黄土地区隧道的修筑技术.pptx

黄土地区隧道的修筑技术2汇 报 提 纲1 1 绪论 2 2 黄土公路隧道工程性状实测 3 3 隧道结构计算有限元技术 4 4 黄土公路隧道受力与变形性状5 5 隧道结构及浸水对隧道结构受力性状影响分析 6 6 土质隧道围岩压力计算方法 7 7 黄土公路隧道防排水技术 8 8 黄土公路隧道结构型式 9 9 黄土公路隧道施工技术 10 10 黄土公路隧道病害处治技术研究 11 11 主要研究结论与进一步工作建议 第1页/共98页3 1 绪论1.1 课题背景 1.2 国内外研究概况1.3 本课题研究内容和关键技术 1.4 主要研究进展 第2页/共98页4项项目目背背景景西部大开发战略决策的实施，促进了西部地区高等级公路的发展，穿越黄土地区的公路隧道将越来越多。公路隧道由于大跨径、大断面和扁坦状以及防水等级较高，加之黄土强度较低，开挖扰动后变形大等特点以及由此引起的设计施工方法的特殊性，铁路隧道业已达成广泛共识的优秀成果对于公路隧道是否依然适用？黄土公路隧道较多采用的两层模筑混凝土衬砌形式中每个组成部分的荷载特性如何？黄土公路隧道防排水设计是否得当？黄土公路隧道的结构型式和参数选取是否合理？现有设计及施工方法的合理性及经济性如何？黄土公路隧道存在那些病害及处治技术是否合理有效？一系列的问题都值得工程技术人员研究与思考。针对黄土公路隧道亟待解决的以上问题，交通部西部交通建设科技项目领导小组于20012001年1010月决定开展黄土地区隧道的修筑技术研究科研项目。第3页/共98页5国内国内外研外研究概究概况况 隧道结构计算模型 1荷载结构模型 2收敛约束模型 3地层结构模型 4经验类比模型 围岩压力理论 隧道结构数值仿真 模型试验及工程实测 施工方法 防排水技术 第4页/共98页6关键关键技术技术 1 1如何保证现场测试真实反映实际工程性状，测试元件的精度和长期使用性能可否满足现场测试的工作环境。2 2如何在数值仿真分析中有效地模拟黄土公路隧道一衬和二衬之间的荷载作用性状及隧道开挖中的空间效应。3 3如何合理界定深浅埋黄土公路隧道的划分标准，有效地确定黄土公路隧道的围岩压力计算方法及衬砌结构型式。4 4如何确保黄土隧道防排水技术的适用性及结构型式的合理性。5 5如何选用合适的软件模拟不同条件下隧道开挖后地下水的迁移特性。第5页/共98页7主要主要研究研究进展进展 1研编了数值仿真有限元程序 针对现有通用商业有限元软件在隧道结构数值仿真中存在种种缺陷状况，首先根据隧道工程施工的具体特点，研编了数值仿真有限元程序，该程序较客观的反映了隧道施工中的开挖效应以及一次衬砌和二次衬之间的接触特性等。第6页/共98页8主要主要研究研究进展进展 2 2系系统统研研究究了了土土体体参参数数、衬衬砌砌参参数数、开开挖挖进进尺尺以以及及埋埋置置深深度度对对围围岩岩和和衬衬砌砌结结构构受受力力与与变变形形性性状状影影响响 利用研编程序，研究了土体参数、衬砌参数、开挖进尺以及埋置深度对围岩和衬砌结构受力与变形性状影响。分析了各参数的影响规律和敏感性，其中土体粘聚力、内摩擦角、刚度参数和初始切线泊松比为计算敏感参数；混凝土强度提高对围岩和衬砌结构影响不大；存在一个“合理经济”的衬砌厚度；考虑混凝土龄期与否对衬砌轴力影响较大。从地面沉降角度说明双洞间距的确定，不仅要考虑围岩类别因素，而且还应考虑埋置深度的影响；土体的位移和竖向应力结果均表明了土体变形的楔形几何特性，也反映了变形较大土体重量向两侧土体转嫁作用特性；拱部开挖阶段土体位移比例较大，且随着埋深而增大。第7页/共98页9主要主要研究研究进展进展 3分析了隧道结构受力性状及浸水对结构的影响分析了隧道结构受力性状及浸水对结构的影响 黄土公路隧道数值仿真表明：衬砌竖向压力呈两侧大中间小的分布形式，但其阶段之间变化规律随埋深而有所不同，最大侧向压力发生位置不同，现行规范中侧向荷载系数值偏低；在浅埋隧道中，一次衬砌拱部弯矩中间大两侧小，边墙弯矩相对较小，仰拱压力呈现两侧大中间小的分布规律，其弯矩为负弯矩，拱腰处轴力较大；在深埋隧道中，一次衬砌拱部弯矩呈拱顶处小两侧大分布性态，墙脚处弯矩值较大，仰拱压力和弯矩相对较大，拱腰处轴力较大；二次衬砌拱部弯矩值较小，轴力几乎处于均布状态，可按轴对称圆筒理论进行拱部衬砌设计和强度验算。浅埋黄土公路隧道施工完成后地面大量浸水，会使得拱上土体呈整体下沉趋势，衬砌竖向压力增大。开挖后浸水，一次衬砌拱顶处轴力减小，墙部衬砌和仰拱轴力增大。浸水和开挖发生次序不同，拱部衬砌弯矩变化较大。浸水使得二衬轴力增大，但分布形式未发生变化，二次衬砌弯矩分布形式及大小变化不大。第8页/共98页10主要主要研究研究进展进展 4开展了大规模、系统全面的现场测试开展了大规模、系统全面的现场测试 立足于黄土公路隧道衬砌结构受力特性，首次开展了大规模、系统全面的现场测试，着重研究了一次衬砌和仰拱围岩压力、格栅拱钢筋轴力、一衬和二衬接触应力以及二衬混凝土应变时间变化规律及其分布特性。测试结果表明，黄土公路隧道施工中土体有局部坍塌的可能，随着时间的推移，围岩压力趋向于均匀分布，衬砌结构偏压状态将得到改善。浅埋隧道围岩压力属松动压力，深埋隧道围岩压力属形变压力，浅埋隧道围岩压力“猫耳朵”分布形状较为明显。应用太沙基公式计算浅埋隧道衬砌竖向压力时，埋深较浅时计算值偏大，埋深较大时计算值偏小，深埋隧道按实测值推算竖向压力结果与修正卡柯公式较为一致。仰拱在深埋和浅埋隧道中的作用不尽相同，在浅埋隧道中仰拱受力相对较小，但对维护隧道结构长期稳定作用不可替代，深埋隧道中仰拱受力相对要大，和拱圈、边墙共同组成封闭的承载结构。新庄岭隧道二衬垂直荷载分担比例为10.5%，白虎山隧道二衬垂直荷载分担比例为8.9%，说明在现有黄土公路隧道两层模筑混凝土设计施工中，二次衬砌承受荷载相对较小，其设计计算方法与“新奥法”二衬设计有较大区别。格栅拱钢筋轴力在初期变化较大，其轴力值很快趋于稳定，由于柔性较大，只能承受部分荷载，其它荷载由混凝土承担，格栅拱钢筋以受压为主。第9页/共98页11主要研究进展主要研究进展5提提出出了了深深浅浅埋埋界界定定的的新新思思路路、推推导导了了浅浅埋埋土质隧道围岩压力公式土质隧道围岩压力公式 结合现场测试结果和数值仿真结果，明确了应从围岩压力性质角度进行深浅埋界定，首次提出了以拱上中心线土体侧压力系数变化规律进行深浅埋界定的思路，并用两个工程实例进行验证。针对现有浅埋隧道围岩压力公式的缺点，推导了浅埋土质隧道围岩压力公式，其计算结果与实测值推算结果较为吻合。第10页/共98页12主要研究进展主要研究进展6总结出了黄土隧道防排水结构的设计原则总结出了黄土隧道防排水结构的设计原则 通过黄土地区隧道调查分析，提出了黄土区隧道涌水类型划分表，将隧道涌水类型划分为四类，并提出了对涌水类型校核与细分的三种方法。引进非饱和黄土基质吸力的概念，建立各向同性对称平面问题的弹塑性解，解释了非饱和黄土隧道结构出现病害的原因是土体的含水量增加，进而指出非饱和黄土隧道应以排水为主，注意保护土体的基质吸力，结构设计时应以土体饱和状态力学参数作为计算指标。通过实地工程实验和室内试验，证实中心排水沟、复合衬砌、排水半管、集水管等组合构成的防排水型式对黄土隧道是适用的。总结出了黄土隧道防排水结构的设计原则，其中须特别注意的是路基排水构造应能防止隧底软化、水沟冻结，且为有限排水，防止造成生态环境失衡，故应对涌水量特大的地段采用帷幕注浆，降低地下水渗透系数、减少隧道涌水量。第11页/共98页13主要研究进展主要研究进展7提出了黄土公路隧道的衬砌断面型式提出了黄土公路隧道的衬砌断面型式 针对黄土公路隧道大跨、扁平、几何形状呈多样化的特点，通过对三种不同的隧道衬砌断面型式（单心圆、尖三心圆、坦三心圆）的室内试验与有限元仿真分析，得出了如下结论：就整体衬砌结构的受力状态来讲尖三心圆断面型式与单心圆断面型式没有太大的差别，而坦三心圆断面型式与其它两种断面型式相比劣势比较明显。在满足建筑限界、通风等相同条件下，单心圆断面型式几何尺寸简单、内轮廓净面积较小，且受力较好，施工放线方便，因此，在黄土公路隧道设计中首选单心圆断面型式。就综合考虑来说，优化断面形状比增加衬砌厚度更为有效。第12页/共98页14主要研究进展主要研究进展8提出了适合黄土隧道的施工方法 通过对各种开挖方法的缺点比较及大量的实体工程经验总结，提出了适合黄土隧道的开挖方法：对含水量不高的一般黄土宜采用双侧壁导坑先拱后墙正台阶法施工；对于软弱的饱和黄土、风化软弱的泥岩段及浅埋段宜采用双侧壁导坑先墙后拱反台阶法。改进了黄土隧道防排水技术：墙脚纵向排水系统由原来布设于墙脚外侧改为布设于边墙与仰拱圆顺过渡外侧，这样施工方便，且安全性好。防水层将沿二次衬砌外侧全断面铺设封闭成环。杜绝以往以往由于施工排水不畅而引起的路面跑水及路面破坏现象。且防水层施作方便，与二次衬砌施工干扰少。第13页/共98页15主要研究进展主要研究进展9提出了黄土公路隧道的病害类型及各种类型的处治方法通过调查甘肃省、陕西省和山西省境内8座典型黄土隧道（新庄岭隧道、土家湾隧道、祁家大山隧道、七楞山隧道、楼子沟隧道、燕家岭隧道、翅膀沟隧道、羊马河隧道），提出了黄土隧道病害的基本类型，研究了黄土隧道不同类型病害的成因与机制，并对不同的病害类型提出了具体的处治方案。黄土隧道的病害类型主要有以下几种：衬砌开裂、洞顶掉块、塌方、渗水漏水、地表变形（裂缝、陷穴、溶洞）及拱顶下沉。相应的处治措施为：渗水漏水病害处治措施的原则是：“以排为主、防截排堵相结合、因地制宜综合治理”；洞顶掉块、塌方病害的处治措施，应具体结合病害发生的原因、机制、部位进行；衬砌开裂病害的处治应提高围岩自身的力学性能，增强自承能力，减小围岩压力，增加支护体的刚度和强度，若存在地下水时，应注意地下水的处治；地表变形（裂缝、陷穴、溶洞）病害处治时，首先应处理地表已有的裂缝、陷穴、溶洞，同时应注意完善防排水系统，避免地表水入渗。第14页/共98页162 2 黄黄土公土公路隧路隧道工道工程性程性状实状实测测 2.1 2.1 依托工程概况 2.2 2.2 测试目的与实施技术 2.3 2.3 土家湾隧道测试结果分析 2.4 2.4 新庄岭隧道测试结果分析 2.5 2.5 白虎山隧道测试结果分析 2.6 2.6 青土岘隧道测试结果分析 2.7 2.7 小结 第15页/共98页17依托工程概况依托工程概况 土家湾隧道工程概况新庄岭隧道工程概况白虎山隧道工程概况青土岘隧道工程概况第16页/共98页18测试目的及内容 通过现场测试，试图搞清以下几个问题：1围岩压力的大小和分布特性；2侧压力系数的大小及其分布特性；3仰拱的受力特性；4二次衬砌的荷载分担比例及内力特性；5格栅拱与浇筑混凝土联合使用性能。为实现测试目的，测试内容包括：拱圈围岩压力、边墙围岩压力、仰拱围岩压力、二衬和一衬接触压力、一衬边墙底部压力和二衬边墙底部压力、二衬混凝土应变和格栅拱钢筋轴力。测试目的与实施技术 第17页/共98页19测试目的与实施技术测试目的与实施技术 测试元件埋设测试元件埋设 钢弦式测试元件构造简单，测试结果比较稳定，受温度影响小，可用于长期观测，故现场测试选择了钢弦式测试元件。考虑到施工可能对引线及元件造成破坏，测试元件埋设较多，巉柳高速公路每个隧道均埋设了两个断面，共六个断面，为与以前数值仿真结果作对比，测试断面和计算断面选在同一位置。青土岘隧道测试较晚，在二衬边墙和仰拱部位补充布置了混凝土应变计。第18页/共98页20测试目的与实施技术测试目的与实施技术 为压力盒 为二衬应变计 为钢筋计，花拱架内外两侧各一支，每个位置共两支。测试元件布置图 第19页/共98页21土家湾隧道测试结果分析土家湾隧道测试结果分析 拱部围岩压力时间变化曲线 墙部围岩压力时间变化曲线 第20页/共98页22土家湾隧道测试结果分析土家湾隧道测试结果分析仰拱围岩压力时间变化曲线 01年7月6日围岩压力分布（kPa）02年3月13日围岩压力分布（kPa）第21页/共98页23土家湾隧道测试结果分析土家湾隧道测试结果分析格栅拱钢筋轴力时间变化曲线 二衬应变时间变化曲线 第22页/共98页24新庄岭隧道测试结果分析新庄岭隧道测试结果分析 拱部围岩压力时间变化曲线 墙部围岩压力时间变化曲线 第23页/共98页25新庄新庄岭隧岭隧道测道测试结试结果分果分析析 仰拱及二衬底部压力时间变化曲线 01年6月13日围岩压力分布（kPa）01年6月23日围岩压力分布（kPa）第24页/共98页26新庄岭隧道测试结果分析新庄岭隧道测试结果分析01年11月22日围岩压力分布（kPa）02年3月13日围岩压力分布（kPa）格栅拱钢筋轴力时间变化曲线 第25页/共98页27新庄岭隧道测试结果分析新庄岭隧道测试结果分析二衬压力时间变化曲线 二衬应变时间变化曲线第26页/共98页28白虎山隧道测试结果分析白虎山隧道测试结果分析 拱部围岩压力时间变化曲线 墙部围岩压力时间变化曲线 第27页/共98页29白虎山隧道测试结果分析白虎山隧道测试结果分析仰拱及二衬底部压力时间变化曲线 01年6月23日围岩压力分布（kPa）01年7月7日围岩压力分布（kPa）第28页/共98页30白虎山隧道测试结果分析白虎山隧道测试结果分析01年11月22日围岩压力分布（kPa）02年3月13日围岩压力分布（kPa）格栅拱钢筋轴力时间变化曲线 第29页/共98页31白虎山隧道测试结果分析白虎山隧道测试结果分析 二衬压力时间变化曲线 二衬应变时间变化曲线 第30页/共98页32青土岘隧道测试结果分析青土岘隧道测试结果分析 拱部围岩压力时间变化曲线 墙部压力时间变化曲线 第31页/共98页33青土岘隧道测试结果分析青土岘隧道测试结果分析仰拱及二衬底部压力时间变化曲线 格栅拱钢筋轴力时间变化曲线 第32页/共98页34青土岘隧道测试结果分析青土岘隧道测试结果分析二衬压力时间变化曲线 二衬应变时间变化曲线 第33页/共98页35小结小结 1土家湾隧道和青土岘隧道测试断面埋深较浅，尽管地表面在隧道施工期间出现沿单洞走向的两条裂缝，但由于对地表裂缝采取了处理措施，地表水未浸入隧道周围土体，围岩压力、二衬受力及格栅拱钢筋轴力在整个测试期间并未出现突然变化的情况。新庄岭隧道则由于埋深相对较大，对地表裂缝未能采取及时处理措施，致使地表水浸入隧道周围土体，引起围岩压力、二衬受力及格栅拱钢筋轴力发生突然变化。白虎山隧道埋深最大，地形陡峭，尽管现场调查未能发现明显裂缝，仍可能有水浸入隧道周围土体，引起隧道衬砌结构受力发生变化。第34页/共98页36小结小结2四座隧道均出现拱部衬砌个别位置压力较大情况，说明在大跨径黄土公路隧道施工中，都有可能发生局部坍塌。从巉柳高速公路三座隧道围岩压力分布时间变化图可知，随着时间的推移，围岩压力都趋向于均匀分布，衬砌结构的偏压状态将得到改善。白虎山隧道围岩压力分布并不呈现“猫耳朵”形态，这与埋深有关，土家湾隧道、新庄岭隧道和青土岘隧道围岩压力分布形态呈“猫耳朵”形，但土家湾隧道围岩压力分布与另外两座隧道有些差别。根据实测结果推算隧道衬砌结构垂直方向土压力与按已有方法计算垂直方向土压力对比，白虎山隧道、土家湾隧道和青土岘隧道按实测值推算结果均小于按其他方法计算值，而新庄岭隧道按实测结果推算值却大于按太沙基公式计算值，新庄岭隧道按实测值推算结果最大，白虎山隧道则最小。从测试结果和地表出现裂缝情况看，土家湾隧道、新庄岭隧道和青土岘隧道所受围岩压力为松动压力，白虎山隧道所受围岩压力则为形变压力，在严格按照“管（杆）超前、少扰动、短进尺、留核心、强支护、早封闭、勤量测”施工原则的埋深较大土质较好白虎山隧道施工中，坍落体和承载拱不会出现，隧道衬砌承受的是由于周围土体挤压衬砌而产生的形变压力，故其按实测值推算结果与按基于弹塑性理论的卡柯公式相当一致。第35页/共98页37小结小结 3土家湾隧道埋深较浅，加之墙角底部及仰拱底部进行了加固处理，故仰拱受力较小。新庄岭隧道因埋深相对较大，故仰拱受力相对土家湾隧道要大，因新庄岭隧道墙底未进行加固处理，仰拱受力呈现明显的中间小两端大的分布状态，随着时间推移，地表水的浸入，这种分布规律愈发明显，同时也说明在大跨径公路隧道中，应对墙底部软弱地基进行加固处理，充分注意仰拱与边墙连接。白虎山隧道因埋深较大，尽管土质情况较好，仰拱受力相对拱部和墙部衬砌受力仍较高，这是深埋高应力状态下隧道仰拱受力的特点。青土岘隧道因仰拱底部未进行加固处理，仰拱压力呈两端大中间小。仰拱在深埋和浅埋隧道中的作用不同，在浅埋隧道中，由于土体完成变形时间较快，加之施工时间可能滞后，故仰拱所受压力相对较小，但是仰拱对抵抗边墙位移、提高隧道衬砌结构的承载能力和维护隧道结构长期稳定仍有不可替代作用，而深埋隧道仰拱尽管施工时间滞后，但由于土体完成变形时间相对较长，仰拱受力势必要大，和拱圈、边墙共同组成封闭的承载结构。第36页/共98页38小小结结 4土家湾隧道和新庄岭隧道二次衬砌在拱顶附近测试位置呈现受拉特性，而白虎山隧道则呈现完全受压特性，且其二衬应变各个位置相差较小。青土岘隧道二衬呈现完全受压特性，且墙部应变较小。新庄岭隧道二衬垂直荷载分担比例为10.5%，白虎山隧道二衬垂直荷载分担比例为8.9%，青土岘隧道二衬垂直荷载分担比例为8.5%。说明在现有黄土公路隧道两层模筑混凝土设计施工中，二次衬砌承受荷载相对较小，其设计计算方法与“新奥法”二衬设计有较大区别。第37页/共98页39小结小结5隧道格栅拱钢筋轴力测试表明，在初期由于混凝土强度尚未形成及格栅拱自身“协调效应”原因，格栅拱受力变化较大，随着混凝土强度的逐渐形成，加之格栅拱柔性较大，其值很快趋于稳定，说明格栅拱提高了隧道结构前期稳定性，但柔性较大，只能承受部分荷载，其它荷载由混凝土承担。地表水浸入隧道周围土体，使得新庄岭隧道格栅拱外侧钢筋受拉。在正常工况下，格栅拱钢筋以受压为主，个别部位受拉，并未表现出较强的规律性，可能是由于与连接筋和超前支护焊接的随机性造成。钢筋轴力以新庄岭隧道最大，青土岘隧道最小，且在正常工况下均未超过钢筋的屈服强度。第38页/共98页40 3 隧隧道道结结构构计计算算有有限限元元技技术术 3.1 概述 3.2 隧道结构数值仿真理论基础 3.3 隧道施工过程模拟 3.4 有限元程序研编 3.5 程序计算检验 第39页/共98页41概述概述 隧道力学是岩土力学的一个重要组成部分，涉及的因素较多。通常可以将影响因素分为两大类：一类是地质因素，包括洞室开挖前土体的初始应力状态、节理裂隙发育程度及物理力学性质等；另一类是工程因素，包括开挖方法、衬砌设置时间、洞室断面形式和大小、衬砌类型及尺寸等。隧道力学区别于传统岩土力学的特点是：一是由于不断开挖和衬砌，使计算模型在几何和材料类型上不断发生变化；二是围岩的受力和变形受到与介质材料特性有关的时间效应（流变和固结）和与施工有关的分步开挖效应的交互影响；三是力和变形两个方面同时被关注。有限元方法的突出优点是适用于处理非线性、非均质和复杂边界等问题，而隧道结构应力变形分析恰恰存在着这些困难，因此很适宜用有限元方法。自从19661966年美国克拉夫和伍德沃德首先用有限元方法分析土坝以来，有限元方法在岩土力学领域获得广泛的应用，已经成为分析地下工程围岩稳定和支护结构强度计算的有力工具。第40页/共98页42隧道结构数值仿真理论基础隧道结构数值仿真理论基础 有限元方程 本构关系衬砌界面处理 非线性方程组求解方法 开挖荷载确定 第41页/共98页43隧道施工过程模拟隧道施工过程模拟 隧道施工步骤模拟方法如下：1按照施工要求划分好开挖顺序，并确定每开挖步在暴露阶段和衬砌阶段相应的应力释放系数。2计算土体的初始应力场，建立开挖前的初始应力条件，并将初始位移值置为零。第42页/共98页44隧道施工过程模拟隧道施工过程模拟 3 3根据每一步开挖单元的现时应力，结合暴露阶段应力释放系数，确定出等效开挖荷载，将大小相等、方向相反的力作用于开挖自由表面相应的节点上，被开挖掉单元刚度矩阵取较小值，固定开挖单元对应节点（边界除外），计算出位移增量和应力增量，分别将这些增量与前一次开挖所得的应力场和位移场叠加，求出变化后的应力场和位移场，即 第43页/共98页45隧道施工过程模拟隧道施工过程模拟4激活与施作衬砌对应单元，按衬砌参数计算刚度矩阵，解除单元相应节点位移约束条件，进行衬砌阶段应力和位移计算。5进行下一步开挖暴露阶段和衬砌阶段应力和位移计算，直至土体开挖结束。6计算二衬阶段荷载列阵，激活与二衬对应单元和接触面单元，计算相应单元刚度矩阵，进行二衬阶段应力和位移计算。第44页/共98页46程序的主要功能与特点程序的主要功能与特点 1 1以往的PCPC平台上的FortranFortran语言开发工具，大多为1616位的，不能充分利用系统资源，而少数可以较好利用系统资源的开发工具，如MicrowangMicrowang公司的NDPNDP，也 因 为 很 多 的 应 用 软 件 相 冲 突 而 不 便 使 用。Microsoft Microsoft Fortran Fortran Powerstation4.0Powerstation4.0是 3232位FortranFortran语 言 开 发 工 具，具 有 集 成 开 发 环 境Developer Developer studiostudio，程序设计者可以在集成开发环境中方便进行编辑、编译、链接和调试。生成的是WindowsWindows操作系统下的3232位应用程序，提高了代码的执行效率，突破了原先PCPC系统下FortranFortran程序64KB64KB寻址空间的限制，更加充分利用了系统资源，因此，隧道结构计算程序使用标准Fortran77Fortran77语言在Fortran Fortran PowerstationPowerstation环境下开发，很大程度上提高了程序的开发效率和通用性。第45页/共98页47程序的主要功能与特点程序的主要功能与特点 2 2程序完全遵循结构化的要求，各模块功能独立，模块之间的数据传递均以虚实结合的方式实现，各模块之间具有最弱的耦合度。3 3有限元离散模型的规模有很大的差别，每次分析时离散模型的节点数、单元数、荷载步数及边界条件都不相同，因此系统的刚度矩阵、荷载列阵等的规模可能差别很大。为了尽可能充分利用计算机的内存，程序在设计时将许多数组都定义为变界数值，即采用动态数值技术，这样就便于程序移机，只需改动主程序中的一维数值的界即可扩大或缩小解题的规模，或将程序移植到不同内存容量的计算机上。第46页/共98页48程序的主要功能与特点程序的主要功能与特点4 4程序计算的前处理技术采用了著名有限元分析软件包MARCMARC的前后处理图形对话界面MENTATMENTAT，MENTATMENTAT是新一代非线性有限元分析的图形交互前后处理界面，它具有基于ACISACIS的一流实体造型功能，全自动二维三角形和四边形、三维四面体和六面体网格自动划分建模能力，直观灵活的多种材料模型定义和边界条件的定义功能。由于隧道衬砌结构的形状很复杂，所以采用这种技术在前处理时很方便。5 5程序的研制采用了被广泛使用的非线性弹性邓肯张本构模型和杜拉克普拉格模型，但程序本身并不限制其它非线性弹性模型和弹塑性模型的引入，论文计算是针对黄土变形规律特点，故在此选用了以上两种模型。第47页/共98页49程序的主要功能与特点程序的主要功能与特点6 6采用GoodmanGoodman接触面单元模拟了二衬和一衬之间的力学传递特性，各开挖步未释放荷载的叠加作为二衬阶段计算荷载，近似考虑了由于介质时间效应使得二衬在一定程度上的承载特性。7 7针对非线性方程组的求解问题，程序设计采用首先要进行加卸载（或屈服）判断的中点增量法，尽管在理论上没有增量迭代法严密，但只要划分合适的增量步数，计算结果依然可信，不会出现迭代不收敛的现象。8 8有限变形理论由于其对应力和应变描述的客观性，已被广大研究人员去研究和采纳，但由于时间所限，大变形部分并未完成全部调试，留待以后调试完善。第48页/共98页50程序计算检验程序计算检验 在初始状态的计算中，因本文程序的数据文件由MARCMARC程序生成文件形成，计算中均采用了四边形四节点单元模式，所以竖向位移计算结果是相等的，选择的节点对称，故位移也是对称的。在开挖后的暴露阶段，因为软脑采用的是四边形八节点单元模式，故位移有所不同，但相差不大，且分布规律相同，在衬砌阶段，因在软脑程序中采用的是梁单元模式，加之土体单元模式不同，所得的土体应力和衬砌轴力和弯矩有所不同，土体应力和衬砌轴力相差不多，分布规律也相同，衬砌弯矩相差大一些，可认为这些差异是由于单元模式不同导致，因此，可认为本程序是可靠的。第49页/共98页514 黄土黄土公路公路隧道隧道受力受力变形变形性状性状4.1 引言引言 4.2 土体参数影响性状分析土体参数影响性状分析 4.3 衬砌参数影响性状分析衬砌参数影响性状分析 4.4 开挖进尺影响性状分析开挖进尺影响性状分析 4.5 埋置深度影响性状分析埋置深度影响性状分析 4.6 小结小结 第50页/共98页52引言引言 在大跨径黄土公路隧道中，由于衬砌为模筑混凝土形式，不采用回填层作法，统计经验公式中地层压力与土体容重成反比且与覆盖层厚度无关也值得商榷，由于研究背景的差异使得这些成果并不能完全指导黄土公路隧道的设计施工，针对黄土公路隧道围岩和衬砌的受力和变形性状分析较少。因此，本章介绍利用研编软件仿真分析土体参数、支护参数、开挖进尺和埋置深度对围岩和衬砌结构的影响。第51页/共98页53土体参数影响性状分析土体参数影响性状分析 土体粘聚力土体粘聚力C影响影响 土体内摩擦角土体内摩擦角影响影响 土体破坏比影响土体破坏比影响 参数参数k影响影响 参数参数n 影响影响 初始切线泊松比影响初始切线泊松比影响 第52页/共98页54衬砌参数影响性状分析衬砌参数影响性状分析 衬砌混凝土强度影响 衬砌厚度影响衬砌混凝土龄期影响 第53页/共98页55开挖进尺影响性状分析开挖进尺影响性状分析 在黄土公路隧道施工进尺范围内，分析了进尺对隧道周围土体性状的影响。揭示了进尺对中心线土体与两侧土体力学和变形特性上的差异，指出了进尺对拱顶土体内表位移差的影响范围。第54页/共98页56埋置深度影响性状分析埋置深度影响性状分析 数值分析研究了埋置深度对土体和衬砌结构的影响。揭示了地面沉降曲线随埋深的变化，说明了评判双洞隧道是否相互影响应考虑埋置深度因素，深刻反映了土体侧压力系数变化规律随埋深的变化，预示了围岩压力从松动压力到形变压力由量变到质变的变化过程，衬砌竖向压力、侧向压力、轴力和弯矩随埋置深度几乎线性增加，但侧压力系数变化不大，计算结果也显示了隧道施工中的分步开挖效应。第55页/共98页57隧道隧道结构结构及浸及浸水对水对隧道隧道结构结构受力受力性状性状影响影响分析分析 隧道结构计算模型及参数 隧道结构计算结果及分析 浸水计算方法及参数 浸水对隧道结构影响计算结果及分析 小结 第56页/共98页58隧道结构计算模型及参数隧道结构计算模型及参数 土家湾隧道单元划分图 第57页/共98页59隧道结构计算结果及分析隧道结构计算结果及分析 地面沉降 土体位移 土体应力 一次衬砌及仰拱压力 衬砌收敛位移 一次衬砌及仰拱内力二次衬砌压力和内力 第58页/共98页60浸水计算方法及参数浸水计算方法及参数 为近似了解浸水后隧道周围土体和衬砌结构受力及变形特性,将浸水范围确定为全部浸水和局部浸水两种较为极端的情况进行了仿真计算，全部浸水即拱顶上方和边墙两侧土体全部浸湿，局部浸水范围是根据开挖后土体的受力和变形性态近似确定的.局部浸水范围 第59页/共98页61浸水浸水对隧对隧道结道结构影构影响计响计算结算结果及果及分析分析 地面沉降 土体竖向位移土体应力 一次衬砌及仰拱压力 一次衬砌及仰拱内力 二次衬砌内力 第60页/共98页62小结小结 隧道结构计算小结 地面沉降 土体位移和应力 一次衬砌及仰拱 二次衬砌 浸水对隧道结构受力性状影响小结 第61页/共98页636 土土质隧质隧道围道围岩压岩压力计力计算方算方法法 现有计算方法评述 深浅埋隧道的界定 土质隧道围岩压力计算方法 第62页/共98页647 黄土公路隧道防排水技术黄土公路隧道防排水技术 黄土公路隧道地下水特性 黄土公路隧道渗涌水调查及渗涌水类型划分 黄土公路隧道防排水结构 工程实例分析 第63页/共98页65黄土公路隧道地下水特性黄土公路隧道地下水特性 黄土地层隧道渗透性及地下水迁移状况调查 黄土地层地下水迁移特性黄土地层中地下水对结构稳定的危害 第64页/共98页66黄土公路隧道渗涌水调查及渗涌水类型划分黄土公路隧道渗涌水调查及渗涌水类型划分 调查概述 所调查的主要隧道有：车道岭隧道、祁家大山隧道、王甫梁隧道、大岑隧道、青土岘隧道、双风山隧道、坡儿川隧道、周庄隧道、太峪隧道、娄子沟隧道、石匣隧道、李家山隧道等，详见甘肃等地黄土软岩隧道调查报告。调查结果概述 渗涌水类型划分 第65页/共98页67黄土公路隧道防排水结构黄土公路隧道防排水结构 黄土隧道防排水构造适用性调查 非饱和黄土隧道力学特性研究 黄土软岩隧道防排水构造适应性实验 黄土隧道防排水结构 防渗滴涌水型结构 防淋淌涌水型结构 防股流涌水型结构 第66页/共98页68防渗滴涌水型结构 第67页/共98页69防渗滴涌水型结构第68页/共98页70防淋淌涌水型结构 第69页/共98页71 防股水涌水型结构 第70页/共98页72工程实例分析工程实例分析巉柳高速公路隧道防排水设计与施工研究 巉柳高速公路隧道防排水设计方案研究 土家湾隧道防排水施工工艺及质量控制研究土家湾隧道防排水施工工艺及质量控制研究 第71页/共98页738 黄土公路隧道结构型式黄土公路隧道结构型式 引言 模型试验 数值仿真计算 黄土公路隧道结构型式 小结第72页/共98页74引言引言 黄土公路隧道具有大跨径、大断面的特点，若仍沿用以往的铁路隧道断面型式，则开挖断面积将大幅度增加，而隧道内空间的有效利用率将显著降低，其工程造价也会大幅上升，为了解决这一问题，只能通过增加跨高比来实现，而跨高比的增大对隧道结构的稳定性的影响极大。为此，研究经济、合理的黄土公路隧道断面型式尤为重要。第73页/共98页75模型试验模型试验 试验设计 模型设计 试验装置及量测系统 模型试验结果及分析 第74页/共98页76数值仿真计算数值仿真计算 计算软件简介 计算模型及参数 有限元计算结果分析 考虑衬砌断面型式的计算结果分析 考虑衬砌断面厚度的计算结果分析 第75页/共98页77黄土公路隧道结构型式黄土公路隧道结构型式 单心圆隧道断面衬砌型式 坦三心圆隧道断面衬砌型式 尖三心圆隧道断面衬砌型式 第76页/共98页789 黄土公路隧道施工技术黄土公路隧道施工技术 概述 黄土公路隧道施工技术黄土公路隧道质量控制 工程实例分析 小结第77页/共98页79概述概述 黄土隧道地质特点 纯黄土隧道 核心部分为红色泥岩的黄土隧道 黄土公路隧道施工注意事项 第78页/共98页80黄土公路隧道施工技术黄土公路隧道施工技术 黄土公路隧道开挖方法 双侧壁导坑先拱后墙法 双侧壁大导坑全断面开挖法 双侧壁导坑先墙后拱反台阶法 不同开挖方法施工过程数值模拟 开挖方法优缺点比较开挖方法改进黄土公路隧道支护方法的现状与改进 黄土公路隧道施工组织设计 第79页/共98页81工程实例分析工程实例分析 各依托工程采用的施工方法 土家湾隧道 新庄岭隧道 白虎山隧道 青土岘隧道 新庄岭隧道施工组织 施工组织机构 工期安排及进度计划 第80页/共98页82小结小结 通过对各种开挖方法的缺点比较及大量的实体工程经验总结，提出了适合黄土隧道的开挖方法：对含水量不高的一般黄土宜采用双侧壁导坑先拱后墙正台阶法施工；对于软弱的饱和黄土、风化软弱的泥岩段及浅埋段宜采用双侧壁导坑先墙后拱反台阶法。改进了黄土隧道防排水技术：墙脚纵向排水系统由原来布设于墙脚外侧改为布设于边墙与仰拱圆顺过渡外侧，这样施工方便，且安全性好。防水层将沿二次衬砌外侧全断面铺设封闭成环。杜绝以往以往由于施工排水不畅而引起的路面跑水及路面破坏现象。且防水层施作方便，与二次衬砌施工干扰少。第81页/共98页8310 黄土黄土公路公路隧道隧道病害病害处治处治技术技术 黄土公路隧道病害类型 黄土公路隧道病害成因分析 黄土公路隧道病害机制探讨黄土公路隧道病害处治技术小结 第82页/共98页84黄土公路隧道病害类型黄土公路隧道病害类型 黄土公路隧道病害调查概述 黄土公路隧道病害类型 衬砌开裂 洞顶掉块、塌方 渗水漏水 地表变形（裂缝、陷穴、溶洞）拱顶下沉第83页/共98页85黄土公路隧道病害成因分析黄土公路隧道病害成因分析 黄土土质及基本特征 黄土的物质组成 黄土的结构与构造 黄土的工程特性 地形地貌 水文地质条件与含水状态 坡体地层结构特性 二元结构 泥岩夹心 透镜体 工程勘察与设计 工程施工 农业灌溉 第84页/共98页86黄土黄土公路公路隧道隧道病害病害机制机制探讨探讨渗漏水 隧道塌方 支护体衬砌变形破坏 地表变形破坏 第85页/共98页87黄土公路隧道病害处治技术黄土公路隧道病害处治技术 洞身渗水、漏水病害处治 洞顶掉块、坍塌的处治 衬砌开裂 地表变形（裂缝、陷穴、溶洞）的处治 第86页/共98页8811 主要主要研究研究结论结论1在影响黄土公路隧道围岩和衬砌结构受力与变形性状的各参数中，土体粘聚力、内摩擦角、刚度参数和初始切线泊松比为计算敏感参数；混凝土强度提高对围岩和衬砌结构影响不大；考虑混凝土龄期与否对衬砌轴力影响较大。2从地面沉降角度说明双洞间距的确定，不仅要考虑围岩类别因素，而且还应考虑埋置深度的影响；土体的位移和竖向应力结果均表明了土体变形的楔形几何特性，也反映了变形较大土体重量向两侧土体转嫁作用特性；拱部开挖阶段土体位移比例较大，且随着埋深而增大。第87页/共98页89主要研究结论主要研究结论3黄土公路隧道数值仿真表明：衬砌竖向压力呈两侧大中间小的分布形式，但其阶段之间变化规律随埋深而有所不同，最大侧向压力发生位置不同，现行规范中侧向荷载系数值偏低；在浅埋隧道中，一次衬砌拱部弯矩中间大两侧小，边墙弯矩相对较小，仰拱压力呈现两侧大中间小的分布规律，其弯矩为负弯矩，拱腰处轴力较大；在深埋隧道中，一次衬砌拱部弯矩呈拱顶处小两侧大分布性态，墙脚处弯矩值较大，仰拱压力和弯矩相对较大，拱腰处轴力较大；二次衬砌拱部弯矩值较小，轴力几乎处于均布状态，可按轴对称圆筒理论进行拱部衬砌设计和强度验算。浅埋黄土公路隧道施工完成后地面大量浸水，会使得拱上土体呈整体下沉趋势，衬砌竖向压力增大。开挖后浸水，一次衬砌拱顶处轴力减小，墙部衬砌和仰拱轴力增大。浸水和开挖发生次序不同，拱部衬砌弯矩变化较大。浸水使得二衬轴力增大，但分布形式未发生变化，二次衬砌弯矩分布形式及大小变化不大。第88页/共98页90主要研究结论主要研究结论4测试结果表明，黄土公路隧道施工中土体有局部坍塌的可能，随着时间的推移，围岩压力趋向于均匀分布，衬砌结构偏压状态将得到改善。浅埋隧道围岩压力属松动压力，深埋隧道围岩压力属形变压力，浅埋隧道围岩压力“猫耳朵”分布形状较为明显。应用太沙基公式计算浅埋隧道衬砌竖向压力时，埋深较浅时计算值偏大，埋深较大时计算值偏小，深埋隧道按实测值推算竖向压力结果与修正卡柯公式较为一致。仰拱在深埋和浅埋隧道中的作用不尽相同，在浅埋隧道中仰拱受力相对较小，但对维护隧道结构长期稳定作用不可替代，深埋隧道中仰拱受力相对要大，和拱圈、边墙共同组成封闭的承载结构。第89页/共98页91主要研究结论主要研究结论5应从围岩压力性质角度进行深浅埋界定，提出了以拱上中心线土体侧压力系数变化规律进行深浅埋界定的思路，并用两个工程实例进行验证。针对现有浅埋隧道围岩压力公式的缺点，推导了浅埋土质隧道围岩压力公式，其计算结果与实测值推算结果较为吻合，但仍需研究和界