连拱隧道围岩变形监测研究
大跨度连拱隧道围岩与结构力学特性的现场测试与数值分析的开题报告
大跨度连拱隧道围岩与结构力学特性的现场测试与数值分析的开题报告1.研究背景随着交通建设进程的加快，大跨度隧道非常的普遍，尤其是在高速公路的建设中。
大跨度连拱隧道是一种常用的结构形式，其结构体系具有稳定性好、适应性强等特点。
在连拱隧道的设计和施工过程中，围岩和结构的力学特性通常需要进行现场测试和数值分析。
2.研究目的和意义本研究旨在通过现场测试和数值分析，深入研究大跨度连拱隧道围岩与结构的力学特性，为隧道的建设提供重要的参考。
具体目的包括：1）通过现场测试，获取大跨度连拱隧道围岩和结构的力学性质参数，并分析其不均匀性和变化规律。
2）利用有限元方法，建立大跨度连拱隧道的结构模型，并开展数值分析，研究围岩和结构在荷载作用下的应力、应变和变形特性，探究围岩和结构互相影响的力学机制。
3）通过对现场测试和数值分析结果的对比分析，验证数值模型的可靠性和精确性，提高相关技术和方法的应用水平。
同时，为隧道的施工和运营提供科学合理的设计和管理方案，为实现隧道工程安全、稳定、高效地运行奠定坚实基础。
3.研究内容和方法本研究将从以下几个方面进行研究：1）大跨度连拱隧道围岩和结构的力学性质测试方法及测试结果分析。
2）建立基于有限元方法的大跨度连拱隧道结构模型，考虑围岩、拱肋、支座、挡土墙等因素的影响。
3）在数值模型中设置合适的荷载，开展数值分析，探究结构体系的受力特征和变形规律。
4）通过对测试和分析结果的对比分析，验证结构模型的准确性和可靠性，提出相应的设计和管理方案。
本研究主要采用实地测试、数值模拟分析、对比分析等方法，通过理论和实践相结合的方式，深入研究大跨度连拱隧道围岩与结构力学特性，为建设和运营提供科学依据。
4.预期成果本研究预计获得以下成果：1）对大跨度连拱隧道围岩和结构的力学特性进行了深入研究，提出了相应的设计和管理方案，并为相关技术和方法的进一步优化提供了科学参考。
2）建立了大跨度连拱隧道的有限元模型，探究其围岩和结构的相互影响和作用机制，验证了数值模型的准确性和可靠性。
铜汤高速连拱隧道围岩及初期支护变形与内力研究
铜 汤 高 速 连拱 隧道 围岩 及 初 期 支 护变 形 与 内力研 究
周 学 良 ， 杨 成 斌 潘 星。 ，
（ ． 肥 工 业 大 学 土木 建筑 工程 学 院 ， 徽 合 肥 １合 安 程 试 验 检 测 有 限责 任 公 司 ， 徽 合肥 安 ２００ ） ３ ０ ９ ２０ ０ ；． 肥 工 业 大 学 建 筑 设 计 研 究 院 ， 徽 合 肥 ３０９２合 安 ２ ０ ０ ；． 肥 工 大 工 ３０ ９３ 合
摘
要： （ ） （ ） 铜 陵 汤 口 高速 将 军 岭 连 拱 隧 道 采 用 新 奥 法施 工 。通 过 对 其 现 场 量 测 结果 的 分析 ， 究 了 围 岩及 初 期 支 护 的变 形 和受 研
力 特 点 ， 得 围岩 的 动 态 信 息 以 指 导 施 工 ， 获 为二 次 衬 砌 时 间 的 确 定 和 支 护体 系 的 优 化 提 供 依 据 。研 究 结 论 可 望 为 类 似 工 程设 计 、 施 工 与 监 测 提供 一 定 的指 导 。
‘ 程与建设， ２０ 年第 ２ 工 ０７ １卷 第 １ 期 ７ １
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
维普资讯
所 示 。选取 隧道右 洞量 测断 面为 １ ９ｋ ＋２ ０Ｉ， ３ ｉ ｎ ９ Ｉ周 Ｔ 边 位移 统计数 据 随时 间变化 曲线 见 图 ３ 随 掌 子面 距 ， 离 的变化 曲线 见 图 ４ 。主要 围岩类 型 为 粉砂 岩 ， 于 属 Ⅱ类 围岩 。由 于 受 施 工 影 响 ， 掌 子 面 开挖 过 ２ 在 ０ｍ （ ） 才布 置收敛 变 形量 测 断 面 ， 测 时 间７ ， ７ｄ 后 量 ３ｄ 累
侵蚀剥 蚀低 山 区 ， 海拔 １ ０ ０ ５ ． 相 对 高差 约 ９ ． ～２ ２ ０ｍ， ６ 最大 埋深 约 ６ Ｉ 山脊 走 向北 东 。 隧道 轴线 ２ｍ， ０１。 Ｔ 与山脊 斜交 。主要 穿越 围岩 类别 为 Ⅱ、 Ⅲ类 ， 以弱 、 微 风化 粉砂 岩为 主 。主要不 良地 质 为 Ｆ ｌ断层 破碎 带 ， 节 理裂 隙发育 ， 下水相 对集 中 ， 地 围岩稳定 性差 。 按新 奥法 原理 设计 ， 采用 柔性 支护体 系结 构 的复 合式 衬砌 ， 隧道 设计 施工 步骤 为 ： 侧 ） 坑开 挖 （ 中（ 导 支
大田连拱隧道围岩与支护结构变形和受力分析
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６ ５
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．
图 ４ 左线 Ｚ ２２ ００ Ｋ １ ＋ ４ 断面 混凝土 内部应 力状 态图
＋
１ Ｏ １ Ｏ ２ Ｏ
测点 Ａ ＋
测点 Ｂ ＋
测点 Ｄ
天数
（） ｂ
萋Ｉ Ｏ
着． － ２
图 １ 示， 所 断面测点 布置如 图 ２所 示 。
型振弦频率检测仪进行量测 。各测试项 目采集频 率， 依据规范规定进行 。 采集原始数据需及时进行预处理 ， 将高程转换
为地 表下 沉量 、 顶下 沉量 ； 收敛 ０ ２— ５ ３ ６
节 理裂 隙发育 ， 围岩 稳 定性 差 。 隧址 区 内地 表 水属 新 安江水 系 ， 由于 山体地 势 较 陡 ， 植被 发 育 ， 四系 第
覆盖较薄 ， 大气降水不易入渗山体； 区域内地下水对
混 凝土无腐 蚀性 。
２ 围岩 变 形 与 结构 受 力 现 场监 测
２ １ 断面及测 点布 置 ． 国内外 在连拱 隧道 现场监测 和数值 模拟 方面开 展 了大量研 究工作 ， 取得一 定 的研 究成 果 ｊ但对 ， 不 良地层条 件下又 有 偏压 的情 况 ， 例 监 测 成果 中 个 取得 的经验 和认识 尚不具 普遍指 导意义 。我们 根据
：
７７ ． ７２ ．７ ８ １ －６ ９５ ． ９２ ．５ １ ． Ｏ １ ５
图 ３ Ｋ １＋ ２ Ｚ ２２ ０５断面拱顶下沉、 水平收敛随时间变化曲线
从 大 田隧道左线 Ｚ ２２＋ ２ Ｋ １ ０５断 面拱 顶 下 沉 和
日期 （ 一日） 月
黄土连拱公路隧道围岩变形监测和数值分析
道 的设计 与 施 工 规 范 和 可 供 借 鉴 的设 计 施 工 经
验 ， 其针 对其 变形规 律 和影响 因素 的研究 较少 ． 尤 由于围岩 变形 的观 察 和 监 控技 术 具 有 操 作性 强 、 数据便 于采集 整 理 、 析结果 直 观 、 分 快速 指导 施工
隧道地 址 区位 于晋 陕黄土 高原 吕梁 山脉 中低 山区， 地层 主要 由第 四系 上 更新 统 马 兰 组 （ ｍ） Ｑ
Ｖｏ１ ４ Ｎｏ．１ ．３ Ｆｅ ｂ． ２０１ ０
黄 土连 拱 公 路 隧道 围岩 变形 监 测 和数 值 分 析 ＊
胡 晋 川 谢 永 利 杨 晓 华 聂 少 锋
（ 长安 大学 西安 ７０ ６ ） １ ０ ４
摘要 ： 以离 军 高 速 公 路 黄 土 连 拱 隧 道 为 工 程 背 景 ， 地 表 沉 降 、 质 和 支 护 状 况 、 顶 下 沉 和 水 平 对 地 拱 收敛 进 行 了现 场 监 测 ， 采 用 有 限 元 方 法 分 析 了 隧 道 围 岩 拱 顶 下 沉 和 水 平 收 敛 的 变 化 规 律 ， 而 并 进 研究 了黄 土连 拱 隧道 三 导 洞 法 施 工 的 围岩 变 形 规 律 和影 响 因素 ． 果 表 明 ： 土 隧 道 Ｉ 类 围 岩 比 结 黄 Ｖ Ｖ 类 围岩 变 形 小 ， 岩 稳定 较快 ； 导 洞 施 工 法 开 挖 中 、 、 导 洞 和 断 面 开 挖 时 ， 岩 应 力 一 直 处 围 三 左 右 围 于重 新 调 整 中 ， 形 也 在 不 断 变 化 ， 施 工 中 开 挖 顺 序 对 围 岩 变 形 有 很 大 影 响 ， 洞 室 开 挖 施 工 变 且 在 中 ， 密 切 注 意拱 腰 及 拱 顶 的 变 形情 况 ， 强 Ｖ 类 围 岩 监 测 ， 时 进 行 临 时 支 护 ， 早 完 成 右 洞 初 要 加 及 尽
石竹坪连拱隧道施工过程现场监测与分析研究
进 行控 制 ， 以期 对今 后 类似 工程提供 有 益参 考。
关 键 词 ： 拱 隧道 连 监 测 变 形 分 析 控 制 措 施
石 竹 坪连 拱 隧 道 施 工 过 程 现 场 监 测 与 分 析 研究
６ ７
上方 ） 逐渐 向两 边 扩 散 。沉 降 主要 集 中 于 隧道 两 主 洞
中心 线范 围 内 ， Ｐ ｃ 与 ｅｋ曲线 描 述 特 征 基 本 一 。此 ０致 枷瑚 外 ， 开挖 侧 （ 线 ） 先 右 边坡 竖 向位 移 值 要 大 于后 开 挖侧
Ｂ Ｂ
（ 线） 左 。从 图 ５可 以看 出 ， 边坡 各石 竹 坪 隧 道 断 面测 点 布设
图 ２ 石 竹 坪隧 道 进 １边 坡 地 表 位 移 测 点 布 设 ３
根据 《 路 隧 道 设 计 规 范 》（ Ｔ ７ － ２ ０ 要 公 Ｊ Ｇ Ｄ ０ ０ ４） 求， 结合本 工程施 工与 地质 条件 ， 确定各 监测 项 目的监
测 频 度 如 表 ２所 示 。
２１ ０ ０年 第 ９期
软 ， 理裂 隙发育 ， 体较 破 碎 ， 节 岩 围岩 分 级 为 Ⅳ级 与 Ｖ 级 。地 下水 为基 岩裂 隙水 ， 水量较 丰 富 ， 对洞 口边坡 的 稳定性 十分 不利 。 石竹 坪 隧 道 的 内轮 廓 设 计 为单 心 圆 ， 径 ５ ６ 半 ．５
图 ｌ 石 竹 坪 隧 道 开 挖 顺 序
１ 工 程 概 况
石 竹 坪隧道 为 四车 道 连拱 隧道 ， 于 江 西省 宜 丰 位 县石 竹 坪 村西 北 约 ５ ０ ｍ处 ， 计 长度 为 ４ ５ ｉ。隧 ０ 设 ９ ｎ
基于RBF神经网络算法的连拱隧道围岩变形预测方法研究
般 适合 于 采用 全 断面 隧道 开挖 方式 时 围岩变 形 时
程 曲线 的简 单 情 况 ， 是 当采 用 正 台阶 （ 先 拱 后 但 即
墙） 开挖方式时 ， 特别是连拱隧道的分步施工 ， 由于 其变形时程 曲线形式较复杂 ， 从上台阶到下 台阶的 过渡 存在 反弯 点 ， 用前 述 回归分 析方 法 难 以精 确 采
一
系 的围岩 时程 变形模 型 。 已有 学 者 提 出采 用 Ｂ Ｐ神 经 网络方 法 来 对 围 岩 变形 时 程 曲线 进 行 拟合 和 预 测 －］ Ｐ网络 在 处 理 复 杂 的非 线 性 函 数 逼 近 问 ４。Ｂ
题时 ， 尽管理论上是可行 的， 但其学 习效率低 、 收敛
速度 慢 、 陷于局 部极小 状 态 ， 且 网络 的泛化及 适 易 并 应 能 力 都 较 差 。径 向基 函 数 （ａｉ ａｉ ｆｎｔ ｎ ｒｄａ ｂｓ ｕｃｏ ， ｌ ｓ ｉ Ｒ Ｆ 神经 网络是 Ｍ ｏｙ和 Ｄ ｒｅ 据人 脑 的局 部 Ｂ ） ｏｄ ａｋｎ根 调节 和交 叠感 受 这一特 点提 出的一种 前馈 式神 经 网 络 』 。该 网络 既有生 物 背 景 又符 合 逼 近 理 论 ， 中 当 心点 集选 择适 当 时 ， 少 的神 经 元 就 可 获得 较 好 的 很
一
的途径 。利用神经网络模型强大 的 自学习、 自适
应 及 非 线性 映射 能力 ， 自动 构建 具 有 强 非 线 性 关 可
［ 收稿 日期］ ２ ０ ０ ５—１ ２ 修 回 日期 ０— ０； ２０ ０ ５—１ ２—３ １
个典 型 的 Ｒ Ｆ神经 网络包 括两层 ， Ｂ 即隐层
（ 或径 向基 层 ） 输 出 层 。 图 １是 径 向基 函 数 网络 和
不对称连拱隧道现场监测与分析研究
A 段：仪器安装结束时，左洞刚施工到 K57+ 200 处(离监测断面约 100 m)，此时，仪器处于自 身的调整阶段，位移曲线表现出一定增长，但并非 围岩位移变化，时间大约 30 d(其中包括停工等因 素)；
3
围岩位移
Geokon 钢带式收敛仪 尼康 DTM-A5DLG 全站仪 SDW 多点位移计
间隔 10～30 m，洞口附近间距较小 进、出洞口附近 A，B 两种布置各 4 个孔
每测点布置 3～4 条测线 每断面各 7 点 每孔上下各 4 点
4
围岩应力
5
中墙应力
振弦式土压力盒 振弦式表面应变计和钢筋混凝土应变计
洞周收敛(ZS) 地表沉降(DC) 围岩内位移(WW) 围岩压力(WY) 中墙应力(ZY) 钢支撑应力(GY) 接触应力(JY)
表 1 隧道现场监控量测项目及量测方法 Table 1 Measurement contents and method
序号 项目名称
仪器
布置断面
测点数量
1
周3 年 5 月 24 日收到初稿，2003 年 7 月 8 日收到修改稿。 作者 王 军 简介，男，29 岁，硕士，1997 年毕业于同济大学地下建筑与工程系岩土工程专业，现为同济大学结构工程专业博士研究生，主要从事 岩土工程和地下结构方面的研究工作。
• 268 •
岩石力学与工程学报
2004 年
建、浙江、广东、云南等省区已经和正在修建的公 路连拱隧道达几十座，如广环高速公路白云山隧 道、万梁高速公路金竹林隧道、京珠高速公路五龙 岭隧道、福泉高速公路相思岭隧道等。
连拱隧道边坡三维变形现场监测工作
连拱隧道边坡三维变形现场监测工作摘要：现阶段，连拱隧道引起的滑坡灾害不仅严重威胁到工程施工现场相关人员的生命财产安全，也会造成隧道结构出现裂缝或者是破坏，严重的时候甚至会使整个工程报废，从而造成难以挽回的经济损失。
因此，需要对连拱隧道的边坡变形情况实施合理的三维监测。
本文就连拱隧道边坡的三维变形现场监测工作展开详细论述。
关键词：连拱隧道边坡；三维变形；现场监测目前，连拱隧道通常情况下应用在中隧道、短隧道以及线路接线位置，在进山与出山的过程中经常会出现诸多的隧道边坡问题。
比如：因连拱隧道的跨度相对较大以及靠坡近，在进山的过程中仰坡以及侧向边坡受到地形影响相对较大时遇到的边坡问题。
连拱隧道的实际开挖断面相对较大以及工法相对复杂时或者采用钻爆法进行施工中振动对于边坡造成的扰动，从而大大削弱了岩体的抗剪性时都会产生一定的边坡问题。
因此，对连拱隧道的边坡实施有效的三维监测是非常必要的。
一、连拱隧道边坡的三维变形监测方法研究为了更好的监测隧道边坡的具体变形情况，需要在现场实施科学化的三维变形监测，总共布置了十二个测点，如图1所示，设定不动的参考点，并利用全站仪有效读取边坡变形三维数据。
具体的坐标系设置情况是：X方向以上的行线行车方向设定为正，而Y方向主要是以垂向上行线的行车方向以左设定为正，Z方向是以向上方为正[1]。
图1 连拱隧道边坡的三维变形监测点布置图上图中的每一个监测点分别设置在连拱隧道进山的仰坡P1-P3、P5-P7以及P9-P11中，P8，P12以及上行线洞门位置的拱顶P4上。
借助所有的位移监测点在X方向、Y方向以及Z方向的位移与趋势来明确连拱隧道边坡的实际位移方向。
根据监测情况可以看出连拱隧道边坡的监测点在X方向上的位移是向着隧道进山方向进行运动的，在连拱隧道挡土墙的顶部边坡位置测点P8的变化情况相对较小，而在上行线的洞门顶部位置监测点P4在变化情况上次之，而其余几个点上的X方向实际位移尽管绝对数值存在一定的差异，然而总体变化趋势是一致的[2]。
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连拱隧道围岩变形监测研究
摘要：随着我国现代交通基础设施的建设规模逐年扩大和连拱隧道设计的发展进步，使得连拱隧道的数量和规模在逐年增加，特别是在2000年以后连拱隧道更得到是广泛的采用。
本
文以连拱隧道围岩为研究对象,通过对连拱隧道围岩变形进行各方面的监测和分析，为连拱隧道在施工过程中提供优化设计的准确依据,指导隧道的现场施工,为同等类型的隧道设计、施工和研究提供有价值的数据和结论，从而起到借鉴和参考的作用。
保证隧道施工的安全以及工程投入使用后的质量，使工程项目的社会效益、经济效益和环境效益得到综合提高。
关键词：监控量测围岩变形连拱隧道
一、连拱隧道围岩概况介绍
连拱隧道在施工过程中的特点是跨度很大, 结构非常复杂, 开挖与支护是交错进行的, 并且受到当地地质的影响非常大。
以上这些特点使得围岩应力变化和支护荷载转换的处理变得非常重要。
不少的连拱隧道我国各地相继建成, 但是在连拱隧道的设计和施工过程中很少有相类似的工程设计和施工经验可以得到借鉴, 特别是在连拱隧道的围岩变形方面，所以对连拱隧道的围岩变形更应当进一步研究，使其服务于更多的工程建设。
进行隧道设计与施工的基础是对隧道围岩进行正确的分级，一个符合地下工程实际情况的围岩分级，能够在改善地下结构的设计，发展新的隧道施工工艺，降低工程的计价方面起到举足轻重的作用，能够多快好省地修建隧道。
隧道围岩的等级划分具体如下：
1、按岩体完整程度的等级划分：
在隧道开挖过程中，能够反馈重要信息的就是围岩变形。
所以我们应当通过对岩体结构的位移进行实时的监测和分析，及时对岩体结构的稳定性及其变化进行了解，这样不仅可以根据实际需要对其进行稳定性的控制，也可以利用位移反分析的方法来预测岩体结构荷载，使其在未来的施工过程中以及投入使用的过程中做到防患于未然，保证隧道在施工过程中的安全和工程的质量。
二、对连拱隧道围岩变形的监测和分析
1、首先应当编制连拱隧道围岩变形的监测和研究的计划，为系统的隧道开
挖后围岩和支护的变化规律提供可靠的依据。
其主要内容包括量测方法、量测断面的选定、量测断面间距、量测时间以及对其的评价。
量测断面间距的确定是这样的，在洞口段和埋深小于二倍坑道半径的地段每隔5～10间距设一个量测断面，其余地段根据地质条件，量测断面间距可适当加大但必须保证沿隧道轴线每类围岩至少有一个量测断面。
对于地质条件好且收敛值稳定的地段可增长量测断面间距;在围岩较差、收敛值长期不稳定的情况下,要缩小量测断面间距。
同时根据变形速度、距工作面距离确定量测的频率。
在接近超前导坑、地质条件变差或量测值出现异常的情况下,量测频率加大,必要时间为一小时或更短的时间量1次,反之频率则可以减少。
到了后期量测时,可以确定在几个月或半年一次的量测频率。
2、实施测量计划，获得精确的测量信息。
在这一过程中我们要注意三个问题:①获得满足精度要求的可信的量测信息，如数据等；②在处理数据的基础上进行正确的预测和反馈,我们可以建立实验数据表和作散点图连成实验曲线，特别是可以利用回归分析函数来获得有效的数据；③建立量测的管理体制和相应的管理基准。
下面我们就来介绍用回归方法进行量测和数据整理工作：①根据实验曲线与标准函数曲线图的相似程度,确定回归方程的类型,常用函数形式比如:双曲线函数:1/ y = a +b/ x;对数函数；Y=a + blgx 和y=a+b1n(1 + x)，指数函数: y=rebx 和y=reb/x。
其中a、b为回归常数,x为自变量, y为因变量。
②运用线性变换的方法求解。
如双曲线函数1/ y = a + b/ x，令u =1/ y, t =1/ x 则u=a+bt ,这样就把非线性方程转化为线性方程。
对于y 对x 的回归方程,若用xi、yi(i= 1, 2,……, n)表示n组实测数据,可用许多直线方程yi = a+ b xi 代表xi、yi的关系,从中总可以找到一条最佳直线=a + bxi,它与全部散点在y方向的总误差Q为最小。
,Q值极小的条件是分别a和b求偏导数为零。
用最小二乘法计算回归常数的公式为:
③计算回归方程标准偏差、精度表示及预测区间:回归方程标准偏差σ= ± Q/ ( n - k)；精度表示为±kσ;对于给定x ,当置信度为95 %时, y 的预测区间为( - 2σ,+2σ)；当置信度为99 %时,y的预测区间为( - 3σ,+3σ)，其中:k为回归方程回归常数数目;表示用回归方程计算的y值。
下面运用以上公式以兰州至杭州高速公路重庆境山黄包隧道为例进行数据处理分析：根据实例选用对数函数u=a+b1n(1 + t)，令y=u，x=ln(1+t)，求解a、b，其中L1=11400mm,L2=11820mm
代入以上（1）、（2）中得a=（13.95*230.23-36.34*86.54）/(13.952-6*36.34)=-2.85，b=(230.23-13.95*86.54/6)/(36.34-13.952/6)=7.43,则回归方程可确定为
u=-2.85+7.43ln(1+t),标准偏差为σ=±√9.52/(6-2)=±1.5,所以其周2边收敛量=-2.85+7.43ln(1+37)，拱顶下沉量=3.15+5.07ln(1+37)=21.59mm，回归周2边收敛位移值=周2边收敛量/ =0.20%，回归拱顶下沉相对位移值=拱顶下沉量/L2=0.18%。
以此类推得到有用的工程数据。
3、收敛侧线的布置和数量与地质条件、开挖方法、变形速度等因素有关，全断面开挖应当使其埋深于小于2倍洞泾地段或浅埋隧道，或收敛量测断面与其他两侧项目重合时，采用3到6条侧线，一般地段采用2到3条侧线，但拱脚处必须有一条水平侧线。
如下图：
三、结语
连拱隧道的设计之所以已比较成熟，主要得益于最近几年国家对连拱隧道设计和施工的研究和总结。
在生活中铁路公路或其他实际选线中可采用连拱隧道的设计，特别是在先天条件较好的围岩地质和地形有利的隧道洞口的地区进行中短隧道的建设时，更加适宜选用连拱隧道技术。
希望随着连拱隧道这一技术的进步，使其能够到达更多更远的地方特别是边远山区，造福更广的地域。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。