财神梁隧道施工监测与围岩稳定性研究

分类号 U45 单位代码 10618密级学号106270306硕士学位论文论文题目：财神梁隧道施工监测与围岩稳定性研究ConstructionMonitoring and Stability Analysis of Surrounding Rock in Caishenliang Tunnel 研究生姓名：陈 松 导师姓名、职称：徐林生教授博导申请学位门类：工 学专业名称：结构工程论文答辩日期：2009 年 3 月 28 日学位授予单位：重庆交通大学答辩委员会主席：熊有言评阅人：熊有言涂忠仁2009 年 3 月摘 要在隧道施工过程中进行监控量测的研究工作具有重大的经济意义和实际应用价值。本文以奉节至云阳高速公路财神梁隧道施工监测监控项目为依托，详细阐明了财神梁隧道区工程地质条件和施工现场监控量测的方法、内容以及监测项目的布置形式、位置等内容，然后从数值模拟和现场测控两个方面对该隧道开挖后的围岩稳定性情况进行了分析。一方面作为施工监测，保证财神梁隧道的安全顺利施工，对检验设计的合理性提供了有益的参考；另一方面，作为科研监测，得到了公路隧道施工中围岩和支护系统的受力和变形规律，可为同类工程提供有益的借鉴。主要研究内容如下：（1）通过对各监测断面监测数据的计算分析，绘制了断面的周边水平收敛及拱顶下沉随时间变化曲线，并对不同的围岩变形位移时间特征曲线进行了分析和总结。尽管受围岩类别、地质条件、施工方法、岩体结构及地应力等多方面因素的影响，隧道围岩变形呈现出各种各样的形态，但受时空效应的影响，曲线整体上还是呈现出一定的规律性。各种类型的曲线中，“抛物线”型最为普遍，其次是“似台阶”型，其它类型的曲线相对较少。（2）对20个典型断面的量测数据进行了回归分析，给出了代表断面的回归方程，依据公路隧道施工技术规范(JTJ024-94 )和以上计算出的位移收敛速率和最终收敛位移，有效地判定围岩的稳定情况并确定二次衬砌的合理施作时间，对施工提出指导性意见。（3）通过三维有限元计算在两种不同开挖方法下的隧道围岩的应力、位移特征，分析了隧道围岩在不同开挖时步的应力与位移变化特点以及支护结构的应力特征。结果表明，在支护衬砌结构中，台阶法开挖比全断面法开挖更有利于结构的安全。全断面法开挖时围岩的最大主应力和最大位移均比上下台阶法时稍大，但在同样满足规范要求的条件下，采用全断面法完全可以保证施工中围岩的安全稳定，简化施工过程，大大缩短了工期，节省成本，具有明显的经济效益。关键词：公路隧道；监控量测；回归分析；围岩稳定性；数值分析ABSTRACTMonitoring research work in tunnel construction process have great economic significance and practical application value .Relying on the caishenliang tunnel project, the tunnel situated on the freeway of Fengjie一Yunyang in Chonqing . In this thesis, the methods and contents of field monitoring, layout and locationsof monitoring items are detailedly expatiated. Then puts the emphases on analyzing the stability of tunnel surrounding rock with numerical simulation and construction monitoring. For one thing, as construction monitoring, it can guarantee the safety of Baziling branched tunnel and provide helpful reference to check the rationality of design. For another, it can give other branched tunnels that are being constructed or will be constructed beneficial advices owing to the receipt of rules from this project. This paper has the following research:(1) Through the calculation and analysis of monitoring data to each monitoring sections,the boundary convergence and vaults sinking curves were drew, different surrounding rock deformation and displacement - time characteristic curves were analyzed and summarized. Even though by the surrounding rock types, geological conditions, construction method, rock mass structure and to stress the impact of other factors, the tunnel surrounding rock deformation show various patterns,However, subject to temporal effects, the whole curve showing a certain degree of regularity.Various types of curves, the parabolic type is most common, followed by step type, other types of curve relatively small.(2) The measurement data to 20 typical sections were regression analysised, has given the section regression equation. According to technical specif cations for construction of highway tunnel (JTJ042-94), it is effectual to judge stability of tunnel surrounding rock with the clearance displacement and final clearance displacement of tunnel, effectively determine the stability of surrounding rock and to determine a reasonable secondary lining time,gives the guidance comment to the construction.(3) The Rock stress and displacement characteristics at two different methods of excavation have calculated through three-dimensional finite element software, the tunnel adjacent formation when different excavation step stress and displacement change characteristic as well as supports and protections structure stress characteristic have analyzed. The results showed that the step excavation method is more conducive to structural safety than the full-face excavation method. The maximum principal stress and maximum displacement of surrounding when full-face excavation were bigger than step excavation. However, to meet regulatory requirements in the same conditions, full-face method can guarantee the security and stability of surrounding rock when constructing, simplifying the construction process, greatly reducing the construction period, cost savings, has obvious economic benefits.KEY WORDS:highway tunnel;monitoring; regression analysis ;surrounding rocks stability; numerical analysis目 录第一章 绪论.11.1新奥法与监控量测概述.11.2本文研究意义、研究内容与技术线路.6第二章 财神梁隧道工程概况.92.1气象条件.92.2地形地貎.92.3地层岩性与地质构造. 102.4隧址区水文地质情况. 102.5隧道地质环境. 102.6隧道主要工程地质问题评价. 11第三章 财神梁隧道施工围岩变形监测与稳定性分析.143.1 公路隧道施工监控量测.14公路隧道施工监控量测的必要性. 14公路隧道施工监控量测的目的. 14现场监控量测项目. 15监测断面的布置和监测方法. 163.2隧道围岩变形特征. 183.3 监测数据回归分析.26数据处理的目的. 26最小二乘法原理. 27回归分析的基本函数和回归程序. 27监测断面回归分析结果. 28部分监测断面稳定性分析. 393.4 隧道围岩变形空间效应分析.40围岩变形全过程曲线. 40围岩变形曲线类型. 41围岩空间效应段变形特征. 433.5 围岩最终位移值的预测与二次衬砌合理施作时间的确定.47第四章 财神梁隧道施工方法优化与稳定性的数值模拟研究.494.1 MIDAS/GTS简介.49 GTS的主要分析功能.49 弹塑性分析原理.514.2施工方法优化与稳定性的数值模拟研究.58全断面法开挖数值模拟. 59上下台阶法开挖数值模拟. 75级围岩段施工方法优化分析. 954.3 本章小结.95第五章 结论.97致谢.98参考文献.99在学期间发表的论著及取得的科研成果.102第一章 绪论1.1新奥法与监控量测概述1.1.1新奥法的原理新奥法是新奥地利隧道施工方法的简称，原文是New Austrian TunnelMethod,缩写为NTAM12，它是奥地利拉布西维兹(L.V Rabcewicz)教授等在长期的隧道施工实践中，从岩石力学的观点出发而提出的一种合理的施工方法，它是采用喷锚技术、施工测试等技术并与岩石力学理论构成一个体系，从而形成一种新的工程施工方法3。新奥法与传统的隧道设计施工方法有着本质上的区别。新奥法的基本观点，是把岩体视为连续介质，根据岩体具有的粘性、弹性、塑性的物理力学性质，并利用洞室开挖后围岩应力重分布而产生的变形到松动破坏育一个时间效应的动态特征，“适时”采用薄壁柔性支护结构（以锚喷为主要手段）；与围岩紧密贴合起来共同作用，从而调动并充分利用天然围岩的自身承载能力，以达到洞室围岩稳定的目的。实质上，新奥法是把围岩从加载荷载变为隧道支护系统的承载体部分。从新奥法作用原理可知，它应能更广泛地应用于各类复杂地层的隧道工程，并且更经济4。新奥法的基本要点5 6可以归纳为下：（1）选择合理的断面形状、施工程序和开挖方法。洞室开挖施工时，均应采取控制爆破措施、尽量减少对围岩的扰动。（2）充分利用围岩的自稳能力，选用能适应围岩变形的混凝土柔性支护结构，使围岩通过有控制的弹性变形调整达到自稳目的。（3）根据围岩特征采用不同的支护类型和参数，及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆初期支护，以控制围岩的变形和松驰。（4）在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体系的作用，保证隧道稳定。（5）二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩与支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度。（6）设置量测系统，监测围岩变位、变形速率及收敛程度，并进行必要的反馈分析，正确估计围岩特性及其随时间的变化，及时调整开挖及支护方式，以确定施作初期支护的有利时机和是否需要补强支护等措施。使设计施工更复合实际情况，确保施工安全。（7）在某些条件下，还必须采取其他补充措施，如超前灌浆，冻结、疏导涌水等，方能使新奥法取得成功。1.1.2新奥法的优点和适用范围新奥法的特点是把传统的施工方法所使用的钢、木、支撑和厚的混凝土衬砌等主要支护材料改为以锚杆和喷射混凝土为主要支护材料（一次衬砌），然后根据安全性要求衬砌混凝土(二次衬砌)，为了最大限度地利用围岩的自稳能力，衬砌采用薄壁柔性结构。与传统的矿山法相比，它有以下优点：（1）由于开挖后及时做好密贴、柔性支护，防止岩体较大的松弛破坏，另外在初次支护后，不断进行现场监测，一旦发现不良征兆，又可以及时加固，因此可以保证施工安全。（2）由于采用柔性衬砌，控制爆破，大大减少了开挖量，加快了施工进度，节约建造成本。（3）可以根据地质变化随时修改支护设计，加长加密锚杆，因此施工具有很大的灵活性；因此，新奥法还可以成功控制地表沉降和适于施作防水层等优点。新奥法虽可用于各类复杂地层的隧道，但它也有一定的适用范围。如前所述，新奥法是通过现场的量测管理，积极有效地利用围岩和自稳能力建造隧道的一种方法，就是说，采用新奥法的先决条件是围岩具有一定的自稳能力。因此，遇到以下情况应用新奥法是有困难的：（1）漏水量大的石灰岩溶地段，粘土层和断层破碎带；（2）喷混凝土无效的含卵石的粘土层；（3）锚杆不能打入的岩层；（4）不能自稳的砂、砂砾层等。这就要求在隧道施工前要进行地质检查，做好应急准备,在施工中要做好地质超前探，根据预测结果及时调整施工方法，必要时采取地层预注浆、管棚超前支护等辅助措施7。1.1.3新奥法实施中存在的问题及解决情况开挖减少超挖，保持开挖壁面光滑，对新奥法来说是至关重要的。由于超挖，使钢支撑和围岩之间的空隙加大，用喷混凝土来填补这样的空隙是有困难的，两者不密贴，钢支撑的支护作用便谈不上了。超挖和壁面不平顺，会导致喷混凝土层厚度不匀，使衬砌环刚柔不均，在刚性大处则会出现应力集中，从力学上看这是不利的。超挖使二次衬砌厚度加大，严重的壁面不平顺给防水施工带来困难。所以，采用新奥法施工时，光面爆破是必不可少的。对此，各施工单位做了不少工作，在提高钻炮孔的准确度，选用合理的爆破参数等方面取得了可喜的成果，但钻孔机械设备上的问题尚待解决。喷射混凝土的粉尘和回弹问题是两个最突出的问题，洞内施工人员深受其苦，又造成了极大的浪费。锚杆现在存在的问题是锚杆的质量问题，据统计，在很多情况下锚杆失效都是由质量引起。为此，应做如下改进：（1）改进原有的锚杆品种；（2）研制用于不同岩层，不同条件的新型锚杆；（3）完善检查锚杆安装质量和检验标准89。新奥法施工量测工作很重要，安全性和经济性是通过把定期量测结果及时反馈到下一阶段的设计和施工中来实现的，如何快速、准确地进行现场量测和数据处理，已成为运用新奥法的关键。为了解决这一问题，一些国家进行了研究工作，研究出新奥法数据处理系统，该系统能以人机对话的形式在个人计算机上完成量测，预报和数据处理等一系列工作，便于现场使用。施工机械配套问题一些专家认为，在我国推广新奥法的过程中，施工机械不配套是个大问题。机械跟不上，只有进口大量机械。现在，国家有关部门对隧道机械化仍在继续研究。对以上问题,只要进行认真的调查研究，是可以解决的，不过，其中有些问题并不是新奥法本身造成的。因此，不能对新奥法存在问题产生怀疑，甚至抛弃。如何解决这些问题、推广新奥法施工成为大势所趋10。1.1.4 隧道监控量测研究现状自上世纪60年代新奥法出现以来，隧道监控量测在国外得到了广泛的应用和长足的发展。我国从80年代开始逐步的采用新奥法施工，经过20多年的发展，在量测方法和量测手段上取得了很大的进步。国内外隧道施工监控量测的内容涵盖了隧道围岩支护结构力学体系的各个方面，包括位移、应力、应变、压力等，具体的量测项目有:工作面地质观察、隧道拱顶下沉、洞周收敛、地表下沉、围岩内部位移、围岩应力、支护结构压力、锚杆轴力和抗拔力等。目前进行得最多的、最有效的有隧道工作面地质观察、拱顶下沉、洞周收敛等，其它项目(我们称之为选测项目)主要在一些科研项目中进行。目前国内外采用的监测仪器大体有以下几种:位移量测，主要采用经纬仪、水准仪、塔尺、刚尺、收敛计、百分表等量测设备，塔尺和水准仪仍然是国内外进行隧道拱顶下沉的主要仪器。应力、压力、应变量测则采用各式各样的压力和应变计等，根据其传感器的种类可以分为电测式和机械式，其中电测式可以分为电阻方式、电感方式、电容式以及新型的压电式和压磁式:机械式主要是钢弦式。在数据的处理上，位移量测一般是进行现场的数据采集后，绘制成位移时间、速率时间曲线，然后进行相关的回归分析，以求对隧道支护体系的稳定性及支护时机等有所指导。其它量测则主要是通过相关的换算公式，将现场测试数据转化为应力、应变等11。新奥法出现以来，隧道施工的监控量测在欧美以及日本等许多地下工程中得到迅速的发展。在中国的公路隧道方面的应用，是从80年代才开始的，在国内经过了20多年的发展，虽然在量测方法上有了很大的进步，但是，公路隧道施工的监控量测相对应施工与设计还不算真正意义上的融合，在施工中的监控量测不仅要能及时准确的反映出施工中出现的问题，也要对隧道施工中即将遇到的问题给以必要的信息，以便能指导施工，并通过类比的方法，对一个地区或有着同样围岩特征的隧道提供一套相对完善的量化的模式，以便使得以后的隧道施工和设计更为合理，以此能实现真正意义上的信息化施工，将监测的信息及时的反馈到设计与施工中去12。随着计算机技术的大力发展，涌现了很多学者对岩土计算理论尤其是对岩土工程反演理论的研究并取得了较多的成果。美国学者古德曼(R. E. Goodman)在70年代出版的岩石力学专著中提到了可依据位移量反算初始地应力。意大利学者Gioda提出了可同时确定初始地应力和地层特性参数的优化反演分析理论。日本的樱井春辅(S. Sakurai)提出的位移一应变反馈确定初始地应力与地层弹性参数值的有限元法，结合工程实践提出了确定围岩极限张应变值的原理和方法，以及评估隧道稳定性的方法和标准(Hazard Warning Level)。大家正幸在提出的位移预报法中涉及了初始应力的反演确定，对圆形洞室的粘弹性问题提出了解析解法1314。杨志法（1995）提出了有关考虑松动圈影响的位移反分析法及反演正算综合预测方法15。1996年李宁首次提出了考虑施工过程、施工方法影响的仿真反分析的思路，并将其应用于漫湾水电站边坡以及华盛顿地铁的位移反分析中16；2000年李宁又提出了对某洞室碎裂块体围岩的仿真反演分析思路与方法17。朱合华等在动态施工反分析方面做了大量工作，他结合深基坑工程进行动态施工增量反分析，利用某一施工阶段的增量位移信息，反演得到弹性模量，进而预测相继施工阶段的结构变形及内力1820。以遗传算法(GeneticAlgorithm)和人工神经网络(Artificial Neural Network)21为代表的智能反演方法近年来发展迅速，成为反分析领域中的又一重要方法。冯夏庭应用神经网络结合有限元法进行位移反分析的研究22。杨林德等（2000）进行了反演分析中量测误差的传递与仪表选择的研究23。蒋斌松提出了一种有效的确定任意矩阵奇异值的迭代方法24和深部岩体变形的混沌预测方法25。长安大学吕康成教授、伍毅敏博士利用激光基准测量原理，开发了激光隧道围岩位移实时监测系统，在浙江杭金衙高速公路上的樊村二号隧道试用，监测系统精度为0.5 mm，取得了良好的效果26。以王兰生教授为主的课题组在川藏公路二郎山隧道工程中设计了简单、易行、便于现场埋设、量测的围岩变形跟踪监测系统(TMS系统)。东北大学的王泳嘉、刘连峰开发了“3D离散元软件TRUDEC”27。铁科院发表了根据圆形洞室的周边位移进行平而应变问题初始应力反分析计算的复变函数法，西安空军工程学院发表的是引入数理统计原理的二维弹塑性问题位移法分析计算的边界单元法，能源部成勘院发表的方法是可考虑松动圈影响的弹塑性问题双介质位移反分析数值计算法。这些研究不仅促进了岩土力学的发展，有利地带动了隧道施工现场监控量测和信息反馈的发展2829。近年来，在总结前人研究的基础上，又发展起来隧道的信息化设计和施工的新方法。这种方法是在施工过程中布置监控量测系统，从现场岩体的开挖和支护过程中获得各种监测信息，通过及时分析研究，反馈到施工中去，及时调整开挖方式方法和支护参数。整个过程随着每次开挖和支护的循环进行一次。这种方法集各种以往方法于一身，发挥各自特长，形成以施工监控量测、力学计算分析和工程经验方法相结合的特有的设计施工程序，从而能有效的达到工程安全经济的目的，是一种很有发展前景的方法30-34。1.1.5隧道监控量测存在的问题监测滞后于施工 由于隧道施工存在着工作面狭小，且不能同时进行多工序作业的特点，同时也由于工程爆破、施工及人为因素等多方面的影响，施工现场调研、应力应变和位移监控量测等往往滞后于施工开挖，不能及时快速地获取到相关信息，有时甚至采集不到或未等采集到信息，灾害事故已经发生，导致工程监测失去了意义。测试手段和测试仪器有待提高 测试手段和测试方法更新过慢，以位移量测为例，目前大多数情况下仍然采用水准仪+塔尺的方法进行拱顶下沉量测，虽然长安大学吕康成教授早在2002年就发明了隧道位移实时监控系统，但这组仪器在工程实际中的普及率仍然很低；其次，前面提到的其它量测仪器、器械的精度较低、自动化程度低、环境适应能力差、可操作性不强等问题，一些传感器在埋入地下之后动辄出现数据紊乱等质量问题。数据处理技术有待提高以洞内位移量测为例，目前大部分隧道施工监测的数据处理在Excel里进行，大家一般用该软件自带的曲线回归函数进行回归，这种回归分析方法在有足够数据的情况下，回归结果相当精确，然而，由于采集数据周期过长，对现实的施工指导意义不大。现实工程施工中，还有不进行数据的回归分析，单纯根据位移值的大小，根据以往的工程经验，判断围岩支护结构是否安全、经济的。这种方法需要丰富的工程经验，没有牢固的理论依据，可靠度不高。对一些特殊地质情况的隧道施工监测办法不多特殊地质情况主要是指塌方、涌水等，这些地段进行施工监测有很大的局限性:一方面在这些情况下进行施工监测安全无法得到保障，另一方面由于塌方、涌水等原因造成的围岩应力变化很难预测，而普通的现场监测不能做到实时监控。最终导致工程抢险过程中无法进行监控量测或者是治理过后才能进行测量。监测信息反馈应用存在滞后或得不到高度重视的问题监测信息往往是以月报、简报、中间报告、最终报告等形式反馈给主管部门、监理部门和施工单位，这在很大程度上影响了信息的快速反馈和意见的及时被采纳应用:另一方面，目前的一些工程项目中，虽然重视了监控量测工作，但实施监控量测的单位往往在工程决策上没有发言权，致使监测信息得不到充分的应用。监测信息用于指导现场生产、解决生产实际工作中的问题的成效就大打折扣35。1.2本文研究意义、研究内容与技术线路本文研究意义我国是一个多山的国家，75%左右的国土是山地或重丘，在公路的建设中，过去的普遍做法是盘山绕行，这样不仅线路较长，油耗、车辆损耗均很大，而且破坏环境植被。随着我国国民经济持续、稳定、快速的发展，我国不断的加大了对基础设施投资建设。在交通运输中，隧道作为克服地形和高程障碍物的特殊结构物，它改善了公路线路，提高了行车速度，缩短里程，节约时间，节约燃料和保护生态环境，对加快我国的经济建设步伐有着重要的意义。因此，用于交通使用的深埋、长大隧道也得到了前所未有的发展。截至2006年10月，我国已建成通车隧道2889座，153万延米，其中已建和在建3公里以上的特长公路隧道111座，5公里以上特长公路隧道32座，已通车西安至祚水间秦岭终南山公路隧道，单洞总长18.2km，它是排名世界第2位的特长隧道3637。成渝高速公路的中梁山特长隧道，单洞长度在3100m以上:焦晋高速公路牛郎河、重庆大溪岭、福建飞莺岭等隧道、四川二郎山隧道、华鉴山隧道也都在3000m以上，京珠高速公路在广东南岭山脉中的隧道，小仅数量多，有长、中、短隧道外，而且均为双联拱隧道，一般系四车道(单向两车道)，还有六车道的(双向)。上海黄浦江上已建了6条过江隧道(不含地铁和人行观光隧道)，预期到2020年，浦江两岸将共有99条车道(包括桥梁)把市区紧紧连接成一个整体。武汉长江公路隧道和南京长江城市道路隧道、崇明南港越江隧道(其15.22m的特大型盾构，位居世界第一)都已开土建设；厦门东通道翔安海底隧道已经正式开工，青岛湾口到市区的胶州湾口跨海隧道、港珠澳大通道(桥隧结合，其通航段6km用沉管跨越)都在积极筹建，琼海和渤海湾海峡两座跨海通道的研究工作早已启动，台海隧道也在拟议之中。这些特长大截面的越岭隧道、过江隧道和跨海隧道的建设，将把我国隧道建设的规模推向新的高潮，技术上达到新的水平37。在隧道施工中，新奥法（New Austrian Tunnelling method）己经成为公路隧道修筑的最主要方法。该方法以岩体力学特性、岩体变形特性以及莫尔学说为基础，维护和利用围岩的自稳能力，并考虑到隧道掘进时空间效应和时间效应对围岩应力与变形的影响，将锚杆和喷射混凝土集合在一起做为主要支护手段，及时进行支护，以控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，形成锚杆、喷射混凝土和隧道围岩三位一体的承载结构，共同承载山体压力38。随着新奥法施工技术的不断推广，监控量测已经成为隧道施工中必不可少的组成部分。新奥法施工监控量测就是使用各种仪器设备和量测元件，通过对围岩与支护的观察和动态量测，以达到合理安排施工工序、确保施工安全、修改设计参数、进行日常的施工管理和积累资料等目的，在整个隧道的新奥法施工过程中起到了极其重要的“眼睛”作用。在隧道施工过程中进行监控量测的研究工作具有重大的经济意义和实际应用价值。山岭公路隧道跨越范围大，地形、地层条件复杂，限于当前勘察技术设备和工作条件，设计阶段的工程勘察成果是有局限性的。依据勘测阶段的地面调查和有限的钻孔资料来划分围岩级别等级、判定地下水文条件、确定支护参数等，与隧道土建施工过徎必然会存在差别，这给设计和施工都带来一定难度，甚至成为工程事故的隐患。因此，在隧道施工中及时、动态地监控和量测包括地质条件、围岩动态、支护变化等信息，及时分析围岩和支护条件的变化，为制定更加恰当的施工方法和调整合理的支护参数提供依据。这样实施隧道信息化动态施工监控，既能达到安全快速施工，又可节省工程造价。本文研究内容与技术线路本文结合重庆市奉节至云阳高速公路上的财神梁隧道为工程依托。通过对隧道具有代表性围岩的现场监控量测资料的回归分析和对隧道开挖过程的数值模拟分析，主要对洞身段级围岩的变形特性与稳定性进行监测与评价研究，以利于指导施工实践并优化设计参数，加快工程进度，为实现真正的信息化设计施工打下良好的基础。为了达到上述目的，首先对施工现场监控量测结果进行回归分析，对围岩变形特性进行分析和总结,并对影响围岩稳定性的因素进行综合研究；其次，对级围岩段进行数值模拟研究，分别采用全断面法和上下台阶法两种开挖方法进行数值模拟，对两种开挖方法下围岩的应力、应变情况进行比较，选出更合适的开挖方法以指导施工，对施工的可行性和安全性提供保障；最后通过对本论文的相关问题的分析研究，得出结论。制定出的总体研究技术路线如下图1.1所示。根据现场量测资料对隧道围岩变形特性进行分析总结，并对变形曲线进行回归分析通过分析结果来判断围岩的稳定性对研究分析的结果进行综合比较，选取适合的开挖方法，并应用到实际工程当中财神梁隧道监控量测与围岩稳定性研究相关调研对洞身级围岩段分别用全断面法和台阶法进行有限元模拟研究主要结论图1.1本文研究技术路线Figure 1.1 The technical route in this paper第二章 财神梁隧道工程概况国家重点公路杭州到兰州高速公路，重庆境内奉节至云阳段的财神梁隧道为分离式双洞单向行驶隧道（图2.1）。隧道左、右线合计总长9871m，其中左线长4928m、右线长 4943m；隧道限宽10.25m，净高7m，建筑限界高度5m39。图 2.1财神梁隧道Figure 2.1 caishenliang tunnel2.1气象条件财神梁隧道在奉节县境内，奉节县属亚热带湿润季风气候区，春旱、夏热、秋凉、冬暖，四季分明，无霜期长，光照适宜，雨量充沛。多年平均气温16.5C，历年最高气温43.1C，常年日照1639.1h，最低气温-9.2C。 每年45月和910月阴雨连绵。多年平均降雨量1261.9mm，最大年降雨量1614.8mm，最少年降雨量941.4mm，最大日降雨量250mm，占全年降雨量的70%。多年平均相对湿度80%左右。风向受大巴山影响，多为东北风，历年最大风速17m/s，平均风速2.1 m/s,平均风力为1.62.1级，最大为8级，山区风力较丘陵区大。历年平均雾日29.4天，最多49天，最少10天。2.2地形地貌隧道测区处于四川盆地东部，拟建线路位于构造剥蚀-侵蚀低山地貌。拟建线路处于长江左岸坡麓的上部，地形总体呈NW走向。该隧道为穿越于长江支流草堂河与梅溪河之间分水岭鸡公山地段，进出口隧道地形高程201.80999.60m，隧道断面最高点高程999.60m，相对高差797.80m左右，地形起伏大。隧道场区山脊（顶）宽缓浑圆，山谷狭窄陡小。进口处山坡下陡上缓，坡度约3043；出口侧山坡也是下陡上缓，坡度约3840。2.3地层岩性与地质构造根据地表工程地质调绘及钻孔揭露：场址区多数地段被第四系残坡积含碎石亚粘土覆盖，下伏基岩为三叠系中统巴东组的灰色、灰黑色薄中层状泥质灰岩，灰色、灰黄色薄层中层状泥灰岩，紫红色砂质泥岩。仅在鸡公山梁顶覆盖三叠系上统须家河组灰色、黄灰色岩屑砂岩，顶部夹薄层砂岩，底部为泥岩、粉砂岩夹煤线。勘察场地地质构造单元上位于川黔南北构造带故陵向斜北翼，岩层呈单斜状产出，岩层产状160-19015-35，根据场地基岩露头测量统计，场址区岩体构造节理、裂隙较发育。主要发育有三组：（1）组节理：产状305-33575-85，微张，裂面平直，见有褐铁矿浸染现象，节理间距0.5-1.0m,延长1.5-2.5m。（2）组节理：产状275-29575-85，张开张裂凹凸不平，裂隙充填物为风化土，节理间距0.1-0.2m,延长2-5m。（3）组节理：产状125-14570-85，微张，裂面平直，无充填物，节理间距0.3-0.7m,延长2-3m。2.4隧址区水文地质条件地表水及河流场址区植被较发育，鸡爪状侵蚀沟谷发育，沟谷中常年有水流，水量受大气降水的影响，呈季节性变化。沟谷两侧及岩溶水为其主要补给来源。水流多被当地农民饮用、灌溉，其余汇入草堂河及梅溪河，除此外无大的地表水系，地表水系主要以财神梁隧道进、出口、线路附近的小冲沟、稻田、水池为主，主要接受大气降水补给。地下水沿线气候潮湿，降水充沛，地表径流较丰富，为地下水的形成提供了良好的条件，各类岩组裂隙、岩溶均较发育，为地下水的富集提供了条件。地下水类型可划分为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水三大类。地下水对混凝土无腐蚀性。2.5隧道地质环境出洞口地形条件出洞口隧道轴线与地形等高线斜交，夹角约70。洞口前缘呈西南向分布一条冲沟，下有奉节-巫溪公路通过，沟底高程为185.00m左右，低于设计路面高程，地势北高南低。左线隧道出洞口里程桩号为K76+065.00，地面高程为236.96m，设计隧道路面高程231.00m，自然斜坡坡度角约40；右线隧道出洞口里程桩号为YK76+065.00，地面高程为236.43m，设计隧道路面高程231.01m，自然斜坡坡度角约46。左出洞段位于一斜坡上，斜坡自然坡度角坡度40,岩层产状15117，坡体被第四系残坡积亚粘土混碎石覆盖，土层厚度0-7.0米，下伏基岩以强风化泥质灰岩为主。该段通过地表工程地质调绘，发现洞口处于滑坡体上，其范围较小， 属一浅表性滑坡，对隧道开挖影响有一定影响，隧道开挖会引起工程性滑坡、坍塌等边坡失稳，应加强防护。本次设计时采取清方的措施。右出洞段位于一斜坡上，斜坡自然坡度角坡度46,岩层产状15117，坡体被第四系残坡积亚粘土混碎石覆盖，土层厚度06.1米，下伏基岩以泥质灰岩为主。该段通过地表工程地质调绘，洞口处于滑坡体上,其范围较小, 属一浅表性滑坡,对隧道开挖影响不大，但需考虑隧道开挖引起的工程性滑坡、坍塌等边坡失稳。本次设计时对滑坡采取清方，对边坡采取锚杆防护等工程措施。出洞口段地质条件出洞口段表层为第四系坡残积层亚粘土混碎石土层堆积，下伏基岩为三叠系中统巴东组岩性为泥质灰岩。亚粘土混碎石层：褐灰色，松散稍密状。泥质灰岩：风化为灰绿色，层理较发育，脱水后呈松散碎块状，为较完整岩体；薄中厚层状构造，为较完整岩体。岩层产状15117，岩体中发育有2组裂隙。经钻孔简易水文地质试验和观测，进出洞口段岩体中的地下水较贫乏。2.6隧道主要工程地质问题评价隧道自东向西横穿鸡公山梁，其最大埋深768.75m，并以、级围岩为主，级围岩次之。本隧道主要工程地质问题包括软质岩的变形、岩爆、隧道涌水量预测、有害气体评价对拟建隧道影响等几个方面。 软质岩变形分析隧道穿越段的软质较软质岩主要是强风化泥质灰岩、砂质灰岩、泥岩等，岩石的饱和单轴抗岩强度4.912.3Mpa，具饱水或失水易蹦解的特性。当连续分布时具裂隙岩体变形特点，破坏形成以掉块及坍塌为主；当以夹层分布时，泥岩最易软化，泥化并形成软弱结构面，变形破坏以滑移剥落为主。 岩爆分析拟建隧道最大埋深768.75米,隧道围岩为泥质灰岩、砂质泥岩、灰岩。初勘在CZK2、CZK3采取水压致裂法进行了地应力测试，分别取得了5、8段应力大小和3段应力方向资料。由结果表明：CZK2钻孔测试段岩层较破碎。在孔深131.01225.26m内，测量得到最小水平主应力（h）一般为2.032.85Mpa，最大水平主应力（H）一般为3.063.25Mpa。应力场属于低应力层次。在隧道轴线埋深附近，最小水平主应力（h）为3.80 Mpa左右，最大水平主应力为（H）为4.797Mpa左右，最大水平主应力方向NW。在隧道轴线埋深附近，地应力状态H h V，但H与h相差不大。CZK3钻孔测试段岩层较破碎。在孔深245300. 60m内，测量得到最小水平主应力（h）一般为4.75.79Mpa，最大水平主应力（H）一般为6.858.17Mpa。应力场属于低应力层次。在隧道轴线埋深附近，最小水平主应力（h）为5 Mpa左右，最大水平主应力为（H）为7Mpa左右，最大水平主应力方向NE。在隧道轴线埋深附近，地应力状态H h V，但H与h相差不大。结合现场钻探资料及岩石实验结果报告综合分析，隧道开挖时在埋深300m左右发生岩爆的可能性不大。但在该隧道埋深600m到最大埋深768.75m的洞段，用上覆岩层的重量估算的垂直应力将分别达到16.20MPa和21MPa。按此应力状态和量级分析判断，在埋深超过400m的洞段，左线K72+990-K74+670段，右线K73+010-K74+710段，如果围岩是完整、坚硬、干燥无水的灰岩，将可能产生岩爆；如果围岩裂隙发育，岩性软弱，地下水富集，将可能出现明显的收敛变形、冒顶、坍塌等地质问题，隧道有岩爆发生的可能性。 隧道涌水量预测 预计出水特征由前述水文地质条件可知，砂质泥岩为相对隔水层，隧道主要含水层段为泥质灰岩。由于岩层近于水平，且经水文试验表明其渗透系数较小，但是隧址区有溶洞分布，况且在钻孔施工中漏液和掉钻现象时有发生，故须考虑岩溶水对隧道的影响；因此，隧道开挖后，以滴水为主，局部出现淋水及线状水流，甚至会有隧道涌水现象发生。在浅埋段，由于岩层裂隙发育，透水性好，大气降水可能沿裂隙下渗而出现淋水。 涌水量预测设计采用初勘试验法，选用隧道涌水量概略预测法、水均衡法两种方法预算。1)概略预测法根据区域水文地质普查报告，该隧址区汇水长度大于1km（188），为越岭隧道（0）、岩性为泥质灰岩、泥岩互层（0）、岩溶裂隙较发育（3060）、多雨区（0）、隧道最大埋深785.69m（578）、隧道长度4946m（20000），据此推算单行隧道涌水量为：s=2900+188+3060+578+2000=8726 m3/d 式中 s涌水量 m3/d2)水均衡法隧道穿越地区的汇水面积为28 km2，年平均降雨量F=1261.9 mm，据区域水文地质普查报告，综合该地区地形特征、植被覆盖情况、岩溶发育情况、渗入系数（选用0.10），则全隧道涌水量为：s=FA/365=1261.9/1000280000000.10/365=9680.33 m3/d式中 s涌水量 m3/d；A汇水面积 Km2；渗入系数选用0.10对比以上两种计算结果，其数据相差不大，从该区各地层的水文地质条件来看，其计算结果是可信的，本次隧道涌水量预测以水均衡法计算结果为准，隧道涌水量为9680.33 m3/d，勘察期间为枯水季节，降水量不大，隧道的涌水量按上述结果的1.5倍考虑，即在不考虑任何防水措施的情况下，为14520.49 m3/d。有害气体评价财神梁隧道未穿越含煤地层，不存在毒气与瓦斯突出危险。但应注意洒水防尘工作，并调节好风量，避免岩尘飞扬。将粉尘浓度控制在煤矿安全规范的规定以内，否则岩尘飞扬会导致意外事件并危害人员安全。 岩溶勘察期间，虽然隧址区未发现岩溶塌陷、泥石流和地下采空区等不良地质现象。但是隧道围岩为灰岩，由于岩溶发育的不均匀性，在地下水的侵蚀作用下，洞身段发生小规模岩溶的可能性是存在的。在施工中应加强地质超前预报，以防岩溶涌突水等地质灾害。第三章 财神梁隧道施工围岩变形监测与稳定性分析3.1 公路隧道施工监控量测公路隧道施工监控量测的必要性隧道工程是一种特殊的工程结构体系。从岩体力学的角度看，它是处于与围岩相互作用的体系之中的结构物;从地质力学的角度看，它是处于千变万化的地质体之中的工程单元体。在这样的岩体或地质体中，隧道必将受到周围地质环境的强烈影响;从结构角度看，这种工程单元体是由周围地质体和各种支护结构构成，即: 隧道结构体系周围地质体+支护结构它的形成则是通过一定的施工过程或者说是一定的力学过程来实现的。这个过程大体可作如下表述40：图 3.1隧道结构体系力学发展过程Figure 3.1 Tunnel structure system Mechanics develops process从隧道的这种复杂的力学发展过程，我们可以认识到以下两点41：（1）隧道工程如果作为一种工程结构物看待，它的受力特点与地面工程有很大的差别。由于隧道工程是处于千变万化的岩体之中，其所受外力是不明确的。迄今为止，国内外学术界和工程界对外荷载体系的分布和量值还处于研究阶段，这就决定了隧道工程设计是建立在若干假定条件下进行的。（2）隧道工程的成形过程，自始至终都存在着受力状态变化这一特性。换言之，隧道从开挖起，一直到受力平衡和体系稳定，或者到结构受损，围岩内部结构一直是在变动，支护和衬砌的内力和外形也在变动之中。 从上面两点可以看出，试验性研究，特别是隧道现场监控量测，是从个体到群体解决隧道工程力学、设计、施工问题的一种重要手段和主要途径。可以断言，如果没有这种手段和途径，要最终解决复杂围岩中的隧道工程问题是不可想象的。正因为如此，国内外的许多隧道工程都应用了并正在不断应用着现场监控量测方法来解决工程中出现的复杂受力问题。 公路隧道施工监控量测的目的确保安全。为此需要掌握围岩和支护的应力状态，进行动态管理，根据量测信息，科学施工。指导施工。量测数据经过分析处理，预测和确认隧道围岩最终稳定时间，指导施工顺序和施作二次衬砌的时间。修正设计。根据隧道开挖后所获得的量测信息，进行综合分析，检验和修正施工预设计。积累资料。已有工程的量测结果可以间接地应用到其它类似工程中，作为设计和施工的参考资料。现场监控量测项目在隧道工程中，开挖前的地质勘探工作很难提供非常准确的地质资料，所以，在施工过程中对开挖工作面附近围岩的岩石性质、状态进行目测。对开挖后支护动态进行目测，在新奥法监控量测项目中占有很重要的地位。对隧道开挖状况进行目测，分别在两个阶段进行。分别叙述如下42：对开挖后没有支护的围岩进行目测主要是了解开挖工作面的工程地质和水文地质条件。主要包括以下内容：1)岩石种类和产状。2)岩性特征岩石的颜色、成份、结构、构造。3)地层的时代归属及产状。4)节理性质、组数、间距、规模、节理裂隙的发育程度和方向性，断面状态特征，充填物的类型和产状等。5)断层的性质、产状、破碎带宽度、特征。6)地下水类型，涌水量大小、涌水位置、涌水压力、水的化学成份等。7)开挖工作面的稳定状态，顶板有无剥落现象。开挖后的支护段的目测内容包括：1)初期支护完成后的对喷层表面的观察以及裂缝状况的描述和记录。2)有无锚杆拉坏或垫板陷入围岩内部的现象。3)喷射混凝土是否产生裂隙或剥离，要特别注意喷射混凝土是否发生剪切破坏。4)有无锚杆和喷射混泥土施工质量问题。5)钢拱架有无被压曲现象。6)是否有底鼓现象