苏ICP备112451047180号-6
水盘高速公路易拉嘎隧道开挖围岩稳定性分析及支护设计
摘 要
通过对易拉嘎隧道的介绍，阐述了该隧道的水文及工程地质条件、隧道开挖方式及设计参数、围岩物理力学性质，分析工程实践中存在的问题。根据有限单元法的原理及求解步骤，结合实际施工过程，用ADINA软件建立隧道开挖力学分析模型，得出了隧道分层开挖的位移场、应力场分布，在此基础上对隧道围岩稳定性进行了综合评价。针对围岩的不稳定因素提出围岩加固方案，用工程类比法对支护参数进行了简要设计，并用ADINA有限元方法进行了模拟，得出的结论是支护后围岩应力集中程度比毛洞开挖有所减缓，变形大幅降低，锚杆应力分布合理。
这种“先分析，后设计，再验证”的思路表明了对地下工程问题的处理应严谨、客观、全面，要采用合适的方法（本文用数值计算法）进行分析，以保证隧道的安全施工与运行。
关键词： 隧道；有限元；围岩稳定性分析；支护设计；ADINA
Stability Analysis of Surrounding Rock and Support Design for Yilaga Tunnel of Shui-Pan Highway during Excavation
Abstract
Based on introduction of Yilaga tunnel, the paper expounds hydrology and engineering geological conditions, excavation method and design parameters, physical and mechanical properties of rock mass, analyses possible problems which is existed on the project in practice. According to the principle and steps of finite element method, combined with the actual construction process, the software of ADINA is used to build mechanical analysis model of excavation, then the stress field and displacement field of layer-to-layer excavation is obtained, on which stability of tunnel is evaluated comprehensively. According to the unstable factors of surrounding rock, a set of reinforcement program is put forward. Engineering analogy method is used to design supporting parameters in brief, and finite element method of ADINA simulates the effect of anchored rock. The results show that the degree of stress concentration have slightly decreased, and deformation have greatly reduced, and the stress distribution of anchored bars is reasonable after reinforcement.
The idea of “first analysis, then design, last validation” indicates that we should have a objective, rigorous and comprehensive attitude to deal with problem in underground project, and should adopt some optimal methods (FEM in this paper) to analyze them to ensure the safety of tunnels during construction and operation.
Keywords: tunnel; finite element method; stability analysis of surrounding rock; supporting design, ADINA
第一章 工程概况
1.1 概述
水盘高速公路投资概算为70.2亿元、全长91.031公里的水盘（水城至盘县）高速公路已于2009年12月26日在水城玉舍法窝破土开工，开通后水城至盘县只需1.5小时。
水盘高速公路是我省2020年骨架公路规划方案“三纵三横八联八支”公路网中的第三纵——毕节至安龙高速公路中的一段。毕节至安龙高速公路北起毕节，经纳雍、水城、盘县、兴义至安龙，全长465公里，将填补我省西部地区资源富集地带的纵向干线公路空白。该公路北邻四川，南接广西，纵贯毕节、六盘水、黔西南三地，是三地的交通大动脉。
水盘高速公路全长91.031公里，投资概算为70.2亿元，是毕安高速公路中投资最大的路段。路线采用双向四车道高速公路标准，设计行车速度80公里/小时，路基宽度21.5米。
该公路北起水城县玉舍乡俄脚法窝（接拟建的杭瑞高速公路）与212省道相连，南至盘县红果海铺与镇胜高速公路相连，经发耳、营盘、松河、鸡场坪、滑石等众多产煤乡镇和贫困乡镇，途经发耳电厂、盘县煤电基地等在建项目，沿线规划布局了盘东北、红果、发耳等循环经济型煤化工项目。该公路能有效优化区域交通运输结构，有利于项目沿线自然资源的开发利用和“西电东送”工程的实施，有利于整个南昆经济区内外的区域经济合作发展，有利于沿线居民与外界交流。
水盘高速公路的兴建，将搭起我市交通发展的“主骨架”，成为经济振兴的大动脉，对沿线的经济发展具有强劲的拉动作用。公路建成后，将使市中心城区至盘县公路里程缩短80公里，行车时间将缩短至1.5，可改善行车条件，节约客货在途时间，降低企业物流成本，减少运输损耗。
而易拉嘎隧道为水盘高速的重要组成部分，其任务的安全完成对整个工程起着至关重要的作用。易拉嘎隧道为双洞单向交通隧道，左线隧道起讫桩号K28+145～K30+ 665，隧道全长2520m， 右线隧道起讫桩号YK28+110～YK30+686.75，隧道全长2576.75 m， 双线隧道净宽均为10.25m，净高5.0m，包括车行横道、人行横道衬砌及装饰、洞门、明洞浇筑及装饰、路面基层、电缆沟、排水沟等工程。
在左右洞室之间间隔800米设置一处联络两主洞的车行横通道，在两车行横通道之间（间距250米～300米）设置两处联络两主洞的人行横通道。
隧道施工设计采用新奥法设计，隧道洞身采用钢拱架（钢格栅）+ 喷锚支护，模筑混凝土二次衬砌。
1.2 施工总平面布置
1.2.1施工便道
根据甲方安排，施工便道由甲方设计，上海明凯市政工程有限公司贵州分公司在甲方技术人员现场指挥下进行施工。施工便道路线甲方现场指定，道路宽6.0m。
1.2.2 生产、生活用房
办公、生活用房统一采用砖瓦结构。项目经理部设在隧道进口附近。
1.2.3 生产、生活用水
生产、生活用水由甲方统一规划管理，现场在洞口侧上方设1座100m3左右的水池蓄水。
1.2.4 生产、生活用电
从业主提供的电源位置接入至生产、生活用电处。隧道进口设630KVA变压器和500KVA变压器各一座，洞内和洞外用电分开布置，并在现场备用120KVA发电机一台，确保连续施工及停电时洞内照明和排水。
1.2.5 主要临时工程数量
为方便施工，场区内将建立一系列配套设施，以方便员工的工作生活，也有助于提高作业效率，主要临时工程数量见表1-1。
表1-1 主要临时工程数量一览表
主要结论及建议
6.1 结论
本文是在查阅大量文献基础上，并通过在水盘高速易拉嘎隧道实习，详细了解了该隧道的整个工程概况，对该隧道的工程地质条件、设计参数以及围岩物理力学性质的充分认识的基础上完成的。通过对以上参数的总结，采用有限单元法对围岩稳定性进行分析，利用ADINA 软件计算处理，根据计算结果分析对围岩稳定性做出评价，并对类比法支护进行验算。通过上述各章节的计算分析，得到了以下结论：
（1）由于岩石隧道工程的复杂性，一般难以用封闭形式的解析公式定量地求解问题，所以根据对比稳定性分析方法，采用了有限元进行隧道的稳定性分析。
（2）用有限元ADINA软件对隧道的初始地应力进行了反演。
（3）通过设置开挖单元的“生死”特性，对隧道分层开挖进行了模拟，得出了开挖之后二次应力场和位移场分布。
（4）通过二次应力场和位移场分析，得出位移值并不大、但应力集中程度较高的结论。建议在开挖过程中尽量少扰动未开挖岩体，在应力释放到一定程度后要适时支护。
（5）在用类比法确定了隧道支护的参数后，用adina进行模拟，验算出该支护参数可取，隧道稳定，位移相对于毛洞开挖小，锚杆受力情况较好。
6.2 建议
在本文中，采用了ADINA软件进行计算处理，它的好处就是快捷、方便，但在计算过程中有些工程地质情况没有考虑到，如地质构造、地下水等。但总的来说还是反映了一些基本规律，特别是在解决地下工程围岩稳定性分析计算方面。
由于模型假定为理想弹塑性材料，当平面应变问题来处理，导致位移值较小，跟洞室的实际工程情况有一定的差异。
由于隧道工程的复杂性，围岩稳定性评价不能依赖于单一方法，因此，依托于计算机技术，进行多种方法综合评价分析，是未来发展的一种趋势。由于隧道工程常依赖于经验，因此利用地下工程的失稳和稳定实例来建立系统，考虑多种因素影响，使多学科交叉融合，也将是未来的发展方向之一。
参考文献
[1] 于学馥，郑颖人等. 地下工程围岩稳定分析[M]. 北京：煤炭工业出版社，1983.
[2] 郑颖人，董云飞等. 地下工程锚喷支护设计指南[M]. 北京:中国铁道出版社，1988.
[3] 徐干成，白洪才，郑颖人. 地下工程支护结构[M]. 北京：中国水利水电出版社，2002.
[4] 孙钧. 地下工程设计理论与实践[M]. 上海：上海科学技术出版社，1996.
[5] 易萍丽. 现代隧道设计与施工[M]. 北京：中国铁道出版社，1997.
[6] 陈建平，吴立. 地下建筑工程与施工[M]. 武汉：中国地质大学出版社，2000.
[7] GB50502-2009建筑施工组织设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.
[8] JTJ02-90公路隧道设计规范[S]. 北京：人民交通出版社，1995.
[9] 铁道部第二工程局. 铁道工程施工技术手册（隧道）[S]. 北京：中国铁道出版社，1995.
[10] 王思敬，杨志法等. 地下工程岩体稳定分析[M]. 北京:科学出版社，1984.
[11] 沈明荣. 岩体力学[M]. 同济大学出版社，2005.
[12] 陈希哲.土力学地基基础[M]. 北京：清华大学出版社，2004.
[13] 张继勋，刘秋生. 地下工程稳定性分析方法现状与不足[J]. 现代隧道技术，2005，2(1).
[14] 张继勋，于纪玉. 水工地下工程稳定性分析方法现状与展望[J].水电站设计，2004，24(1).
[15] 贺少辉等，地下工程[M]. 北京：清华大学出版社，2006.
[16] 谷兆祺等，地下洞室工程[M]. 北京：清华大学出版社，1994.
[17] 关宝树、杨其新. 地下工程概论[M]. 西南交通大学出版社，2001.
[18] 陈洪江. 土木工程地质[M]. 北京：中国建材工业出版社，2005.
摘 要
通过对易拉嘎隧道的介绍，阐述了该隧道的水文及工程地质条件、隧道开挖方式及设计参数、围岩物理力学性质，分析工程实践中存在的问题。根据有限单元法的原理及求解步骤，结合实际施工过程，用ADINA软件建立隧道开挖力学分析模型，得出了隧道分层开挖的位移场、应力场分布，在此基础上对隧道围岩稳定性进行了综合评价。针对围岩的不稳定因素提出围岩加固方案，用工程类比法对支护参数进行了简要设计，并用ADINA有限元方法进行了模拟，得出的结论是支护后围岩应力集中程度比毛洞开挖有所减缓，变形大幅降低，锚杆应力分布合理。
这种“先分析，后设计，再验证”的思路表明了对地下工程问题的处理应严谨、客观、全面，要采用合适的方法（本文用数值计算法）进行分析，以保证隧道的安全施工与运行。
关键词： 隧道；有限元；围岩稳定性分析；支护设计；ADINA
Stability Analysis of Surrounding Rock and Support Design for Yilaga Tunnel of Shui-Pan Highway during Excavation
Abstract
Based on introduction of Yilaga tunnel, the paper expounds hydrology and engineering geological conditions, excavation method and design parameters, physical and mechanical properties of rock mass, analyses possible problems which is existed on the project in practice. According to the principle and steps of finite element method, combined with the actual construction process, the software of ADINA is used to build mechanical analysis model of excavation, then the stress field and displacement field of layer-to-layer excavation is obtained, on which stability of tunnel is evaluated comprehensively. According to the unstable factors of surrounding rock, a set of reinforcement program is put forward. Engineering analogy method is used to design supporting parameters in brief, and finite element method of ADINA simulates the effect of anchored rock. The results show that the degree of stress concentration have slightly decreased, and deformation have greatly reduced, and the stress distribution of anchored bars is reasonable after reinforcement.
The idea of “first analysis, then design, last validation” indicates that we should have a objective, rigorous and comprehensive attitude to deal with problem in underground project, and should adopt some optimal methods (FEM in this paper) to analyze them to ensure the safety of tunnels during construction and operation.
Keywords: tunnel; finite element method; stability analysis of surrounding rock; supporting design, ADINA
目 录
摘 要 III
Abstract IV
Keywords IV
第一章 工程概况 1
1.1 概述 1
1.2 施工总平面布置 2
1.2.1施工便道 2
1.2.2 生产、生活用房 2
1.2.3 生产、生活用水 2
1.2.4 生产、生活用电 2
1.2.5 主要临时工程数量 2
第二章 场地工程地质条件 4
2.1 地形地貌 4
2.2 地层岩性 4
2.3 地质构造 4
2.4 水文地质条件 4
2.5岩石物理力学参数 4
第三章 隧道开挖方案及设计参数 6
3.1 隧道开挖方案 6
3.1.1 总体开挖方案 6
3.1.2 施工原则 6
3.1.5 洞身开挖 7
3.2 隧道断面设计参数 8
第四章 隧道开挖围岩稳定性有限元分析 9
4.1计算方法的选择 9
4.1.1解析法 9
4.1.2数值分析方法 9
4.2有限单元法 11
4.2.1有限单元法的原理 11
4.2.2 ADINA软件简介 12
4.2.3 ADINA解题步骤 13
4.3 建模 14
4.3.1 建立几何模型 14
4.3.2 定义物理条件 14
4.3.3 网格密度控制和单元划分 15
4.3.4 设置单元生死时间 17
4.4 初始地应力反演分析 17
4.4.1 应力矢量图 17
4.4.2 应力分布云图 18
4.5 分步开挖过程分析 20
4.5.1 应力矢量图 20
4.5.2 位移分布云图 22
4.5.3 应力分步云图 26
4.6 隧道围岩稳定性分析结论 32
第五章 隧道支护设计 33
5.1 工程类比设计的原则与方法 33
5.2 锚喷支护参数表 34
5.3 分步开挖支护过程分析 39
5.3.1 位移分布云图 39
5.3.2 应力分布云图 42
5.3.3 锚杆受力分析 48
第六章 主要结论及建议 51
6.1 结论 51
6.2 建议 51
参考文献 52
致谢 53
第一章 工程概况
1.1 概述
水盘高速公路投资概算为70.2亿元、全长91.031公里的水盘（水城至盘县）高速公路已于2009年12月26日在水城玉舍法窝破土开工，开通后水城至盘县只需1.5小时。
水盘高速公路是我省2020年骨架公路规划方案“三纵三横八联八支”公路网中的第三纵——毕节至安龙高速公路中的一段。毕节至安龙高速公路北起毕节，经纳雍、水城、盘县、兴义至安龙，全长465公里，将填补我省西部地区资源富集地带的纵向干线公路空白。该公路北邻四川，南接广西，纵贯毕节、六盘水、黔西南三地，是三地的交通大动脉。
水盘高速公路全长91.031公里，投资概算为70.2亿元，是毕安高速公路中投资最大的路段。路线采用双向四车道高速公路标准，设计行车速度80公里/小时，路基宽度21.5米。
该公路北起水城县玉舍乡俄脚法窝（接拟建的杭瑞高速公路）与212省道相连，南至盘县红果海铺与镇胜高速公路相连，经发耳、营盘、松河、鸡场坪、滑石等众多产煤乡镇和贫困乡镇，途经发耳电厂、盘县煤电基地等在建项目，沿线规划布局了盘东北、红果、发耳等循环经济型煤化工项目。该公路能有效优化区域交通运输结构，有利于项目沿线自然资源的开发利用和“西电东送”工程的实施，有利于整个南昆经济区内外的区域经济合作发展，有利于沿线居民与外界交流。
水盘高速公路的兴建，将搭起我市交通发展的“主骨架”，成为经济振兴的大动脉，对沿线的经济发展具有强劲的拉动作用。公路建成后，将使市中心城区至盘县公路里程缩短80公里，行车时间将缩短至1.5，可改善行车条件，节约客货在途时间，降低企业物流成本，减少运输损耗。
而易拉嘎隧道为水盘高速的重要组成部分，其任务的安全完成对整个工程起着至关重要的作用。易拉嘎隧道为双洞单向交通隧道，左线隧道起讫桩号K28+145～K30+ 665，隧道全长2520m， 右线隧道起讫桩号YK28+110～YK30+686.75，隧道全长2576.75 m， 双线隧道净宽均为10.25m，净高5.0m，包括车行横道、人行横道衬砌及装饰、洞门、明洞浇筑及装饰、路面基层、电缆沟、排水沟等工程。
在左右洞室之间间隔800米设置一处联络两主洞的车行横通道，在两车行横通道之间（间距250米～300米）设置两处联络两主洞的人行横通道。
隧道施工设计采用新奥法设计，隧道洞身采用钢拱架（钢格栅）+ 喷锚支护，模筑混凝土二次衬砌。
1.2 施工总平面布置
1.2.1施工便道
根据甲方安排，施工便道由甲方设计，上海明凯市政工程有限公司贵州分公司在甲方技术人员现场指挥下进行施工。施工便道路线甲方现场指定，道路宽6.0m。
1.2.2 生产、生活用房
办公、生活用房统一采用砖瓦结构。项目经理部设在隧道进口附近。
1.2.3 生产、生活用水
生产、生活用水由甲方统一规划管理，现场在洞口侧上方设1座100m3左右的水池蓄水。
1.2.4 生产、生活用电
从业主提供的电源位置接入至生产、生活用电处。隧道进口设630KVA变压器和500KVA变压器各一座，洞内和洞外用电分开布置，并在现场备用120KVA发电机一台，确保连续施工及停电时洞内照明和排水。
1.2.5 主要临时工程数量
为方便施工，场区内将建立一系列配套设施，以方便员工的工作生活，也有助于提高作业效率，主要临时工程数量见表1-1。
表1-1 主要临时工程数量一览表
| 序号 | 项目 | 单位 | 数量 | 备注 |
| 1 | 办公室 | m2 | 200 | |
| 2 | 宿舍 | m2 | 800 | |
| 3 | 食堂 | m2 | 70 | |
| 4 | 钢筋作业棚 | m2 | 60 | |
| 5 | 钢筋作业场地 | m2 | 200 | |
| 6 | 变电房 | m2 | 30 | |
| 7 | 空压机房 | m2 | 60 | |
| 8 | 仓库 | m2 | 150 | |
| 9 | 火工品库 | m2 | 50 | |
| 10 | 搅拌机站 | m2 | 80 | 统一规划 |
| 11 | 砂堆场 | m2 | 200 | 统一规划 |
| 12 | 碎石堆场 | m2 | 300 | 统一规划 |
| 13 | 高位水池 | m3 | 100 |
主要结论及建议
6.1 结论
本文是在查阅大量文献基础上，并通过在水盘高速易拉嘎隧道实习，详细了解了该隧道的整个工程概况，对该隧道的工程地质条件、设计参数以及围岩物理力学性质的充分认识的基础上完成的。通过对以上参数的总结，采用有限单元法对围岩稳定性进行分析，利用ADINA 软件计算处理，根据计算结果分析对围岩稳定性做出评价，并对类比法支护进行验算。通过上述各章节的计算分析，得到了以下结论：
（1）由于岩石隧道工程的复杂性，一般难以用封闭形式的解析公式定量地求解问题，所以根据对比稳定性分析方法，采用了有限元进行隧道的稳定性分析。
（2）用有限元ADINA软件对隧道的初始地应力进行了反演。
（3）通过设置开挖单元的“生死”特性，对隧道分层开挖进行了模拟，得出了开挖之后二次应力场和位移场分布。
（4）通过二次应力场和位移场分析，得出位移值并不大、但应力集中程度较高的结论。建议在开挖过程中尽量少扰动未开挖岩体，在应力释放到一定程度后要适时支护。
（5）在用类比法确定了隧道支护的参数后，用adina进行模拟，验算出该支护参数可取，隧道稳定，位移相对于毛洞开挖小，锚杆受力情况较好。
6.2 建议
在本文中，采用了ADINA软件进行计算处理，它的好处就是快捷、方便，但在计算过程中有些工程地质情况没有考虑到，如地质构造、地下水等。但总的来说还是反映了一些基本规律，特别是在解决地下工程围岩稳定性分析计算方面。
由于模型假定为理想弹塑性材料，当平面应变问题来处理，导致位移值较小，跟洞室的实际工程情况有一定的差异。
由于隧道工程的复杂性，围岩稳定性评价不能依赖于单一方法，因此，依托于计算机技术，进行多种方法综合评价分析，是未来发展的一种趋势。由于隧道工程常依赖于经验，因此利用地下工程的失稳和稳定实例来建立系统，考虑多种因素影响，使多学科交叉融合，也将是未来的发展方向之一。
参考文献
[1] 于学馥，郑颖人等. 地下工程围岩稳定分析[M]. 北京：煤炭工业出版社，1983.
[2] 郑颖人，董云飞等. 地下工程锚喷支护设计指南[M]. 北京:中国铁道出版社，1988.
[3] 徐干成，白洪才，郑颖人. 地下工程支护结构[M]. 北京：中国水利水电出版社，2002.
[4] 孙钧. 地下工程设计理论与实践[M]. 上海：上海科学技术出版社，1996.
[5] 易萍丽. 现代隧道设计与施工[M]. 北京：中国铁道出版社，1997.
[6] 陈建平，吴立. 地下建筑工程与施工[M]. 武汉：中国地质大学出版社，2000.
[7] GB50502-2009建筑施工组织设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.
[8] JTJ02-90公路隧道设计规范[S]. 北京：人民交通出版社，1995.
[9] 铁道部第二工程局. 铁道工程施工技术手册（隧道）[S]. 北京：中国铁道出版社，1995.
[10] 王思敬，杨志法等. 地下工程岩体稳定分析[M]. 北京:科学出版社，1984.
[11] 沈明荣. 岩体力学[M]. 同济大学出版社，2005.
[12] 陈希哲.土力学地基基础[M]. 北京：清华大学出版社，2004.
[13] 张继勋，刘秋生. 地下工程稳定性分析方法现状与不足[J]. 现代隧道技术，2005，2(1).
[14] 张继勋，于纪玉. 水工地下工程稳定性分析方法现状与展望[J].水电站设计，2004，24(1).
[15] 贺少辉等，地下工程[M]. 北京：清华大学出版社，2006.
[16] 谷兆祺等，地下洞室工程[M]. 北京：清华大学出版社，1994.
[17] 关宝树、杨其新. 地下工程概论[M]. 西南交通大学出版社，2001.
[18] 陈洪江. 土木工程地质[M]. 北京：中国建材工业出版社，2005.