中国公路隧道技术的现状与发展

中国公路隧道技术的现状与发展

中国公路隧道技术的现状与发展 —— 更加安全、快捷、环保、节约 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 咱们共同讨论 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 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： 1 我国公路隧道建设基本情况 总里程 同比增长 公路 358.37 万公里 3.67% 等级公路 253.54 万公里 11.06% 高速公路 5.39 万公里 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 环保，正深入人心 用地，将更加节约 表明 : 我国大陆特长公路隧道 No. 隧道名 长度 (m) 位置 车道 通风方式 1 秦岭终南山隧道 18020 陝西 2×2 3 竖井分段纵向式 2 大坪里隧道 12290 甘 肃 2×2 2 竖井分段纵向式 3 包家山 隧道 11500 陝西 2×2 3 斜井分段纵向式 4 宝塔山隧道 10391 山西 2x2 竖斜井送排式纵向通风 5 泥巴山隧道 9985 四川 2x2 斜井 + 竖井分段纵向式 6 麻崖子隧道 9000 甘肃 2x2 斜竖井 送排 + 射流风机纵向 7 龙潭隧道 8700 湖北 2×2 立坑送排 + 射流风机纵向式 8 米溪梁隧道 7923 陕西 2×2 左 ( 右 ) 洞单井送排式通风 9 括苍山隧道 7930 浙江 2×2 纵向式 + 半横流式 ( 排煙 ) 1 0 方斗山隧道 7581 重庆 2×2 2 座斜井送排式纵向通风 1 我国公路山岭隧道建设情况 No. 隧道名 长度 (m) 位置 车道 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 ×2 横向式 3 　 武汉长江隧道 ( 盾构 ) 3630 湖北 2 × 2 横向式 4 　 上中路 隧道 （ 盾构 ） 2800 上海 2×2 横 向 式（ 双层双向 ） 5 　 复兴东路隧道 盾构 ） 2785 上海 3×2 横 向 式（ 双层双向 ） 6 　 南京玄武湖隧道 ( 盾构 ) 2660 南京 3×2 　 7 　 大连路隧道 ( 盾构 ) 2566 上海 2×2 横向式 8 　 外环越江隧道 ( 沉管 ) 2882 上海 4×2 纵向式 9 　 珠江 隧道 ( 沉管 ) 1238 广东 3+3 纵向式（道路、铁道并用） 10 　 宁波常洪 隧道 ( 沉管 ) 1053 浙江 2×1 纵向式 我国主要水下公路隧道 1 我国公路隧道建设基本情况 No. 隧道名 长度 (m) 位置 车道数 x 隧道洞数 1 白鹤嘴隧道 1240 重庆 4x2 2 龙头山隧道 1020 广东 4×2 3 万石山隧道 1170 福建 最宽处 25.89m 的地下立交 4 大阁山隧道 496 贵州 4× 1 5 金州隧道 521 辽宁 4× 1 6 雅宝隧道 260 广东 4×2 7 金鸡山隧道 200 福建 4×2( 连拱 ) 8 罗汉山隧道 300 福建 4×2( 连拱 ) 9 魁岐隧道 1596.1 福建 最宽处 27. 42 m 的地下立交 我国大跨径公路隧道 1 我国公路隧道建设基本情况 公路隧道标准断面 1 我国公路隧道建设基本情况 2 车道 　 A=65m 2 高宽比 =0.67 3 车道 　 A=96m 2 高宽比 =0.54 4 车道 　 A=136m 2 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） 连拱隧道 ( 南峰 ) 小净距隧道（福建联南） 双洞 8 车道隧道 （深圳雅宝） 秦岭北口 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 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 11.5 m ，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； 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 20.9 m ( 隧道标准宽 : 10.5 m ) ，高 11.9 m ( 隧道标准高 :7.6 m ) 。 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 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”。 南侧 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 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 —— 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。 主隧道 换风竖井 避难通道 服务隧道 排风道 排烟道 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 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 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 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 ▇ 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。 1 我国公路隧道建设基本情况 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 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。 1 我国公路隧道建设基本情况 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 ▇ 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 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 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 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 注：设计开挖高度系从路基边缘算起。 围岩分级 I ～ Ⅱ Ⅲ Ⅳ V ～ Ⅵ 边、仰坡率 贴壁 1:0.3 1:0.5 1:0.5 1:0.75 1:0.75 1:1 1:1.25 1:1.25 L:1.5 高度 (m) 15 20 25 20 25 15 18 20 15 18 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。 日本道路公团 《 隧道设计要领 》 ： 2 前置式洞口工法的开发与应用 两洞间的土埂被挖切 “土 埂 ”部 壁 2 采用传统施工方法的设计与施工 2 前置式洞口工法的开发与应用 20m 以上 采用传统施工方法的设计与施工 实 例 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 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。 传统拉槽 2 前置式洞口工法的开发与应用 喷射混凝土 １２ m 实际工程情况 2 前置式洞口工法的开发与应用 保留两洞间的土埂 3 采用 “前置式洞口工法”的设计与施工 2 前置式洞口工法的开发与应用 前置式洞口工法原理图 2 前置式洞口工法的开发与应用 右洞施工槽开挖 前置式洞口工法原理 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 ▣ 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。 4 洞口岩体力学状态三维数值模拟与比较分析 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 E 泊松比 μ 厚度 容重 γ 粘结力 c 内摩擦角 φ 土层 10MPa 0.35 2.3m 1700KG/m 3 10KPa 19.86° 强风化灰岩 0.5GPa 0.3 5.5m 2200KG/m 3 50KPa 30° 弱风化灰岩 5GPa 0.25 2500KG/m 3 1.2MPa 38° 锚杆 弹性模量 E 长度 半径 r 210GPa 3.5m 11mm 洞内喷射砼 弹性模量 E 泊松比 μ 厚度 20GPa 0.167 0.3m 钢拱架 喷射砼 折算弹性模量 E 泊松比 μ 厚度 35.6GPa 0.167 0.3m 边仰坡喷砼 弹性模量 E 泊松比 μ 厚度 20GPa 0.167 0.15m 2 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 传统施工方法的位移 ▣ Y 方向位移比较 “ 前置式洞口工法 ” 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 Y 方向位移 （ DY mm ） Z 方向位移 （ DZ mm ） DY ≥6mm 的单元占有率（ % ） DZ ≥3mm 的单元占有率（ % ） 传统工法 -8.7~0.18 -3.6~2.3 25.4 % 3.7% 前置式洞口工法单洞开挖 -7.7~0 -3.5~1.7 5.6% 0.8% 前置式洞口工法双洞开挖 -7.8~0 -3.5~1.9 9% 0.8% 2 前置式洞口工法的开发与应用 ▣ 应力场的比较 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。 施工方法 最大拉应力 （ KPa ） 最大压应力 （ KPa ） 拉应力 ≥ 10KPa 的单元占有率（ % ） 传统工法 48 1.6 3.7% 前置式洞口工法 37 1.3 0.2~0.3 % 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。 2 前置式洞口工法的开发与应用 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 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。 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 ）。 2 前置式洞口工法的开发与应用 第 4 步，左隧道前置支护施工 第 5 步，左隧道前置支护回填 第 6 步，左隧道前置支护内开挖 第 12 步，左隧道暗洞开挖 2m 第 13 步，左隧道暗洞支护 2m 第 14 步，左隧道暗洞开挖 4m 第 15 步，左隧道暗洞支护 4m 第 16 步，左隧道暗洞开挖 6m 第 18 步，左隧道暗洞开挖 8m ▣ 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 。 2 前置式洞口工法的开发与应用 前置式支护施工后前支护应力分布图 回填后支护应力分布图 暗洞开挖支护 2m 时支护应力分布图 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 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。 地中変位 0.8 mm 以下 ロックボルト軸力 10 KN コン基礎の内力 1 MPa 以下　　 アーチ工沈下量 10 mm 以下 内空変位 2 mm 以下 鋼アーチの内力 60 KN ▣ 现场监测结果与数值模拟结果对比 监测 项目 监测值 数值模拟值 拱顶沉降（ mm ） 10 6 周边收敛（ mm ） 4 1 混凝土内部应力（ MPa ） -0.8 -1.3 钢支撑内力（ KN ） 60 — 支护基底应力（ MPa ） 0.1 0.55 锚杆轴力（ KN ） 8.5 8 边坡围岩内部位移（ mm ） 0.8 0.82 现场监测结果与数值模拟结果对比列表 7 . 　設計 2 前置式洞口工法的开发与应用 8 前置式洞口工法的实施效果 20~60cm 完成 完成 喷射混凝土 １２ m 实际工程情况 完成 减少边仰坡开挖面积 2362m 2 ，减少洞口土石方工程数量 6480m 3 ，少砍伐老山树木 1575 棵 ，原生灌木 7086 株。 ▣ 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。 9 归纳与创新 3 3、 隧道监控量测及围岩分级技术创新 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 经验判断 隧道 围岩稳定分析及处治的技术路线 隧道支护、衬砌设计 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 （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  预测围岩体坍塌  修正 开挖 方案 修正支护结构 参数 现场量测与量测数据管理系统 2. 量测方法与工具问题 2 3 4 5 6 7 1 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 现场量测与量测数据管理系统 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 隧道边墙部收敛量测 围岩内部位移的量测 现场量测与量测数据管理系统 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 锚杆轴力计埋设 现场量测与量测数据管理系统 现场数据采集 课题组科研人员在施工现场 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 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 LK77+866 断面围岩变形图 现场量测与量测数据管理系统 隧道开挖 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 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 T 0 时刻的观测位移量 Z j 2. 确定性反分析计算 ( 考虑初始应变 ε 0 作用 ) 3. 设定初始估计误差协方差 P 0 ( t 0 ) 、 观测次数 KAI 滤波次 ITT =1 序贯数 J =1 F E M 计算状态量的向量函数 影响系数法计算观测矩阵 计算卡尔曼滤波增益矩阵 计算增益预测残差、 围岩状态新息量 计算估计误差协方差矩阵 J ≥ IRT F E M 顺 解 析 隧道围岩全域 ( u 、 ε 、 γ max ) ITT 及 塑性区估计 输入序贯数 J = J +1 的 观测分量 ITT ≥ KAI 结 束 输入滤波次 ITT +1 的 观测量 z ( ITT +1 ) 设计观测噪音 协方差矩阵 R ITT ( j × j ) U - D 协方差分解算法 非确定性反分析 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 隧道支护、衬砌设计 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  预测围岩体坍塌  修正 开挖 方案 修正支护结构 参数 围岩 动态 分级 动态隧道围岩稳定分析及处治的技术路线 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+3 R C +250 K V R C : 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 K V : 岩体完整性系数 , 可用岩体体积节理（ J v ） , 按规范 表 1 确定 围岩的详细定级 : ［ BQ ］ = BQ -100 （ K 1 + K 2 + K 3 ） K 1 : 地下水影响修正系数 , 可通过现场量测 , 结合 表 2 确定 K 3 : 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 K 2 : 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 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 J V ( 条 /m³) <3 3 ～ 10 10 ～ 20 20 ～ 35 >35 K V >0.75 0.75 ～ 0.55 0.55 ～ 0.35 0.35 ～ 0.15 <0.15 表 1 J V 与 K V 对照表 注：可通过现场测出岩体节理 BQ 地下水状态 >450 450 ～ 351 350 ～ 250 ≤250 潮湿或点滴状出水 0 0.1 0.2 ～ 0.3 0.4 ～ 0.6 淋雨状或涌流状出水 , 水压≤ 0.1MPa 或单位出水量≤ 10L/min.m 0.1 0.2 ～ 0.3 0.4 ～ 0.6 0.7 ～ 0.9 淋雨状或涌流状出水 , 水压 >0.1MPa 或单位出水量 >10L/min·m 0.2 0.4 ～ 0.6 0.7 ～ 0.9 1.0 表 2 地下水影响修正系数 K 1 注：可通过现场测出单位出水量确定 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° 结构面走向与洞轴线夹角 >60° 结构面倾角 >75° 其它组合 K 2 0.4 ～ 0.6 0 ～ 0.2 0.2 ～ 0.4 表 3 主要软弱结构面产状影响修正系数 K 2 注：相关参数可在施工现场由罗盘测出 初始地应力状态 主要现象 评估基准 ( R C / σ max ) 极高应力 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 < 4 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 高应力 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 4 ～ 7 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 表 4 初始地应力状态评估 注：初始地应力可通过非确定性反分析求出 BQ 初始 应力状态 >550 550~451 450~351 350~51 ≤250 极高应力区 1.0 1.0 1.0 ～ 1.5 1.0 ～ 1.5 1.0 高应力区 0.5 0.5 0.5 0.5 ～ 1.0 0.5 ～ 1.0 表 5 初始应力状态影响修正系数 K 3 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！