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《山东大学》 2007年
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分岔式隧道设计施工的关键技术研究

王汉鹏  
【摘要】: 由于地形条件的限制和减少工程造价的考虑,正在施工建设的沪蓉西高速公路八字岭隧道出口采用分岔式形式。分岔隧道由大拱段、连拱段、小净距段和分离段组成,设计、施工都比较复杂,本文分别采用理论分析、模型试验、数值计算的方法研究了分岔隧道设计施工中的关键技术。并采用现场监测数据进行了对比分析,证明了研究结果的正确性。 建立了隧道中墙的承载模型,针对连拱隧道的混凝土中墙和小净距隧道的岩体中墙,分别给出了中墙的极限强度表达式,最后给出了中墙的失稳判据。研究了小净距隧道中间岩墙的支护措施,当中墙埋深一定时,可以通过加固措施提高中墙的C,φ值,采用预应力贯穿锚杆增加中墙的侧向力等加固措施增加中墙的强度。 应用新型地质力学模型试验台和IBSCM相似材料对分岔隧道这种新型的隧道结构进行了研究。共做了2个模型,分别研究了分岔隧道大拱段—连拱段和连拱段—小净距段的施工全过程及其在施工过程中的受力、变形、破坏形态和模型2的超载安全度。试验结果表明,大拱段和连拱段开挖位移不大,拱顶只有4mm左右,连拱段和小间距段的最终位移为4.5-6mm之间,水平位移都较小。中墙内的压应力集中,约为6.5MPa。大拱段和连拱段过渡处最危险,连拱中墙承受较大的压力,且中墙上部产生拉应力。模型2的拱项、拱腰和中墙是隧道较易发生破坏的区域,靠近连拱段的小净距段较为危险。隧道超载安全度为3.5。 采用损伤与弹塑性耦合的方法,根据不可逆热力学原理,推导出了损伤软化破坏理论,并用VISUAL FORTRAN6.5编制了大型三维损伤弹塑性有限元D-FEM程序。它能模拟岩土工程的开挖、回填等施工过程,且具有求解速度快、群组功能、材料模型多等特点。并采用FLAC3D进行了验证,结果表明考虑岩体损伤软化后的D-FEM有限元程序计算结果更加符合岩体破坏的真实特点。 应用损伤弹塑性有限元D-FEM程序分别研究了分岔隧道连拱段直中墙、连拱段曲中墙和小净距段中墙的合理取值,研究了不同围岩类别、不同埋深对中墙宽度的影响,并对分岔隧道的施工工序进行了优化。通过分析得出如下结论:(1)直中墙隧道的稳定性比曲中墙隧道要好,连拱段隧道中墙形式易采用整体式直中墙形式。(2)八字岭分岔隧道采用左洞超前32m,左右洞同步开挖的施工工序比较合理。 提出了分岔隧道整体线型优化设计的最优化模型。根据此模型,可以得出最经济的线型。分析了分岔隧道的支护措施,并针对八字岭分岔隧道原设计提出了建议。 现场监测了分岔隧道大拱段、连拱段和小净距段等不同断面的位移、锚杆内力、钢结构内力、二次衬砌内力、中墙压力及围岩松动圈的大小。现场监测的结果与模型试验和数值计算的结果对比证明了模型试验和数值计算的正确性。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:U455

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