第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
矿山法由于施工简便、灵活，在山岭隧道、地铁隧道、地下综合管廊等都得到了广泛的应用，其断面形式有很多种，包括单跨、多跨、双连拱、多连拱等。矿山法开挖得到的隧道是一个细长的结构，支护由超前支护、初期支护、二次衬砌组成，各部分功能分别是：超前支护主要负责控制掌子面前土体的位移，同时也控制掌子面附近结构位移。初期支护在土体开挖后立即施作，此时，围岩释放一部分应力，初期支护负责承受围岩荷载、变形，避免围岩应力变形的过度释放。二次衬砌施工在初期支护和围岩变形稳定之后，具有一定的加固作用，使结构达到最佳的受力状态，在支护中起到一定的安全储备的作用。上述各部分支护协同作用，共同构成受力整体，保证隧道的稳定性。
传统的矿山法从土方开挖至施作支护结构过程中，人工作业较多，1 个循环进尺约为 0.5m，施工效率慢，工人劳动强度大，为解决这一问题，代替人工开挖，提高隧道施工机械化、自动化，矿山法机械开挖亟待提上日程[1]。矿山法机械化施工相比人工效率大大提升，也能很大程度上的减少劳动力消耗[2-3]，但也存在诸多问题，循环进尺大大提升时，相应的支护体系也应重新考虑：（1）传统人工开挖采用的是小进尺开挖，虽然进度慢，但对围岩扰动小，坍塌风险较小，却不能充分发挥矿山法机械开挖的掘进效率，在提升开挖进尺的情况下，需要综合考虑地层变形、支护结构应力以及对支护时机等的影响，选取合理的开挖进尺，并针对现有支护结构的优化提供优化建议。（2）目前针对支护结构的设计与施工很大程度上依赖于施工经验，在对支护结构进行优化时，很多参数的改变对结构的影响尚不明确，其主要体现在支护结构中纵向连接筋的作用及做法、钢架选型以及分节对结构质量影响这三方面，需要设置试验来明确这几方面的影响，并根据试验结果来提供优化建议。（3）矿山法机械开挖实际施工管理过度的依赖于现场施工人员管理，实际施工管理时，存在滞后性，针对施工进度缓慢时，此种管理方式可以胜任，但在采用矿山法机械化施工法时，施工效率快，管理人员管控难度将会加大，目前 BIM 技术的推广，为施工管理提供了很多便利，它的进度可视化、工程计量统计等功能都对矿山法机械化施工工法的管理有着很大助力，因此需要引入 BIM 技术来方便施工管理。
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1.2 国内外研究现状及存在问题
1.2.1 国内外研究现状
1.2.1.1 隧道围岩与支护结构作用关系研究现状
隧道工程不同于地上工程，地下建筑由于埋置在土体中还受到围岩荷载的作用，这就导致支护与围岩相互作用共同构成一个受力整体，所以在地下工程的研究中，保证围岩稳定性、围岩与支护结构间的相互作用、在围岩稳定下支护结构正常工作正是目前有关隧道及地下工程研究的基本问题。
本质上，隧道及地下工程所做就是在地下开挖一个空间，以此来满足人们各种需求，但在挖掘过程中，会破坏围岩长期以来的稳定状态，使其发生应力重分配以及围岩变形，达到新的平衡。然而，为了达到这种新的平衡，围岩在有些开挖过程中可以通过自稳达到，有些围岩由于在开挖过程中，对围岩扰动过大，难以实现自稳，在开挖过程中有坍塌的风险，因此在围岩变形过程中进行干预，这便构成了隧道工程学科的核心内容。
为了能对围岩与支护间的相互作用进一步阐述，下面将用如图 1-1 所示围岩与支护特性曲线来表示。图 1-1 中，曲线 1 表示围岩特性曲线，曲线 2 表示支护结构的支护特性曲线。在矿山法隧道中，支护都是在开挖一段时间后才施作，在此阶段围岩应力及变形自由释放。当开始施作支护结构后，支护逐渐发挥作用，最终支护特性曲线与围岩特性曲线交于 A 点，支护力与围岩压力二者达到平衡状态，
A 点对应的纵坐标表示平衡状态下的围岩压力，其对应的横坐标表示平衡状态下的围岩的最终位移。对于支护来说，
若能在围岩最终变形可接受范围内提供最小的支护力就能达到平衡，一定是最佳的方案，所以在图 1-1 中，围岩特性曲线的最低点附近的 A 就是最佳的平衡点，曲线 2 表示为最佳的支护设置方案。如果再考虑时间，可如下表示：曲线 3 表示的隧道洞室位移ru 随时间变化的发展规律，第一阶段对应无支护变形较快阶段；第二、三阶段分别对应初期支护施作后洞壁位移发展变慢、支护形成闭环后支护力与围岩压力平衡位移发展趋于平缓。到第四阶段时，位移稳定不再增长。
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第 2 章 矿山法机械开挖循环进尺分析研究
2.1 前言
传统的矿山法开挖支护，一个作业循环的施工进尺常设置在 0.5m，施工效率低下，只能匹配传统人工开挖，但对机械开挖来说，该进尺不能充分发挥机械开挖的快速掘进效率。为解决这一问题，本章依托北京地铁 16 号线北安河站区间隧道，结合数值模拟分析方法，从位移及结构内力发展规律对隧道矿山法机械开挖进尺 0.5m、0.75m、1m、1.5m、2m、2.5m 情况下开展模拟对比分析，比选出一个合理的开挖进尺，并对隧道的开挖支护过程解析，分析进尺参数对隧道稳定性的影响，为后续支护优化提供建议，以此来保证隧道开挖稳定。
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2.2 工程概况
北京地铁 16 号线北安河站区间隧道埋深 12.80~11.80m。区间断面为初支二连拱形式，开挖宽度为 11.9m，开挖高度为 6.47m，该标段采用矿山法机械化施工设备进行开挖。
隧道主要穿越地层为粉土③层、粉质粘土③1 层、卵石⑤层。上层覆土主要为流塑~软塑粉土、粉质粘土及泥炭质粘土，局部为密实中粗砂，隧道开挖范围内无地下水。粉质粘土为新近沉积层，为软塑为主，局部流塑和硬塑，高压缩性。
图 2-1 为现场施工初支二联供隧道初支贯通后结构断面图，①②③④为隧道各导洞编号，施工顺序①→②→③→④。
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3.1 前言................................41
3.2 试验概况......................................41
第 4 章 工程应用.........................................74
4.1 前言.......................................74
4.2 工程概况........................................74
第 4 章 工程应用
4.1 前言
上述章节比选出了合理的进尺为 0.75m，并对支护结构做了优化得到了合理的支护结构，本章节将依托实体工程进行验证，判断是否可推广到相关工程。传统的隧道工程的管理多依托于现场管理人员的施工经验，为能匹配机械施工的高掘进效率，本章在施工过程中引入 BIM 技术，基于 BIM 的可视化、协调与交互性、模拟性、可持续优化性等优点，对项目进行管控，改善实际施工时管理的不足。
依托工程在北京地铁 16 号线北清路西端，如图 4-1 所示。设计起点~北安河站区间，起点位于规划金山东路与北清路十字交口处东南象限的北安河车辆段西端，出北安河车辆段后，沿规划金山东路以地下方式由南向北敷设，在即将到达北清路前以 200m 半径转弯继而沿北清路路北绿地由西向东敷设，到达位于北清路路北绿地内的北安河站。本段区间在北清路路北及跨北清路段均为矿山法机械化施工。
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结论与展望
结论
传统的矿山法多采用人工作业，施工效率低下，施工风险也很大。目前，为解决这一问题，提出了矿山法机械开挖工法，大大提升了施工效率。但目前对矿山法机械开挖的进尺以及支护结构目前还没有提出合理的设计。本文基于这一问题，通过数值模拟、理论分析、室内试验、现场监控量测的方式进行了系统的研究得到了如下结论：
（1）传统的矿山法以 0.5m 进尺为一个施工循环，人工开挖日进尺最多 4 个施工循环，矿山法机械开挖可提升施工效率为原来的 1.5-2 倍，施工进尺也可大大提升，本文通过数值模拟的方式对 6 个进尺情况下的地表沉降、支护结构位移、支护应力的发展这三方面进行比对，得到了 0.75m 进尺为最佳进尺。
（2）本文通过收敛约束法，对隧道围岩支护的动态作用进行解析，分析了进尺对围岩支护作用影响、支护设计要点以及支护时机选取对支护影响，了解到在提升进尺时需要对支护进行一定程度的优化，通过 matlab 代入了收敛约束法的解析公式，计算出各个工况收敛约束法的精确解，得出在选取 0.75m 进尺时，为保证围岩稳定，需要支护结构能提升 10%的支护力，支护结构设置时机宜选取在围岩最终变形的 35%左右时设置。
（3）目前对于支护结构的设计很大程度上依赖于施工经验，在支护结构中纵向连接筋的作用、纵向连接筋做法不同造成影响、钢架形式不同对支护结构的影响、钢架节点设置对结构的影响，都没有明确，也没有具体的试验支撑，这样对于支护的优化也就无从谈起。本文模拟隧道支护结构设置试验构件，通过室内加载试验，对各类构件的力学特性进行分析，得出纵向连接筋在支护结构起到稳定型钢、促进内力传递以及承担一定荷载的作用。型钢支护的刚度要比格栅支护的刚度大，但型钢支护与混凝土的协同作用要弱于格栅支护。在支护中设置节点，会影响支护的承载能力，对型钢支护的影响要高于格栅构件，但对型钢支护的影响体现在达到一定荷载后，而对格栅支护的影响体现在全程。通过试验结果考虑，最终选定型钢插入式单排纵向连接筋间距为 1000mm 的支护，该种支护可以满足对支护的要求。
参考文献（略）