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《长安大学》 2010年
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浅埋土质隧道特性分析及关键技术研究

韩日美  
【摘要】:浅埋土质隧道特性分析及关键技术研究是一个复杂的课题,涉及范围广、难度大,具有重要的学术意义和工程实用价值。本文以黑龙江省哈尔滨市绕城高速公路天恒山隧道为工程背景,综合运用理论分析、数值模拟、现场试验、室内离心模型试验等手段,对浅埋土质隧道施工过程中隧道围岩应力、应变情况及变化规律、施工工法比选及优化、锚杆支护效果及优化等问题进行了深入研究,取得了以下主要成果: 1、对于浅埋土质隧道,“微三台阶法”较之“三台阶七步开挖法”施工更加安全、快速和经济,更适合于土质隧道开挖。 2、离心模型试验及现场试验均证明,浅埋土质隧道围岩变形为整体变形,从隧顶到地表变形均较大,系统锚杆将会随着土体一起移动,其锚固作用不明显。同时,粘土层中锚杆成孔困难,耗时长。取消系统锚杆,增加拱腰以下锁脚锚管,对隧道安全掘进没有不良影响,且可缩短工期和降低工程造价。 3、浅埋土质隧道CRD工法开挖三维数值模拟结果显示,开挖前后离开挖面越近的地方围岩压力越小,随着开挖面不断向前推进逐渐恢复到原始应力水平;围岩主应力方向在开挖过程中不断发生变化,不同开挖方法引起不同的围岩破坏形式;支护结构各个角点处内力都较大,需要加强支护;支护结构的内力在拆除中隔墙和临时仰拱后快速增加,所以拆除临时支护是CRD工法中一个很重要的步骤。 4、天恒山隧道监测数据显示,浅埋土质隧道围岩压力分布不均,最大值多出现在墙脚处;喷射混凝土应力分布比较均匀,拱部受力较大;钢架受力主要为压应力,拉应力多出现在拱脚处。钢架所受的应力较大,拱部及外侧墙脚受力最大,说明钢架在隧道初期支护中发挥着重要作用;纵向连接筋多处于受压状态,压应力不大,说明纵向连接筋对加强隧道支护的整体性、稳定性有着一定的作用。二次衬砌接触压力的量测值均小于规范计算值,拱脚和墙脚处接触压力相对较大;拱部混凝土及钢筋多处于受压状态、仰拱大部分处于受拉状态,拉压应力均远小于钢筋的屈服强度。 5、浅埋土质隧道CRD工法开挖和微三台阶法开挖二维数值模拟对比试验结果显示,CRD工法由于设置临时仰拱和中隔墙,对限制隧道净空收敛和地层沉降有利。但其开挖步序多、支护结构成环时间长,且在后期需要拆除临时仰拱和中隔墙,天恒山隧道现场监测数据显示CRD工法开挖最终沉降反而较大,因此在设计和施工中应引起重视。 6、研究表明浅埋土质隧道采用全土柱法进行围岩压力计算比较合适。土质隧道深浅埋分界标准应结合数值分析手段进行计算。 7、土质隧道围岩参数对围岩力学行为影响程度敏感度分析表明,E是影响围岩稳定性和形变位移的敏感性参素,μ是围岩压力的敏感性参数,所以无论是在设计计算中还是在实验测定参数时,都要对这两个参数加强关注。
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