中国公路隧道建设技术的现状和发展 ——更加安全、快捷、环保、节约(蒋树屏)

中国公路隧道技术的现状与发展

——更加安全、快捷、环保、节约

蒋树屏（研究员、工学博士）重庆交通科研设计院院长国家山区公路工程技术研究中心主任中国公路学会隧道工程分会理事长中国土木学会隧道与地下分会副理事长劈山开道，破坏环境，边坡失稳——渐成历史逢山穿隧，保护环境，减少征地——已成共识

遇水架桥——未必定义

水下隧道——多种选择

1我国公路隧道建设基本情况

2环保型隧道建设技术研究与实践3隧道监控量测及围岩分级技术创新

1、我国公路隧道建设基本情况

1 我国公路隧道建设基本情况

二十多年来，中国公路建设蓬勃发展。截至2007年底，我国公路及隧道建设规模如下表所示：总里程公路高速公路隧道358.37万公里5.39万公里2555.5公里4673座等级公路253.54万公里同比增长3.67%11.06%18.06%38.75%23.36%隧道同比≫公路同比公路，向大山延伸表明:环保，正深入人心用地，将更加节约1 我国公路山岭隧道建设情况

我国大陆特长公路隧道No.23隧道名大坪里隧道包家山隧道长度(m)位置车道18020陝西2×212290甘肃2×211500陝西2×2通风方式3竖井分段纵向式2竖井分段纵向式3斜井分段纵向式1秦岭终南山隧道45678910宝塔山隧道泥巴山隧道麻崖子隧道龙潭隧道米溪梁隧道括苍山隧道10391山西2x29985四川2x287007930湖北2×2浙江2×2竖斜井送排式纵向通风斜井+竖井分段纵向式立坑送排+射流风机纵向式左(右)洞单井送排式通风纵向式+半横流式(排煙)9000甘肃2x2斜竖井送排+射流风机纵向7923 陕西2×2方斗山隧道7581 重庆2×22座斜井送排式纵向通风1 我国公路隧道建设基本情况

我国主要水下公路隧道No.隧道名长度位置车道(m)通风方式1厦门海底隧道(钻爆)5960福建3×2竖井送排+射流风机纵向式2上海长江隧道(盾构）8955上海3×23武汉长江隧道(盾构)3630湖北2×24上中路隧道（盾构）2800上海2×25复兴东路隧道盾构）2785上海3×26南京玄武湖隧道(盾构)2660南京3×27大连路隧道(盾构)8外环越江隧道(沉管)9珠江隧道(沉管)10宁波常洪隧道(沉管)2566上海2×2横向式横向式横向式（双层双向）横向式（双层双向）横向式2882上海4×2纵向式1238广东3+3纵向式（道路、铁道并用）1053浙江2×1纵向式1 我国公路隧道建设基本情况

我国大跨径公路隧道No.123456隧道名白鹤嘴隧道龙头山隧道万石山隧道大阁山隧道金州隧道雅宝隧道长度(m)位置1240102011704965212602003001596.1车道数x隧道洞数重庆4x2广东4×2福建最宽处25.89m的地下立交贵州4×1辽宁4×1广东4×2789金鸡山隧道罗汉山隧道魁岐隧道福建福建4×2(连拱)4×2(连拱)福建最宽处27. 42 m的地下立交1 我国公路隧道建设基本情况

公路隧道标准断面2车道A=65m2高宽比=0.673车道A=96m2高宽比=0.544车道A=136m2高宽比=0.48连拱隧道小净距隧道1 我国公路隧道建设基本情况

3车道隧道（深圳大梅沙）

双洞8车道隧道（深圳雅宝）

小净距隧道（福建联南）

连拱隧道(南峰)

1 我国公路隧道建设基本情况

▇秦岭终南山隧道——位于国家高速公路网包-茂线陕西境内，是世界建设规模最大的高速公路隧道(长2×18.02km)，最大埋深超过1700m。于2007年1月试通车秦岭北口

为通风与防灾，采取竖井送排式纵向通风方式，设置三座换风竖井及地下机房，竖井直径为11.5m，井深661m。通风主要按照正常运营和火灾工况下需风量设计。交通量按2025年交通量N=25849辆/日，2035交通量N=45000辆/日；

1 我国公路隧道建设基本情况

为了降低驾驶员长时间在隧道内行驶的疲劳，每座隧道洞内共设三处特殊照明带，每处特殊照明区段长150m，宽20.9m(隧道标准宽:10.5 m)，高11.9m (隧道标准高:7.6m)。1 我国公路隧道建设基本情况

秦岭，是黄河与长江两大水系的分水岭；终南山隧道，打通了这一天然屏障，实现了南北交通，其意义重大，令国人骄傲。其工程浩大、技术复杂，令国际注目。2007年10月，出席全国公路隧道学术大会的220多位隧道工作者在考察该隧道后，称它为“人类文明的伟大作品世界交通的重大工程”。业主单位：陕西秦岭终南山公路隧道有限公司主要设计单位：中铁第一勘察设计院

重庆交通科研设计院

主要施工单位：中铁一局、五局、十二局、十八局等主要科研单位：陕西省公路局

重庆交通科研设计院长安大学西南交通大学等

秦岭终南山隧道采用了当今山岭隧道建设的最新技术,是全世界工

程技术人员智慧的结晶

南侧

1 我国公路隧道建设基本情况

▇厦门翔安隧道——我国第一座钻爆法开挖的六车道海底公路隧道，工程中遇到大量软弱地层和风化槽(囊)，采取了超前预注浆加固、CRD、双侧壁导坑等多种工法，目前工程进展较为顺利。隧道长5960 m。为通风与防灾，采取竖井送排式纵向通风方式，在浅海区域设置二座换风竖井。厦门翔安隧道地质纵剖面图1 我国公路隧道建设基本情况

厦门翔安隧道主要构成示意图换风竖井排烟道排风道主隧道避难通道服务隧道1 我国公路隧道建设基本情况

进口——隧道由地表软弱地层逐步进入海底主隧道服务隧道1 我国公路隧道建设基本情况

隧道进口——采用CRD工法控制围岩变形1 我国公路隧道建设基本情况

主隧道洞身——采用双侧壁导坑法开挖和支护业主单位：厦门路桥有限公司设计单位：中交第二公路勘察设计院

重庆交通科研设计院

施工单位：中铁隧道局、十八局、

中铁一局、二十二局等

科研单位：北京交通大学等

1 我国公路隧道建设基本情况

▇厦门万石山地下立交隧道——为目前我国第一座大型暗挖地下互通式立交，既有平面分岔结构，又有上下交叉结构。大跨结构段宽25.8m连拱段为不对称结构小净距段中夹岩1.42m

1 我国公路隧道建设基本情况

匝道汇合处的大跨隧道的断面没有采用常规的喇叭口式渐变结构，而是以一侧边墙为基准，采用单侧分段扩大的结构型式，并逐渐过渡至连拱隧道和小净距隧道，最后过渡至正常的分离式隧道。1 我国公路隧道建设基本情况

隧道立交处施工方法——先开挖上行隧道至设计开挖线，施作完成初期支护，再开挖隧道下穿段，浇注下穿隧道二次衬砌，设防水板并回填后，最后浇注上行隧道边梁及二次衬砌。

业主单位：厦门路桥有限公司设计单位：重庆交通科研设计院施工单位：中铁隧道局等

1 我国公路隧道建设基本情况

▇上海崇明长江隧道——上海长江隧桥工程全长25.5km，为六车道高速公路，采用“南隧北桥”方案，是世界上最大的隧桥结合工程之一，南侧长江隧道长2×8955m。长江大桥1 我国公路隧道建设基本情况

上海长江盾构隧道直径为15m，内径13.7m，盾构隧道段长7.47Km，是世界上最大直径的盾构隧道，也是世界上最长的水底隧道之一。隧道内上部为公路，下部为轨道和避难通道。1 我国公路隧道建设基本情况

上海长江盾构隧道进口1 我国公路隧道建设基本情况

养生中的盾构管片施工中的上海长江隧道2、环保型隧道建设技术研究与实践

前置式洞口工法的开发与应用

Advanced tunnel entrance construction method and the application蒋树屏

重庆交通科研设计院常务副院长兼总工程师交通部专家委员会委员、博士、博士生导师中国公路学会隧道工程分会理事长中国土木工程学会隧道与地下分会副理事长2 前置式洞口工法的开发与应用

1 问题的提出

《规范》：7.1.2隧道应遵循“早进洞、晚出洞”的原则，不得大挖大刷，确保边坡及仰坡的稳定。7.1.4洞门设计应与自然环境相协调。保证隧道洞口山体稳定保护隧道洞口自然环境2 前置式洞口工法的开发与应用

7.2.1洞口的边坡及仰坡必须保证稳定。有条件时，应贴壁进洞；条件限制时，边坡及仰坡的设计开挖最大高度可按表7.2.1控制。表7.2.1 洞口边、仰坡控制高度围岩分级I～ⅡⅢⅣ边、仰坡贴壁1:0.31:0.51:0.51:0.751:0.751:1率高度(m)15202520251518注：设计开挖高度系从路基边缘算起。V～Ⅵ1:1.251:1.25L:1.5201518日本道路公团《隧道设计要领》：

普通の施工法では、坑口付けにあたっては土被りとして最小2～3メートル程度を確保するものとします。

2 前置式洞口工法的开发与应用

2 采用传统施工方法的设计与施工

壁“土埂”部两洞间的土埂被挖切2 前置式洞口工法的开发与应用

采用传统施工方法的设计与施工

实例

20m以上2 前置式洞口工法的开发与应用

2 前置式洞口工法的开发与应用

2 前置式洞口工法的开发与应用

两洞间的土埂被挖切

2 前置式洞口工法的开发与应用

传统拉槽

普通の施工法では、坑口付けにあたっては土被りとして最小2～3メートル程度を確保するものとします。

2 前置式洞口工法的开发与应用

喷射混凝土１２m实际工程情况

2 前置式洞口工法的开发与应用

3 采用“前置式洞口工法”的设计与施工

保留两洞间的土埂2 前置式洞口工法的开发与应用

原地面线恢复植被码砌袋装土或人工夯填土回填坡面线30cm厚混凝土20b工字钢拱架Φ22纵向连接钢筋10.2m10m前置式洞口工法原理图2.0m前置式洞口工法原理

右洞施工槽开挖

右洞施工槽喷锚支护

右洞前置支护钢拱架架立

右洞前置支护砼浇注

右洞回填

左洞施工槽开挖

左洞施工槽喷锚支护

左洞前置支护钢拱架架立左洞前置支护砼浇注

左洞回填

左洞前置支护内开挖

右洞衬砌

左洞衬砌

2 前置式洞口工法的开发与应用

4 洞口岩体力学状态三维数值模拟与比较分析▣力学模型建立及有限元网格划分

横向范围（X方向）：分别以左、右隧道中心轴线向左、右延伸42m，总的水平计算范围为122m；

隧道纵向范围（Y方向）：以面向隧道洞内方向为正向，自前置式支护起点向洞内延伸70m；

竖向（Z方向）：上取至原地面线顶部，按地表标高资料布线，向下取至隧道中心水平轴以下40m。

地表土层厚约2.3m，以下为强风化灰岩厚约5.5m，再以下为弱风化灰岩。前置式洞口支护结构为钢拱架浇注混凝土厚度30cm，施工槽侧面、正面（10~15cm）及洞内支护结构（20cm）为喷锚支护。2 前置式洞口工法的开发与应用

▣荷载：自重。▣单元划分：岩土采用三角锥四节点实体单元模拟、锚杆采用植入式桁架单元、工字钢采用梁单元、喷射混凝土采用板单元分别进行模拟，岩土体采用弹塑性分析，选用D-P模型，屈服面采用摩尔-库仑等面积圆。▣边界条件：计算模型的左、右边界只有横向约束（X方向），隧道前后边界只纵向约束（Y方向），上部为自由面，下部只有竖直方向约束（Z方向）。▣传统工法洞口模型共划分154740个单元，前置式洞口工法模型共划分160349个单元。2 前置式洞口工法的开发与应用

弹性模量泊松比容重粘结力内摩擦角厚度Eμγcφ土层10MPa0.352.3m1700KG/m310KPa19.86°强风化灰岩0.5GPa0.35.5m2200KG/m350KPa30°弱风化灰岩5GPa0.252500KG/m31.2MPa长度3.5m泊松比μ0.167泊松比μ0.167泊松比μ0.16738°弹性模量E锚杆210GPa弹性模量E洞内喷射砼20GPa折算弹性模量E钢拱架喷射砼35.6GPa弹性模量E边仰坡喷砼20GPa半径r11mm厚度0.3m厚度0.3m厚度0.15m2 前置式洞口工法的开发与应用

传统施工方法的模型“前置式洞口工法”的模型2 前置式洞口工法的开发与应用

“前置式洞口工法”的位移

▣Y方向位移比较传统施工方法的位移

2 前置式洞口工法的开发与应用

采用不同工法进行洞口开挖施工引起的位移值施工方法DY≥6mm的DZ≥3mm的Y方向位移Z方向位移单元占有率单元占有率（DY mm）（DZ mm）（%）（%）传统工法前置式洞口工法单洞开挖前置式洞口工法双洞开挖-8.7~0.18-7.7~0-7.8~0-3.6~2.3-3.5~1.7-3.5~1.925.4 %5.6%9%3.7%0.8%0.8%2 前置式洞口工法的开发与应用

▣应力场的比较

施工方法传统工法前置式洞口工法最大拉应力最大压应力拉应力≥ 10KPa 的单（KPa）（KPa）元占有率（%）48371.61.33.7%0.2~0.3%传统工法仰坡面处出现的拉应力区域，在前置式洞口工法保留的中间土埂的支撑作用下，显然已经消失了，因此在施工过程中为防止仰坡失稳，前置式洞口工法所需要的支护参数也远小于传统工法。

2 前置式洞口工法的开发与应用

5 前置式洞口工法的施工过程三维数值模拟

主要包括洞口段27个施工步骤：第1步，进行自重应力场计算；第2步，左隧道施工槽开挖；第3步，左隧道边仰坡锚喷支护；第4步，左隧道前置支护施工；第5步，左隧道洞口回填；第6步，左隧道前置支护内开挖；第7~11步，右隧道洞口施工（同左隧道第2~6步）；第12~19步，左隧道暗洞内开挖、支护，共施工暗洞8m；第20~27步，右隧道施工（同左隧道第12~19步施工）。2 前置式洞口工法的开发与应用

前置式洞口工法施工过程有限元，共分202391个单元。2 前置式洞口工法的开发与应用

▣位移场

①拱顶沉降（竖向位移DZ）

从计算结果中可以看出，拱顶沉降值不大，暗洞拱顶最大值不超过6mm，前置支护最外端拱顶最大值1.94cm。拱顶位置沉降量最大，而拱顶两侧沉降量相对较小。前置支护最外端拱顶沉降约2cm，自前置支护施作完成时就已发生，说明该沉降主要由结构自重引起，受暗洞施工影响很小；前置支护与暗洞交界处拱顶沉降值不超过6mm，远小于外端拱顶沉降，说明洞口暗洞段竖向荷载很小，水平荷载对前置支护结构的约束作用明显，因此前置支护结构施作后应尽快进行回填。mm-70-6-5-4-3-2原状左洞前置支护左洞前置支护内右洞前置支护右前置支护内开左暗洞支护2m左暗洞支护4m左暗洞支护6m左暗洞支护8m右暗洞支护2m右暗洞支护4m右暗洞支护6m右暗洞支护8m拱顶左测点右测点拱顶沉降DZ（mm）施工步骤拱顶沉降位移分布及其随施工过程变化

2 前置式洞口工法的开发与应用

-12 前置式洞口工法的开发与应用

②纵向（Y方向）位移

前置支护施工槽开挖仰坡顶面处纵向位移最大约9mm，洞口前置支护施工槽两侧处及两洞之间纵向位移均不超过5mm，说明前置支护结构及两洞间土体对洞口山体起到了非常明显的支撑作用。前置支护最外端拱顶纵向位移随施工过程逐步减小，但位移量变化不大，说明仰坡面山体的纵向下推力很小，处于稳定状态。

前置支护最外端拱顶纵向位移(-DY,mm)3.13.0532.952.92.852.82.75护置支前左洞前置支护最外端拱顶支回护填左内暗开洞挖左开暗挖洞2m左支暗护洞2m左开暗挖洞4m左支暗护洞4m左开暗挖洞6m左支暗护洞6m左开暗挖洞8m支护8m左洞左洞前置施工阶段2 前置式洞口工法的开发与应用

▣岩体应力场

隧道明、暗洞交界处（Y=-8m）断面应力随施工过程变化情况模拟结果表明，洞口前置式支护回填后未进行支护内开挖时，在支护拱腰部位回填土体较大范围内出现拉应力区，且最大拉应力值超过10KPa；自前置支护内土体开挖后，最大拉应力值降至10KPa以内，直至暗洞施工支护4m，拱腰部回填土拉应力值及拉应力区域均逐步减小为0；进入暗洞4m后，后续施工对该断面的应力及位移几乎没有影响。同时，在前置支护拱部回填土边缘始终处于0~10KPa的拉应力状态，其余部位均处于压应力状态（图a~i）。

第4步，左隧道前置支护施工第12步，左隧道暗洞开挖2m

第15步，左隧道暗洞支护4m

第5步，左隧道前置支护回填第13步，左隧道暗洞支护2m

第16步，左隧道暗洞开挖6m

第6步，左隧道前置支护内开挖

第14步，左隧道暗洞开挖4m第18步，左隧道暗洞开挖8m

2 前置式洞口工法的开发与应用

▣前置支护与暗洞支护应力

前置支护最外端拱顶内侧出现最大拉应力约3.0MPa，其余大部分拱部位置拉应力值在1.4~2.2MPa之间；压应力最大值为4.8MPa，出现在起拱线部位内侧；待前置支护回填后，最大支护拉、压应力均有所降低，分别为2.7MPa和4.3MPa；此后的暗洞施工对支护应力影响很小，其最大拉、压应力分别稳定在2.7MPa和4.4MPa。

前置式支护施工后前支护应力分布图暗洞开挖支护2m时支护应力分布图

回填后支护应力分布图

暗洞开挖支护8m时支护应力分布图

6 隧道洞口稳定监控量测

在老山1号隧道出口前置洞口施工中，在洞口边仰坡开挖时及前置支护施工时埋设测桩、应力计、钢筋计、锚杆轴力计、多点位移计等传感器，通过监测两侧边坡及仰坡相对变形，锚杆轴力，混凝土内应力和型钢拱轴力，了解边坡的稳定性和前置支护的安全性。

测点布置形式如下图。

量测点布置情况

2号锚杆轴力监测現場計測によって前置き坑口の安定性を調べます（1号トンネルの出口）。その計測の結果は次の通りです。

深部位移监测鋼アーチの内力60KN3ロックボルト軸力10KN1号锚杆轴力监测型钢拱内力衬砌内力2拱顶下沉アーチ工沈下量10mm以下43号锚杆轴力监测深部位移监测周边收敛2mm以下内空変位深部位移监测5基底压应力地中変位0.8mm以下1基底压应力コン基礎の内力1MPa以下▣现场监测结果与数值模拟结果对比

现场监测结果与数值模拟结果对比列表监测项目拱顶沉降（mm）周边收敛（mm）监测值104数值模拟值61混凝土内部应力（MPa）钢支撑内力（KN）支护基底应力（MPa）锚杆轴力（KN）边坡围岩内部位移（mm）-0.8600.18.50.8-1.3—0.5580.822 前置式洞口工法的开发与应用

7.設計

8 前置式洞口工法的实施效果

20~60cm完成

完成

喷射混凝土１２m实际工程情况

完成

2减少边仰坡开挖面积2362m，减少洞口土3石方工程数量6480m，少砍伐老山树木1575棵

，

原生灌木7086株。

9 归纳与创新

▣首次开发了公路隧道前置式洞口工法，并对传统施工方法与前置式洞口工法进行了数值模拟分析，通过对两种施工方法所产生的位移场、应力场与稳定性等的综合比较，为前置式洞口工法在环保及洞口仰坡稳定方面的优越性提供了理论依据。

▣通过前置式洞口工法施工过程三维数值模拟与现场量测，提出了前置式洞口工法的合理施工步序、施工关键点及工程措施，并在依托工程中实施，获得成功。

3、隧道监控量测及围岩分级技术创新

现场量测与量测数据管理系统

隧道围岩坍塌具有

随机性模糊性不可预见性隧道开挖围岩松动围岩坍塌加固处治

怎样预测，合理开挖，防止坍塌？

现场量测与量测数据管理系统

隧道围岩稳定分析及处治的技术路线

隧道支护、衬砌设计

修正支护结构参数预测围岩体坍塌修正开挖方案

隧道开挖施工

围岩支护变形监测

内空收敛量拱顶下沉量锚杆轴力锚杆拉拔力衬砌应力地表下沉量钢支撑应力

非确定性反分析

基于扩张卡尔曼滤波器与有限元法耦合算法经验判断

（Ｆ-FEM）的反分析最终初始应力参数的预测方法

隧道围岩塑性区估计历时变化

现场量测与量测数据管理系统

2.量测方法与工具问题

5742631

现场量测与量测数据管理系统

监测的项目、频率

选择项目、采集数据频率

序号12345678测试项目围岩内部位移锚杆轴力围岩对喷层压力喷层对二衬压力喷混凝土内应力模注混凝土内应力钢支撑应力弹性波测试观 测 频 率1～15天2次/天1次/天1次/天1次/天1次/天1次/天1次/天16天～1个月1次/2天1次/2天1次/2天1次/2天1次/2天1次/2天1次/2天3次/每断面1～3个月2次/周2次/周2次/周2次/周2次/周2次/周2次/周3个月以后3次/月3次/月3次/月3次/月3次/月3次/月3次/月现场量测与量测数据管理系统

454321锚杆轴力32围岩内部位移5443154C22111343322BD左起拱线右E1543214321A12345123435°B/2图例：B/2混凝土内部应力围岩压力及层间支护压力钢支撑应力A型量测断面测点位置（选测项目）

现场量测与量测数据管理系统

围岩内部位移的量测

隧道边墙部收敛量测

现场量测与量测数据管理系统

锚杆轴力计埋设

围岩与喷射混凝土间接触压力压力盒、应力计、钢支撑应力计、埋设

现场量测与量测数据管理系统

课题组科研人员在施工现场

现场数据采集

现场量测与量测数据管理系统

３.量测数据管理

监控量测过程中，采集到大量数据，需要对这些数据进行管理和分析。

平台基于VB和VC语言进行开发。

特点能够方便地输入现场监控量测数据以及时掌子面距离等工程情况数据。能查询、添加、修改、删除数据，能生成应力、变形的时间、空间效应曲线，帮助围岩分析。

现场量测与量测数据管理系统

数据管理界面

现场量测与量测数据管理系统

４.量测结果的分析问题

现场量测与量测数据管理系统

现场量测与量测数据管理系统

现场量测与量测数据管理系统

现场量测与量测数据管理系统

现场量测与量测数据管理系统

现场量测与量测数据管理系统

现场量测与量测数据管理系统

现场量测与量测数据管理系统

现场量测与量测数据管理系统

现场量测与量测数据管理系统

现场量测与量测数据管理系统

现场量测与量测数据管理系统土压力+水压力(呈偏压)变形线设计线B/2B/2LK77+866断面围岩变形图

５.反分析数值计算问题

隧道地层中存在大量的不确定性地质信息：

材料性质的不确定性本构模型的不确定性

隧道开挖

非确定性反分析

总体思路

思想基础围岩变形是必然的，但变形多少则是随机的；围岩变形过程是一种随机过程；

围岩初始应力和材料弹模等参数（发射信号）与围岩变形观测量（接受信号）之间关系是一个随机系统。捕获围岩非确定性动态过程，就能揭示地下工程开挖中围岩体动态的真实。

基本手法现代最优控制估计理论之一的卡尔曼滤波器，具有修正-预测，吐故纳新，不断产生待估参数滤波新息之功能；有限元分析具有迭代计算功能，并能反映整个围岩场域问题。采用卡尔曼滤波器与有限元分析相结合，建立扩张卡尔曼滤波器有限元法设计模型可以解决非确定性动态问题。

非确定性反分析

卡尔曼滤波器

卡尔曼滤波器是现代控制理论的重要内容。滤波的类型

Wiener—恒定时序列、无限时间观测

Kalman，Bucy—采用状态空间法、正交投影理论，

提出新的滤波算法、有限时间观测

卡尔曼滤波器的理论基础马尔科夫型随机过程

马尔科夫-高斯联合概率分布贝叶斯最优估计

非确定性反分析

卡尔曼滤波器的类型连续时间滤波器离散时间滤波器卡尔曼滤波器的特点修正—推优—预测卡尔曼滤波器的应用宇宙工程、控制工程、通讯工程、土木工程、...

理论曲线实际飞行曲线非确定性反分析

围岩初期位移量测结果

非确定性反演计算

临时初始应力及材料弹性模量

预测计算分析

围岩最终初始应力及材料弹性模量

正演计算最终位移状态最大剪应变分布围岩稳定分析、坍塌预测

工程预防措施

(支护形式与开挖步骤等)

非确定性反分析

初始条件：1.输入T0 时刻的观测位移量Zj

ˆ(t0)2.确定性反分析计算(考虑初始应变ε0作用)x3.设定初始估计误差协方差P0 (t0)、观测次数KAI滤波次ITT=1序贯数J=1jˆITT1,ITT)F E M 计算状态量的向量函数h(xjˆITT1,ITT)h(x影响系数法计算观测矩阵Hjijxxxˆ(ITT1)jˆITT1,ITT)计算卡尔曼滤波增益矩阵K(x设计观测噪音

协方差矩阵RITT(j×j)U-D协方差分解算法

计算增益预测残差、jˆITT围岩状态新息量x输入序贯数J=J+1的观测分量zj1(ITT)j计算估计误差协方差矩阵PITTJ ≥IRTF E M 顺解析隧道围岩全域(u、ε、γmax)ITT 及塑性区估计输入滤波次ITT+1的观测量z(ITT+1)ITT ≥KAI结束

开挖后第2 天

第4 天

第5 天

第10 天

第15 天

第20 天

第25 天

第30 天

第35 天

第40 天

第50 天

第60 天

监控量测与反分析

和施工现场动态围岩分级

动态隧道围岩稳定分析及处治的技术路线

隧道支护、衬砌设计

修正支护结构参数

隧道开挖施工

预测围岩体坍塌修正开挖方案

围岩动态分级围岩支护变形监测

内空收敛量拱顶下沉量锚杆轴力锚杆拉拔力衬砌应力地表下沉量钢支撑应力

非确定性反分析

基于监控量测与反分析的隧道动态围岩分级流程图

隧道围岩的初步分级:BQ=90+3RC+250KVRC:岩石饱和抗压强度,应采用实测值,也可实测的岩石点荷载指数的换算值KV:岩体完整性系数,可用岩体体积节理（Jv）,按规范表1确定K1:地下水影响修正系数,可通过现场量测,结合表2确定围岩的详细定级:［BQ］=BQ-100（K1+K2+K3）K2:主要软弱结构面产状影响修正系数,可通过现场量测,结合表3确定K3:初始应力状态影响修正系数,根据监控量测所得围岩变形位移值,由非确定性反分析获得围岩初始地应力,并结合现行公路隧道设计规范（表4、表5）确定完成:在现场监控量测和非确定性反分析基础上,求得围岩分级的定量指标表1 JV与KV对照表

JV(条/m³)KV<33～1010～2020～35>35>0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15<0.15注：可通过现场测出岩体节理

表2 地下水影响修正系数K1

BQ 地下水状态潮湿或点滴状出水淋雨状或涌流状出水,水压≤0.1MPa或单位出水量≤10L/min.m淋雨状或涌流状出水,水压>0.1MPa或单位出水量>10L/min·m>450450～351350～25000.10.10.2～0.3≤2500.2～0.30.4～0.60.4～0.60.7～0.90.20.4～0.60.7～0.91.0注：可通过现场测出单位出水量确定

表3 主要软弱结构面产状影响修正系数K2

结构面产状及其与洞轴线的组合关系结构面走向与洞轴线夹角<30°结构面倾角30°~75°0.4～0.6结构面走向与洞轴线夹角其它组合>60°结构面倾角>75°K20～0.20.2～0.4注：相关参数可在施工现场由罗盘测出

表4 初始地应力状态评估

初始地应力状态主要现象硬质岩:开挖过程中有岩爆发生,有岩块弹出,洞壁岩体发生剥离,新生裂缝多,成洞性差软质岩:岩芯常有饼化现象,开挖过程中洞壁岩体有剥离,位移极为显著,甚至发生大位移,持续时间长,不易成洞硬质岩:开挖过程中可能出现岩爆,洞壁岩体有剥离和掉块现象,新生裂缝较多,成洞性较差软质岩:岩芯时有饼化现象,开挖过程中洞壁岩体位移显著,持续时间长,成洞性差评估基准(RC/σmax)RCmax极高应力< 4高应力4～7注：初始地应力可通过非确定性反分析求出

表5 初始应力状态影响修正系数K3

BQ初始应力状态>550550~451450~351350~51≤250极高应力区1.01.01.0～1.51.0～1.51.0高应力区0.50.50.50.5～1.00.5～1.0谢谢大家！

向战斗在抗震救灾第一线的工程专家和全体人民表示衷心敬意！