隧道開挖工程力學(xué)分析

1、隧道與地下空間力學(xué)分析隧道與地下空間力學(xué)分析與監(jiān)測(cè)技術(shù)與監(jiān)測(cè)技術(shù)黃林沖黃林沖 博士后博士后 副教授副教授QQ 420570701研究方向：研究方向： 地下工程力學(xué)地下工程力學(xué) 土木工程防災(zāi)減災(zāi)土木工程防災(zāi)減災(zāi) 物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)+ +大數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)+ +云平臺(tái)云平臺(tái)近年來主持的科研項(xiàng)目：近年來主持的科研項(xiàng)目：u 國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目u 國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目u 廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)u 廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目u 中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目u 中國博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目u 廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)u 廣東省水利廳科技創(chuàng)新專項(xiàng)項(xiàng)目評(píng)審及專家咨詢庫：項(xiàng)目評(píng)審及專家咨詢庫：u 國家自然科學(xué)基

2、金項(xiàng)目評(píng)審專家u 山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目評(píng)審專家u 湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目評(píng)審專家u 廣東省科技專家u 廣東省水利廳科技創(chuàng)新專家u 廣東省經(jīng)濟(jì)和信息化委專家u 廣州市公共資源交易中心項(xiàng)目評(píng)審專家u 廣州市科協(xié)科普專家u 廣州鐵路局、成都鐵路局咨詢專家主持的智慧城市工程案例（結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)減災(zāi)）：主持的智慧城市工程案例（結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)減災(zāi)）： u 智慧工地：珠海橫琴智慧工地大平臺(tái)建設(shè)、中建股份集團(tuán)智慧工地大平臺(tái)建設(shè)（聯(lián)合中國聯(lián)通建設(shè)長(zhǎng)沙地鐵軌道交通智慧工地平臺(tái)）；u 城市地下空間及地鐵建設(shè)：廣州金融城地下空間、長(zhǎng)沙地鐵、廣州地鐵、深圳地鐵的結(jié)構(gòu)及周邊建筑物安全研究；u 城際軌道交通項(xiàng)目建設(shè)：珠三

3、角城際軌道莞惠、廣清、佛肇交通項(xiàng)目隧道、車站的安全監(jiān)測(cè)及防護(hù)；u 高速鐵路建設(shè)：向莆高速鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、武廣高速鐵路沉降及變形研究、滬昆高速鐵路隧道安全監(jiān)測(cè)、廣深港高速鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；市政隧道項(xiàng)目：南京長(zhǎng)江隧道防災(zāi)救援體系之疏散通道專題研究項(xiàng)目 1 隧道開挖的力學(xué)行為3 隧道開挖監(jiān)控量測(cè)技術(shù)123一、新奧法的基本概念與原理 是一種修建在地下的工程建筑物。 修建在地下、兩端有出入口，供車輛、行人、水流及管線等通過的通道(在保留上部地層的前提下開挖出能夠提供某種用途的地下空間)。1.1 隧道概述新奧法的基本概念與原理1.1 隧道概述1231.2.1 新奧法的由來與產(chǎn)生的歷史背景新奧法的由來與產(chǎn)

4、生的歷史背景 新奧法的全稱是新奧地利隧道工程方法，即New Austrian Tunneling Method，縮寫為NATM。1.2 新奧法的基本概念新奧法的基本概念1.1. 新奧法的由來新奧法的由來1.新奧法的基本概念與原理1.2 新奧法的基本概念新奧法的基本概念1.2.1 新奧法的由來與產(chǎn)生的歷史背景新奧法的由來與產(chǎn)生的歷史背景2.2. 產(chǎn)生的背景產(chǎn)生的背景u 1. 錨桿支護(hù)在20世紀(jì)初出現(xiàn) u 2. 噴射混凝土機(jī)在1940年代末研制成功u 3. 巖石力學(xué)的理論發(fā)展為新奧法提供了科學(xué)依據(jù) 1.新奧法的基本概念與原理1.2 新奧法的基本概念新奧法的基本概念1.2.2 新奧法的基本概念新奧法

5、的基本概念1.1. 新奧法新奧法 用薄層支護(hù)手段來保持圍巖強(qiáng)度，控制圍巖變形，以發(fā)揮圍巖的自承載能力，并通過施工監(jiān)控量測(cè)來指導(dǎo)隧道工程的設(shè)計(jì)與施工。1.新奧法的基本概念與原理1.2 新奧法的基本概念新奧法的基本概念1.2.2 新奧法的基本概念新奧法的基本概念2.2. 新奧法的三大要素新奧法的三大要素u 控制爆破 u 噴錨支護(hù) u 監(jiān)控量測(cè)3.3. 三項(xiàng)作業(yè)三項(xiàng)作業(yè)u 開挖u 初次支護(hù) u 二次支護(hù)1.新奧法的基本概念與原理1.2 新奧法的基本概念新奧法的基本概念1.2.3 新奧法原理的要點(diǎn)新奧法原理的要點(diǎn)u 1. 承載體系：支護(hù)結(jié)構(gòu)+圍巖 u 2. 少擾動(dòng)圍巖u 3. 即允許又限制圍巖的變形u

6、 4. 復(fù)合式襯砌（初期支護(hù)和二次襯砌 ）u 5. 初期支護(hù)應(yīng)盡量做成柔性的u 6. 要盡可能使結(jié)構(gòu)做得園順u 7. 進(jìn)行有效的監(jiān)控量測(cè)u 8. 通過“排堵措施”解決襯砌滲水 1.新奧法的基本概念與原理1231.3 隧道施工過程的力學(xué)分析隧道施工過程的力學(xué)分析1.新奧法的基本概念與原理 一切措施都圍繞一切措施都圍繞圍巖穩(wěn)定圍巖穩(wěn)定為目的；為目的； 支護(hù)與圍巖視作統(tǒng)一的支護(hù)與圍巖視作統(tǒng)一的復(fù)合體復(fù)合體，共同作用共同作用； 復(fù)合體中圍巖是承載主體，復(fù)合體中圍巖是承載主體，最大限度的發(fā)揮圍巖最大限度的發(fā)揮圍巖的自承能力的自承能力，同時(shí)也要發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力；，同時(shí)也要發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力； 注

7、重現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和注重現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和監(jiān)控量測(cè)監(jiān)控量測(cè) 1.3.1 現(xiàn)代支護(hù)理論現(xiàn)代支護(hù)理論1.3 隧道施工過程的力學(xué)分析隧道施工過程的力學(xué)分析1.新奧法的基本概念與原理PPP 1.3.2 圍巖圍巖支護(hù)平衡曲線支護(hù)平衡曲線PPP1232 2 圍巖壓力圍巖壓力2.1 2.1 巖體初始應(yīng)力狀態(tài)巖體初始應(yīng)力狀態(tài) 自重應(yīng)力自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力地下水壓力地下水壓力溫度應(yīng)力溫度應(yīng)力原巖原巖 毛洞毛洞穩(wěn)定洞室穩(wěn)定洞室開挖開挖支護(hù)支護(hù)一、圍巖壓力及其分類一、圍巖壓力及其分類( (一一) )圍巖壓力圍巖壓力 圍巖壓力圍巖壓力地層對(duì)洞室的作用力地層對(duì)洞室的作用力廣義：包括有、無支護(hù)時(shí)的壓力廣義：包括有、無支護(hù)時(shí)的壓力狹義

8、：僅指對(duì)支護(hù)的壓力狹義：僅指對(duì)支護(hù)的壓力（二）圍巖壓力分類（二）圍巖壓力分類 1 1松動(dòng)壓力松動(dòng)壓力圍巖變形過大，發(fā)生松動(dòng)而形成的壓力。圍巖變形過大，發(fā)生松動(dòng)而形成的壓力。 2 2形變壓力形變壓力圍巖變形在有限范圍內(nèi)而形成的壓力。圍巖變形在有限范圍內(nèi)而形成的壓力。這是最重要的兩種壓力形態(tài)。這是最重要的兩種壓力形態(tài)。 問題：?jiǎn)栴}： 1.1.這兩種壓力性質(zhì)上有何不同？這兩種壓力性質(zhì)上有何不同？ 2.2.壓力的性質(zhì)與圍巖穩(wěn)定性有何關(guān)系？壓力的性質(zhì)與圍巖穩(wěn)定性有何關(guān)系？3 3膨脹壓力膨脹壓力膨脹性巖層。膨脹性巖層。4 4沖擊壓力沖擊壓力明洞，落石；明洞，落石； 暗洞，坍方、巖爆。暗洞，坍方、巖爆。3.

9、2 3.2 影響圍巖壓力的因素影響圍巖壓力的因素 地質(zhì)因素地質(zhì)因素 1.1.巖體初始應(yīng)力狀態(tài)巖體初始應(yīng)力狀態(tài) 2.2.巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì) 3.3.巖體結(jié)構(gòu)面巖體結(jié)構(gòu)面 4.4.地下水等地下水等 工程因素工程因素 1.1.施工方法施工方法 2.2.支護(hù)設(shè)置時(shí)間支護(hù)設(shè)置時(shí)間 3.3.支護(hù)本身剛度支護(hù)本身剛度 4.4.隧道斷面形狀等隧道斷面形狀等1.1.圍巖松動(dòng)壓力的形成圍巖松動(dòng)壓力的形成 自然拱的概念：自然拱的概念：圍巖的變形不能得到有效的控制，當(dāng)變圍巖的變形不能得到有效的控制，當(dāng)變形超過一定限度后，圍巖發(fā)生松動(dòng)、坍落，最終在洞室上方形超過一定限度后，圍巖發(fā)生松動(dòng)、坍落，最終在洞室上方形成拱

10、形。形成拱形。 (a) (a) 變形階段；變形階段； (b) (b) 松動(dòng)階段；松動(dòng)階段； (c) (c) 塌落階段；塌落階段； (d) (d) 成拱階段。成拱階段。 3.3 圍巖松動(dòng)壓力的形成和確定方法圍巖松動(dòng)壓力的形成和確定方法自然拱 影響自然拱的因素：影響自然拱的因素： 隧道埋深隧道埋深成拱的必要條件成拱的必要條件 隧道斷面形狀和大小隧道斷面形狀和大小拱的范圍拱的范圍 施工因素施工因素對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度2 2、圍巖壓力的確定方法、圍巖壓力的確定方法 直接量測(cè)法直接量測(cè)法 理論估算法理論估算法 統(tǒng)計(jì)法（經(jīng)驗(yàn)法、工程類比法）統(tǒng)計(jì)法（經(jīng)驗(yàn)法、工程類比法） 1) 1)深埋隧道圍巖松

11、動(dòng)壓力的確定方法深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法 (1) (1) 統(tǒng)計(jì)法統(tǒng)計(jì)法我國我國隧規(guī)隧規(guī)所推薦的方法所推薦的方法whhqsqq1245.0式中式中 圍巖容重；圍巖容重； h hq q坍落拱高度；坍落拱高度； s s 圍巖級(jí)別；圍巖級(jí)別； w w 寬度影響系數(shù)，由寬度影響系數(shù)，由 w=1+iw=1+i（B-5B-5）計(jì)算：）計(jì)算： B B 坑道寬度，當(dāng)坑道寬度，當(dāng) B B5m5m時(shí)，取時(shí)，取 i =0.2i =0.2，當(dāng)，當(dāng) B B5m5m時(shí)，取時(shí)，取i =0.1i =0.1。圍巖水平均布?jí)毫鷰r水平均布?jí)毫鷰r級(jí)別圍巖級(jí)別、水平均布?jí)毫λ骄級(jí)毫? 00.15q0.15q( 0.15(

12、0.150.3)q0.3)q(0.3(0.30.5)q0.5)q(0.5(0.51.0)q1.0)q 統(tǒng)計(jì)法公式的適用條件：統(tǒng)計(jì)法公式的適用條件： H/BH/B1.71.7，H H為坑道的高度；為坑道的高度； 深埋隧道；深埋隧道； 不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖；不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖； 采用礦山法施工。采用礦山法施工。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，圍巖垂直松動(dòng)壓力的分布可概括為據(jù)統(tǒng)計(jì)，圍巖垂直松動(dòng)壓力的分布可概括為4 4種，如種，如圖。圖。 圍巖豎向松動(dòng)壓力的分布圖形圍巖豎向松動(dòng)壓力的分布圖形統(tǒng)計(jì)法公式僅針對(duì)圖中第一種情況。統(tǒng)計(jì)法公式僅針對(duì)圖中第一種情況。圖 4-7(2) (2) 普氏理論普氏理

13、論 散粒體理論：巖體被節(jié)理、裂隙所切割，視為散粒體理論：巖體被節(jié)理、裂隙所切割，視為散粒體。散粒體。 普氏系數(shù)普氏系數(shù)f(f(巖體堅(jiān)固性系數(shù)巖體堅(jiān)固性系數(shù)):):0tantancf巖體堅(jiān)固性系數(shù)巖體堅(jiān)固性系數(shù) f f 的概念：的概念： f f是一個(gè)以巖體強(qiáng)度為主的指標(biāo)，兼顧抗鉆性、抗爆性、是一個(gè)以巖體強(qiáng)度為主的指標(biāo)，兼顧抗鉆性、抗爆性、地下水等性質(zhì)。地下水等性質(zhì)。 前述自然拱概念最早由普氏前述自然拱概念最早由普氏提出：提出：fbhq自然拱的兩種形態(tài)自然拱的兩種形態(tài)B hkBthk BbHt 堅(jiān)硬巖體堅(jiān)硬巖體: : 松散破碎巖體：松散破碎巖體： 245tan0ttHbb式中式中 為隧道凈跨度的一

14、半；為隧道凈跨度的一半； 為隧道凈高度。為隧道凈高度。tbtHtbb 一般來說，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。一般來說，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。(3) 泰沙基理論泰沙基理論理論：散粒體理論。理論：散粒體理論。假定：假定：破裂面為折線破裂面為折線OABOAB方法：方法：研究微分條帶研究微分條帶dhdh的平衡。的平衡。步驟：步驟：1.V=01.V=0，建立微分方程，建立微分方程2.2.邊界條件：邊界條件：0,0vh3.3.解微分方程解微分方程，得：，得：4.4.討論：討論： 當(dāng)埋深當(dāng)埋深h h 達(dá)到一定程度時(shí)，達(dá)到一定程度時(shí)， 為恒值：為恒值： 取側(cè)壓力系數(shù)取側(cè)壓力系數(shù)k=1

15、k=1， 則有：則有：與普氏法對(duì)照，能發(fā)現(xiàn)什么？與普氏法對(duì)照，能發(fā)現(xiàn)什么？)1(tan0tan0bhkvekbvkbv0tanf0tanhfbv 2) 2)淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法 深、淺埋隧道的判定原則深、淺埋隧道的判定原則 Hp（22.5）hq I I一一IIIIII級(jí)圍巖取級(jí)圍巖取: : H Hp p2h2hq q IV IVVIVI級(jí)圍巖取級(jí)圍巖取: : H Hp p2.5h2.5hq q HHpHHp時(shí)為深埋時(shí)為深埋H HHpHp時(shí)為淺埋時(shí)為淺埋H H 為覆蓋層厚度為覆蓋層厚度 (2) (2) 淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確

16、定方法 土柱法土柱法 要點(diǎn)：忽略滑動(dòng)面上的阻力。要點(diǎn)：忽略滑動(dòng)面上的阻力。 適于：埋深適于：埋深 H hqH hq 垂直壓力：垂直壓力：q=Hq=H 水平壓力按朗金公式：水平壓力按朗金公式：e = (H + 1/2 Ht)tg2(450 /2) Ht 為隧道凈高。為隧道凈高。滑動(dòng)巖體未擾動(dòng)土體圖 4-10圍巖壓力滑動(dòng)面 一院法一院法 重點(diǎn)：重點(diǎn)： 當(dāng)當(dāng)H Hhq hq 時(shí)，應(yīng)該考慮滑動(dòng)面上的阻力。時(shí)，應(yīng)該考慮滑動(dòng)面上的阻力。 分析下圖：分析下圖： 圖 4-11NT2W2NT2PT1W2BFW1EAhBtT1DCHG00HHt 監(jiān)控量測(cè)是指在隧道施工過程中，對(duì)圍巖、地表、支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定狀態(tài)

17、，以及周邊環(huán)境動(dòng)態(tài)進(jìn)行的經(jīng)常性觀察和量測(cè)工作。 以了解和掌握圍巖穩(wěn)定狀態(tài)及支護(hù)結(jié)構(gòu)體系可靠程度，確保隧道施工安全和結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，為隧道施工中變更圍巖級(jí)別、調(diào)整初期支護(hù)和二次襯砌的參數(shù)、指導(dǎo)施工順序、修正及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)信息化設(shè)計(jì)與施工不可缺少的一道工序。監(jiān)控量測(cè)的概念監(jiān)控量測(cè)的概念1 1、隧道施工量測(cè)項(xiàng)目、隧道施工量測(cè)項(xiàng)目包括必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目，應(yīng)根據(jù)隧道工程地質(zhì)條件、圍巖類別、圍巖應(yīng)力分布情況、隧道跨度、埋深、工程性質(zhì)、支護(hù)類型等因素確定。序號(hào)項(xiàng)目常用測(cè)量?jī)x器備注1洞內(nèi)、外觀察現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)碼相機(jī)、羅盤儀2拱頂下沉水準(zhǔn)儀、鋼掛尺或全站儀3凈空變化收斂計(jì)、全站儀4地表沉降水準(zhǔn)儀、銦

18、鋼尺或全站儀 監(jiān)控量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目必測(cè)項(xiàng)目是施工的經(jīng)常性量測(cè)項(xiàng)目，這類量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目是施工的經(jīng)常性量測(cè)項(xiàng)目，這類量測(cè)項(xiàng)目通常測(cè)試方法簡(jiǎn)單、費(fèi)用少、可靠性高，項(xiàng)目通常測(cè)試方法簡(jiǎn)單、費(fèi)用少、可靠性高，對(duì)監(jiān)視圍巖穩(wěn)定、指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工卻具有重要對(duì)監(jiān)視圍巖穩(wěn)定、指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工卻具有重要的作用。的作用。序號(hào)量測(cè)項(xiàng)目?jī)x器設(shè)備1圍巖壓力 壓力盒 2鋼架內(nèi)力 鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì) 3噴混凝土內(nèi)力 混凝土應(yīng)變計(jì) 4二次襯砌內(nèi)力 混凝土應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì) 5初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力 壓力盒 6錨桿軸力 鋼筋計(jì) 7圍巖內(nèi)部位移 多點(diǎn)位移計(jì) 8隧底隆起 水準(zhǔn)儀、錮鋼尺或全站儀 9爆破振動(dòng) 振動(dòng)傳感器、記錄儀 10孔隙水壓力 水壓計(jì)

19、 11水量 三角堰、流量計(jì) 12縱向位移 多點(diǎn)位移計(jì)、全站儀 選測(cè)項(xiàng)目是對(duì)一些有特殊意義和具有代表性的區(qū)段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以選測(cè)項(xiàng)目是對(duì)一些有特殊意義和具有代表性的區(qū)段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以求更深入地掌握圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)與錨噴支護(hù)效果，以便更好地指求更深入地掌握圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)與錨噴支護(hù)效果，以便更好地指導(dǎo)未開挖區(qū)的設(shè)計(jì)與施工，這類量測(cè)項(xiàng)目較多、費(fèi)用較大，一般導(dǎo)未開挖區(qū)的設(shè)計(jì)與施工，這類量測(cè)項(xiàng)目較多、費(fèi)用較大，一般由設(shè)計(jì)文件規(guī)定在局部地段進(jìn)行。由設(shè)計(jì)文件規(guī)定在局部地段進(jìn)行。 量測(cè) 項(xiàng)目圍巖種類必測(cè)項(xiàng)目選測(cè)項(xiàng)目洞內(nèi)外觀察凈空收斂拱頂下沉錨桿抗拔力地表下沉圍巖內(nèi)位移錨桿軸力鋼支撐應(yīng)力接觸壓力混凝土應(yīng)變洞內(nèi)彈性波硬巖軟

20、巖土砂必須實(shí)施、 可以實(shí)施、 必要時(shí)實(shí)施(1)洞內(nèi)外觀察A 目測(cè)觀察的目的 預(yù)測(cè)開挖面前方的地質(zhì)條件。（超前地質(zhì)預(yù)報(bào)） 為判斷圍巖的穩(wěn)定性提供地質(zhì)依據(jù)。 根據(jù)噴層表面狀態(tài)及錨桿的工作狀態(tài)，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠程度。 2.5.1 必測(cè)項(xiàng)目必測(cè)項(xiàng)目3. 1 必測(cè)項(xiàng)目必測(cè)項(xiàng)目（2）周邊位移量測(cè) A 周邊位移量測(cè)目的周邊位移量測(cè)目的 收斂量測(cè)是隧道施工監(jiān)控量測(cè)的重要項(xiàng)目。周邊位移是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化最直觀的反映，通過周邊位移量測(cè)可以達(dá)到以下目的： 判斷隧道空間的穩(wěn)定性； 根據(jù)變位速度判斷圍巖穩(wěn)定程度和二次襯砌施作的合理時(shí)機(jī)； 指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的施工。 3.1 3.1 隧道施工量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目隧道施工量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目B

21、 周邊位移量測(cè)方法及要求周邊位移量測(cè)方法及要求 收斂量測(cè)的主要內(nèi)容包括儀器選擇、斷面間距、量測(cè)頻率、測(cè)線布置、量測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)間等。 收斂量測(cè)的間距與測(cè)點(diǎn)數(shù)量 必測(cè)項(xiàng)目量測(cè)斷面間距和每斷面測(cè)點(diǎn)數(shù)量 圍巖級(jí)別斷面間距（m）VVI5IV10III3050注注:級(jí)圍巖視具體情況確定間距。級(jí)圍巖視具體情況確定間距。量測(cè)頻率：量測(cè)頻率可根據(jù)位移速度和量測(cè)斷面距開挖面距離確定： 按位移速度位移速度（mm/d）量測(cè)頻率52次/d151次/d0.511次/23d0.20.51次/3d0.21次/7d 按距開挖面距離(注：b為隧道開挖寬度)量測(cè)斷面距開挖面距離（m）量測(cè)頻率(01)b2次/d(12)b1次/d(25

22、)b1次/23d5b1次/7d 由位移速度決定的監(jiān)控量測(cè)頻率和由距開挖面的距離決定的監(jiān)控量測(cè)頻率之中，原則上采用較高原則上采用較高的頻率值的頻率值。出現(xiàn)異常情況或不良地質(zhì)時(shí)，應(yīng)增大監(jiān)控量測(cè)頻率。 地段開挖方法 一般地段 特殊地段 全斷面法 一條水平測(cè)線 臺(tái)階法 每臺(tái)階一條水平測(cè)線 每臺(tái)階一條水平測(cè)線，兩條斜測(cè)線 分部開挖法 每分部一條水平測(cè)線 CD或CRD法上部、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法左右側(cè)部，每分部一條水平測(cè)線，兩條斜測(cè)線、其余分部一條水平測(cè)線 凈空變化量測(cè)測(cè)線數(shù)凈空變化量測(cè)測(cè)線數(shù) 洞周收斂量測(cè)洞周收斂量測(cè) 洞周收斂量測(cè)洞周收斂量測(cè) 圍巖水平收斂量測(cè)(3) 拱頂下沉量測(cè)拱頂下沉量測(cè) A 拱頂下沉量測(cè)目

23、的 確認(rèn)圍巖的穩(wěn)定性，判斷支護(hù)效果，指導(dǎo)施工工序，預(yù)防拱頂崩塌，保證施工質(zhì)量和安全。 B 拱頂下沉量測(cè)儀器 精密水準(zhǔn)儀或全站儀 3.1 3.1 隧道施工量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目隧道施工量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目拱頂下沉量測(cè)(4) 地表下沉量測(cè)目的：城市道路路面的穩(wěn)定。 根據(jù)地表建筑物類別，控制最大下沉量。設(shè)點(diǎn)：地表沉降測(cè)點(diǎn)橫向間距為25m。每個(gè)斷面設(shè)711個(gè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)范圍應(yīng)在隧道開挖影響范圍以內(nèi)。在隧道中線附近測(cè)點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)加密，隧道中線兩側(cè)量測(cè)范圍不應(yīng)小于Ho + B（Ho為隧道埋深，B為隧道開挖寬度 ），地表有控制性建(構(gòu))筑物時(shí)，量測(cè)范圍應(yīng)適當(dāng)加寬。測(cè)點(diǎn)采用22螺紋鋼，深入坡體6080cm，外露5cm，表面磨平后在表面

24、打眼作標(biāo)記。地表下沉量測(cè)應(yīng)在開挖工作面前方，隧道埋深及隧道開挖高度之和處開始，直到二次襯砌結(jié)構(gòu)封閉、下沉基本停止時(shí)為止。地表下沉量測(cè)頻率應(yīng)與洞內(nèi)拱頂下沉和凈空變化的量測(cè)頻率相同。3.1 3.1 隧道施工量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目隧道施工量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目地表沉降與隧道埋深埋深重要性測(cè)量與否3BH小不必要2BH3B一般一般最好量測(cè)最好量測(cè)BH2B重要重要必須量測(cè)必須量測(cè)HB非常重要非常重要必須列為主要量測(cè)項(xiàng)目必須列為主要量測(cè)項(xiàng)目注：B為隧道直徑，H為隧道埋深。地表沉降測(cè)點(diǎn)縱向間距510HB1020BH2B縱向測(cè)點(diǎn)間距（縱向測(cè)點(diǎn)間距（m）埋深與開挖寬度埋深與開挖寬度隧道內(nèi)必測(cè)項(xiàng)目監(jiān)控量測(cè)斷面間距3050III10IV

25、5VVI斷面間距(m)圍巖級(jí)別圖1 地表下沉測(cè)點(diǎn)布置圖 圖2-1全斷面開挖隧道拱頂沉降及周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置圖 圖2-2 上下臺(tái)階及三臺(tái)階法開挖拱頂沉降及周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置圖 圖2-3 CD、CRD法開挖隧道拱頂沉降及周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置圖 圖2-4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖隧道拱頂沉降及周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置圖 圖3 拱部下沉、底部上鼓、填充面下沉測(cè)點(diǎn)布置圖 （1）圍巖內(nèi)部位移量測(cè)A 隧道圍巖內(nèi)部位移量測(cè)的主要目的 了解隧道圍巖的徑向位移分布和松弛范圍。 判斷開挖后圍巖的松動(dòng)區(qū)、強(qiáng)度下降區(qū)以及彈性區(qū)的范圍。 根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果優(yōu)化錨桿參數(shù)，指導(dǎo)施工。B 量測(cè)儀器多點(diǎn)位移計(jì)3.2 選測(cè)項(xiàng)目選測(cè)項(xiàng)目 圍巖內(nèi)部位移量測(cè)圍巖內(nèi)部

26、位移量測(cè) （2）錨桿軸力量測(cè)A 量測(cè)目的了解錨桿實(shí)際工作狀態(tài)及軸向力的大小。結(jié)合位移量測(cè)，判斷圍巖發(fā)展趨勢(shì)，分析圍巖內(nèi)強(qiáng)度下降區(qū)的界限。修正錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)，評(píng)價(jià)錨桿支護(hù)效果。B 量測(cè)方法和儀器 錨桿的軸向力測(cè)定，按其量測(cè)原理可分為電測(cè)式和機(jī)械式兩類。其中電測(cè)式又可分為電阻應(yīng)變式和鋼弦式。 電阻應(yīng)變式和機(jī)械式是通過量測(cè)錨桿不同深度處的應(yīng)變（或變形），然后按有關(guān)計(jì)算方法轉(zhuǎn)求應(yīng)力。 鋼弦式則是通過測(cè)定不同深度處傳感器受力后的鋼弦振動(dòng)頻率變化，轉(zhuǎn)求應(yīng)力。3.2 選測(cè)項(xiàng)目選測(cè)項(xiàng)目（3）圍巖壓力及兩層支護(hù)間壓力量測(cè) 隧道開挖后，圍巖要向凈空方向變形，而支護(hù)結(jié)構(gòu)要阻止這種變形，這樣就會(huì)產(chǎn)生圍巖作用與支護(hù)結(jié)構(gòu)上

27、的圍巖壓力。圍巖壓力量測(cè)，通常情況下是指圍巖與支護(hù)或噴層與二次襯砌混凝土間的接觸壓力的測(cè)試。 A 量測(cè)目的 了解圍巖壓力的量值及分布狀態(tài)；判斷圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定性，分析二次襯砌的穩(wěn)定性和安全度。 B 量測(cè)儀器與原理 接觸壓力量測(cè)儀器根據(jù)測(cè)試原理和測(cè)力計(jì)結(jié)構(gòu)不同分為液壓式測(cè)力計(jì)和電測(cè)式測(cè)力計(jì)，目前隧道中多用電測(cè)式。 弦測(cè)法原理：在傳感器中有一根張緊的鋼弦，當(dāng)傳感器受外力作用時(shí)，弦的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，隨著弦的內(nèi)應(yīng)力改變，自振頻率也相應(yīng)地發(fā)生變化，弦的張力越大，自振頻率越高，反之，自振頻率越低。 3.2 選測(cè)項(xiàng)目選測(cè)項(xiàng)目噴層應(yīng)力量測(cè)噴層應(yīng)力量測(cè) 噴層應(yīng)力量測(cè)噴層應(yīng)力量測(cè) 噴層應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的布置（3）鋼支撐應(yīng)

28、力量測(cè) 一般在、級(jí)圍巖中常采用型鋼支撐；級(jí)圍巖中常采用格柵支撐。通過對(duì)鋼支撐的應(yīng)力量測(cè)，可知鋼支撐的實(shí)際工作狀態(tài)，從鋼支撐的性能曲線上可以確定在此壓力作用下鋼支撐所具有的安全系數(shù)，視具體情況確定是否需要采用加固措施。A 量測(cè)目的了解鋼支撐應(yīng)力的大小，為鋼支撐選型與設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)鋼支撐的受力狀態(tài)，判斷隧道空間和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。了解鋼支撐的實(shí)際工作狀態(tài)，保證隧道施工安全。3.2 選測(cè)項(xiàng)目選測(cè)項(xiàng)目 B 量測(cè)元件 目前使用較普遍的型鋼支撐應(yīng)力量測(cè)多采用鋼弦式表面應(yīng)變計(jì)，格柵支撐應(yīng)力量測(cè)多采用鋼弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)。 鋼弦式表面應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)圖 鋼弦式鋼筋應(yīng)力計(jì) 鋼支撐應(yīng)力量測(cè)鋼支撐應(yīng)力量測(cè) 鋼支撐應(yīng)力量測(cè)

29、鋼支撐應(yīng)力量測(cè) 鋼筋計(jì)測(cè)格柵應(yīng)力鋼筋計(jì)測(cè)格柵應(yīng)力(4) 混凝土應(yīng)力量測(cè) 混凝土應(yīng)力量測(cè)包括噴射混凝土和二次襯砌模筑混凝土應(yīng)力量測(cè)。其目的是了解混凝土層的變形特性以及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)；掌握噴層所受應(yīng)力的大小，判斷噴射混凝土層的穩(wěn)定狀況；判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用的可靠性以及安全程度；檢驗(yàn)二次襯砌設(shè)計(jì)的合理性。3.2 選測(cè)項(xiàng)目選測(cè)項(xiàng)目鋼弦式壓力盒布置圖二襯應(yīng)力量測(cè)二襯應(yīng)力量測(cè) 二襯應(yīng)力量測(cè)二襯應(yīng)力量測(cè)123地 層 反 力 + 彈 性 抗 力地 層 彈 性 抗 力豎 向 地 層 主 動(dòng) 壓 力脫 離 區(qū)側(cè)向地層主動(dòng)壓力變 形 后 的 結(jié) 構(gòu) 軸 線4.1 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型 圍巖不僅是荷載，同時(shí)又是承

30、載體； 地層壓力由圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受； 充分發(fā)揮圍巖自身承載力的重要性。4.1 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型 特點(diǎn)： 以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體； 圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用間接地體現(xiàn)為兩點(diǎn)： 圍巖壓力； 圍巖彈性抗力。 采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算。 適用于：模筑砼襯砌 特點(diǎn)： 支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，共同承受荷載，且以 圍巖作為承載主體； 支護(hù)結(jié)構(gòu)約束圍巖的變形； 采用巖體力學(xué)方法計(jì)算； 圍巖體現(xiàn)為形變壓力。 適用于：錨噴支護(hù) 4.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 將支護(hù)和圍巖分開考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載的主體，圍巖作為荷載的來源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支承，與其對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型稱為荷載結(jié)構(gòu)模型。 根據(jù)

31、對(duì)荷載的處理不同，它大致有如下三種模式： 主動(dòng)荷載模式（圖41（a） 主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模式（圖41（b）) 實(shí)際荷載模式（圖41（c）)。 圖41 荷載結(jié)構(gòu)模式 (1) 主動(dòng)荷載 主要荷載 附加荷載 (2) 被動(dòng)荷載圍巖抗力 共同變形理論 局部變形理論 圖4-3 局部變形示意圖 矩陣位移法又叫直接剛度法，它是以結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量，聯(lián)接在同一節(jié)點(diǎn)各單元的節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)該相等，并等于該點(diǎn)的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移（變形協(xié)調(diào)條件）；同時(shí)作用于某一結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的荷載必須與該節(jié)點(diǎn)上作用的各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)力相平衡（靜力平衡條件）。 計(jì)算特點(diǎn): 三種單剛 襯砌單剛：梁?jiǎn)卧?抗力單剛：二力桿單元 基礎(chǔ)單剛：支座單元 拼總剛

32、(結(jié)構(gòu)剛度矩陣) 邊界條件墻基礎(chǔ)水平位移為0 求解以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的方程組高斯消去法等 由節(jié)點(diǎn)位移求出單元節(jié)點(diǎn)力內(nèi)力 (1)襯砌結(jié)構(gòu)的處理 襯砌的處理：將襯砌沿其軸線離散化為直桿單元（梁?jiǎn)卧?，并將單元的?lián)接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。 墻基礎(chǔ)的處理：假設(shè)邊墻底端是彈性固定，即能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直下沉，不能產(chǎn)生水平位移。 圖4-4 直剛法計(jì)算圖式 (2)等效節(jié)點(diǎn)荷載的處理 按“靜力等效”原則進(jìn)行，即均布荷載所作的虛功應(yīng)等于節(jié)點(diǎn)荷載所作的虛功。 圖4-5 等效節(jié)點(diǎn)荷載計(jì)算示意圖垂直均布荷載作用在單元上的等效節(jié)點(diǎn)力分量為：水平均布荷載作用在單元上的等效節(jié)點(diǎn)力分量為： (1)襯砌單元?jiǎng)偠染仃?襯砌單剛)(2)彈性支承鏈桿單元?jiǎng)偠染仃?抗力單剛)要點(diǎn)： 其局部坐標(biāo)系與總體坐標(biāo)系一致； 由溫氏假定求抗力。(3) 墻腳彈性支座單元?jiǎng)偠染仃?圖4-7 彈性鏈稈單元示意圖 圖4-8 墻角彈性支座單元示意圖 （1）結(jié)構(gòu)剛度方程的形成 （2） 結(jié)構(gòu)剛度矩陣的特點(diǎn) 對(duì)稱矩陣(反力互等定理)； 稀疏的帶狀矩陣，非零元素的個(gè)數(shù)一般只占元素總 數(shù)的5