公路隧道建設技術

公路隧道建設技術第1頁/共140頁我國公路隧道建設基本情況2

環(huán)保型隧道建設技術研究與實踐3

隧道監(jiān)控量測及圍巖分級技術創(chuàng)新第2頁/共140頁11、我國公路隧道建設基本情況第3頁/共140頁

二十多年來，中國公路建設蓬勃發(fā)展。截至2007年底，我國公路及隧道建設規(guī)模如下表所示：1我國公路隧道建設基本情況總里程同比增長公路358.37萬公里3.67%等級公路253.54萬公里11.06%高速公路5.39萬公里18.06%隧道2555.5公里38.75%4673座23.36%隧道同比?公路同比公路，向大山延伸環(huán)保，正深入人心用地，將更加節(jié)約表明:第4頁/共140頁我國大陸特長公路隧道No.隧道名長度(m)位置車道通風方式1秦嶺終南山隧道

18020陝西2×23豎井分段縱向式

2大坪里隧道

12290甘肅2×22豎井分段縱向式

3包家山隧道11500陝西2×23斜井分段縱向式4寶塔山隧道10391山西2x2豎斜井送排式縱向通風5泥巴山隧道9985四川2x2斜井+豎井分段縱向式6麻崖子隧道9000甘肅2x2斜豎井送排+射流風機縱向7龍?zhí)端淼?700湖北2×2立坑送排+射流風機縱向式8米溪梁隧道7923陜西2×2左(右)洞單井送排式通風9括蒼山隧道7930浙江2×2縱向式+半橫流式(排煙)10方斗山隧道7581重慶2×22座斜井送排式縱向通風1我國公路山嶺隧道建設情況第5頁/共140頁No.隧道名長度(m)位置車道通風方式1廈門海底隧道(鉆爆)5960福建3×2豎井送排+射流風機縱向式2上海長江隧道(盾構）8955上海3×2橫向式3

武漢長江隧道(盾構)3630湖北2×2橫向式4

上中路隧道（盾構）2800上海2×2橫向式（雙層雙向

）5

復興東路隧道

盾構）2785上海3×2橫向式（雙層雙向

）6

南京玄武湖隧道(盾構)2660南京3×2

7

大連路隧道(盾構)2566上海2×2橫向式8

外環(huán)越江隧道(沉管)2882上海4×2縱向式9

珠江隧道(沉管)1238廣東3+3縱向式（道路、鐵道并用）10

寧波常洪隧道(沉管)1053浙江2×1縱向式我國主要水下公路隧道1我國公路隧道建設基本情況第6頁/共140頁No.隧道名長度(m)位置車道數x隧道洞數1白鶴嘴隧道1240重慶4x22龍頭山隧道1020廣東4×23萬石山隧道1170福建

最寬處25.89m的地下立交4大閣山隧道496貴州4×15金州隧道521遼寧4×16雅寶隧道260廣東4×27金雞山隧道200福建4×2(連拱)8羅漢山隧道300福建4×2(連拱)9魁岐隧道1596.1福建最寬處27.42m的地下立交我國大跨徑公路隧道1我國公路隧道建設基本情況第7頁/共140頁公路隧道標準斷面1我國公路隧道建設基本情況2車道

A=65m2高寬比=0.673車道

A=96m2高寬比=0.54

4車道

A=136m2高寬比=0.48連拱隧道

小凈距隧道

第8頁/共140頁1我國公路隧道建設基本情況3車道隧道（深圳大梅沙）連拱隧道(南峰)小凈距隧道（福建聯南）雙洞8車道隧道（深圳雅寶）第9頁/共140頁秦嶺北口1我國公路隧道建設基本情況▇

秦嶺終南山隧道——位于國家高速公路網包-茂線陜西境內，是世界建設規(guī)模最大的高速公路隧道(長2×18.02km)，最大埋深超過1700m。于2007年1月試通車第10頁/共140頁為通風與防災，采取豎井送排式縱向通風方式，設置三座換風豎井及地下機房，豎井直徑為11.5m，井深661m。通風主要按照正常運營和火災工況下需風量設計。交通量按2025年交通量N=25849輛/日，2035交通量N=45000輛/日；第11頁/共140頁

為了降低駕駛員長時間在隧道內行駛的疲勞，每座隧道洞內共設三處特殊照明帶，每處特殊照明區(qū)段長150m，寬20.9m(隧道標準寬:10.5m)，高11.9m(隧道標準高:7.6m)。1我國公路隧道建設基本情況第12頁/共140頁1我國公路隧道建設基本情況

秦嶺，是黃河與長江兩大水系的分水嶺；終南山隧道，打通了這一天然屏障，實現了南北交通，其意義重大，令國人驕傲。其工程浩大、技術復雜，令國際注目。2007年10月，出席全國公路隧道學術大會的220多位隧道工作者在考察該隧道后，稱它為“人類文明的偉大作品世界交通的重大工程”。第13頁/共140頁南側業(yè)主單位：陜西秦嶺終南山公路隧道有限公司主要設計單位：中鐵第一勘察設計院重慶交通科研設計院主要施工單位：中鐵一局、五局、十二局、十八局等主要科研單位：陜西省公路局重慶交通科研設計院長安大學西南交通大學等秦嶺終南山隧道采用了當今山嶺隧道建設的最新技術,是全世界工程技術人員智慧的結晶第14頁/共140頁廈門翔安隧道地質縱剖面圖1我國公路隧道建設基本情況▇

廈門翔安隧道——我國第一座鉆爆法開挖的六車道海底公路隧道，工程中遇到大量軟弱地層和風化槽(囊)，采取了超前預注漿加固、CRD、雙側壁導坑等多種工法，目前工程進展較為順利。隧道長5960m。為通風與防災，采取豎井送排式縱向通風方式，在淺海區(qū)域設置二座換風豎井。第15頁/共140頁主隧道換風豎井避難通道服務隧道排風道排煙道1我國公路隧道建設基本情況廈門翔安隧道主要構成示意圖第16頁/共140頁第17頁/共140頁1我國公路隧道建設基本情況進口——隧道由地表軟弱地層逐步進入海底主隧道服務隧道第18頁/共140頁隧道進口——采用CRD工法控制圍巖變形1我國公路隧道建設基本情況第19頁/共140頁1我國公路隧道建設基本情況主隧道洞身——采用雙側壁導坑法開挖和支護業(yè)主單位：廈門路橋有限公司設計單位：中交第二公路勘察設計院重慶交通科研設計院施工單位：中鐵隧道局、十八局、中鐵一局、二十二局等科研單位：北京交通大學等第20頁/共140頁▇

廈門萬石山地下立交隧道——為目前我國第一座大型暗挖地下互通式立交，既有平面分岔結構，又有上下交叉結構。1我國公路隧道建設基本情況大跨結構段寬25.8m連拱段為不對稱結構小凈距段中夾巖1.42m第21頁/共140頁

匝道匯合處的大跨隧道的斷面沒有采用常規(guī)的喇叭口式漸變結構，而是以一側邊墻為基準，采用單側分段擴大的結構型式，并逐漸過渡至連拱隧道和小凈距隧道，最后過渡至正常的分離式隧道。1我國公路隧道建設基本情況第22頁/共140頁隧道立交處施工方法——先開挖上行隧道至設計開挖線，施作完成初期支護，再開挖隧道下穿段，澆注下穿隧道二次襯砌，設防水板并回填后，最后澆注上行隧道邊梁及二次襯砌。1我國公路隧道建設基本情況業(yè)主單位：廈門路橋有限公司設計單位：重慶交通科研設計院施工單位：中鐵隧道局等第23頁/共140頁▇

上海崇明長江隧道——上海長江隧橋工程全長25.5km，為六車道高速公路，采用“南隧北橋”方案，是世界上最大的隧橋結合工程之一，南側長江隧道長2×8955m。長江大橋1我國公路隧道建設基本情況第24頁/共140頁第25頁/共140頁

上海長江盾構隧道直徑為15m，內徑13.7m，盾構隧道段長7.47Km，是世界上最大直徑的盾構隧道，也是世界上最長的水底隧道之一。隧道內上部為公路，下部為軌道和避難通道。1我國公路隧道建設基本情況第26頁/共140頁1我國公路隧道建設基本情況上海長江盾構隧道進口第27頁/共140頁1我國公路隧道建設基本情況養(yǎng)生中的盾構管片第28頁/共140頁施工中的上海長江隧道第29頁/共140頁22、環(huán)保型隧道建設技術研究與實踐第30頁/共140頁前置式洞口工法的開發(fā)與應用Advancedtunnelentranceconstructionmethodandtheapplication蔣樹屏重慶交通科研設計院常務副院長兼總工程師交通部專家委員會委員、博士、博士生導師中國公路學會隧道工程分會理事長中國土木工程學會隧道與地下分會副理事長第31頁/共140頁1問題的提出《規(guī)范》：7.1.2隧道應遵循“早進洞、晚出洞”的原則，不得大挖大刷，確保邊坡及仰坡的穩(wěn)定。7.1.4洞門設計應與自然環(huán)境相協(xié)調。保證隧道洞口山體穩(wěn)定保護隧道洞口自然環(huán)境2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第32頁/共140頁7.2.1洞口的邊坡及仰坡必須保證穩(wěn)定。有條件時，應貼壁進洞；條件限制時，邊坡及仰坡的設計開挖最大高度可按表7.2.1控制。

表7.2.1洞口邊、仰坡控制高度注：設計開挖高度系從路基邊緣算起。圍巖分級I～ⅡⅢⅣV～Ⅵ邊、仰坡率貼壁1:0.31:0.51:0.51:0.751:0.751:11:1.251:1.25L:1.5高度(m)15202520251518201518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。日本道路公團《隧道設計要領》：

2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第33頁/共140頁兩洞間的土埂被挖切“土埂”部壁2采用傳統(tǒng)施工方法的設計與施工2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第34頁/共140頁20m以上采用傳統(tǒng)施工方法的設計與施工實例2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第35頁/共140頁2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第36頁/共140頁2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第37頁/共140頁兩洞間的土埂被挖切2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第38頁/共140頁普通の施工法では、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。傳統(tǒng)拉槽2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第39頁/共140頁噴射混凝土１２m實際工程情況2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第40頁/共140頁保留兩洞間的土埂3采用“前置式洞口工法”的設計與施工2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第41頁/共140頁前置式洞口工法原理圖2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第42頁/共140頁右洞施工槽開挖前置式洞口工法原理第43頁/共140頁右洞施工槽噴錨支護第44頁/共140頁右洞前置支護鋼拱架架立第45頁/共140頁右洞前置支護砼澆注第46頁/共140頁右洞回填第47頁/共140頁第48頁/共140頁左洞施工槽開挖第49頁/共140頁左洞施工槽噴錨支護第50頁/共140頁左洞前置支護鋼拱架架立第51頁/共140頁左洞前置支護砼澆注第52頁/共140頁左洞回填第53頁/共140頁左洞前置支護內開挖第54頁/共140頁右洞襯砌第55頁/共140頁左洞襯砌第56頁/共140頁?力學模型建立及有限元網格劃分

橫向范圍（X方向）：分別以左、右隧道中心軸線向左、右延伸42m，總的水平計算范圍為122m；

隧道縱向范圍（Y方向）：以面向隧道洞內方向為正向，自前置式支護起點向洞內延伸70m；

豎向（Z方向）：上取至原地面線頂部，按地表標高資料布線，向下取至隧道中心水平軸以下40m。

地表土層厚約2.3m，以下為強風化灰?guī)r厚約5.5m，再以下為弱風化灰?guī)r。前置式洞口支護結構為鋼拱架澆注混凝土厚度30cm，施工槽側面、正面（10~15cm）及洞內支護結構（20cm）為噴錨支護。4洞口巖體力學狀態(tài)三維數值模擬與比較分析2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第57頁/共140頁?荷載：自重。?單元劃分：巖土采用三角錐四節(jié)點實體單元模擬、錨桿采用植入式桁架單元、工字鋼采用梁單元、噴射混凝土采用板單元分別進行模擬，巖土體采用彈塑性分析，選用D-P模型，屈服面采用摩爾-庫侖等面積圓。?邊界條件：計算模型的左、右邊界只有橫向約束（X方向），隧道前后邊界只縱向約束（Y方向），上部為自由面，下部只有豎直方向約束（Z方向）。?傳統(tǒng)工法洞口模型共劃分154740個單元，前置式洞口工法模型共劃分160349個單元。

2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第58頁/共140頁彈性模量E泊松比μ厚度容重γ粘結力c內摩擦角φ土層10MPa0.352.3m1700KG/m310KPa19.86°強風化灰?guī)r0.5GPa0.35.5m2200KG/m350KPa30°弱風化灰?guī)r5GPa0.252500KG/m31.2MPa38°錨桿彈性模量E長度半徑r210GPa3.5m11mm洞內噴射砼彈性模量E泊松比μ厚度20GPa0.1670.3m鋼拱架噴射砼折算彈性模量E泊松比μ厚度35.6GPa0.1670.3m邊仰坡噴砼彈性模量E泊松比μ厚度20GPa0.1670.15m2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第59頁/共140頁傳統(tǒng)施工方法的模型“前置式洞口工法”的模型2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第60頁/共140頁傳統(tǒng)施工方法的位移?

Y方向位移比較

“前置式洞口工法”的位移2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第61頁/共140頁采用不同工法進行洞口開挖施工引起的位移值施工方法Y方向位移（DYmm）Z方向位移（DZmm）DY≥6mm的單元占有率（%）DZ≥3mm的單元占有率（%）傳統(tǒng)工法-8.7~0.18-3.6~2.325.4%3.7%前置式洞口工法單洞開挖-7.7~0-3.5~1.75.6%0.8%前置式洞口工法雙洞開挖-7.8~0-3.5~1.99%0.8%2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第62頁/共140頁?應力場的比較傳統(tǒng)工法仰坡面處出現的拉應力區(qū)域，在前置式洞口工法保留的中間土埂的支撐作用下，顯然已經消失了，因此在施工過程中為防止仰坡失穩(wěn)，前置式洞口工法所需要的支護參數也遠小于傳統(tǒng)工法。施工方法最大拉應力（KPa）最大壓應力（KPa）拉應力≥10KPa的單元占有率（%）傳統(tǒng)工法481.63.7%前置式洞口工法371.30.2~0.3%2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第63頁/共140頁5前置式洞口工法的施工過程三維數值模擬

主要包括洞口段27個施工步驟：第1步，進行自重應力場計算；第2步，左隧道施工槽開挖；第3步，左隧道邊仰坡錨噴支護；第4步，左隧道前置支護施工；第5步，左隧道洞口回填；第6步，左隧道前置支護內開挖；第7~11步，右隧道洞口施工（同左隧道第2~6步）；第12~19步，左隧道暗洞內開挖、支護，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前置式洞口工法的開發(fā)與應用第64頁/共140頁

前置式洞口工法施工過程有限元，共分202391個單元。2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第65頁/共140頁?位移場①拱頂沉降（豎向位移DZ）從計算結果中可以看出，拱頂沉降值不大，暗洞拱頂最大值不超過6mm，前置支護最外端拱頂最大值1.94cm。拱頂位置沉降量最大，而拱頂兩側沉降量相對較小。前置支護最外端拱頂沉降約2cm，自前置支護施作完成時就已發(fā)生，說明該沉降主要由結構自重引起，受暗洞施工影響很??；前置支護與暗洞交界處拱頂沉降值不超過6mm，遠小于外端拱頂沉降，說明洞口暗洞段豎向荷載很小，水平荷載對前置支護結構的約束作用明顯，因此前置支護結構施作后應盡快進行回填。2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第66頁/共140頁拱頂沉降位移分布及其隨施工過程變化2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第67頁/共140頁②縱向（Y方向）位移前置支護施工槽開挖仰坡頂面處縱向位移最大約9mm，洞口前置支護施工槽兩側處及兩洞之間縱向位移均不超過5mm，說明前置支護結構及兩洞間土體對洞口山體起到了非常明顯的支撐作用。前置支護最外端拱頂縱向位移隨施工過程逐步減小，但位移量變化不大，說明仰坡面山體的縱向下推力很小，處于穩(wěn)定狀態(tài)。2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第68頁/共140頁?

巖體應力場

隧道明、暗洞交界處（Y=-8m）斷面應力隨施工過程變化情況模擬結果表明，洞口前置式支護回填后未進行支護內開挖時，在支護拱腰部位回填土體較大范圍內出現拉應力區(qū)，且最大拉應力值超過10KPa；自前置支護內土體開挖后，最大拉應力值降至10KPa以內，直至暗洞施工支護4m，拱腰部回填土拉應力值及拉應力區(qū)域均逐步減小為0；進入暗洞4m后，后續(xù)施工對該斷面的應力及位移幾乎沒有影響。同時，在前置支護拱部回填土邊緣始終處于0~10KPa的拉應力狀態(tài)，其余部位均處于壓應力狀態(tài)（圖a~i）。2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第69頁/共140頁第4步，左隧道前置支護施工第5步，左隧道前置支護回填第6步，左隧道前置支護內開挖第12步，左隧道暗洞開挖2m第13步，左隧道暗洞支護2m第14步，左隧道暗洞開挖4m第15步，左隧道暗洞支護4m第16步，左隧道暗洞開挖6m第18步，左隧道暗洞開挖8m第70頁/共140頁?

前置支護與暗洞支護應力前置支護最外端拱頂內側出現最大拉應力約3.0MPa，其余大部分拱部位置拉應力值在1.4~2.2MPa之間；壓應力最大值為4.8MPa，出現在起拱線部位內側；待前置支護回填后，最大支護拉、壓應力均有所降低，分別為2.7MPa和4.3MPa；此后的暗洞施工對支護應力影響很小，其最大拉、壓應力分別穩(wěn)定在2.7MPa和4.4MPa。2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第71頁/共140頁前置式支護施工后前支護應力分布圖回填后支護應力分布圖暗洞開挖支護2m時支護應力分布圖暗洞開挖支護8m時支護應力分布圖第72頁/共140頁6隧道洞口穩(wěn)定監(jiān)控量測

在老山1號隧道出口前置洞口施工中，在洞口邊仰坡開挖時及前置支護施工時埋設測樁、應力計、鋼筋計、錨桿軸力計、多點位移計等傳感器，通過監(jiān)測兩側邊坡及仰坡相對變形，錨桿軸力，混凝土內應力和型鋼拱軸力，了解邊坡的穩(wěn)定性和前置支護的安全性。測點布置形式如下圖。第73頁/共140頁量測點布置情況現場計測によって前置き坑口の安定性を調べます（1號トンネルの出口）。その計測の結果は次の通りです。地中変位0.8mm以下ロックボルト軸力10KNコン基礎の內力1MPa以下アーチ工沈下量10mm以下內空変位2mm以下鋼アーチの內力60KN第74頁/共140頁?

現場監(jiān)測結果與數值模擬結果對比監(jiān)測項目監(jiān)測值數值模擬值拱頂沉降（mm）106周邊收斂（mm）41混凝土內部應力（MPa）-0.8-1.3鋼支撐內力（KN）60—支護基底應力（MPa）0.10.55錨桿軸力（KN）8.58邊坡圍巖內部位移（mm）0.80.82現場監(jiān)測結果與數值模擬結果對比列表第75頁/共140頁7.設計2前置式洞口工法的開發(fā)與應用第76頁/共140頁8前置式洞口工法的實施效果第77頁/共140頁第78頁/共140頁20~60cm第79頁/共140頁完成第80頁/共140頁完成第81頁/共140頁第82頁/共140頁噴射混凝土１２m實際工程情況第83頁/共140頁完成第84頁/共140頁

減少邊仰坡開挖面積2362m2，減少洞口土石方工程數量6480m3，少砍伐老山樹木1575棵

，原生灌木7086株。第85頁/共140頁?

首次開發(fā)了公路隧道前置式洞口工法，并對傳統(tǒng)施工方法與前置式洞口工法進行了數值模擬分析，通過對兩種施工方法所產生的位移場、應力場與穩(wěn)定性等的綜合比較，為前置式洞口工法在環(huán)保及洞口仰坡穩(wěn)定方面的優(yōu)越性提供了理論依據。?

通過前置式洞口工法施工過程三維數值模擬與現場量測，提出了前置式洞口工法的合理施工步序、施工關鍵點及工程措施，并在依托工程中實施，獲得成功。9歸納與創(chuàng)新第86頁/共140頁33、隧道監(jiān)控量測及圍巖分級技術創(chuàng)新第87頁/共140頁隧道圍巖坍塌具有隨機性模糊性不可預見性隧道開挖圍巖松動圍巖坍塌加固處治怎樣預測，合理開挖，防止坍塌？現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第88頁/共140頁經驗判斷隧道圍巖穩(wěn)定分析及處治的技術路線隧道支護、襯砌設計隧道開挖施工圍巖支護變形監(jiān)測內空收斂量拱頂下沉量錨桿軸力錨桿拉拔力襯砌應力地表下沉量鋼支撐應力

非確定性反分析基于擴張卡爾曼濾波器與有限元法耦合算法（Ｆ-FEM）的反分析最終初始應力參數的預測方法隧道圍巖塑性區(qū)估計歷時變化預測圍巖體坍塌修正開挖方案修正支護結構參數現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第89頁/共140頁2.量測方法與工具問題2345671現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第90頁/共140頁監(jiān)測的項目、頻率選擇項目、采集數據頻率現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第91頁/共140頁A型量測斷面測點位置（選測項目）現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第92頁/共140頁第93頁/共140頁第94頁/共140頁隧道邊墻部收斂量測圍巖內部位移的量測現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第95頁/共140頁圍巖與噴射混凝土間接觸壓力壓力盒、應力計、鋼支撐應力計、埋設錨桿軸力計埋設現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第96頁/共140頁現場數據采集課題組科研人員在施工現場現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第97頁/共140頁３.量測數據管理

監(jiān)控量測過程中，采集到大量數據，需要對這些數據進行管理和分析。平臺基于VB和VC語言進行開發(fā)。特點能夠方便地輸入現場監(jiān)控量測數據以及時掌子面距離等工程情況數據。能查詢、添加、修改、刪除數據，能生成應力、變形的時間、空間效應曲線，幫助圍巖分析。現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第98頁/共140頁數據管理界面現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第99頁/共140頁現場量測與量測數據管理系統(tǒng)４.量測結果的分析問題第100頁/共140頁現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第101頁/共140頁現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第102頁/共140頁現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第103頁/共140頁現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第104頁/共140頁現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第105頁/共140頁現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第106頁/共140頁現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第107頁/共140頁現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第108頁/共140頁現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第109頁/共140頁現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第110頁/共140頁現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第111頁/共140頁LK77+866斷面圍巖變形圖現場量測與量測數據管理系統(tǒng)第112頁/共140頁隧道開挖５.反分析數值計算問題

隧道地層中存在大量的不確定性地質信息：

材料性質的不確定性

本構模型的不確定性第113頁/共140頁總體思路思想基礎

圍巖變形是必然的，但變形多少則是隨機的；

圍巖變形過程是一種隨機過程；

圍巖初始應力和材料彈模等參數（發(fā)射信號）與圍巖變形觀測量（接受信號）之間關系是一個隨機系統(tǒng)。捕獲圍巖非確定性動態(tài)過程，就能揭示地下工程開挖中圍巖體動態(tài)的真實。基本手法現代最優(yōu)控制估計理論之一的卡爾曼濾波器，具有修正-預測，吐故納新，不斷產生待估參數濾波新息之功能；有限元分析具有迭代計算功能，并能反映整個圍巖場域問題。采用卡爾曼濾波器與有限元分析相結合，建立擴張卡爾曼濾波器有限元法設計模型可以解決非確定性動態(tài)問題。非確定性反分析第114頁/共140頁卡爾曼濾波器卡爾曼濾波器是現代控制理論的重要內容。

濾波的類型

Wiener—恒定時序列、無限時間觀測

Kalman，Bucy—采用狀態(tài)空間法、正交投影理論，提出新的濾波算法、有限時間觀測

卡爾曼濾波器的理論基礎

馬爾科夫型隨機過程

馬爾科夫-高斯聯合概率分布

貝葉斯最優(yōu)估計非確定性反分析第115頁/共140頁

卡爾曼濾波器的類型

連續(xù)時間濾波器

離散時間濾波器

卡爾曼濾波器的特點

修正—推優(yōu)—預測

卡爾曼濾波器的應用

宇宙工程、控制工程、通訊工程、土木工程、

...理論曲線實際飛行曲線非確定性反分析第116頁/共140頁圍巖初期位移量測結果非確定性反演計算臨時初始應力及材料彈性模量預測計算分析圍巖最終初始應力及材料彈性模量正演計算最終位移狀態(tài)最大剪應變分布圍巖穩(wěn)定分析、坍塌預測工程預防措施(支護形式與開挖步驟等)非確定性反分析第117頁/共140頁初始條件：1.輸入T0時刻的觀測位移量Zj

2.確定性反分析計算(考慮初始應變ε0作用)3.設定初始估計誤差協(xié)方差P0(t0)、觀測次數KAI濾波次ITT=1序貫數J=1FEM計算狀態(tài)量的向量函數

影響系數法計算觀測矩陣計算卡爾曼濾波增益矩陣計算增益預測殘差、圍巖狀態(tài)新息量計算估計誤差協(xié)方差矩陣J≥IRTFEM順解析隧道圍巖全域(u、ε、γmax)ITT及塑性區(qū)估計輸入序貫數J=J+1的觀測分量ITT≥KAI結束輸入濾波次ITT+1的觀測量z(ITT+1)設計觀測噪音協(xié)方差矩陣RITT(j×j)U-D協(xié)方差分解算法非確定性反分析第118頁/共140頁開挖后第2天第119頁/共140頁第4天第120頁/共140頁第5天第121頁/共140頁第10天第122頁/共140頁第15天第123頁/共140頁第20天第124頁/共140頁第25天第125頁/共140頁第30天第126頁/共140頁第35天第127頁/共140頁第40天第128頁/共140頁第50天第129頁/共140頁第60天第130頁/共140頁監(jiān)控量測與反分析和施工現場動態(tài)圍巖分級第131頁/共140頁隧道支護、襯砌設計隧道開挖施工圍巖支護變形監(jiān)測內空收斂量拱頂下沉量錨桿軸力錨桿拉拔力襯砌應力地表下沉量鋼支撐應力

非確定性反分析預測圍巖體坍塌修正開挖方案修正支護結構參數圍巖動態(tài)分級動態(tài)隧道圍巖穩(wěn)定分析及處治的技術路線第132頁/共140頁基于監(jiān)控量測與反分析的隧道動態(tài)圍巖分級流程圖隧道圍巖的初步分級:BQ=90+3RC+250KVRC:巖石飽和抗壓強度,應采用實測值,也可實測的巖石點荷載指數的換算值

KV

:巖體完整性系數,可用巖體體積節(jié)理（Jv）,按規(guī)范表1確定