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原位扩建隧道围岩力学响应机理研究

彭念  
【摘要】:随着经济建设的迅速发展,交通隧道的建设迅猛增长,对公路隧道日交通量的要求也越来越高。在一些经济发达地区,双向四车道乃至双向六车道公路隧道已不能适应交通量日益增长的需求,在原有公路隧道基础上改建或新建成为双向八车道公路隧道的建设显得尤为迫切。隧道原位扩建是指在原隧道基础上将隧道断面扩大,从而形成跨度更大的公路隧道。隧道原位扩建最显著的特点是必须拆除原有隧道的支护结构,施工工序复杂,原隧道支护结构的拆除及扩挖对隧道围岩扰动较大,围岩经过的应力路径较为复杂,破坏了围岩体和原有支护结构的平衡状态,力图达到新的平衡和稳定状态,其应力和应变开始一个新的变化过程,变化的结果使得围岩应力重新分布并向扩挖的隧道空间变形。本文以福建某隧道为依托工程,结合理论分析、数值分析以及现场监测试验,旨在探究原位扩建隧道施工围岩变形特征及力学机理,进而为原位扩建隧道设计、施工、监控提供理论依据,指导高速公路隧道扩建工程的实施。进行的主要研究工作有: ①影响公路隧道围岩分级的因素有,岩石单轴饱和抗压强度、岩体完整性系数、地下水、软弱结构面产状、初始地应力状态,而对于扩建隧道,还应考虑隧道跨度。这些影响因素有定性、也有定量的,对各种定性和定量因素进行深入剖析,建立了完整的考虑隧道跨度的围岩分级模糊综合评判体系。 ②扩建隧道是非圆形的,对非圆形隧道,寻找一个单值的解析函数,在非圆形隧道所在的无限平面与有圆孔的无限平面之间建立起一一对应的函数关系,解得非圆形隧道的外廊形状的数学模型,也即外域映射函数,然后利用平面弹塑性力学问题的解法来求解非圆形隧道的应力和位移;通过量测锚杆轴力反分析原位扩建隧道围岩相关状态。 ③隧道原位扩建分为层层剥皮法和台阶法,采用等代圆法对原位扩建隧道进行计算简化,利用复变函数理论及Schwarz交替法对原位扩建隧道进行求解,通过对围岩应力、位移特征的分析,确定了单次扩挖宽度。掌握了原位扩建隧道围岩位移、应力分布特征及规律。 ④采用平面弹塑性有限元方法,应用大型通用有限元计算软件ANSYS,对依托工程公路隧道进行扩挖的数值仿真分析,建立了各向同性弹塑性原位扩建隧道施工力学模型,全面分析了隧道在两种扩建方式下围岩的位移、应力状态以及衬砌结构的内力和锚杆轴力等施工力学行为。 ⑤结合理论、有限元分析,对两种扩建型式的施工开挖顺序、控制爆破以及施工控制体系指标进行研究。


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