第四節(jié) 隧道巖土控制變形分析工法簡(jiǎn)介.ppt

1、第四節(jié) 隧道巖土控制變形分析工法簡(jiǎn)介,20世紀(jì)70年代中期，意大利的Pietro Lunardi教授開(kāi)始對(duì)數(shù)百座隧道進(jìn)行理論和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，并逐步創(chuàng)立了巖土控制變形分析法(ADECO-RS法)，該方法用中文解釋為“新意法” 。 在過(guò)去數(shù)十年內(nèi)，“新意法”廣泛應(yīng)用于意大利的鐵路和公路領(lǐng)域，并已納入意大利的隧道設(shè)計(jì)和施工規(guī)范。“新意法”還應(yīng)用于歐洲其它一些國(guó)家的隧道項(xiàng)目 。,Pietro Lunardi. Design and Construction of Tunnels, Analysis of controlled deformation in rocks and soils (ADECO-

2、RS),2008,2006年7月，鐵道部有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)考察了意大利高速鐵路隧道施工現(xiàn)場(chǎng)。2006年10月，意大利特萊維集團(tuán)(Trevi Group)組團(tuán)來(lái)中國(guó)，考察了鄭西客運(yùn)專(zhuān)線黃土隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，并與中國(guó)同行進(jìn)行了學(xué)術(shù)交流。同年11月，在北京召開(kāi)的“中國(guó)高速鐵路隧道國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)”上，意大利特萊維集團(tuán)對(duì) “新意法”作了專(zhuān)題報(bào)告。 在武廣客運(yùn)專(zhuān)線瀏陽(yáng)河隧道中，相關(guān)施工單位對(duì) “新意法”的部分要素進(jìn)行了嘗試性應(yīng)用。截止目前，“新意法”還沒(méi)有在我國(guó)得到真正的應(yīng)用。,一、基本原理,隧道掘進(jìn)時(shí)對(duì)隧道周邊及前方一定范圍的圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，改變了圍巖原始應(yīng)力狀態(tài)。在開(kāi)挖面周邊區(qū)域內(nèi)，圍巖由三軸應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀

3、態(tài)，開(kāi)挖面及前方一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力重分布。開(kāi)挖后圍巖變形也在擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)提前發(fā)生。,當(dāng)開(kāi)挖面前方圍巖的應(yīng)力狀態(tài)處于彈性范圍內(nèi)時(shí)，在開(kāi)挖輪廓線附近產(chǎn)生彈性變形，稱(chēng)為“拱部效應(yīng)”，這時(shí)開(kāi)挖面處于穩(wěn)定狀態(tài)；,如果開(kāi)挖后圍巖處于彈塑性狀況，開(kāi)挖輪廓四周及開(kāi)挖面將朝隧道內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，“拱部效應(yīng)”將從開(kāi)挖輪廓周?chē)庖频降貙又?，但此“轉(zhuǎn)移”只能通過(guò)足夠的支護(hù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)和控制；,如果開(kāi)挖后圍巖產(chǎn)生破壞滑移的應(yīng)力狀態(tài)，圍巖大變形隨之產(chǎn)生，圍巖極不穩(wěn)定，“拱部效應(yīng)”難以形成，極易引起坍塌。這時(shí)必須采取人工支護(hù)措施協(xié)助圍巖形成“拱部效應(yīng)”。,因此，隧道“拱部效應(yīng)”的形成及其位置取決于開(kāi)挖后圍巖的變形特征及其大小。

4、,基本術(shù)語(yǔ) 1、超前核心土：是隧道掌子面前方一定體積的土體，呈圓柱形，圓柱體的高度和直徑大致等于隧道直徑。 2、掌子面擠出變形：是開(kāi)挖介質(zhì)對(duì)隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的變形反應(yīng)的主要表現(xiàn)形式，主要發(fā)生在超前核心土內(nèi)；擠出變形的大小取決于超前核心土的強(qiáng)度、變形特征及其所處的原始應(yīng)力場(chǎng)；擠出變形發(fā)生在掌子面表面，沿隧道水平軸線方向發(fā)展，其幾何形狀大概呈軸對(duì)稱(chēng)(掌子面鼓出)，或在掌子面形成螺旋狀突出。 3、隧道預(yù)收斂：是隧道掌子面前方的理論輪廓線的收斂變形，完全取決于超前核心土的強(qiáng)度及變形特性與其原始應(yīng)力狀態(tài)間的關(guān)系。,開(kāi)挖介質(zhì)變形反應(yīng)研究的三個(gè)階段 第一階段：確定了隧道三種變形類(lèi)型(掌子面擠出變形、預(yù)收斂變形及

5、收斂變形)及相應(yīng)的隧道不穩(wěn)定的表現(xiàn)形式(圍巖脫落、剝落、掌子面坍塌及隧道塌方)。 第二階段：試驗(yàn)證實(shí)所有變形及變形引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象均直接或間接與掌子面前方超前核心土的強(qiáng)度有關(guān)。 第三階段：進(jìn)行了人為調(diào)節(jié)和改良超前核心土強(qiáng)度以調(diào)節(jié)隧道變形的試驗(yàn)，研究了如何將超前核心土作為穩(wěn)定圍巖的工具。,開(kāi)挖介質(zhì)變形反應(yīng)研究成果 1、開(kāi)挖介質(zhì)對(duì)隧道開(kāi)挖作業(yè)的變形反應(yīng)預(yù)示著是否能夠形成成拱效應(yīng)及成拱效應(yīng)的位置，即預(yù)示著隧道所能達(dá)到的穩(wěn)定等級(jí)。 2、變形反應(yīng)從掌子面前方的超前核心土開(kāi)始，逐步沿隧道向后發(fā)展；變形反應(yīng)不僅包括收斂變形，而是由擠出變形、預(yù)收斂變形和收斂變形組成。收斂變形只是錯(cuò)綜復(fù)雜的應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程的最后

6、階段。 3、掌子面超前核心土體系的變形反應(yīng)與隧道洞身變形之間存在直接聯(lián)系，前者是因，后者是果，從而強(qiáng)調(diào)對(duì)掌子面超前核心土體系的變形反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的重要性，而不僅僅只對(duì)隧道洞身的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。,開(kāi)挖介質(zhì)變形反應(yīng)研究成果 4、對(duì)超前核心土進(jìn)行防護(hù)和加固，提高其剛度，可以控制超前核心土的變形(擠出變形及預(yù)收斂變形)，從而可控制隧道洞身的收斂變形。 研究緒論證實(shí)：可以把超前核心土視作一種新的隧道長(zhǎng)期和短期穩(wěn)定的工具；超前核心土的強(qiáng)度及變形特性是隧道變形的真正原因；可以通過(guò)對(duì)超前核心土進(jìn)行防護(hù)和加固，提高其強(qiáng)度，以達(dá)到控制超前核心土變形，并最終控制隧道變形的目的；超前核心土的強(qiáng)度和變形特性對(duì)隧道的長(zhǎng)期和短

7、期穩(wěn)定起決定作用。,工作程序表,注：（*）變形現(xiàn)象是指，開(kāi)挖面擠壓及在巖層體內(nèi)部一定的變化距離內(nèi)的收斂。,二、實(shí)施要點(diǎn),該工法分為兩個(gè)實(shí)施階段：在設(shè)計(jì)階段完成地質(zhì)勘察、診斷及處理措施設(shè)計(jì)；施工階段則邊實(shí)施作業(yè)邊監(jiān)控量測(cè)，然后優(yōu)化調(diào)整，使開(kāi)挖面和洞身結(jié)構(gòu)體系形成平衡，保持穩(wěn)定。,設(shè)計(jì)階段,勘察,診斷,處治,設(shè)計(jì)階段,實(shí)施,監(jiān)測(cè),反饋,依據(jù)獲取的信息，將隧道各地段圍巖進(jìn)行分級(jí)(A、B、C三級(jí)24個(gè)亞級(jí))，每一分級(jí)條件下圍巖具有相似的地質(zhì)及地質(zhì)力學(xué)特征。,1.設(shè)計(jì)階段,(1)勘察階段,(2)診斷階段,(3)處治階段,在不采用隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）開(kāi)挖的情況下，可以依據(jù)下述原則：,盡量采用全斷面掘進(jìn)。,

8、隧道開(kāi)挖后，根據(jù)不同級(jí)別的圍巖特性采取必要的預(yù)加固、預(yù)支護(hù)及初期支護(hù)措施以減小變形、防止塌方。,施作混凝土二次襯砌，必要時(shí)用鋼筋混凝土二次襯砌，盡快澆注仰拱以阻止開(kāi)挖產(chǎn)生的極速變形。,2.施工階段,(1)實(shí)施階段,設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入實(shí)施階段。根據(jù)設(shè)計(jì)確定的典型縱、橫斷面，進(jìn)行隧道開(kāi)挖和支護(hù)。對(duì)于軟弱不良地層，一般需要進(jìn)行超前加固，然后進(jìn)行全斷面機(jī)械化開(kāi)挖，進(jìn)度可達(dá)50m/月。,(2)監(jiān)控量測(cè),監(jiān)控和施工同時(shí)進(jìn)行，目的是監(jiān)測(cè)地層對(duì)開(kāi)挖和穩(wěn)定措施的真正反應(yīng)。反應(yīng)以變形現(xiàn)象表現(xiàn)出來(lái)。為此，在開(kāi)挖面前方、開(kāi)挖面上及后方安裝合適的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。,掌子面前方預(yù)收斂分層沉降監(jiān)測(cè)儀 擠出變形滑動(dòng)式縱向測(cè)微計(jì) 地表及地

9、層收斂桿式分層徑向變形儀 收斂變形特制條帶式變形計(jì),(3)設(shè)計(jì)調(diào)整,通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析和解釋?zhuān)┕ぶ鞴軟Q定是否繼續(xù)按設(shè)計(jì)的斷面和施工方案進(jìn)行施工，或?qū)δ承┐胧┻M(jìn)行調(diào)整，以保證開(kāi)挖面和洞周?chē)鷰r之間的穩(wěn)定平衡，確保隧道建成。 隧道完工后，必須繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，以保證隧道在整個(gè)壽命期的安全。,1、地層變形反應(yīng)的分析方式不同 新奧法對(duì)地層變形反應(yīng)的分析僅限于掌子面的后方，僅對(duì)隧道收斂進(jìn)行分析；新意法不僅對(duì)掌子面后方的地層變形反應(yīng)(收斂)進(jìn)行分析，而且更注重對(duì)掌子面及掌子面前 方地層的變形 反應(yīng)(掌子面擠 出變形和預(yù)收 斂)進(jìn)行分析。,三、與新奧法的比較,2、地層變形反應(yīng)的控制方式不同 由于對(duì)地層變形

10、反應(yīng)的分析方式不同，新奧法與新意法對(duì)地層變形反應(yīng)的控制方式也不同。 新奧法采用錨桿、噴射混凝土、鋼拱架、施作仰拱 等手段，僅對(duì)掌子面后方的隧道施加約束作用；新意法不僅要求隧道的支護(hù)措施(包括二次襯砌和仰拱)要與掌子面保持適當(dāng)距離，不能落后掌子面太遠(yuǎn)，對(duì)隧道提供連續(xù)的約束作用，而且要求對(duì)超前核心土采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)和加固措施，提高其強(qiáng)度和變形特性，對(duì)隧道提供超前約束作用。,三、與新奧法的比較,四、國(guó)外應(yīng)用實(shí)例,意大利羅馬-那不勒斯高速鐵路隧道工程 意大利羅馬-那不勒斯高速鐵路線上共有隧道22座，總長(zhǎng)為21.8 km，均采用“新意法”進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。隧道工程采用“一攬子”承包合同。該工程于1994年開(kāi)

11、工,全斷面機(jī)械化開(kāi)挖，施工進(jìn)度很快(達(dá)到每工作面約100 m/月)，且持續(xù)、穩(wěn)定。施工工期、造價(jià)、安全、質(zhì)量等都得到了很好的控制?！靶乱夥ā痹谠摴こ讨械膽?yīng)用取得了成功。,意大利博洛尼亞一佛羅倫薩高速鐵路隧道工程 意大利博洛尼亞一佛羅倫薩高速鐵路全長(zhǎng)約92km，其中隧道總長(zhǎng)84.5 km。隧道穿越復(fù)雜多變的、極差的地層，斷面面積約140 m2 。該項(xiàng)目采用“新意法” 編制設(shè)計(jì)規(guī)范，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行工程招標(biāo)和施工設(shè)計(jì)。該工程地質(zhì)條件雖很差，但是，由于按“新意法” 進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，把風(fēng)險(xiǎn)降到了最低，因此仍以“交鑰匙”合同方式發(fā)包。該工程于1998年開(kāi)工，全斷面開(kāi)挖，機(jī)械化程度很高。工程進(jìn)展順利，每個(gè)

12、工作面平均月成洞50m。“新意法”在該工程中的應(yīng)用取得了巨大成功。,Vasto隧道全長(zhǎng)約6 200 m，最大埋深約135 m，直徑約12 m，位于意大利Ancona-Bari鐵路線上。除靠近洞口段外，Vasto隧道全部穿越黏土地層。在隧道深度處，地層飽水且對(duì)斷層極為敏感。 1984年，從北洞口開(kāi)始Vasto隧道的開(kāi)挖作業(yè)。 開(kāi)挖作業(yè)一直接續(xù)到1990年，期間不斷發(fā)生嚴(yán)重事故，進(jìn)度緩慢。,該隧道原設(shè)計(jì)情況為臺(tái)階法開(kāi)挖，開(kāi)挖后立即進(jìn)行噴射混凝土、鋼拱架和鋼筋網(wǎng)初期支護(hù)；二次襯砌采用1 m厚的鋼筋混凝土，二次襯砌緊跟掌子面，并在保留核心土的情況下進(jìn)行澆筑，隨后澆筑隧道邊墻混凝土，最后澆筑仰拱混凝土。

13、 隧道第1次發(fā)生嚴(yán)重變形后，施工單位采取了許多措施，企圖恢復(fù)隧道掘進(jìn)，但是這些措施最終都沒(méi)有發(fā)揮作用，最終在km38+075里程處(覆蓋層厚度為 38 m)發(fā)生了嚴(yán)重坍方，波及隧道掌子面及其后方大約40m范圍。同時(shí)，隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重變形(大于1m) ，致使無(wú)法繼續(xù)施工。,Vasto隧道出現(xiàn)上述問(wèn)題后，Pietro Lunardi教授應(yīng)邀為該工程提供解決方案，使隧道恢復(fù)施工，并完成隧道剩余工作量。Pietro Lunardi教授遂對(duì)該隧道提出了基于“新意法”原理的設(shè)計(jì)、施工方案，其基本原則是對(duì)掌子面前方的超前核心土進(jìn)行超前約束和加固，以控制其變形。 采用特性線法和三維擠出試驗(yàn)法這2種方法

14、對(duì)隧道線路的應(yīng)力一應(yīng)變特性進(jìn)行預(yù)測(cè)(見(jiàn)圖2)。這2種方法對(duì)低、中、高應(yīng)力狀態(tài)都有效。特性線法較為直接，以特性線理論為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際情況運(yùn)用分析法或數(shù)值法進(jìn)行計(jì)算；三維擠出試驗(yàn)法相對(duì)較為繁瑣，以三維擠出試驗(yàn)為基礎(chǔ)。,在Vasto隧道中，除了洞口附近很短區(qū)段外，運(yùn)用上述2種方法均預(yù)測(cè)到可能會(huì)發(fā)生相當(dāng)大的擠出變形，導(dǎo)致掌子面不穩(wěn)定，并最終導(dǎo)致巨大的預(yù)收斂及收斂變形(徑向收斂超過(guò)100 cm)。預(yù)測(cè)的變形值很高，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的失穩(wěn)現(xiàn)象，如掌子面坍塌，并最終導(dǎo)致隧道坍方。 決定采取復(fù)合防護(hù)技術(shù)，即既在超前核心土的周?chē)纬沙凹s束效應(yīng)(保護(hù)作用)，并對(duì)超前核心土進(jìn)行直接加固(加固作用)，之后進(jìn)行全斷面開(kāi)

15、挖。 根據(jù)隧道開(kāi)挖過(guò)程中將遇到的不同地質(zhì)類(lèi)型，設(shè)計(jì)了3種不同的隧道斷面并采用了不同的超前支護(hù)措施，見(jiàn)圖3。,對(duì)于上述3種隧道斷面形式，均在隧道掌子面后方施作初期支護(hù)(包括鋼支撐和噴射混凝土)，并施作仰拱使隧道封閉成環(huán)，最后施作二次混凝土襯砌。,一旦確定了隧道的斷面類(lèi)型，就可以進(jìn)行玻璃纖維錨桿超前核心土的加固設(shè)計(jì)。加固設(shè)計(jì)包括確定需要施作的玻璃纖維錨桿的數(shù)量、長(zhǎng)度以及在掌子面的幾何布置形狀。 1992年，2個(gè)洞口的施工同時(shí)恢復(fù)，北洞口主要是對(duì)隧道坍方段進(jìn)行治理，而南洞口則開(kāi)始隧道開(kāi)挖。每周工作7 d，平均進(jìn)度為月成洞約50 m。,現(xiàn)場(chǎng)圖片,Excavation: the core-face wi

16、th the charges set before detonation (new high speed/high capacity railway line between Bologna and Florence on the Pianoro tunnel, 1999, ground: weakly cemented sandstone, overburden: 70 m),Excavation: the rock face after detonation of the charges (Genoa- Ventimiglia railway, S. Stefano tunnel,1984

17、, ground: clayey sandy-schists, overburden: 120 m),Excavation: mechanical excavation of the core-face using a ripper (Rome motorway ring road, Appia Antica tunnel, 1999, ground: granular pyroclastites, overburden: 4 m),Excavation: mechanical excavation of the core-face using a hammer (Caserta-Foggia

18、 railway line, S. Vitale tunnel, 1993, ground: scaly clay, overburden: 130 m),Cavity preconfinement by means of full face mechanical precutting: precutting machine constructed for the excavation of tunnels on the Sibari-Cosenza railway line (1985),Cavity preconfinement by means of full face mechanical precutting (Sibari- Cosenza railway line, tunne