足經濟發(fā)展要求。近年來我國雙向六車 道高速公路的建設越來越多，相應雙向六車道公路隧道的建設也不斷增多m ，。雙 向六車道大跨徑連拱隧道在設計、施工工藝以及施工控制等等方面都存在經驗相 對欠缺的事實，國內可以借鑒的經驗很少，即使國外此類隧道結構也是比較少見 的，因此如何在該類公路結構物施工工程中總結寶貴的經驗，指導今后類似工程 的開展，具有非常實際和重要的意義。 1 2 問題提出 目日，j - ，重慶、北京、廣東、江蘇、云南等省市建成了真武山隧道、石佛寺隧 道、陽宗隧道以及京珠高速公路粵境南段五龍嶺隧道、云南昆石高速清水溝l _ 號 隧道、寧杭高速梯子山隧道等數(shù)座雙向六車道公路隧道n 1 。連拱隧道的應用解決 了分離式隧道所存在的問題，但因其開挖斷面跨度較大，施工工序繁多，開挖與 支護相互交錯，使得圍巖應力變化和襯砌荷載轉換變得十分復雜，尤其中墻受力， 常處于壓、拉、彎、扭、剪等復合受力狀態(tài)。左右主洞施二 對中隔墻的影響難以 把握，增加了隧道施工變形和穩(wěn)定控制的難度。公路大跨徑隧道病害發(fā)生較多的 地段，從地質情況看，一般是斷層破碎帶、風化變質巖地帶、裂隙發(fā)育的巖體、 巖溶地層、軟弱圍巖地層等，其中最常見的病害形式是水害，“十隧九漏”的說法 正反映了隧道工程水害之頻繁。隧道水害不僅增加隧道內濕度，造成電路短路等 事故，危及運輸安全，而且還引發(fā)其它病害，見圖1 1 a 所列。 幽1 1隧道水薔。i 升裂 襯砌缺陷主要是因為襯砌空洞和厚度、強度、密實度不夠等原因造成的襯砌 變形及襯砌開裂等。作用在隧道襯砌結構上的壓力，與隧道f 翻巖的性質、地應力 的大小以及施： 方法等因素有關。工程上出現(xiàn)的襯砌開裂更多的則是由于施工管 理不當( 襯砌厚度不足、混凝土強度不夠等) 造成的。見圖1 1b ，c 所列。大跨徑隧 道結構承受較大的圍巖壓力，并且受力條件極其復雜，極易發(fā)生圍巖失穩(wěn)和隧道 襯砌結構丌裂與破壞現(xiàn)象。在隧道施工過程中，坍方現(xiàn)象時有發(fā)生，有的甚至造成 了重大的傷亡事故，見圖1 2 所列。由于受到明洞仰拱的開挖或爆破作用，加上 地卜水的浸潤作用、順層的影響容易引起隧道洞口邊坡的滑塌，見圖1 3 所列。 h1 2人跨徑隧道施丁期間巖失穩(wěn)破土1 、 i _ j 見，研究雙向六車道及以上連拱隧道設計與施工、大跨徑連拱隧道塌方預 報及其演化機理 4 分必要! 重要。 圖1 3大跨徑隧道洞口邊坡破壞與滑塌 1 3 研究目的、意義 我國已經在雙向四車道連拱隧道設計與施工中積累了許多經驗，在施工方法 及工序、中隔墻的防水等方面取得了一定的成果。但對于六車道大跨徑連拱隧道， 國內外還剛處于起步階段，可供類比的工程不多，可借鑒的設計施工經驗較少。 與四車道連拱隧道相比，六車道連拱隧道跨度大，結構復雜，不利因素多，設計 和施工難度很大。六車道連拱公路隧道普遍的開挖跨度在3 2 m 左右，其最大高度 ( 含仰拱) 1 2 m 左右，單拱矢跨比最小在0 4 5 ，隧道斷面和跨度均比較大，斷面呈 扁平狀，對于隧道施工安全和結構穩(wěn)定造成不利影響，難以保證隧道圍巖和支護 結構的穩(wěn)定以及施工安全。為了進行大跨徑連拱隧道的施工優(yōu)化以及為結構設計 提供必要的參考，迫切需要深入研究大跨徑連拱隧道圍巖與結構施工力學特性， 并且由于巖體的復雜性，定量評價中監(jiān)測、位移反分析等方法的應用十分必要。 實踐表明，只有通過監(jiān)測、位移、應力反分析獲得大跨隧道施工各階段圍巖的應 力應變狀態(tài)、圍巖塑性區(qū)分布、地表沉降以及隧道支護結構中的內力變化情況， 研究大跨隧道二次襯砌施筑時間和施筑二襯時拆除中間臨時支護的分段長度等， 為隧道施工提供科學依據(jù)與技術指導，才能正確地認識工程巖體的力學行為，并 將潛在的工程地質問題明朗化、定量化。通過對大跨徑連拱隧道圍巖穩(wěn)定和變形 控制技術進行系統(tǒng)研究，取得的研究成果對今后類似工程的修建將具有積極的參 考價值，對豐富和發(fā)展我國公路隧道的設計與施工方法，亦具有十分重要的意義。 與地面工程不同，隧道工程屬于埋藏在地下的一種建筑物，受多種不確定因 素的影響，很難準確的確定實際支護結構與圍巖的受力情況。而且大跨徑連拱隧 道的施工工序繁多，由于隧道修建的過程中圍巖與支護結構力學狀態(tài)的不可逆性， 不同的施工工序必然引起不同的力學狀態(tài)，這無疑增加了理論分析的難度。 縱觀人們對隧道工程認識和研究的歷程，可以發(fā)現(xiàn)盡管隧道工程的施工經驗 遠遠超前與理論的進展，然而隧道科技的不斷進步，研究方法和手段多樣化，隧 道工程的理論研究會取得長足的進步。 1 4 國內外研究現(xiàn)狀 目前已經有學者從事大跨徑連拱隧道課題的研究。研究方法主要包括大跨徑 連拱隧道病害分析、理論與數(shù)值分析、室內相似模型試驗和現(xiàn)場測試等，下面分 別進行總結。 1 4 1 大跨徑連拱隧道主要病害類型 目前已經有學者從事大跨徑連拱隧道課題的研究。研究方法主要包括大跨徑 連拱隧道病害分析、理論與數(shù)值分析、室內相似模型試驗和現(xiàn)場測試等，下面分 別進行總結。 對于大跨徑隧道，由于車道數(shù)的增加，寬度加大了，而高度變化不大，使建筑 限界變得扁平，因此，隧道就不得不做成具有扁平的拱形結構。在開挖時間上就 有分期開挖過程，在分期開挖過程中，每一個施工分期對應不同的開挖順序，就 將意味著圍巖對應一種暫時加載方式。由于在施工期間不斷變化著的洞形和加載 方式，不僅影響了施工期內圍巖的應力、破壞區(qū)、洞周位移，而且影響洞體成型 后的應力分布、破損區(qū)大小以及洞周位移情況。扁平、大跨徑隧道的基本力學特 性可以概括為：由于跨度加大，使得開挖引起的應力重新分布趨于不利。如果圍 巖的單軸抗壓強度比重分布的應力小，隧道周邊圍巖將出現(xiàn)塑性化，為此，需要 強大的支護結構來控制變形。底腳處的應力集中過大，要求地基承載力較高。拱 頂穩(wěn)定性降低，會產生較大的松弛地壓。開挖寬度和開挖高度越大，要求產生拱 作用底埋深越大，在埋深小時，拱作用不能發(fā)揮作用時，就會產生很大底松弛地 壓。因此，對大斷面隧道而言，會產生較大的松弛荷載。而且隧道的埋深很淺時， 其施工不僅受覆蓋層地質因素的制約，而且還受地面環(huán)境的影響。常見淺埋大跨 徑隧道病害分析如下： ( 1 ) 隧道滲漏水。在公路隧道所出現(xiàn)的一系列質量問題中，隧道滲漏水所造 成的危害尤為普遍。據(jù)統(tǒng)計，目前國內公路隧道完全無滲漏者寥寥無幾，絕大部 分隧道存在著不同程度的滲漏問題?！笆砭怕钡恼f法正反映了隧道工程水害之 頻繁。隧道滲漏水不僅增加隧道內濕度，降低路面抗滑性能，造成電路短路等事 故，危及運營安全，而且還引起其他病害。 ( 2 ) 襯砌裂損。由于形變壓力、松動壓力作用、地層沿隧道縱向分布及力學 形態(tài)的不均勻作用、溫度和收縮應力作用、圍巖膨脹性和凍脹性壓力作用、腐蝕 性介質作用、施工中人為因素、運營車輛的循環(huán)荷載作用等，使隧道襯砌結構物 產生裂縫和變形，影響隧道的正常使用，統(tǒng)稱為隧道襯砌裂損病害。襯砌裂損是 隧道病害的主要形式，隧道襯砌裂損破壞了隧道結構的穩(wěn)定性，降低了襯砌結構 的安全可靠性，影響隧道的正常使用，甚至危及行車的安全。 ( 3 ) 巖體強度破壞。對于土體來說，可能有三類破壞：沖切、剪切和整體破 壞。在大多數(shù)情況下，巖石相對于土體來說要堅硬很多，具有很高的強度以抵抗 4 建筑物的荷載。然而，工程師們在實際工程中面對的巖石在大多數(shù)情況下都不是 完整的巖層，而是具有各種不良地質結構面包括各種斷層、節(jié)理、裂隙及其填充 物的復合體，稱之為巖體。所有這些缺陷都有可能使表面上看起來有足夠強度的 巖體發(fā)生破壞，并導致災難性后果。 ( 4 ) 巖體變形破壞。在建筑物( 山體偏壓、回填附加土體) 荷載作用下或隧洞 開挖支承損失影響下，巖體將產生不可忽視的變形破壞，變形破壞的破壞模式主 要有水平方向、垂直方向和地平面內的剪切應變三類變形破壞，其中水平方向的 破壞有水平位移、拉伸和壓縮變形，垂直方向的破壞有沉降、傾斜、曲率、扭曲 等。歸納起來，其基本變形破壞模式為沉降、傾斜、曲率和水平變形四種，其它 如扭曲是基本破壞模式的綜合結果。 ( 5 ) 隧道襯砌頂部脫空的危害。目前，公路隧道二次襯砌一般用模注混凝土 施工。公路隧道二次襯砌頂部脫空現(xiàn)象主要由施工工藝、混凝土收縮、圍巖壓力 等原因引起。一方面，二次襯砌拱項脫空時拱頂部均為正彎矩，使拱部上緣受拉 開裂、滲漏，滲漏水腐蝕鋼筋，使二次襯砌混凝土破壞；另一方面，二次襯砌拱 頂脫空以后，圍巖因失去應有的保護和支護而松弛、變形增大，導致失穩(wěn)、脫落。 ( 6 ) 隧道震害。地震隧道震害的主要表現(xiàn)形式有：新增裂縫和原有裂縫發(fā)展、 延伸，以拱頂、拱肩居多；接縫錯開、張開和剝落，以施工縫居多；鋼筋壓屈； 仰拱隆起，公路路面開裂。隧道震害受損等級見表1 1 。 ( 7 ) 襯砌裂損病害。隧道襯砌是承受地層壓力，防止圍巖變形坍落的工程主 體建筑物。地層壓力的大小，主要取決于工程地質和水文地質條件和圍巖的物理 力學特性，同時與施工方法、支護襯砌是否及時和工程質量的好壞等因素有關。 作用在支護襯砌上的地層壓力，主要有形變壓力、松動壓力，在膨脹性地層有膨 脹壓力，在有凍害影響的隧道存在凍脹性壓力。隧道病害的產生是由于結構物( 襯 砌) 所受的荷載超過了本身的承載能力所致。 表1 1 隧道震害受損等級 隧道等級損害程度損害狀況交通措施 無損害 依目視觀察，無町確認之異狀 無立即危險 a 有輕微可見的襯砌龜裂等，對交通無影響( 龜 維持正常通行 損害輕微 裂寬度 5 m ) 、鍘筋外露、伸縮縫及施工縫位管制通行 移、滲漏水等對交通有影響 危險 隧道澗u 邊坡坍塌、隧道主體冒落、路面與路 c大規(guī)模損害肩隆起或錯動開裂、積水、長大隧道通風與照禁止通行 明設施損壞等無法通行之狀況 以上這些病害若能在出現(xiàn)初期就發(fā)現(xiàn)它們，那么隧道的維護費用將大大降低。 如何在不影響正常施工情況下，快速對整段路面做全面地調查并定位到問題區(qū)， 成為急待解決的一大難題。現(xiàn)階段，隧道病害的檢測手段主要有傳統(tǒng)的破壞性、 非破壞性檢測方法和無損檢測技術。 5 傳統(tǒng)的檢測方法( 如鉆孔和錘擊) 所能夠檢測的范圍是有限的，對病害程度的 檢測效果尤其是對一些正在惡化的地方的檢測能力是有限的，無法對病害惡化的 程度做出詳細的報告。而在探測隧道病害時需要的非破壞性檢測技術是：能夠迅 速地對隧道中的大片區(qū)域作出準確的評估，并指出哪一些部位需要作更進一步的 詳細檢測，從而可以對隧道的質量狀況作出高度的評估。因此，針對檢測現(xiàn)狀的 不足，現(xiàn)在有必要進一步研究應用更先進的無損檢測技術來解決它們。 1 4 2 大跨徑連拱隧道結構型式 大跨徑連拱隧道結構型式的選擇，需要從洞外接線條件、防排水、施工等多 個角度進行綜合考慮，表1 2 給出了大跨連拱隧道結構型式的選擇。 表1 2 火跨連拱隧道結構型式的選擇 考慮的角度適宜的結構型式 原因 接線 k 直線路段直中墑連拱隧道 襯砌斷面行車道偏移量較小，過渡較易 條件 短直線或曲線路 曲中墻連拱隧道 襯砌斷面行車道偏移量較大，曲線過渡較易 段 分層中墻襯砌 防排水 防排水效果相對較好 中空直中墻襯砌 襯砌型式整體式襯砌整體式，分層式，中空直中墻 施工 設計更接近于分離式隧道，可減小隧道的墻效慮；不過底部 中墻型式曲中墻較直中墻寬，洞內行車道較洞外行車道偏移值較大，過渡較 困難 綜合評價分層曲中墻型式或分層直中墻型式 連拱隧道結構型式差別主要是中墻型式。中墻型式主要有直中墻和曲中墻兩 類，連拱隧道按中墻結構型式的不同可分為直中墻連拱隧道和曲中墻連拱隧道， 這兩種型式各自可分為整體中墻、中空中墻和分層中墻三種情況( 圖1 1 ) 。 1 7 。 凸凰凸毋凰迅 謦體直中j 中交童中j 分晨直中壤 罄銀審墻 中宣中j -分晨審墻 圖1 1 連拱隧道中墻的基本形勢 表1 3 列出了連拱隧道結構型式分類及各自特點，對應斷面型式見圖1 - 2 至 表1 3 連拱隧道中墻結構型式分類及特點 型式 中墻型式特點 整體式 中墑相對較薄，適于因洞外條件限制，或構造和施t 不允許設計成其它型 直中墻型 式 式 中空式中墻較厚，為減小工程量，滿足結構和施工要求后，中墻作成窄心結構 中墻相對較厚，滿足要求后，將中墻分成三層，可較好解決中墻防排水問 分層式 題 中墻最小厚度較小，適于洞外條件限制，或構造和施t 不允許設計其它型 整體式 式 曲中墻型中墻較厚，為減小中墻工程量，滿足結構和施工要求后，中墻作成窄心結 式 中窄式 構 中墻相對較厚，滿足結構和施t 要求后，將中墻分成三層，接近十分離式 分層式 隧道結構，可較好解決中墻防排水問題 6 圖1 2 整體直中墻連拱隧道圖1 3中空直中墻連拱隧道圖1 4 分層直中墻連拱隧道 圖1 5 整體曲中墻連拱隧道 圖1 6 中空曲中墻連拱隧道 圖1 7 分層曲中墻連拱隧道 中隔墻是連拱隧道結構受力的核心構件，受力十分復雜，是隧道應力集中部 位( 拉、壓、彎、扭、剪力均有) ，其力學行為、位移及沉降指標直接關系到連拱 隧道的總體穩(wěn)定性。根據(jù)調查結果，目前國內外已建成、在建或正在設計中的連 拱隧道的結構型式多為復合式襯砌結構，且從發(fā)展來看，連拱隧道采用復合式襯 砌結構型式將是發(fā)展趨勢。 1 4 3 大跨徑連拱隧道理論與數(shù)值分析 隧道施工的復雜性以及圍巖條件的離散性等條件的限制使數(shù)學解析方法遭遇 到無法克服的困難。而計算機技術的發(fā)展促進數(shù)值分析方法在巖土工程中得到愈 來愈廣泛的應用。目前較成熟的大型商業(yè)化通用軟件眾多，如a b a q u s ，a n s y s ， f l a c 等。這些軟件均具有極高的可靠性、優(yōu)秀的品質、強大的功能和無限的解題 能力，能夠進行靜力、非線性靜力以及動力學分析，可以模擬應力場、滲流場、 溫度場或雙場耦合分析等，能夠滿足隧道工程數(shù)值模擬的各種要求，且已有大量 的應用實例。針對連拱隧道圍巖與支護結構的力學分析問題，我國不少學者利用 數(shù)值分析手段進行了深入的研究。 周玉宏( 2 0 0 2 ) 心2 ，等采用, 4 n s y s1 , 5 6 1 版有限元分析程序對云南元磨高速公路 橋頭隧道施工過程進行了二維有限元分析，模擬了3 種開挖順序，獲得了偏壓連 拱隧道不同開挖工序條件下各階段圍巖的應力、應變狀態(tài)、地表沉降以及隧道支 護結構中的內力變化情況，并對比、分析量測資料，得出一些有益的結論。盧耀 宗( 2 0 0 2 ) 等利用u d e c 模擬了連拱隧道跳槽式開挖中隔墻施工過程。彭定超( 2 0 0 2 ) n 引等對金竹林連拱隧道的三維彈性計算，分析了擬定開挖工藝下隧道各階段的應 力和變形情況，并針對連拱隧道進行專題研討，提出連拱隧道中墻受力狀態(tài)的一 般規(guī)律。王福柱( 2 0 0 3 ) 心1 等對北京地鐵1 3 號線東直門區(qū)間的連拱形式隧道采用有 限元法進行施工過程力學模擬計算，得出淺埋雙連拱隧道施工過程中周圍土體的 應力情況和變形情況。王勝輝( 2 0 0 4 ) 心5 ，等針對筲箕灣連拱隧道的開挖過程進行兩 種不同工序的模擬計算，比較不同開挖工序對隧道中墻的影響。結果表明，中墻 是連拱隧道最主要的受力構件，非對稱開挖容易在中墻上引起較大偏心荷載。余 健( 2 0 0 4 ) 招引等應用, 4 n s y s 有限元程序對浙江省某高速公路連拱隧道施工全過程進 7 行了研究，模擬考慮不同的支護方式和不同的開挖順序，得出了應力、應變和位 移的變化規(guī)律。丁文其( 2 0 0 5 ) 幢7 ，等對龍山隧道建立了連拱隧道施工動態(tài)有限元分 析程序，模擬三導洞法和上下臺階法開挖雙連拱隧道的施工過程，并通過對拱項 沉降、地表沉降、中墻應力、圍巖穩(wěn)定性的分析，從施工工序與施工力學角度對 2 種施工方法的優(yōu)劣進行比較分析。李強( 2 0 0 6 ) 幢引等針對雙跨連拱隧道設計和施 工中存在的問題，采用三維有限差分程序f l a c ，對兩種中墻結構的空間受力特 征進行了研究。 日本的市橋清功、佐藤映、松長剛等對九里洪田浦線的阿部倉雙連拱隧道的 施工方法、結構形式、加固范圍和爆破的設計參數(shù)等進行了數(shù)值模擬，得出了阿 部倉雙連拱隧道的優(yōu)化施工方法、結構形式、加固區(qū)范圍和爆破參數(shù)；石川靖治、 上村正人、米田裕榭、中川浩二采用二維有限元程序對北九州市的下到津超大斷 面的市區(qū)雙連拱隧道進行研究，經過研究將整體式中墻結構修改為分片式中墻結 構幢”。 綜上所述，不少學者利用數(shù)值計算方法對連拱隧道的施工過程進行了研究， 并通過結果分析提出相應的施工優(yōu)化建議。然而，隧道數(shù)值計算方法建立在堅實 的理論基礎之上，但由于隧道周巖的力學參數(shù)、模型的建立與實際情況都很難吻 合，由室內試驗或現(xiàn)場原位試驗提供的巖石力學參數(shù)都與巖體實際情況存在一定 的偏差，加之巖體的非均質性、非連續(xù)性以及尺寸效應等的影響，這些因素均可 導致計算結果的偏差，使得結果的可信度降低。因此，采用其他手段進行對比分 析仍是非常必要的。 1 4 4 大跨徑連拱隧道模型試驗 室內相似模型試驗是研究隧道圍巖與支護力學特性的又一重要手段。相似模 型試驗的模擬主要是用于觀察隧道變形過程以及測試相似模型中隧道圍巖與支護 結構的受力等情況。雖然隧道圍巖與支護結構的受力、變形是非常復雜的多因素 相互影響的結果，但一般認為，隧道變形和破壞研究已經足夠用于評價支護系統(tǒng) 設計和圍巖穩(wěn)定性。對連拱隧道相似模型試驗方面，我國學者也做了一些工作。 吳夢軍( 2 0 0 3 ) d 們等利用“公路隧道結構與圍巖綜合實驗系統(tǒng)( c t s s s r h ) ，對 連拱隧道在不同開挖方案下的施工動態(tài)過程進行了相似模型試驗，得到了圍巖變 形全過程曲線，研究了連拱隧道圍巖位移、變形等發(fā)展規(guī)律，提出了i i i 類圍巖合 理的開挖方案。林剛( 2 0 0 4 ) b 等利用相似模擬試驗研究了i i 類圍巖條件下四車道 雙連拱公路隧道支護結構的合理性，并與現(xiàn)場原位試驗進行印證和補充。結果表 明：中墻內力在施工過程中變化十分復雜，施工中應重點考慮中墻抗傾覆的要求； 初期支護體系應以系統(tǒng)錨桿和噴混凝土為主、鋼支撐為輔。申玉生( 2 0 0 5 ) z 一等進 行了大型相似模型試驗研究和有限元數(shù)值分析，得到了雙連拱隧道的二次初砌的 8 內力圖式，試驗表明雙連拱隧道的兩邊墻腳、中墻底部和頂部的彎矩值較大，尤 其是中墻的受力特征將直接決定雙連拱隧道圍巖整體穩(wěn)定性。 國外也有一些研究成果，如日本的入江健二、末富裕二、河越騰對半藏門線 的清澄工區(qū)側部現(xiàn)行的三連拱盾構區(qū)間隧道的結構進行了室內相似模擬試驗，原 列寧格勒鐵道學院曾對單跨雙層的地鐵車站的結構進行室內相似模擬試驗n ”。 總之，利用模型試驗的方法對隧道及地下工程的研究，可以直觀、全面的進 行隧道圍巖和支護結構力學特性研究的重要手段。雖然這方面的工作在國內外已 經展開，但由于室內模型試驗費用較高，技術難度大，目前在一般的隧道工程中 很難得到廣泛應用。 1 4 5 大跨徑連拱隧道現(xiàn)場試驗與圍巖穩(wěn)定性預測方法 結合現(xiàn)場地質條件和不同施工方法選擇典型斷面開展現(xiàn)場試驗是研究隧道施 工力學行為的重要手段之一。現(xiàn)場試驗一般結合隧道監(jiān)控量測同步進行，隧道施 工監(jiān)控量測已經是隧道工程研究領域中較為成熟和有效的方法之一。現(xiàn)場測試一 般配合隧道新奧法施工所包含的監(jiān)控量測工作，它是以圍巖與支護結構實體為研 究對象，采取預埋位移或應力傳感器等測試元件，隨施工進程同步觀察施工過程 中隧道支護結構與相鄰巖土介質的應力、位移與變形等物理量值的變化過程。由 于觀察結果為工程結構的真實完整的寫照，因而所獲得的信息對驗證和指導工程 設計與施工具有十分重要的作用。 對于隧道工程所進行的現(xiàn)場測試，主要包括以下幾個方面：地質和支護狀態(tài) 觀察、洞周收斂和拱頂沉降、圍巖內部位移量測、錨桿軸力量測、噴射混凝土與 二襯接觸壓力量測、鋼支撐內力量測、二次襯砌內力量測等。這些項目的測試一 方面可直接反映隧道圍巖與支護結構的變形和受力隨施工進展的動態(tài)特性，為設 計與施工提供計算數(shù)據(jù)，檢驗設計與施工的合理性：另一方面，通過對圍巖變形 量測信息及規(guī)律的認識，可以預測圍巖穩(wěn)定性，以便及時對設計施工進行反饋， 必要時作適當?shù)恼{整。 實踐表明，隧道現(xiàn)場測試得到的隧道圍巖與支護結構相應的量測信息對于檢 驗設計、施工方案及加固措施，預報預測險情等，是行之有效的途徑。采取現(xiàn)場 監(jiān)控和量測還可以為相同地質條件下類似工程的設計和施工積累極為寶貴的數(shù)據(jù) 和經驗。近年來，在各種隧道施工中，信息化施工及預測方法( 灰色系統(tǒng)理論，神 經網絡理論等) 都對工程的安全施作，提供了必不可少的監(jiān)測保證。 1 4 6 大跨徑連拱隧道存在的主要問題及經驗 大跨度連拱隧道在我國的實踐已有一段時間，如鐵路車站連拱隧道設計和施 工技術經驗可以借鑒，總結國內已有雙連拱公路隧道的施工經驗，概括起來有幾 點：大跨度雙連拱隧道不是兩個單孔隧道的簡單迭加；隧道施工荷載轉換次數(shù)較 9 多，導致中墻受力狀況十分復雜，設計施工中應重視中墻的抗傾覆性，同時，為 保證圍巖與支護結構的穩(wěn)定，中墻應具有一定的厚度；兩側隧道不宜同時施工， 以減少對圍巖的擾動；為減少兩側主洞多次施工的影響，保證上部荷載有效傳遞， 中墻上方一定范圍內圍巖應在施工中加強。 盡管在大跨度公路連拱隧道建設方面取得一定的施工經驗，然而可供參考的 工程實例仍然較少。從目前國內已建成的連拱隧道工程來看，施工中常常不同程 度出現(xiàn)了圍巖坍塌、襯砌產生大面積裂縫，襯砌接頭處嚴重滲漏水等問題。且隨 著連拱隧道工程的增多，新問題也正不斷涌現(xiàn)，有許多問題仍待進一步優(yōu)化、完 善和改進。 1 5 主要研究內容與技術路線 1 5 1大跨徑連拱隧道存在的主要問題及經驗 本文以宛坪高速公路內鄉(xiāng)至西坪段劉家灣雙向六車道大跨徑連拱隧道為主要 研究對象，總結了大跨徑連拱隧道的結構特性，設計方法和施工方法、施工工藝以 及病害類型，并基于該項目隧道發(fā)生坍塌，通過收集數(shù)據(jù)以及整理分析，對圍巖 位移發(fā)生的特性進行了適合該隧道圍巖變化的灰色理論系統(tǒng)等模型的擬合預測， 并對深埋大跨徑連拱隧道失穩(wěn)及變形破壞機理進行初步研究，并基于模擬試驗， 通過運用有限元分析軟件p l a x i s 建立隧道模型，結合室內底摩擦試驗，進行仿真 現(xiàn)場模型進行模型實驗及演繹其破壞失穩(wěn)過程，為深埋、長隧、大跨度連拱隧道 的建設提供理論依據(jù)和科學指導，該研究具有重要的學術價值和實用意義。 1 5 2 大跨徑連拱隧道存在的主要問題及經驗 本文技術路線見圖1 8 所示。 1 0 圖1 8 本文技術路線圖 1 1 第二章隧道新奧法施工變形監(jiān)測理論、方法與量測技術 2 1連拱隧道特點 公路連拱隧道得到日益廣泛應用，其原因是因它具有獨自的優(yōu)點。劉洪洲、 黃倫海，詳細論述了連拱隧道的優(yōu)點和應用條件，其主要優(yōu)點：在特殊的山嶺重 丘地形，和在城市周邊有山丘阻礙城鄉(xiāng)交通處，以及在人多地少經濟活躍的山丘 區(qū)興建連拱隧道，有利于洞口和洞身的選擇，減少隧道長度，減少投資。避免隧 道洞口橋隧或路隧分幅，節(jié)省了進出口洞口路基和橋梁分幅所占土地面積，也避 免了線路從整體到分離再到整體的復雜轉換，有利于路橋隧總體的線形流暢?？s 小了所占地下空間，提高了地下空間利用率。在城鄉(xiāng)交接的山丘處，因人流量和 交通量大，適宜興建雙連拱或多連拱公路隧道，以滿足城市發(fā)展的需要。興建連 拱隧道，居民房屋拆遷和開挖土石方數(shù)量都相對較少，有助于減少自然環(huán)境破壞 和保護城郊名勝古跡，又便于運營管理，有著明顯的社會效益和經濟效益。其主 要缺點是：最主要是開挖跨度大，二車道隧道跨度大于2 2 m ，三車道隧道跨度大 于3 0 m ，因而經受圍巖壓力較大。埋深淺，多次開挖爆破導致圍巖多次擾動，尤 其是中墻頂部及其兩側，稍有不慎易引起隧道圍巖坍方，甚至冒頂。施工工序多， 結構特殊且復雜，結構受力狀態(tài)變化頻繁，質量控制點多，施工技術難度較大和 維修不便。中墻和邊墻的施工及拱部二次襯砌施工，相隔時間較長，使得支護系 統(tǒng)受力復雜。整體式中墻防排水和主洞拱部防排水施工不同步進行，使施工縫更 加明顯化。整體式中墻滲漏水現(xiàn)象較為常見，施工質量和洞1 ：3 安全比不上分離式 隧道。部分污穢空氣倒流入另一洞內。 上述存在的諸多不足，很多屬于初期缺乏設計和施工經驗，以及當時缺少可 參考的論著和規(guī)范指導有關。為此，近幾年許多科研、設計、高校和施工單位的 專家、學者聯(lián)合或者單獨針對連拱隧道存在的問題，進行了多方面研究，使之不 斷改進和完善，有的已獲得了較理想的效果，如廣泛采用復合式中墻，從根本上 解決了中墻滲、漏水的通病難題。 2 2 隧道坍塌典型示例 2 2 1宜萬鐵路高陽寨隧道進口處發(fā)生巖崩滑坡 2 0 0 7 年1 1 月2 0 日上午8 時4 0 分左右，宜萬鐵路湖北省巴東段高陽寨隧道 進口處發(fā)生巖崩。隧道進口坍陷下來的土石將公路阻斷，隧道入口處有一個面積 近百平方米的大窟窿，各種各樣的鋼制支架散落一地，一塊巨石靠著山體，體積 1 2 近百立方，一載有乘客約3 0 余名的客車被埋。 a 搜救c 塌方事故現(xiàn)場d 湖北客車遇山體崩塌 b 進口巖崩現(xiàn)場( 1 1 月2 6 日拍攝的坍塌事故現(xiàn)場) 圖2 1宜萬鐵路巴東段高陽寨隧道進口巖崩 該次塌方原因：隧道進口處發(fā)生巖崩形成滑坡，后果：滑坡體方量約3 0 0 0 立方米，3 1 人遇難。 2 2 2 重慶高速公路竹林坪隧道坍塌 2 0 0 6 年9 月1 3 日2 3 時，正在建設中的石柱境內墊( 江) 恩( 施) 高速公路竹林 坪隧道發(fā)生垮塌，4 名工人被困隧道。歷經1 0 8 小時，四人獲救。該隧道計劃建 長1 4 0 0 m ，己掘進3 7 0 余米，發(fā)生垮塌地方距離洞口8 0 m 處?？逅L度尚無準確 數(shù)字，預計3 0 m 長。被困人員活動空間長度在4 0 m 至l o o m 。( 生還和施救結果待 查) 原因：坍塌隧道地質構造復雜加上近期當?shù)叵铝舜笥?，是這次塌方的主要原因。 地質背景是它塌方的主要原因，一個是巖層組合的不利，軟硬相間；第二個是構 造背景，因為這個地方泥巖局部產生錯移，地層構造比較陡，容易垮塌。后果： 該隧道計劃建長1 4 0 0 m ，已掘進3 7 0 余米，發(fā)生垮塌地方距離洞口8 0 m 處?？逅?長度尚無準確數(shù)字，預計3 0 m 長。 圖2 5重慶高速公路竹林坪隧道坍塌現(xiàn)場圖形描述 2 2 3 哈爾濱天恒山隧道坍塌 哈爾濱繞城公路天恒山隧道2 0 0 7 年2 月2 2 同發(fā)生坍塌事故。3 名工人死亡2 人被埋失蹤。天恒山隧道工程經過國家、省、市有關部門審批，由中鐵十三局承 攬修建，總投資1 8 億元。 ：= i 塌現(xiàn)場圖形描述 2 2 4 廣硯高速公路在建隧道坍塌 2 0 0 6 年9 月1 1 日1 1 時4 0 分，由中鐵隧道二處有限公司施工的廣硯高速公 路第四合同段珠街隧道左線z k l 6 9 + 8 7 0 一z k l 6 9 + 8 9 0 發(fā)生塌方，2 5 名施工人員被困。 事故所發(fā)地正處廣南至硯山高速公路廣南段內的珠街鎮(zhèn)，此高速路是國家“五縱 七橫”國道主干線衡陽一南寧一昆明公路滇境中的一段，是云南通往廣西及沿海 港口的運輸大動脈。據(jù)此項工程的資料顯示：該項目具有施工地質復雜、橋隧比 例重、高邊坡較多、技術難度大等特點。路線區(qū)內存在巖溶、地下暗河、滑坡、 泥石流、危巖、巖堆及軟弱地基等不良地質。坍塌隧道在第四標段珠街隧道左側。 裂縫出現(xiàn)已有十余天了，石林人李志勇是塌方隧道的渣土車司機，廣南至硯山方 向，隧道分左右兩個洞口，右側隧道長7 5 0 m ，已全部修通。而塌方的左側隧道全 長7 2 0 m ，隧道由廣南至硯山方向單向挖掘，目前只修通了3 0 0 m 米左右。據(jù)了解， 塌方處位于隧道內2 5 0 m 左右。由于隧道前半部分已澆灌修好，工人多半集中在隧 道2 5 0 m 至3 0 0 m 的區(qū)域內施工，以至于洞內塌方后，有2 0 余名工人被困。 2 2 5 廣福隧道塌方 2 0 0 5 年1 0 月2 7 日5 時3 0 分左右，正在建設中的天汕( 天津至汕頭) 高速公 路梅州蕉嶺境內廣福隧道右線出口k 7 + 5 8 0 m 的地方在沒有任何預兆的情況下突然 出現(xiàn)塌方，正在作業(yè)的1 2 名施工人員被困在里面。 舞瓣謄鼉廣豢 蕞瀛精 1 4 t 奠銣煞_ ，熟醺 a r 程進度圖 c 緊急救援 d 坍塌斷面清理e 救援臨時文撐加崮 圖2 8 廣福隧道塌方現(xiàn)場 該隧道是雙洞分離式高速公路隧道，出事點離出口約4 6 3 m 、離工作面約8 0 m ； 原設計該段巖層為較堅固的v 類圍巖，開挖后發(fā)現(xiàn)實際變更為較差的i i i 類圍巖。 綜上所述，隧道施工過程中，尤其是大跨徑連拱隧道施工過程中，對于圍巖及各 種支護的安全性監(jiān)測與預測都是有著不可忽視的作用，對工程本身以及施工人員 的安全性保障，都有著不可磨滅的作用。 2 3隧道圍巖破壞類型與影響因素 2 3 1 巖體變形 隧道巖體的變形不僅表現(xiàn)出彈性和塑性，而且也具有流變性質。流變性指巖 體的應力一應變關系與時問因素有關的性質。巖體在變形過程中具有時間效應的 現(xiàn)象，稱為流變現(xiàn)象r 圳。巖體的流變性質包括蠕變、松弛和彈性后效。根據(jù)試驗 及工程實踐表明，蠕變現(xiàn)象在一些蠕變效應比較明顯的巖體或者是受高溫、高壓 的巖體中更為常見。在這些巖體中，巖體工程的破壞，往往不是因為圍巖的強度 不夠，而是由于巖體還未達到其破壞極限，卻因蠕變而產生過大的變形，導致巖 體工程發(fā)生毀壞。因此，對這類巖體中的巖體工程進行設計時，必須考慮巖體蠕 變的影h 釅”。由于巖體性質的不同，巖體的蠕變性質也不盡相同，通常用蠕變曲 線來表示這種差異。巖體的蠕變曲線大致可以分以下兩類h ： ( 1 ) 穩(wěn)定蠕變。這類蠕變曲線的特點是：蠕變丌始階段，變形增加較快，隨 后逐漸減慢，最后趨于某一穩(wěn)定的極限值，如圖2 9 所示。荷載大小不同，這一 穩(wěn)定值也是不同。由于這種蠕變最終是穩(wěn)定的，所以在多數(shù)情況下，不可能對工 程造成危害。大部分較堅硬的巖體，如砂巖，石狄?guī)r，大理巖，砂質巖等具有這 種蠕變性質。 a 圖2 9 巖體蠕變曲線圖2 1 0 巖體蠕變曲線 ( 2 ) 不穩(wěn)定蠕變。這類蠕變的特點是：變形隨著時間的延長而不斷增長，蠕變 不能穩(wěn)定于某一根限值，而是隨時間無限地增長，自到巖體破壞。具有不穩(wěn)定蠕 變特性的巖體，主要是軟弱巖體，如粘土、砂質粘土、硬質粘土，板巖以及具有 不連續(xù)