1、隧道与地下空间力学分析与监测技术,黄林冲 博士后 副教授,QQ 420570701,研究方向：,地下工程力学土木工程防灾减灾物联网+大数据+云平台,近年来主持的科研项目：国家自然科学基金面上项目国家自然科学基金青年基金项目广东省自然科学基金项目3项广东省科技计划项目中国博士后科学基金面上项目中国博士后科学基金特别资助项目广州市产学研协同创新重大专项广东省水利厅科技创新专项,项目评审及专家咨询库：国家自然科学基金项目评审专家山东省自然科学基金项目评审专家湖北省自然科学基金项目评审专家广东省科技专家广东省水利厅科技创新专家广东省经济和信息化委专家广州市公共资源交易中心项目评审专家广州市科协科普专家
2、广州铁路局、成都铁路局咨询专家,主持的智慧城市工程案例（结构安全与防灾减灾）： 智慧工地：珠海横琴智慧工地大平台建设、中建股份集团智慧工地大平台建设（联合中国联通建设长沙地铁轨道交通智慧工地平台）； 城市地下空间及地铁建设：广州金融城地下空间、长沙地铁、广州地铁、深圳地铁的结构及周边建筑物安全研究； 城际轨道交通项目建设：珠三角城际轨道莞惠、广清、佛肇交通项目隧道、车站的安全监测及防护； 高速铁路建设：向莆高速铁路隧道风险评估、武广高速铁路沉降及变形研究、沪昆高速铁路隧道安全监测、广深港高速铁路隧道风险评估；市政隧道项目：南京长江隧道防灾救援体系之疏散通道专题研究项目,主要内容,4 隧道支护结
3、构的计算,1 隧道开挖的力学行为,隧道围岩压力分析,3 隧道开挖监控量测技术,隧道概述,1,隧道施工过程的力学分析,2,新奥法的基本概念,3,第一部分,一、新奥法的基本概念与原理,是一种修建在地下的工程建筑物。 修建在地下、两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通过的通道(在保留上部地层的前提下开挖出能够提供某种用途的地下空间)。,1.1 隧道概述,新奥法的基本概念与原理,1.1 隧道概述,隧道概述,1,隧道施工过程的力学分析,2,新奥法的基本概念,3,第一部分,1.2.1 新奥法的由来与产生的历史背景,新奥法的全称是新奥地利隧道工程方法，即New Austrian Tunneling Me
4、thod，缩写为NATM。,1.2 新奥法的基本概念,1. 新奥法的由来,1.新奥法的基本概念与原理,1.2 新奥法的基本概念,1.2.1 新奥法的由来与产生的历史背景,2. 产生的背景,1. 锚杆支护在20世纪初出现 2. 喷射混凝土机在1940年代末研制成功 3. 岩石力学的理论发展为新奥法提供了科学依据,1.新奥法的基本概念与原理,1.2 新奥法的基本概念,1.2.2 新奥法的基本概念,1. 新奥法,用薄层支护手段来保持围岩强度，控制围岩变形，以发挥围岩的自承载能力，并通过施工监控量测来指导隧道工程的设计与施工。,1.新奥法的基本概念与原理,1.2 新奥法的基本概念,1.2.2 新奥法的
5、基本概念,2. 新奥法的三大要素,控制爆破 喷锚支护 监控量测,3. 三项作业,开挖 初次支护 二次支护,1.新奥法的基本概念与原理,1.2 新奥法的基本概念,1.2.3 新奥法原理的要点,1. 承载体系：支护结构+围岩 2. 少扰动围岩 3. 即允许又限制围岩的变形 4. 复合式衬砌（初期支护和二次衬砌 ） 5. 初期支护应尽量做成柔性的 6. 要尽可能使结构做得园顺 7. 进行有效的监控量测 8. 通过“排堵措施”解决衬砌渗水,1.新奥法的基本概念与原理,隧道概述,1,隧道施工过程的力学分析,2,新奥法的基本概念,3,第一部分,1.3 隧道施工过程的力学分析,1.新奥法的基本概念与原理,
6、一切措施都围绕围岩稳定为目的； 支护与围岩视作统一的复合体，共同作用； 复合体中围岩是承载主体，最大限度的发挥围岩的自承能力，同时也要发挥支护结构的承载能力； 注重现场试验和监控量测,1.3.1 现代支护理论,1.3 隧道施工过程的力学分析,1.新奥法的基本概念与原理,1.3.2 围岩支护平衡曲线,概念,1,围岩松动压力的形成和确定方法,2,围岩压力的分类,3,第二部分,隧道围岩压力分析,2 围岩压力,2.1 岩体初始应力状态,自重应力构造应力地下水压力温度应力,原岩,毛洞,稳定洞室,开挖,支护,一、围岩压力及其分类(一)围岩压力,围岩压力,地层对洞室的作用力,广义：包括有、无支护时的压力,狭
7、义：仅指对支护的压力,（二）围岩压力分类 1松动压力围岩变形过大，发生松动而形成的压力。 2形变压力围岩变形在有限范围内而形成的压力。这是最重要的两种压力形态。,问题： 1.这两种压力性质上有何不同？ 2.压力的性质与围岩稳定性有何关系？,3膨胀压力膨胀性岩层。4冲击压力明洞，落石； 暗洞，坍方、岩爆。,3.2 影响围岩压力的因素 地质因素 1.岩体初始应力状态 2.岩石力学性质 3.岩体结构面 4.地下水等 工程因素 1.施工方法 2.支护设置时间 3.支护本身刚度 4.隧道断面形状等,1.围岩松动压力的形成 自然拱的概念：围岩的变形不能得到有效的控制，当变形超过一定限度后，围岩发生松动、坍
8、落，最终在洞室上方形成拱形。 (a) 变形阶段； (b) 松动阶段； (c) 塌落阶段； (d) 成拱阶段。,3.3 围岩松动压力的形成和确定方法,自然拱,影响自然拱的因素： 隧道埋深成拱的必要条件 隧道断面形状和大小拱的范围 施工因素对围岩的扰动程度,2、围岩压力的确定方法 直接量测法 理论估算法 统计法（经验法、工程类比法）,1)深埋隧道围岩松动压力的确定方法,(1) 统计法我国隧规所推荐的方法,式中 围岩容重； hq坍落拱高度； s 围岩级别； w 宽度影响系数，由 w=1+i（B-5）计算： B 坑道宽度，当 B5m时，取 i =0.2，当 B5m时，取i =0.1。,围岩水平均布压力
9、,统计法公式的适用条件： H/B1.7，H为坑道的高度； 深埋隧道； 不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩； 采用矿山法施工。,据统计，围岩垂直松动压力的分布可概括为4种，如图。,围岩竖向松动压力的分布图形,统计法公式仅针对图中第一种情况。,(2) 普氏理论 散粒体理论：岩体被节理、裂隙所切割，视为散粒体。 普氏系数f(岩体坚固性系数):,岩体坚固性系数 f 的概念： f是一个以岩体强度为主的指标，兼顾抗钻性、抗爆性、地下水等性质。,前述自然拱概念最早由普氏提出：,自然拱的两种形态,坚硬岩体: 松散破碎岩体：,式中 为隧道净跨度的一半； 为隧道净高度。,一般来说，普氏理论比较适用于松散、破碎的围
10、岩中。,(3) 泰沙基理论理论：散粒体理论。,假定：破裂面为折线OAB方法：研究微分条带dh的平衡。步骤：1.V=0，建立微分方程2.边界条件：,3.解微分方程，得：4.讨论： 当埋深h 达到一定程度时， 为恒值： 取侧压力系数k=1， 则有：与普氏法对照，能发现什么？,2)浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 深、浅埋隧道的判定原则,Hp（22.5）hq,I一III级围岩取: Hp2hq IVVI级围岩取: Hp2.5hq,HHp时为深埋HHp时为浅埋H 为覆盖层厚度,(2) 浅埋隧道围岩松动压力的确定方法, 土柱法 要点：忽略滑动面上的阻力。 适于：埋深 H hq 垂直压力：q=H 水平压力按朗
11、金公式：e = (H + 1/2 Ht)tg2(450 /2) Ht 为隧道净高。,一院法 重点： 当Hhq 时，应该考虑滑动面上的阻力。 分析下图：,第三部分,监控量测项目与方法,隧道开挖过程的监控技术,监控量测是指在隧道施工过程中，对围岩、地表、支护结构的变形和稳定状态，以及周边环境动态进行的经常性观察和量测工作。 以了解和掌握围岩稳定状态及支护结构体系可靠程度，确保隧道施工安全和结构的长期稳定性，为隧道施工中变更围岩级别、调整初期支护和二次衬砌的参数、指导施工顺序、修正及优化设计提供依据，是实现信息化设计与施工不可缺少的一道工序。,监控量测的概念,1、隧道施工量测项目包括必测项目和选测项
12、目，应根据隧道工程地质条件、围岩类别、围岩应力分布情况、隧道跨度、埋深、工程性质、支护类型等因素确定。,3. 隧道施工监控量测技术,监控量测必测项目,必测项目是施工的经常性量测项目，这类量测项目通常测试方法简单、费用少、可靠性高，对监视围岩稳定、指导设计和施工却具有重要的作用。,3. 隧道施工监控量测技术,选测项目是对一些有特殊意义和具有代表性的区段进行监测，以求更深入地掌握围岩的稳定状态与锚喷支护效果，以便更好地指导未开挖区的设计与施工，这类量测项目较多、费用较大，一般由设计文件规定在局部地段进行。,必须实施、 可以实施、 必要时实施,(1)洞内外观察A 目测观察的目的 预测开挖面前方的地质
13、条件。（超前地质预报） 为判断围岩的稳定性提供地质依据。 根据喷层表面状态及锚杆的工作状态，分析支护结构的可靠程度。,2.5.1 必测项目,3. 1 必测项目,3. 隧道施工监控量测技术,（2）周边位移量测 A 周边位移量测目的 收敛量测是隧道施工监控量测的重要项目。周边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映，通过周边位移量测可以达到以下目的： 判断隧道空间的稳定性； 根据变位速度判断围岩稳定程度和二次衬砌施作的合理时机； 指导现场的施工。,3.1 隧道施工量测必测项目,3. 隧道施工监控量测技术,B 周边位移量测方法及要求 收敛量测的主要内容包括仪器选择、断面间距、量测频率、测线布置、量测点
14、埋设时间等。 收敛量测的间距与测点数量,必测项目量测断面间距和每断面测点数量,注:级围岩视具体情况确定间距。,3. 隧道施工监控量测技术,量测频率：量测频率可根据位移速度和量测断面距开挖面距离确定：,按位移速度,按距开挖面距离(注：b为隧道开挖宽度),由位移速度决定的监控量测频率和由距开挖面的距离决定的监控量测频率之中，原则上采用较高的频率值。出现异常情况或不良地质时，应增大监控量测频率。,净空变化量测测线数,洞周收敛量测,洞周收敛量测,围岩水平收敛量测,(3) 拱顶下沉量测 A 拱顶下沉量测目的 确认围岩的稳定性，判断支护效果，指导施工工序，预防拱顶崩塌，保证施工质量和安全。 B 拱顶下沉量
15、测仪器 精密水准仪或全站仪,3.1 隧道施工量测必测项目,3. 隧道施工监控量测技术,拱顶下沉量测,(4) 地表下沉量测目的：城市道路路面的稳定。 根据地表建筑物类别，控制最大下沉量。设点：地表沉降测点横向间距为25m。每个断面设711个点，监测范围应在隧道开挖影响范围以内。在隧道中线附近测点应适当加密，隧道中线两侧量测范围不应小于Ho + B（Ho为隧道埋深，B为隧道开挖宽度 ），地表有控制性建(构)筑物时，量测范围应适当加宽。测点采用22螺纹钢，深入坡体6080cm，外露5cm，表面磨平后在表面打眼作标记。地表下沉量测应在开挖工作面前方，隧道埋深及隧道开挖高度之和处开始，直到二次衬砌结构封
16、闭、下沉基本停止时为止。地表下沉量测频率应与洞内拱顶下沉和净空变化的量测频率相同。,3.1 隧道施工量测必测项目,地表沉降与隧道埋深,注：B为隧道直径，H为隧道埋深。,地表沉降测点纵向间距,510,HB,1020,BH2B,纵向测点间距（m）,埋深与开挖宽度,图1 地表下沉测点布置图,图2-1全断面开挖隧道拱顶沉降及周边收敛测点布置图,图2-2 上下台阶及三台阶法开挖拱顶沉降及周边收敛测点布置图,图2-3 CD、CRD法开挖隧道拱顶沉降及周边收敛测点布置图,图2-4 双侧壁导坑法开挖隧道拱顶沉降及周边收敛测点布置图,图3 拱部下沉、底部上鼓、填充面下沉测点布置图,（1）围岩内部位移量测A 隧道
17、围岩内部位移量测的主要目的 了解隧道围岩的径向位移分布和松弛范围。 判断开挖后围岩的松动区、强度下降区以及弹性区的范围。 根据实测结果优化锚杆参数，指导施工。B 量测仪器多点位移计,3.2 选测项目,3. 隧道施工监控量测技术,围岩内部位移量测,（2）锚杆轴力量测A 量测目的了解锚杆实际工作状态及轴向力的大小。结合位移量测，判断围岩发展趋势，分析围岩内强度下降区的界限。修正锚杆设计参数，评价锚杆支护效果。B 量测方法和仪器 锚杆的轴向力测定，按其量测原理可分为电测式和机械式两类。其中电测式又可分为电阻应变式和钢弦式。 电阻应变式和机械式是通过量测锚杆不同深度处的应变（或变形），然后按有关计算方
18、法转求应力。 钢弦式则是通过测定不同深度处传感器受力后的钢弦振动频率变化，转求应力。,3.2 选测项目,（3）围岩压力及两层支护间压力量测 隧道开挖后，围岩要向净空方向变形，而支护结构要阻止这种变形，这样就会产生围岩作用与支护结构上的围岩压力。围岩压力量测，通常情况下是指围岩与支护或喷层与二次衬砌混凝土间的接触压力的测试。 A 量测目的 了解围岩压力的量值及分布状态；判断围岩和支护的稳定性，分析二次衬砌的稳定性和安全度。 B 量测仪器与原理 接触压力量测仪器根据测试原理和测力计结构不同分为液压式测力计和电测式测力计，目前隧道中多用电测式。 弦测法原理：在传感器中有一根张紧的钢弦，当传感器受外力
19、作用时，弦的内应力发生变化，随着弦的内应力改变，自振频率也相应地发生变化，弦的张力越大，自振频率越高，反之，自振频率越低。,3.2 选测项目,喷层应力量测,喷层应力量测,喷层应力测点的布置,（3）钢支撑应力量测 一般在、级围岩中常采用型钢支撑；级围岩中常采用格栅支撑。通过对钢支撑的应力量测，可知钢支撑的实际工作状态，从钢支撑的性能曲线上可以确定在此压力作用下钢支撑所具有的安全系数，视具体情况确定是否需要采用加固措施。A 量测目的了解钢支撑应力的大小，为钢支撑选型与设计提供依据。根据钢支撑的受力状态，判断隧道空间和支护结构的稳定性。了解钢支撑的实际工作状态，保证隧道施工安全。,3.2 选测项目,
20、B 量测元件 目前使用较普遍的型钢支撑应力量测多采用钢弦式表面应变计，格栅支撑应力量测多采用钢弦式钢筋应力计。,钢弦式表面应变计结构图,钢弦式钢筋应力计,钢支撑应力量测,钢支撑应力量测,钢筋计测格栅应力,(4) 混凝土应力量测 混凝土应力量测包括喷射混凝土和二次衬砌模筑混凝土应力量测。其目的是了解混凝土层的变形特性以及混凝土的应力状态；掌握喷层所受应力的大小，判断喷射混凝土层的稳定状况；判断支护结构长期使用的可靠性以及安全程度；检验二次衬砌设计的合理性。,3.2 选测项目,钢弦式压力盒布置图,二衬应力量测,二衬应力量测,隧道结构体系的计算模型,1,岩体力学方法,2,结构力学方法,3,第四部分,
21、隧道支护结构的计算,4.1.1隧道工程的受力特点,4.1 隧道结构体系的计算模型,1.荷载的模糊性,2.围岩物理力学参数难以准确获得,3.围岩压力承载体系, 围岩不仅是荷载，同时又是承载体； 地层压力由围岩和支护结构共同承受； 充分发挥围岩自身承载力的重要性。,第4章 隧道支护结构的计算,4.1.1隧道工程的受力特点,4.1 隧道结构体系的计算模型,4.设计参数受施工方法和施作时机的影响很大,5.隧道与地面结构受力的不同点围岩抗力的存在,第4章 隧道支护结构的计算,4.1.2 隧道结构体系的计算模型,1.结构力学模型,特点： 以支护结构作为承载主体； 围岩对支护结构的作用间接地体现为两点： 围
22、岩压力； 围岩弹性抗力。 采用结构力学方法计算。 适用于：模筑砼衬砌,第4章 隧道支护结构的计算,2.岩体力学模型,特点： 支护结构与围岩视为一体，共同承受荷载，且以 围岩作为承载主体； 支护结构约束围岩的变形； 采用岩体力学方法计算； 围岩体现为形变压力。适用于：锚喷支护,第4章 隧道支护结构的计算,4.2.1概 述,4.2 结构力学方法,1.基本原理,将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载的主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，与其对应的计算模型称为荷载结构模型。,第4章 隧道支护结构的计算,根据对荷载的处理不同，它大致有如下三种模式：, 主动荷载模式（图41（a） 主动荷载加被动荷
23、载模式（图41（b）) 实际荷载模式（图41（c）)。,第4章 隧道支护结构的计算,图41 荷载结构模式,第4章 隧道支护结构的计算,2.隧道衬砌受力变形的特点,第4章 隧道支护结构的计算,3.隧道衬砌承受的荷载及分类,(1) 主动荷载 主要荷载 附加荷载 (2) 被动荷载围岩抗力 共同变形理论 局部变形理论,图4-3 局部变形示意图,第4章 隧道支护结构的计算,5.2.3 隧道衬砌结构计算的矩阵位移法,1.基本原理,矩阵位移法又叫直接刚度法，它是以结构节点位移为基本未知量，联接在同一节点各单元的节点位移应该相等，并等于该点的结构节点位移（变形协调条件）；同时作用于某一结构节点的荷载必须与该节
24、点上作用的各个单元的节点力相平衡（静力平衡条件）。,第5章 隧道支护结构的计算,计算特点: 三种单刚 衬砌单刚：梁单元 抗力单刚：二力杆单元 基础单刚：支座单元 拼总刚(结构刚度矩阵) 边界条件墙基础水平位移为0 求解以节点位移为未知量的方程组高斯消去法等 由节点位移求出单元节点力内力,第5章 隧道支护结构的计算,2.计算图式,衬砌结构的处理 衬砌的处理：将衬砌沿其轴线离散化为直杆单元（梁单元），并将单元的联接点称为节点。 墙基础的处理：假设边墙底端是弹性固定，即能产生转动和垂直下沉，不能产生水平位移。,第4章 隧道支护结构的计算,图4-4 直刚法计算图式,第4章 隧道支护结构的计算,(2)等
25、效节点荷载的处理 按“静力等效”原则进行，即均布荷载所作的虚功应等于节点荷载所作的虚功。,2.计算图式,第4章 隧道支护结构的计算,图4-5 等效节点荷载计算示意图,第4章 隧道支护结构的计算,垂直均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为：,第4章 隧道支护结构的计算,水平均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为：,第4章 隧道支护结构的计算,3.单元刚度矩阵,衬砌单元刚度矩阵(衬砌单刚)弹性支承链杆单元刚度矩阵(抗力单刚)要点： 其局部坐标系与总体坐标系一致； 由温氏假定求抗力。 墙脚弹性支座单元刚度矩阵,第4章 隧道支护结构的计算,3.单元刚度矩阵,图4-7 弹性链秆单元示意图,第4章 隧道支
26、护结构的计算,3.单元刚度矩阵,图4-8 墙角弹性支座单元示意图,第4章 隧道支护结构的计算,4.建立结构刚度方程,（1）结构刚度方程的形成,（2） 结构刚度矩阵的特点 对称矩阵(反力互等定理)； 稀疏的带状矩阵，非零元素的个数一般只占元素总 数的5左右； 是非奇异矩阵。因抗力弹簧本身就是对衬砌结构的 约束，故衬砌结构不能作刚体移动。,第4章 隧道支护结构的计算,5. 未知节点位移的求解和弹性支承的调整,（1）边界条件 围岩抗力弹簧支承就是一种边界约束，已在拼总刚中考虑了； 基底支座水平位移为0。 （2）方程组求解：高斯消去法；迭代法 （3）对围岩抗力弹簧支承的自动调整,第4章 隧道支护结构的
27、计算,6.衬砌内力的计算,（1）单元结点位移,（2）单元结点力,第4章 隧道支护结构的计算,7.直刚法计算流程图,第4章 隧道支护结构的计算,程序功能模型（读入部分）,4.3.1 解析法,4.3 岩体力学方法,假设：断面为圆形，可采用平面应变问题的方法，取隧道的任 一截面作为其代表进行研究；,一般圆形围岩应力计算简图,由弹性平面问题的吉尔希解，可得：,当轴对称时，p = q 。即侧压系数=1时，则有,当 = r时，则,周边r = , r =0, =2P0；周边的切向应力为最大，,当 =2P0的值超过围岩的弹性极限时，围岩进入塑性。,如果把岩石看作为脆性材料，当 =2P0的值超过围岩的弹性极限，
28、则围岩发生破坏。,定义应力集中系数K： K = 开挖巷道后围岩的应力/开挖巷道前围岩的应力 = 次生应力/原岩应轴对称圆巷周边的次生应力为2P0 , 所以，K =2。,若定义以 高于1.05P0为巷道影响圈边界，据此可得r5 。工程中有时以10%作为影响边界。从而得到r3,影响圈半径,1.05P0,r= 3,4.3.2 数值分析法,4.3 岩体力学方法,1.概述,边界元法、无限元法、有限元法、有限元法耦合方法等，仅介绍有限元法,2.有限元法处理特点,（1）单元类型的选择和网格划分,4.3.2 数值分析法,图5-11 隧道计算范围及网格划分,第4章 隧道支护结构的计算,（2）计算范围的选取, 隧道开挖影响范围距开挖面中心点35倍洞跨的范围；, 边界上位移为零。,第4章 隧道支护结构的计算,（3）边界条件和初始应力,（4）卸荷释放荷载及卸荷过程模拟,（5）开挖施工步骤的模拟,（6）求单元应力 （8）有限元法计算的可信度,（7）围岩与支护结构稳定性判断,第4章 隧道支护结构的计算,天津海河隧道.沉管法施工,南京长江隧道.盾构法施工,
