隧道洞口段边坡与支护结构相互作用机理研究.pdf.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流隧道洞口段边坡与支护结构相互作用机理研究.pdf.doc.精品文档.桂林理工大学硕士学位论文隧道洞口段边坡与支护结构相互作用机理研究姓名：黄诗洪申请学位级别：硕士专业：防灾减灾及防护工程指导教师：朱苦竹201104研究结果表明 ：隧 道 的 开挖 对 仰 坡 的 稳 定 性产生 不利 影响 ，改变 隧 道 开挖 范围内坡 体滑动带 的 方向 ，使 滑体对 洞 门 产生 推力 ，对 洞 口段 衬 砌产生 压 力及 剪 切力 ：仰 坡 滑移 带 对 洞 口段 衬 砌有一 定 斜 剪 作 用，对 隧 道 衬 砌的 变 形 及 受力 产生 不利 的

2、影响 ：衬 砌的 存在改变 了 仰 坡 原 始的 滑移 方向 ，使 洞 门 墙 受到了推力 作 用，致 使 墙 后土 压 力 方向 并 非完 全水 平，最 大值也 并 非出 现 在按 库仑 理关键词：； 隧道 工程； 洞 口段 结构 ； 主动土 压 力 ； 相互 作 用机 理隧道 洞口 段 结构 相 互 作用 机 理的 研 究 背 景 及 意 义随 着我 国经 济的 发 展及 西部开 发 的 深 入进 展， 对 交 通 基 础 设 施 的 需 求进 一 步增长 ， 公 路 建 设 尤 其是 高速 公 路 建 设 得到 了 迅速 的 发 展。 据 有关 数据 ， “九 五”期间新增高速 公 路

3、约 万公 里 ， 在 “十五”期间， 高速 公 路 通 车 里 程将超 过 万公 里 。 我 国山 地 面 积约 占 国土总 面 积的 ， 在 高速 公 路 和 高等 级公 路 的 建 设中， 隧道 方 案 具 有明 显的 优 越性 ：改善线 型 、缩 短里 程、节省工程投 资 及 提 高运营效 益。 正是 由 于 这些 优 越性 ， 隧道 方 案 正在 越来越多的 被设 计 者 采 用 ， 公 路 中隧道 长 度占 路 线 总 长 的 比例 越来越高。隧道 洞 口 段 包 括 洞 门 、边 坡 、仰 坡 以 及 洞 门 附 近 的 一 段 隧道 。 它 同 时 联系着洞门 、隧道 衬砌 和

4、路 堑， 是 整个 隧道 的 重 要组 成部分 ， 也是 隧道 进 出 口 的 标 志：它 支 挡着 洞 口 正面 仰 坡 和 路 堑边 坡 ， 拦截 仰 坡 上 方 的 小 量剥 落 、落 石、保 持仰 坡和 边 坡 的 稳定， 并将坡 面 汇 水引 离 隧道 ， 保 证洞 口 线 路 的 安全 ， 因 此 洞 口 段 的 稳定性 对 于 确 保 洞 内施 工安全 和 隧道 正常 运 营具 有重 要的 作用 。 洞 口 段 的 病 害 包 括衬砌 发 生 变 形 ， 拱 圈 出 现 多条 裂 纹 或裂 缝：地 表 产 生 不同 程度的 下 沉 、开 裂 ， 边墙产 生 纵 向 裂 缝， 靠

5、山 侧拱 脚 向 河 侧错 位 ； 拱 项 衬砌 表 层脱落 ， 拱 腰处 出 现 裂 纹 ：大多数裂 纹 内有地 下 水渗 漏， 拱 部剥 落 带等 处 局 部裂 纹 甚 至出 现 滴 水； 边 墙下 部内移； 滑坡 、山 体表 层蠕 动 变 形 、表 层坍 塌 ：洞 口 坍 方 ， 并且常 与 洞 口 衬砌 开 裂联系在 一 起 ；隧道 进 口 洞项 山 体地 表 有落 石现 象 ， 山 体上 有沿 线 路 走向 的 裂 缝，山 体错 位 等 等 。 这些 病 害 影 响 了 隧道 的 运 营安全 ， 导致 隧道 未达 到 设 计 基 准 期而急需 大修 ， 影 响 隧道 的 正常 使用

6、。 严 重 时 还 会威胁 隧道 内行 车 的 安全 ， 缩 短公 路隧道 的 维护 周期和 使用 寿命。基 于 上 述原因， 本 文 在广泛 汲 取 相 关研 究 成 果的 基 础 上 ， 采 用 三 维 实体 和 接 触 面 单元 对 隧 道 洞口 段 各 构件之 间 的 施工过 程 及相 互作 用 机 理进行 了 数值模 拟， 考 虑 了 隧 道 衬砌与 土 体 、 洞门 墙 与 土 体 、 洞门 与 衬砌、衬砌及洞门 与 边仰坡之 间 的 相 互影 响 ， 致 力 于 对 边 仰坡与 隧 道 洞口 段 相 互作 用 的 力 学 机 理进行 研究 ， 并 对 边 仰坡稳 定性 和 结 构

7、劣化 进行 评 价 ， 同 时 就相 关力 学 参 数的 变 化 和 分布规 律进行 分析 并 对 其 变 化 曲 线 进行 拟合，建 立 隧 道 洞口 段 的 力 学 计算模 型 ， 使 洞口 段 受 力 状 态更加 直观 ， 为 后期 洞口 段 的 相 关研 究 提 供 定量 数据。 同 时 对 提 高 公路 隧 道 运 营的 安全性 ， 建 议合理的 补 强 手段 具 有重要的 理论意义 和 广阔 的 应用 前景。另 外 本 文 的 研 究 思路 ， 程 序设计流程 ， 对 后期 相 关类 似 工程 的 研 究 具 有一 定的 借鉴作 用 。支护 结 构与 边 坡相 互作 用 机 理的

8、研 究 现状隧 道 洞口 段 衬砌裂 损 变 形 是 一 个 即常 见 又复 杂 的 问题， 它 是 由多方 面 的 原因引 进的 ， 衬砌在隧 道 工程 中主要承 受 地 层压 力 、 防 止围岩变 形 及坍 落 。衬砌变 形开 裂 主要是 设计与 施工时 对 地 层压 力 分析 估 计不当 ， 围岩变 形 过 大造 成 。洞口 段衬砌的 受 力变 形 很大程 度上 依赖 于 围岩的 应力调 整状态， 工程 地 质和 水 文 条件，围岩的 力 学 特性 。从 世 纪开 始， 相 关学 者 就对 松散地 层围岩的 稳 定性 和 压 力 进行 了 理论研 究 ， 持续到现 在， 围岩的 压 力

9、理论主要经历了 古 典 的 压 力 理论、 散体的 压 力 理论以 及在当 前 被广泛 应用 的 弹 性力 学 理论、 塑 性力 学 理论， 但 是 针 对 围岩岩体 本 构关系的 非 线 性，岩质的 非 连 续、 非 均质性 以 及边 界条件的 不确定性 、应力 条件的 多变 性等 使 得 围岩的 研 究 理论仍 处 于 半理论半经验 的 状 态， 从 而制 约后 填 土 的隧道， 可以 采 用 挡 土 墙 的三 维 空 间土 压力理论计算边 坡 对 于洞 门 和 明洞 洞 口段 衬 砌 结 构 的压 力。 早 在 上 世纪 三 十年 代 ， 就注意 到 了土 压力的空 间效 应 ， 但 是

10、 真 正 对 空 间土 压力的研究 是 在 几十年 后 。 索 科洛夫 根据 部 分 试 验 材 料提 出挡 土 墙 后 滑裂 体的性 状 为 一 个梯形 楔体并推 导 了挡 土 墙上 的主动 土 压力公 式。 克列 恩提 出滑裂 体上 部 是 半 圆 柱 体下 部 是 楔型边 坡 的 稳定 性分 析 理论至今已 经经历 了百 余 年的 发展时 期， 它的 发展主要 依赖于 土力学 和岩石 力学 的 发展程度 和完善 程度 。 从二 十 世纪 初 法 国 工程师 库 仑 提出 库 仑 土压力理论和英 国 学 者朗 肯 提 出 的 朗 肯 土压力理论为 起点 ， 到 年瑞 典彼 德 森 氏提 出

11、 圆 弧 面 分 析 法 ， 再 到 年太 沙基 提 出 的 “土体破坏 时 的 滑 动 面 更接近对 数 螺 旋线 ”， 以后面 的 各 种 修 正 计算 法 和 年代 后计算 机 技术的 发展促 使各 种 复杂的 数 值计算 方法 应 用于 边 坡 稳定 性研究 ， 使边 坡 的 稳定 性分 析 越来 越逼近真 实情况。目 前 隧 道 洞口 段边 坡 稳定 性的 主要 研究 方法 依然 还是采 用地 质 工程中对 边坡 稳定 性的 研究 方法 ， 在极限 平 衡 理论和数 值模拟稳定 性分 析 的 基 础 上， 应 用计算 机 仿 真 技术， 对 边 坡 及 围 岩从开 裂 、裂 纹扩展、

12、节 理、剪断 、失 稳滑 移等整 个演 化 过程， 实现 三 维 动 画 和声 效同步 模拟。 然 而 ， 由 于 岩质 边 坡 本身 的 复杂结构，更多 受制 于 结构及 节 理面 的 成 形发育特 征和空 间组 合情 况 ， 使得 边 坡 的 破坏 模式变 得 相当复杂。 加 上洞口 段隧 道 的 埋深 较 浅 ， 衬 砌结构上部 围 岩难 以形成 承载 拱，导 致洞口 段边 坡 的 坡 面 地 表 容易受 拉开 裂 、经地 表 水 侵 入 ， 引起坍 塌 、构筑 物 开用极 限 平衡 理论计 算 了隧道 洞 口岩石边坡 的长 期 稳 定 并 利 用土 压力 理论计 算 了回 填边坡 和

13、极 度 破碎 边坡 的长 期 稳 定 性 。周 德 培 对 边坡 与隧道 相 互 作 用周 佳媚 分析 了土 压力 对 洞 门 结 构 作 用后 ，对 洞 门 病害 的机理，进行 了计算 ，并 提 出 近 似 计 算 经 验 公 式。马惠民 等 对 世 纪 年 代 以 来 我 国 修建 的铁 路 隧道 变 形状 况进行 的调 查 分析 ，通 过 对 滑坡 地 段的隧道 变 形开 裂情 况进行 归纳分析 ，采 用现 场 原 位 测 试、 大型 室 内 模 型 试验 及 数值 仿 真 模 拟 分析 等 ，对 位 于滑坡 地 段，隧道 与坡 体变 形相 互 作 用的机理及 其 防 治 措 施 进行

14、了较为 全面、 详细和 系统 的研 究，总结 出 坡 体错 落 、 滑移等 地 段隧道 变 形类 型 。这些都 可 以 借鉴用于对 隧道 口段结 构 相 互 作 用进行 分析 。 图 像 后 处理软 件 生 成 模 型 切片 ，研究 支 护 结构 和边坡 及洞 门 挡土 墙 之 间的相 互 作用关 系，应 力 、 应 变、 位 移 之 间的变化 ，对比 其 主 要特 征 ，找 出 主 要的规 律。土 压 力 的变化 规 律，并 提 出 边坡 与隧道相 互 作用的力 学 模 型 。洞口 段 支 护 结构 的 破坏 形 式 及其 特 征桂 林 理工大学 硕 士 学 位 论文实际 上 柱 式 洞门也

15、是 一种端 墙 形 式 的 洞门， 从端 墙 式 洞门发展起 来 的 。 当岩层有 较大的 主 动 侧压 力 ， 地形 开 阔 ， 但地质条件 较差 ， 仰 坡下 滑 可能 性较大或 端墙 长 度较长 时 ， 如 仍 像 端 墙 式 洞门那 样 采用同一 厚度的 端 墙 ， 则 过 于 安全 、浪 费圬工， 通 常 在端 墙 的 中部 设 置 尺 寸较粗 大的 柱 墩 个 以 增加端 墙 的 稳定 性。 除此 之 外 ， 在城 市 、对建 筑 装饰 艺术 有 要 求 的 地区及风 景 区采用柱 式 洞门挡土 墙 显得 较为 庄 重 且美 观 。 同时 柱 式 洞门挡土 墙 相 对翼 墙 式 洞

16、门来 说 工程 量 大， 造 价高 ，施工方 法也较为 复 杂， 这是 其 主 要 缺 点 。 还 有 柱 式 洞门挡墙 的 两 侧与 路 堑 边 坡接触 处 需 要 嵌入 岩体 内以 保 证 其 稳定 性， 其 需 要 嵌入 的 深 度及形 式 可以 根据 实 际 岩层情 况 而 定 。如 果 路 堑 的 开 挖坡度缓于 ， 且岩层性质较差 时 ， 采用端 墙 式 洞门的 话， 将会 大大增加端 墙 面的 宽 度， 同时 加大相 应的 工程 量 ， 很 不经 济 ， 可见不如 采用翼墙 式 洞门。 由于 这种带 翼 墙 的 洞门与 端 墙 面有 很 大的 接触 面积 ， 设计时 应考 虑它们

17、的 相 互作 用， 以 节 省大量 圬工， 增加洞门挡土 墙 的 抗滑 及抗倾覆 稳定 性。采用如 图 所示 的 形 式 ， 将端 墙 式 洞门顶 部 改 为 台 阶 式 ， 即成 为 台 阶 式 洞门。此 种洞门可以 减 少 洞门的 圬工数量 ， 工程 中一 般 结合偏压 隧 道 衬 砌 使用， 故 我们亦 称 之 为 偏压 隧 道 门。 偏压 隧 道 在靠 山 的 一 侧常 常 通 过 设 置 挡土 墙 来 降 低 边坡施工开 挖的 高 度， 同时 达到 减 小 端 墙 面宽 度的 目 的 。 在靠 近矮 山坡的 一侧，如 果 地面较高 且地层条件 较差 ， 我们也可以 采用较矮 的 挡土

18、 墙 形 式 。 设 计中在选用台 阶 式 洞门时 ， 通 常 需 要 根据 洞口 地形 地质条件 ， 与 采用明 洞或 斜洞门作技术 经 济 比 较。一般 来 说 ， 隧 道 衬 砌的 变 形劣 化及掉块， 多 为年 久劣 化并与 漏 水 有 关 ， 洞口段隧 道 尤 为明 显。 混 凝土本身 具 有 较 好 的 耐 久性 、 耐 腐 蚀性 和较 高 的 强度，但 一旦常 期 有 地 下水 的 入侵， 衬 砌将 因经常 受水 介 质 的 侵蚀作 用， 出 现 酥 松、起毛 、 起鼓 剥 落、 蜂 窝麻 面 、 骨 料 分 离 、 孔 洞 露石 等 材 质 破坏 ， 导致 材 料 强度降 低，

19、 衬 砌厚 度变 薄， 渗、 漏 水 严 重 ， 降 低其使 用寿 命 。 此外， 有 害 水 、 冰 害 、盐害 、 烟 害 等 外因也 起到 一定 的 作 用。 混 凝土的 水 泥用量 不 够 、 施 工缝 填充 不良 等 材质 问 题、 碱 性 反 应 等 也 将 促进 劣 化。 另 外隧 道 混 凝土衬 砌养 护不 当 、 超欠挖 引 起的 不 密实 、 灌注 不 正常 、 强度不 够 、 防 水 不 良 、 地 基 处 理不 当 、 模 板下沉 等 都会 促进 裂缝 的 产 生 ， 在 衬 砌的 劣 化调 查 中 ， 关 于 劣 化的 原因、 劣 化的范 围 ， 都要正确 地 了 解

20、 。隧 道 衬 砌的 变 形及裂损 类型 主 要包括 衬 砌变 形、 衬 砌移 动 及衬 砌开 裂等 三隧 道 衬 砌整 体或其中 的 一部 分 出 现 平 移 、 转 动 、 下沉 、 上 拱等 变 化谓桂 林 理工大学 硕 士 学 位 论文隧 道 衬 砌的 变 形和裂损 过 程一般 经历 缓慢变 化， 急 剧 变 化及相 对 稳 定状 态 三 个 不 同 阶 段， 而且 这个 过 程往 往 呈周 期 性 地 交 替 重 复 发 生 。 洞 口与洞 口段， 特 别 是 斜 交 洞 门 有 偏 压 或边、 仰 坡 不 稳 固的 洞 口段， 比 较 容 易 发生 纵向节 段裂损 。 就 横 向裂

21、损 来 说 ， 较 多 的 发 生 在 洞 口附 近及傍 山 隧 道 靠山 的 一侧， 靠 河 的 一侧相 对 较 少。面 即可形成 塑 性 铰 。 可见 ， 虽然裂损 持 续 发 展 ， 但 只 要受压 边缘的 区 域 的压 应 力 未 超过 圬 工体的 弯 曲 抗 压 极 限 强度， 这个 截 面 仍然具 有 一定 的 承 载能力 ， 裂损 面 就 不 会 因此丧 失 稳 定 性 ； 在 轴 向受拉 的 情 况 下， 如 果 全 截 面产 生 的 拉 应 力 超过 圬 工体抗 拉 强度极 限 强度， 截 面 没 有 了 承 受拉 应 力 的 能力 ， 假 如 裂损 继续 发 展 ， 此裂面

22、 即失 去 了 稳 定 性 。损 面 则弯 曲 受剪 。 此时 裂损 面 已 经贯通 了 衬 砌全 厚 ， 但 发 生 的 错距只 要在一定 限 度之内 ， 在 该 截 面 内 必然存 在 受压 区 ， 且 受压 区 在 没 有 被 完 全 被 压碎前仍能抵 抗 一定 的 偏 心压 应 力 ， 那么 裂面 仍没 有 完 全 失 去 稳 定 。 假 如 裂损 继续 进 一步 发 展 ， 压 应 力 己完 全 超出 了 受压 区 的 抗 压 强度极 限 ， 该 裂损面 不 再 能够 承 受任何 应 力 而会 立即发 生 失 稳 ； 如 衬 砌直 接 承 受剪 应 力 而开 裂， 裂面 贯通 衬 砌

23、全 厚 ， 一般 来 说 这种裂面 已 经丧 失 直 接 承 受剪 力 的 能力 ， 如 果 缝 宽比 较 微 小 且 错距不 太大又 同 时 作 用有 较 大的 轴 向力 的 情 况 ，衬 砌仍存 在 一定 摩擦抗 能力 ， 它 就 未 必会 完 全 丧失 稳 定 性 。 洞口 段 边 坡 的破 坏形 式 及 稳定 性评价隧 道 洞口 段 的坡 体 结 构 复 杂多样，岩 性变 化 较 大，在 地应 力长 期 的作用下 会 因 流 变 作 用而使 得 其 自 身 强度 降 低 ，沿 裂隙面和 节 理发 生 蠕 动 ，由于 自 然 环境 的改 变 坡 体 滑 移进 一 步 扩 大到隧 道 洞口

24、 附近，受 工程地质条件和 隧 道 洞口 段 施 工及 结 构 因 素 的影 响 ，隧 道 洞口 段 的坡 体 其 破 坏形 式 也 不尽相 同 ，同 时坡 体 稳定 性也 跟洞门 挡 土墙 结 构 及 衬 砌 有 关 ，所 以 对隧 道 洞口 段 边 坡 的破 坏形 式 及 稳定 性进 行分 析 对后 文 的支 护 结 构 与边 坡 的相 互关 系 和 作 用机 理研 究具有 很 大的理论价值 和 意 义。岩 质边 坡 一 般 构 造都是比 较 多样且复 杂，坡 体 的破 坏模 式 相 对来 说也比 较 多，依 据 边 坡 上岩 体 的外 部 特征，我 们可以 大概 推断出 边 坡 的稳定

25、状况 及 曾经 发 生 过 的变 化 和 破 坏模 式 。就岩 石 力学 及 岩 石 边 坡 的稳定 方面，一 般 我 们可以 将破 坏形 式 简化 ，主要分 为：平 面破 坏模 式 、 楔 体 破 坏模 式 、旋转 破 坏模 式 、 倾 倒破 坏模 式 和 坍 陷 破 坏模 式 ，还 有 许 多其 它 破 坏形 式 ，如 侵 蚀破 坏、 松散解 体 引起 的破 坏、 压 溃 屈 服 破 坏、 断裂破 坏等等。其 中倾 倒破 坏形 式 是一 种很 重 要的破 坏形 式 ，但 以 旋转 破 坏、 平 面破 坏及 楔 体破 坏为比 较 常 见 。另外 ，在 岩 体 软 弱 和 岩 体 节 理比 较

26、 发 育或者 己 经 破 碎 ，也 有 可能发 生 圆弧式 破 坏。土质类边 坡 根 据 其 所 处的水 文 环境 、 地形 地貌 及 地层 岩 体 性质等不同 ，失稳破 坏类型 和 模 式 也 是不 尽相 同 的，经 过 施 工开 挖 而形 成 高陡 的边坡 ，由 于 自 重 应力重 新分 配调整 将导致 一 系 列的变 形 ，假 如 边 坡 设计 与施工方法 合理，则 坡 体 减 速 变 形 趋 向稳定 发 展，若 使 设计 或施 工方案 不 具备满足 坡 体 自 稳条件，或者 诸 如 边 坡 中 存在 地下 水 及 不 利 结 构 面等因 素 ，坡体 变 形 将持续 发 展，促使 边 坡

27、 进 入不 稳定 状 态乃 至 破 坏。土质边 坡 的破 坏规 律 及 模 式 主要有 以 下 几种类型 ： 碌 钠苹 担 、 崩 塌 模 式 ；中 ，是以 自 由 坠 落的方式 脱 离母体 而并非沿 某一 固定 滑 动 面，迅 速 落下 堆积 于 坡 脚。可能是小规 模 岩 体 崩 塌 坠 落，也 有 可能是大规 模 的山崩 。崩 塌落石 常 常 的发 生 于 与岩 体 性质坚 硬、 地质构 造发 育、 斜坡 陡 峻等地质地貌条件有 关 。崩 塌 可发 生 于 自 然 山坡 上，也 可能发 生 于 人工施 工开 挖 的边 坡上，并主要以 拉 断破 坏为主，特别 是在 强烈 震 动 或暴雨 诱

28、 发 下更容 易 发 生 。展 阶段 ， 采 取 不 同的控 制 措 施 以确 保 隧 道 边仰 坡的安全 。基 于极 限 平 衡条 分 法的安全 系 数 法一直 以来 作为 表 达 仰 坡稳 定 性的最直 接的定 量计 算 法， 计 算 简单， 在工程实践 中 广泛应 用 ， 但当前常 用 的极 限 平 衡法程序 都是二维 的， 并 不 能 得 到 坡体内的应 力 和 应 变分 布 状 况 、支 护 结构 对 仰 坡变形 与 稳 定 性的影响。而且 由于地 形 、 地 貌、 地 质 结构 等因 素 ， 符合平 面 应 变条 件的坡体较少 ， 多是具 有 三 维 效应 ， 对 于此 类 仰 坡

29、的稳 定 性用 安全 系 数 来 评 价带 有 一定 得 难度 。于强 度 折 减概 念提出的数 值 分 析法即 ： 强 度 折 减法。与 条 分 法相 比， 基 于强 度 折 减概 念的有 限 单元数 值 分 析法能 够 对 复 杂的地 形 、 地 貌及 地 质 结构进 行 稳 定 分 析， 不 但能 满 足 力 学 平 衡条 件， 而且 能 够 考虑 岩土 体的非线 性本 构 关 系 及 变形 对 应 力 的影响， 还 可 考虑 支 挡 结构 与 坡体的相 互作用 ， 计算 时 不 需 要假 定 滑 移面 的形 状 ， 也 无 需 进 行 条 分 ， 不 仅 能 像 极 限 平 衡设 计法

30、那 样确 定 仰 坡的安全 系 数 ， 还 能 对 三 维 条 件下 复 杂地 形 地 貌和 地 质 结构的边仰 坡进 行 稳 定 分 析， 及 对 施 工过 程进 行 模拟 ， 使 得 计 算 结果更 加精 确合理， 因 而在坡体稳 定 性分 析中 获 得 了 越 来 越 广泛的应 用 ， 并 取 得 了 一些成 果。强 度 折 减法的基 本 原 理就是通 过 逐 渐减小岩土 体的抗 剪 强 度 参数 ，洞口 段 支 护 结构 与 边坡相互 作 用受 力分析对 于 端墙式 洞门 、柱 式 洞门 及翼墙式 洞门 ， 洞口 段 隧道 衬砌 一般 正交于 坡体 滑 移 面 ， 由 于 洞口 段 围

31、 岩 的 成 拱作 用不 能像 隧道 深 埋区那样能够被 充 分利 用， 支 护 结构 上 承 受 的 围 岩 压 力较 大。 衬砌 就像 抗滑 桩一样承 受滑 坡的 推 力和 岩 土体 的 抗力， 如图 所 示。 当 这 两 个 力与 地层 压 力叠 加后 ， 隧道 衬砌 的 受 力状 态 将 发 生 改 变 。 在 这 种 受 力条件 下， 隧道 衬砌 将 处 繪 一首 先延 长 倾斜的填土面相交 于 墙背 ， 然 后 求出 各 自 在水 平和 倾斜填土下 的 压 力 强度 三角 形， 两 种 土压 力 强度 在同 一 高度 的 大者 即 是 不 规则 填土的 压 力 分 布。这 种 计

32、算方 法 只考 虑到了填 土的 压 力 ， 而 国内 外 对隧 道 洞 门土压 力 的 研究 较 少， 至今仍 未有 一 种 能 考 虑土压 力 、 衬 砌、 边坡滑移 力 的计 算方 法 。洞 口段 目前 一 般 采 用喷 锚 支护 来加 固上 覆 岩 层 ， 以防出 现 坡体滑移 坍塌及 地表 下 沉等 ， 这 是 一 种 比较 行之 有 效 的 方 法 ， 在岩 体 未达到塑性破坏之 前 进 行超前 锚 固和 喷 射混 凝 土支护 施 工， 通 过 锚 杆 联 结 作 用， 压注 水 泥 砂浆固结 岩 层 裂 缝 ， 使洞 口段 形成 一 个自 稳 能 力 较 强的 固结 体 ， 尽快

33、形 成 封 闭 的 承 载 环 结 构 ， 支撑洞 项荷 载 ， 减 少围 岩 的 滑移 及 下 沉变 形 ，桂 林 理：【大 学 硕 士 学 位 论 文 本章 小 结口 段工程 设 计是 很 好 的途径。软 件 概述图 四 面体式 中， ， T趖 时刻 诘 愕脑 趇方向 不 平 衡 力 分 量， 可 由 虚 功原理导出 ； 猧 节 点 的集 中质量，在 分 析 静 态 问题 时，采 用 虚 拟质量以保 证 数 值 稳 定 ，在 分 析 动 态 问题 时则 采 用 实 际 的集 中质量。式 中速 率可 由 式 近 似。阻 尼 力 为 籰行 求解 的， 算 法 上并 没 有差别。 应变增 量 已

34、知 的， 它 可以快 捷 地 求出 应力增尽 管 如此， 的 不 足 之 处还 是可 以 采取 一 定办 法予以 克 服 的 。其计 算时 步 受 网 格 尺寸影 响较 大和某些模 式 下计 算时 间 过 长 的 问 题 ， 随着算法的 不 断 改 进 和完 善 ， 以 及 高 性能 计 算机 的 普 及 ， 这 些不 足 之 处有 望得到改 善 。至 于前 处理较 弱的 问 题 ， 普 通 用 户在 现 有 条 件下也 完 全 可 以 通 过借助 其他 软 件予以 弥 补 和完 善 。 洞口 段 支 护 结构 与 边坡 相 互 作用 的 模 拟 分 析岩土工程 的 建 模 是需 要 特 别

35、考虑 的 ， 只有 少量的 现 场 数 据 要 意识 的 变形 和强 度特 性变 化范 围却相 当 大。在 工程 研 究 中 ， 数 值 模 拟 分 析的 结 果 合理性在 很 大程 度上 取 决 于模 型 建 立 的 正 确 性和输入参数 的 可 靠性。因此。模 型 的 正 确 建 立 与 否是至 关 重要 的 一 步 。根 据 新奥法的 基本思想 ， 要 想 比较 好 的 模 拟 隧道洞口 段 开 挖 与 支 护 结 构 相 互 作用 地整 个施工作业 流 程 ， 不仅要 注意考虑 围岩体 复 杂的 性态 ， 还 要 考虑 施工作业 方案， 包 括 分 部 施工开 挖 的 步 序 、 支

36、护 结 构 的 形 式 及 施作时 机 的 选 择 。当 然 用 真实三维的 计 算模 型 来 模 拟 复 杂的 围岩特 征 及 施工条 件、 方式 ， 又要 同 时 考虑 施工支 护 的时 效 性是很 难实现 的 ， 模 拟 过 程 中 我们 通 常将 这 一 问 题 进 行适 当 简化。 将计 算 结果 再次整 理成图 ， 进行分 析。能 否选 择 到合 理的 施工方 案 ， 对 于 隧 道 洞 口的 施工安全及 后 期 的 防坍塌 和 灾 害 具有 重 要 的 意 义。在 充分 考 虑围岩 地 质和 施工技术条 件 、围岩 级别 、埋 深 、断 面 尺 寸 及 坡 面 情况 、气 候 条

37、 件 、围岩 承载 拱 形式 的 关 系 、工期 要 求等 因素 的 情况 下 ， 根据 国内 外 的 施工经验 目 前 洞 口段 的 施工主要 采用 正 向及 反 向施工方 案 。桂 林 理【人学 颂 ：上学 位论 文反 向 施 工 法 主要 适 用 于 洞口 外悬 于 岩 涯陡坎地段 或 桥 隧相 连 处， 边仰坡覆盖 层 极 度破 碎 且无 施 工 场地的 隧道 。在 对 洞口 段 进 行 地表 预加 固和 相以与桥 台 、边仰坡封 闭 施 工 同时 进 行 ， 能 避 免直 接扰 动 破 碎 的 边仰坡。为 隧道 洞口 段 的 施 工 选择 合 理的 开 挖及 支 护方 法 是 极 为

38、 重要 的 ， 关 系到 隧道 能 否 正常进 洞及 进 行 下 一 步施 工 ， 处理方 案 得当， 不但可 以增加 洞口 段 施 工 的 安全 性 ， 缩短 施 工 准 备期和 节 约 投 资 ， 有 效的 提 高 施 工 效率，减少 投 入， 增加 效益 ， 还能 够减少 对 原岩 的 扰 动 ， 避 免给 后 期的 运 营留 下地质灾害 隐患， 降 低运 营的 投 入成本 ， 美 化洞口 环 境 。首 先 ， 为防 止 在 计 算 过程中出现屈服区 域 ， 开 始计 算 前 将 粘 聚 力和抗拉强 度设 为 大值 ， 计 算 至 平 衡后 ， 再 将粘聚 力 和抗拉强 度改 为 分 析

39、 模 型所采 用 的值 计 算 直至 最终平 衡状态 。采 用 这 种办法生成 静 水 压 力 ， 接 着 选 择弹 性 本构模 型， 按 前述 约束 条 件 ， 在 只考 虑 重 力 作用 的情 况 下， 进 行 弹 性求解 ， 计 算 至 平 衡后 对 位移场和速 度场清 零 ， 生成 初始应 力 场， 最后 进 行本构模 型为 偷 牡 苄 郧 蠼 猓 敝料 低炒 锏狡 胶 猓 缤 另外 在 自 重 应 力 场作用下， 我们 知 道 距 离 洞门越 远， 仰 坡 位移矢 量越接 近竖直向 下方向 ， 整 体 表现 以下沉 为 主 ， 中 部 近乎 与 坡 面平 行 ， 以剪 切变 形 为

40、主 ， 靠 近洞口 部 分 即 坡 脚 处 ， 比 较有 剪 出 的可能 。洞口 段的边 坡 潜在 破裂面主 要以浅 表层 圆弧 剪 切破坏 为 主 ， 但 由于 洞门挡土 墙具有 阻止 仰坡 发生倾 覆 或 断裂的破坏 趋 势 ， 因此整 个洞门结 构强 度得 到了 加 强 ， 根 据开 挖 ， 并对 相 应 结 果 进 行 分 析 。隧道 开 挖 前洞口 段的岩土 体 基 本上 处 于 自然 应 力 平 衡状态 ， 随 着 洞室 的开 挖 ， 岩土 体 受到干 扰 ， 原 应 力 平 衡状态 遭到破坏 及扰动 ， 围 岩体 内 的应 力 就 会 自 发重 新 分 布， 直至 新 的平 衡状

41、态 建立为 止 。自 重 应 力 场作用 下洞口 顶部 仰 坡 岩土 体 滑移， 在 隧道 洞口 处 衬 砌和挡墙 结 构处 堆积 ， 对 端 墙的上 部 产 生较大的横 向 压 力 ， 上 部 疏 松 及隧道开 挖 区 岩土 体 滑移将对 挡墙 产 生较大侧向 压 力 作用 ， 由于 路 堑 及路 基 对 挡墙的固 定作用 ， 使 得主 要的剪 切应 力 主 要发生在 挡墙的根 部 。假如端 墙整体 的抗剪 切强 度不 足就 会 导 致 挡墙 上 部 首 先发生了 破坏 ， 尔后 上 部 仰 坡 土层 将发生倾 泻 覆 盖 洞口 ， 此种破坏 在 实 际 的施工及运 营 过程中 ， 是 比 较常见的。由于 浅 埋地 层 的成 拱 作用 不 能 像 隧道 深埋区 那 样 得 到充分 利 用 ， 因此在 支护结 构上 的围 岩压 力 较大这 在 第一 章已经诉 及， 如果 施工人员 对 围岩的调 查研 究 、 施工量测及分 析 、 经验 等 认识 不 够 ， 经常会 导 致 洞口 沉