天津大学硕士学位论文

大型地下洞室施工过程中的可靠性分析

姓名：杜玉东申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：毕继红

20051201

中文摘要

针对海南工程地下洞室项目，运用大型有限元数值计算软件（ＡＮＳＹＳ）模拟计算了大断面洞室多层耦合应力超Ｉ；｛『解除法施工过程，对其进行了非线性数值分析。结合施工方法及监测报告资料与数值分析结果对比，对该施工方法的可行性进行评价，确保洞室围岩在开挖过程中处于稳定状态，对薄弱环节进行及时加固。

同时与传统的分层逆做法施工所对围岩的影响程度进行对比分析，充分证明了多

层耦合施工方法的优越性。为地下大型洞室快速施工提供了一种有效的施工方

法。

通过对Ｍｏｎｔｅ—Ｃａｒｌｏ随机有限元进行研究和系统可靠度计算的Ｂ分支法分析，考虑把两者联合起来分析洞室施工过程安全性，对海南工程地下洞室开挖过程中的每一步进行可靠性评价，并对围岩参数进行了敏感性分析，得出影响洞室

稳定最敏感的岩土参数。同时也分析比较了多层耦合法与分层逆做法之间洞室施

工过程中的稳定性，比较了两者的优缺点，从中得出分层逆做法施工过程比较安全，而施工完毕后两者的可靠性几乎一致，从而对多层耦合法施工有一个全面的了解和比较，为今后的大型洞室快速施工提供科学依据。

本文提供了一条快速开挖大型洞室的有效途径，同时对该施工方法从多方面与传统的开挖方法进行比较分析，从而得出其施工过程的优缺点。通过对随机有限元和Ｂ分支法分析，本文应用随机有限元理论提出了一种大型地下洞室开挖过程中可靠度评价的方法，为大型地下洞室施工的可行性研究、施工方案组织提供了方便的途径。

关键词：多层耦合分层逆做

敏感性Ｂ分支法

Ｍｏｎｔｅ．Ｃａｒｌｏ随机有限元可靠度大型地下洞室

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐａｓｓａｇｅｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｎｇｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ

ｆａｃｔｏｒｙｈｏｕｓｅ．ｗｅｂｒｉｎｇｕｐ

ａ

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ｌｉｍｉｔｅｄｉｎ

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ｓｅｖｅｒａｌｌａｙｅｒｓｅｘｃａｖａｔｉｎｇａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅａｎｄｓｔｒｅｓｓｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｉｎａｄｖａｎｃｅ．ＴｈｅｉｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅＨａｉｎａｎ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

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ＣａＢ

ｔｈｅｓｐｏｔ，ａｕｅｖａｌｕａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｎｅｗｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｂｅｇｉｖｅｎ，Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈ

ｔｈｅｐｏｐｕｌａｒｍｅｔｈｏｄｏｆｌａｙｅｒｂｙｌａｙｅｒｅｘｃａｖａｔｉｎｇｔｈｅｎｅｗ

ｍｅｔｈｏｄｉｓｇｏｏｄａｔｍａｎｙａｓｐｅｃｔｓ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｖｉｄｅｓｏｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｂｉｇｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃａｖｉｔｉｅｓｆａｓｔｅｘｃａｖａｔｉｏｎ．

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ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｒｏｃｋｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ｗｅａｎｓｌｙｓｅｓｔｈｅｓｅｖｅｒａｌｌａｙｅｒｓｅｘｃａｖａｔｉｎｇａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅａｎｄ

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ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｆａｓｔｅｘｃａｖａｔｉｎｇ．

Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｗｅｐｒｏｖｉｄｅ

ａｎ

ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｆａｓｔｅｘｃａｖａｔｉｎｇ，ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｗｅ

ａｏａｌｙｓｅｓｔｈｅｎｅｗｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ

ｍｅｔｈｏｄ．Ｗｉｔｈ

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ｔｏ

ｅｍｂｒａｎｃｈｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗｅｈａｖｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｄ

ａ

ｅｖａｌｕａｔｅ

ｔｈｅｂｉｇｃａｖｉｔｙ

ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｗａｙｆｏｒｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｔｈｅ

ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ

ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ．

ＫＥＹ

ｒａｎｄｏｍ

ＷＯＲＤＳ：ｓｅｖｅｒａｌ

ｌａｙｅｒｓｅｘｃａｖａｔｉｎｇ，ｌａｙｅｒｂｙｌａｙｅｒｃｘｃａｖａｔｉｎｇ，Ｍｏｎｔｅ－ｃａｒｌｏ

ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，１３ｃｍｂｒａｎｃｈｍｅｎｔ

ｍｅｔｈｏｄ，ｂｉｇ

ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ

ｃｎｖｉｔｙ

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表

或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼盘堂或其他教育机构的学位或证

书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中

作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：—卜毒彳，

签字Ｒ期：

蒯年／月争日

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本学位论文作者完全了解丞洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检

索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

学位论文作者签名：

井移玉＝々一

导师签名：

绰｛出札

，月

ｆ同

签字目期：２形年／月年日

签字日期：砌‘年

天津大学硕七学位论文

第一章绪论

１．１前言

由于能源、交通、城市建设以及环境工程的空前发展，对地下空Ｉ＇日Ｊ的利用和

大规模丌发日益迫切。尤其在水电工程方面，大型地下洞室的开挖已不胜枚举。我国９０年代后动工的峡谷高坝基本上都采用地下厂房设计方案，如三峡、二滩、大朝山、江垭、棉花滩、小浪底、小湾、龙滩、西洛渡、瀑布沟、水布垭等。据

统计，目｜ｊ｛『，我国已建成水电站地下厂房约１００座，其中装机超过ＩＯＯＭＷ以上的

地下厂房水电站２０座，最大的在建地下厂房尺寸为３５２．６Ｘ３１．６×８８．６２ｍ（三峡水电站），为世界之最。表１．１为我国己建成装机大于ＩＯＯＭＷ的水电站地下厂

房统计表［１—２］，表１．２为我国在建的几个大型地下厂房统计表［３一１１］。

１．１中国已建水电站地Ｆ厂房统计表（装机容苗达丁二ＩＯＯＭＷ）

‘笋

ｌ２３４５６７８９１０１１１２１３１４１５１６１７

名称装机容量（Ｍｗ）

地质条停覆盖层Ｊ｝度ｍ

厂房开挖尺寸

（长×宽×高）ｍ

８５．１×２３．９ｘ６０．９８１８×１６×３４．８６１．６×１４×３３．４１０６ｘ２４．５Ｘ５５５６．２×１８×３０１２１．５ｘ２５ｘ５４．３１２７．２×２１．２ｘ４５．５５６．４×１８×３１．９

刘家峡（甘肃）映秀湾（四川）渔子溪Ｉ（四川）赞咀（四川）曲洱河（云南）白山（吉林）明湖（台湾）洫子溪ＩＩ（四ＪｆＩ）布鲁革（云南）广蓄（一）广尔尔风（贵州）大广坝（海南）太平驿（四川Ｉ）明漳（台湾）十二凌（北京）一滩（四川Ｉ）大荒坪（浙江）

２Ｘ２２５＝４５０３ｘ４５＝１３５４ｘ４０＝１６０３ｘ１００＝３００３×３５＝１０５３ｘ３００＝９００４ｘ２５０＝１０００４ｘ４０＝１６０４ｘ１５０＝６００４ｘ３００＝１２００３ｘ１７０＝５１０３×６０＝１８０４ｘ６５＝２６０６ｘ２６７＝１６０２４ｘ２００＝８００６ｘ５５０＝３３００６×３００＝１８００

石英片岩花岗闪Ｋ岩花岗闪艮岩花岗岩片麻岩混合岩砂岩花岗岩自云岩花岗岩灰岩花岗岩花岗岩砂岩花岗岩灰岩凝灰岩

２５２００２５０５０５０１００

３００４０５１２０１４２４０３００２５０３５０３００

１２５Ｘ２１Ｘ３８．５１４５ｘ２１．５×４５．６１０５．５ｘ１４×５２８７ｘ１４ｘ３５．７１５６Ｘ２１ｘ４６１４９ｘ２０．７×４４．６１１２．１×１９．７×４１．４２８０．３ｘ２５．５Ｘ６３．９２００ｘ２１Ｘ４６

第一章绪论

１８１９２０２１

小浪底（河南）广蓄（二）（广东）江垭（湖南）大朝山（云南）

６ｘ３００＝１８００４Ｘ３００＝１２００３×１００＝３００６×２２５＝１２５０

砂岩花岗岩灰岩玄武岩

１１０２１５．５×２６．２×６１．４１４５ｘ２１×４５．６

１５０１０７×１９×４６．５２３４×２６．４×６３

本表按建造时ｌ’Ｂｊ为序

１．２中国主要在建水电站地下厂房统计表

‘善

１２

名称装机容量（ＭＷ）

地质条什覆盖层厚度ｍ

厂房开挖尺寸（艮Ｘ宽×高）ｍ

３８８．５×３０，７×７７．３

开挖时问

２００１

龙滩（广

两）

９Ｘ６００＝５４００

砂岩泥板岩互层

１００—２８０

泰安（山

东）

４ｘ２５０＝１０００

混合花岗闪

２１０－２３５１８０×２４．５×５２．３２００２

３

水布垭（湖北）

４ｘ４００＝１６００

灰岩

１０５－１８５

１５０Ｘ２３×６８．３

２００２

４

二板溪（贵州）

４Ｘ２５０＝ｔ０００

厚层砂岩

２２０—２７０１４７．２Ｘ２２．７×６０，ｌ

２００２

５

白色（广

西）

４Ｘ１３５＝５４０

片麻岩

２０—５３１４７×１９．５×４９２００２

６

索风营（贵

州）

３Ｘ２００＝６００

中厚层灰石

１００１３３．５Ｘ２４×５８．４２００２

７

琅琊山（安徽）

４×１５０＝６００

薄层灰岩

１２０－１４０１５６．７×２１．５×４６．２２００２

８

小湾（云南）

６Ｘ７００＝４２００

黑云花岗片麻岩

３８０－４８０２９８．１×３０．６×８２２００３

９

瀑布沟（四ＪｉＩ）

６Ｘ５５０＝３３００

中粗粒花

岗岩

２００－３００２９４．１Ｘ３０．７Ｘ７０．２

２００４

在水电站地下厂房系统中，除地下厂房外，还包含有主变洞、交通洞、调压井、尾水洞等大型洞室。随着一些干流水利资源的相继丌发，水电工程中地下厂

房及相关洞室等在向大型化或超大型的方向发展，特别是伴随着装机容量的增

大，地下厂房规模越来越大，以大跨度、高边墙、多交叉以及结构复杂为特征。在很多地下厂房系统中，大大小小的隧洞和地下空间交织在一起，形成庞大、复

杂的地下洞室群。以现在正在兴建的龙滩和小湾水电站为例［１２］：龙滩水电站在

天津大学硕士学位论文

不到０．５ｋｍ２的山体内布置了１１３条洞室，这些洞室以平、斜、整的形式相贯，形成庞大而复杂的地下洞室群，石方开挖达３５６万ｍ３；小湾水电站在不到０．３ｋｍ２的区域罩靠置近百条洞室，总长度近１７ｋｍ，构成一个超大型的地下工程系统。

对于大型地下洞室的施工，最常用的手段仍是钻爆法。在钻爆法丌挖大型地下洞室的过程中，歼挖程序和歼挖方法的选择对于快速、经济、安全的旌工具有重要的意义。例如，对于大跨度地下洞室，是采用导洞超Ｉｉｉ『，还是采用台阶法开挖；采用台阶法开挖的情况下，分层方案如何确定；在不同的围岩地质条件下，采用何种开挖方式；等等。所以这些涉及到开挖顺序和开挖方法的问题，都直接关系到地下厂房的稳定和工期目标的实现。

所以，对大型洞室施工方法，特别是在目前地下洞室丌挖广泛使用了现代化施工机械的情况下，对洞室开挖方法和开挖程序作比较系统的研究，和施工过程

洞室安全性的评价与分析将具有很实际的工程意义。

１．２大型地下厂房施工实践及研究现状

国内对于大型地下厂房开挖方法的研究，主要是一些施工单位针对已建工程总结出一些宝贵的经验，同时学习国外的先进施工工艺和方法，在某些具体工程中做有益的尝试，另外，一些科研机构同施工企业合作，在开挖方案、施工程序

等做了一定有价值的理论和实验研究。

２０世纪６０到７０年代，Ｉｉ｛ｆ苏联在大断面地下建筑物的研究、设计与施工方面作了大量工作，１９７４年，Ｂ．Ｍ．莫斯特科夫［１３］结合前苏联当时完成的一些大断面地下建筑物，对大型地下洞室的掘进方法作了较详细的论述。莫斯特科夫在考虑围岩地质条件和断面大小的情况下，对ｆ；ｉ『苏联当时的一些大型洞室丌挖方法作了分析，并给出了在一定施工技术条件下的洞室掘进方法的选择建议，同时还讨论了大型洞室开挖的施工机械配套问题。

在二滩地下厂房的丌挖过程中，承包商是以德国的霍尔兹曼为责任公司的中德二滩联营体，在厂房施工中，联营体采用国际上常用的某些施工方法。地下厂房按上、中、下三个部分开挖，由上至下先丌挖顶拱，然后分６个台阶逐层下挖，逐层锚喷。项拱歼挖采用中导洞领先、两侧扩大跟进的刀＝挖方式；台阶开挖则采

用周边预留保护层光面爆破的施工方法。

其他还有一些关于龙滩、太平驿、小浪底、天荒坪、棉花滩等水电站地下厂

房丌挖方法的介绍［１４—１９］；国外也有一些具体工程的施工情况介绍［２０一２１］。

另外，有人结合自己从事地下工程旌工施工的经验，对大型洞室和地下厂房

的施工程序和开挖方法作了总结。例如，水电十四局的蒋建［２２］结合广州抽水蓄

第一章绪论

能电站、龙滩水电站地下厂房的施工，介绍了地下厂房开挖方法、施工机械使用等方面的情况：中国水利水电第六工程局的于景辰［２３］对地下厂房的一般开挖方法作了研究，并探讨了地下洞室中的周边爆破、施工排水等问题。

尽管国内在大型地下洞室的开挖方面积累了丰富的施工经验，而且也作了一

定的理论和实验研究，但是对于大型地下洞室施工程序的选择和开挖方法的确定仍处于一种经验和半经验的状态。在使用了现代化施工机械的情况下，对于大型地下洞室的开挖缺乏比较全面的研究；对于水电工程地下厂房的施工程序和丌挖方法，以及厂房施工中的顶拱丌挖、岩锚梁施工等关键问题也很少有人加以总结和系统研究。

１．３地下结构可靠度理论研究进展

地下结构和其它岩土工程一样，在整个设计施工及运营过程中存在大量的不确定性。传统的定值分析设计法未能考虑众多不确定性（如各参数的离散性）对安全度的影响，因而不能真Ｊ下反映结构的安全储备。６０年代未期，数理统计和概率方法在地面结构设计中成功应用，使得人们开始寻求用随机方法研究地下工程中各种不确定性并估计他们的影响。二十多年来，在地下采矿结构、隧道、地下厂房等地下结构的稳定可靠度分析中取得了很大成绩，主要在以下几方面：１．岩土参数概率特征的研究

岩土参数概率特征是进行地下结构可靠性分析的基础。通常是在地下结构的周围地层取样并进行一系列试验取得有关参数，然后根据适当的概率统计理论推

断参数的概率特征。在围岩分级判据的可靠性研究方面，林韵梅等提出围岩稳定

性动态分级法。岩土参数统计特征的估计方法主要有矩估计法、最大似然估计法

和Ｂａｙｅｓ法。岩土参数的概率分布函数的检验方法可分为２２检验、Ｋ—Ｓ检验和Ａ—Ｄ检验。例如ＳｔａｎｌｅｙＭ．ａｎｄＭｉｌｌｅｒＲＬ提出用Ｍａｒｏｖ—Ｂａｙｅｓ方法对钻孔参数进

行估计，光嫩华等应用Ｂａｙｅｓ估计法对岩石抗剪强度进行统计推断；张广文，严春风等在经典Ｂａｙｅｓ方法的基础上提出确定随机变量概率分卸函数参数的推广Ｂａｙｅｓ方法。土性参数概率特征研究经历了两个阶段：早期建立在随机变量基础

上，后来用随机场理论。２．作用效应随机分析方法进展

地下结构作用效应的定值分析法主要采用“荷载．结构”模式和“地层．结构”

模式，目前大多采用数值分析法如有限元分析。引入可靠度后产生了随机有限元、随机边界元和随机块体理论，以及围岩参数的随机反分析等。随机有限元的成果最为丰富，随机有限元又称为概率有限元是在传统有限元法的基础之上发展起来

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的随机数值分析方法，是随机分析理论与有限元方法相结合的产物。随机有限元

可分为有限元蒙特卡罗法：纽曼随机有限元法：随机有限元最大嫡法；有限元一次二阶矩法：随机有限元响应面法；摄动随机有限元法等。这些方法各有特点，其中响应面法，摄动随机有限元法和有限元蒙特卡罗法在我国隧道可靠度分析中己实际应用。

３．基于可靠度的地下结构设计的特点

地下结构施工设计是一个被动的过程，不象地表结构那样人们可以决定材料的属性，地下结构的地理位置决定其材料属性，并且决定了地下结构的主要力学行为及其可靠程度。地下结构的喷锚、支护均是一种被动行为，有关资料表明喷锚支护、锚索支护对大型洞室洞壁的位移影响较小【２４】。所以大型地下洞室的选

址特别关键，支护结构的设计应以防止洞壁松动的岩石碎片滑落，洞壁表面不出

现过大的裂缝、防止洞壁围岩松动区的进一步发展为准。锚杆的作用是使洞壁浅层的围岩与深层的围岩形成整体共同承担由于岩石的卸荷所产生的荷载。所以在工程开工静，根据工程所处位置的地质情况进行数值模拟，并对其整体的可靠度进行评价是很有必要的。支护结构的可靠度设计应根掘松动圈的范围，以避免石块脱落，洞壁塌方，使得松动圈、锚杆和初衬形成有机的整体，共同承担开挖后

释放的荷载。

４．施工期间地下结构可靠性的评价

地下结构歼挖完全后的可靠性研究已经得到深入的研究，然而在施工过程中对地下结构的可靠性进行评价的研究还比较少。在施工过程中由于地质情况多变、开挖面积大，施工事故不断增多，严重影响人们的财产生命安全和工程施工

进度。据不完全统计，近ｌＯ年来所发生的工程事故有８０９６出在施工阶段。纠其原因主要是对施工过程中地下结构的安全性认识不清，没有及时采取强的支护措

施，对危险的判断不够，准备不充足。

地下洞室处于复杂的地质条件下，它受天然形成的地质状态和人工歼挖操作的影响很大，对于大型地下洞室厂房，以及其中作为主体工程的高边墙和大垮度的地下厂房，势必会遇到许多复杂的问题。对施工过程中洞室安全性评价判断尤

为重要，如何对施工过程中的洞室进行安全性评价是一项很有实际意义的工作。

１．４本文研究的技术路线和主要内容

本文在详细研究地下工程中存在的各种不确定性的基础上，针对地下结构的具体特点，目前很难找到一种洞室稳定性可靠度的评判标准，由于地质参数的不

确定性最终反映在洞室围岩的位移及洞壁的收敛情况上，本文根据铁道部颁布的

第一章绪论

铁路隧道设计规范所确定的各类围岩不同埋深情况下毛洞围岩收敛极限值，将其作为计算比较的标准，针对地质资料的不完善，无法对围岩参数的随机性作出统计分析，本文采用三倍标准差原则选取岩土参数，随机场的相关性则由单元与单

元形心｜’日Ｊ距离所决定。

采用Ｍｏｎｔｅ．Ｃａｒｌｏ随机有限元对洞室的开挖过程进行数值模拟计算，结合Ｂ分支法分析地下结构系统施工过程的可靠性，对开挖过程中的每一步进行可靠性评价，计算出可靠性指标，并结合围岩参数对危险要素进行敏感性分析，对各围岩参数影响洞室安全的程度进行评价，

本文提出大型地下洞室的一种新的开挖方法，并针对该施工技术利用本文的可靠度评价方法对其施工过程进行可靠性评价，最后把理论应用于实际工程，得

出了有实际价值的结论。

１．针对大型地下洞室多层耦合应力超前解除施工的开挖方法，使用大型通用有限元软件ＡＮＳＹＳ对其进行有限元分析，与传统的分层逆做施工方法比较，具有独特的优点。针对两种开挖方法对洞室围岩的应力、位移、地表沉降等方面进行比较分析，从而得出有益的结论。

２．根据隧道围岩位移收敛原则，提出蒙特卡罗随机有限元模拟与１３分支法

系统可靠性评价联合应用的方法，对大型地下洞室的施工过程中每一步开挖的可靠性进行评价，可以达到动态分析的效果。

３．对大型地下洞室开挖过程中的每一步进行随机有限元分析，通过围岩参数对洞周收敛的敏感性分析，总结出影响大型地下洞室安全性最敏感的参数，为围岩支护和加强寻找合理科学的方法。

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第二章大型洞室多层耦合应力超前解除法施工数值模拟

２．１引言

由于地下空脚的不断利用，大型地下洞室不断涌现，特别是在水电工程中，例如三峡、二滩、小浪底等水电工程的主机房，都是巨型地下洞室的典范。地下建筑物施工的主要特点是：工作面狭窄、干扰性大、光线和空气较差，此外，在地质条件不好的地段，往往会受到地层压力、岩层有害气体和地下水等的影响，因而，整个施工非常复杂。对这些大型洞室的开挖大都采用由上及下，分层逆做法施工。这对于条件允许、工期宽松、施工通道方便灵活的情况较为常用，该技术已经积累了大量的施工经验，是比较稳妥可靠的施工方法。但对于有些特殊情

况该方法受到限制，例如施工通道受限制、施工工期急迫等，这时采用多层耦合

应力超前解除法施工技术，是一个大胆创新的思路。该方法没有先例所借鉴，也没有经验可以参考，所以对其旌工过程进行模拟研究是很有必要的。大型地下洞室旅工是一个很危险的阶段，由于地下地质条件复杂多变，施工过程经常会遇到塌方、涌水等危险情况，对施工过程模拟是解决这些问题的很好途径。

２．２工程背景

本文模拟计算以海南工程为背景，海南工程为一大型地下洞室群，由一条主坑、若干条支坑和附属洞室组成，主坑全长２７８ｍ，其中主坑断面的最大宽度３８．７ｍ，最大高度５３．０５ｍ。主坑采用分层、分步、多工作面立体交叉作业的多层耦合超前应力解除法开挖。该工程所在施工区域地貌为构造剥蚀丘陵，三面靠海，

一面与陆地相连，丘陵形态浑圆，洞口基岩裸露完整，向前部分区段构造沟壑明

显，并且岩体风化严重，洞口段坡度３５。左右，并且地表植被发育。该区段主要岩性为第四系全新统人工填土、砾质或砂质粘性土、燕山早期花岗岩、闪长岩

岩脉、闪长玢岩岩脉。整个施工区段内地层变化较大。

本文计算分析所取的地层参数参见表ｌ［２５儿２６］

表２－１：地层和支护结构物理力学参数

ｌ陶岩级别

ＩＩＩ级

厚度（ｍ）

３０

Ｙ（ＫＮ／ｍ３）

１９．Ｏ

由（ｏ）

２７．０

Ｅ（ＭＰａ）

１０００

Ｃ（ＫＰａ）

ｌｏｏ

ｕ

ｏ．４ｌ

第二章大型洞室多层耦合应力超前解除法施一Ｉ：数值模拟

ＩＩ级Ｉ级锚杆初衬

５７．２５２１．Ｏ２２．Ｏ７８．Ｏ２５，Ｏ

３０．０３５．０／｜

２５００３５００２１００００２８０００

３００４００／／

Ｏ．３２０．２８０．２５Ｏ．２５

其余

／Ｏ．３

Ｙ一重度由一内摩擦角Ｅ一弹性模餐Ｃ一内聚力ｕ一泊松比

２．３计算模型

本文采用８节点平面单元建立二维平面

应变弹塑性有限元计算模型，模型宽２００．４ｍ，高２１０．８ｍ，洞室两边宽度分别取洞室宽度的３倍，洞室底部边界到模型底边界取洞室高度的两倍多，隧道上方按实际地形尺寸［２０１１２７】，计算时所施加的边界约束

条件是：地表为自由边界，计算模型的左右

图２－１计算模型

边界受到Ｘ轴方向的位移约束，下部受到Ｙ

轴方向的位移约束。有限元模型如图２－１，

具体尺寸参考图２—２。开挖方法是第一步对ＡＩ、Ａ２及Ａ２１、Ａ３层同时开工，然后第二步开挖Ｂｌ及Ｂ１２层，第三步开挖ｃｌ层，第四步丌挖Ｅ１及Ｅ１２层。由

于多个工作面同时进行，施工速度快，施工过程中对围岩的干扰比较大，需对其

进行计算分析。本文采用Ｄｒｕｃｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ屈服准则，锚杆作用等效为围岩的岩性

参数的改善，ｑ＝ｃｏ＋叩等

（／／７

仍＝‰，式中ｃｏ、‰、分别为原岩体的粘聚力和内摩

擦角，ｑ、仍分别为锚卡Ｔ加固后的岩体，ｆ、Ｊ分别为锚杆材料的抗剪强度及横截

面积，口、ｂ为锚杆的纵、横向ｆ＇日Ｊ距，ｒ／为综合经验系数，一般取２～５，本文锚杆为＃２ｓ密度为３ｍ×３ｍ，叩取２１２４］［２８］［２９】。由于目的是研究丌挖方法对围岩、地表沉降、高边墙的位移、拱顶下沉以及塑性区发展的影响，且围岩为硬岩，故

≮不考虑围岩的流变效应。

天津大学硕十学位论文

图２－２模型尺寸图

２．４计算结果

本文采用了Ｄ．Ｐ收敛准则的理想弹塑性理论和锚杆等效理论，计算结果如下：

１．围岩主应力

第三步开挖

图２—３

第四步开挖

各步开挖厉围土麻力分布图

．Ｏ．

第二章大型洞室多层耦合应力超前解除法施ｆ．数值模拟

由图２．３可知，第一步开挖后拱顶和锚岩梁局部达到最大拉应力０．４１ＭＰａ，随着第二步的开挖拱顶拉应力区域有所减小，锚岩梁处的拉应力区域有所增加，并且有向下发展的趋势。第三步开挖后拱顶拉应力趋于稳定，锚岩梁以下的拉应力区域有连成一片的趋势，随着最后一步的丌挖侧壁的拉应力区域连成一片，距底板８米的侧壁处的拉应力区域也有较大的发展。最大拉应力出现在锚岩梁附

近，最大值达到０．６９ＭＰａ。

２．塑性区发展

第三步第四步

图２－４各步开挖后围岩塑性变形分布图

由图２－４可知，第一步丌挖后塑性区主要分布在拱角处和Ａ３的边墙部分，其中拱角处的塑性应变最大达到Ｏ．００２７９３。随着第二步的开挖，Ｂ１２部分两侧壁处的塑性区发展较快。第三步开挖后ｃｌ两边的侧壁的塑性区有了较大的发展，待到第四步开挖完毕，ＣＩ、Ｅ１２的侧壁塑性区有了充分的发展，并且有相当的深

度，高边墙局部深度达６ｍ，这为该处设计锚杆的长度提供了依据。边墙的下部塑性区直到Ｅｌ、Ｅ１２开挖完毕后发展为连成一片，但深度较浅。３．拱顶下沉

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第三步

第一步

紫Ｕ

游

第二步

Ｕ

第四步

图２－５各步开挖斤竖向伉移等值线

由图２．５可知，拱顶下沉在第一步开挖后达到最大值２０．０６ｍｍ，随着后继步骤的开挖下：沉降量逐渐减小，第二步时为１９，３ｌｍｍ，第三步时为１８．５９ｍｍ，并且待到最后一步开挖完成达到１８．２５ｍｍ。实测拱顶下沉最大值为２４．２６ｍｍ，计算值比实测值偏小。产生这种趋势的主要原因是开挖完毕后洞室整体变形所引起的。开挖完毕后洞室高边墙有向内收敛，拱顶上扬的趋势，所以抵消掉一部分由

于重力所引起的拱顶下沉。４．高边墙收敛

左右高边墙的最大收敛值均出现在边墙中部，左边墙的最大收敛值达到７．６３ｒａｍ．而右边墙的为８．５８ｍｍ，高边墙的最大相对收敛值为Ｏ．０５％，满足国标控制值【３０］。实测左边墙最大收敛值为６．１６ｍｍ，右边墙为８．１５ｍｍ。计算值均比实测值偏大，但是相差较小，有较好的可信度。

第二章大耻洞室多层耦合应力超前解除法施工数值模拟

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左边墙收敛曲线

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右边墙收敛曲线

幽２＿６商边墙收敛曲线

５．地表沉降

图２．７地表沉降曲线

第一步丌挖后地表沉降最大最大值达１１．４０ｒａｍ，随着后继步骤的开挖地表沉降逐渐减小，第二步丌挖的最大值为１０．６９ｍｍ，第三步为１０．００ｍｍ，第四步为９．６３ｍｍ，最终达到稳定。最大值最终稳定为９．６３ｍｍ，出现在中间区段。随着土

体一步步被丌挖掉，高边墙进一步收敛而引起洞室有整体变形趋势，这种趋势抵消掉一部分由于拱顶重力所产生的沉降。５＋衬砌内力

５．１各步丌挖后初衬的弯矩