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西汉高速公路某连拱隧道支护结构有限元分析

罗晏斌  
【摘要】: 随着我国高速公路建设向西部山区快速发展的趋势下,公路隧道建设已经成为了公路建设的一个重要组成部分,但是公路建设过程中由于受施工场地,特殊地质及地形条件的限制,普通的分离式隧道在一定程度上已经不能满足高速公路建设的需要,因此为了在公路线形、技术经济等方面更好地满足现代高速公路建设的需要,连拱隧道被广大的隧道技术工作者所广泛采用。但是连拱隧道的施工会引起围岩应力的重分布,导致连拱隧道受力变得非常复杂,并且无法准确获知连拱隧道每个施工步所承受的围岩应力大小,因此在连拱隧道设计建设过程中,预先对围岩应力和连拱隧道支护结构体系受力及变形情况有所了解,对于指导设计和施工,保证连拱隧道的结构安全具有十分重要的意义。连拱隧道初期支护和二次衬砌的设计控制截面位置的确定,对于控制整个支护结构的稳定性具有举足轻重的作用,而规范中并未提到该计算位置的确切位置,因此找出支护结构的设计控制截面对于保证隧道的结构稳定具有重要的意义。针对此目的,本文以西汉高速公路某连拱隧道为背景,结合《公路隧道设计规范》(JTGD70—2004),对连拱隧道的支护结构体系和围岩的受力变形情况进行了数值模拟研究,主要内容如下: (1)对影响连拱隧道复合衬砌稳定性的相关因素进行了探讨,并根据隧道的不同埋深情况,建立了几种不同的荷载结构计算模式。 (2)对ANSYS软件模拟连拱隧道开挖及支护结构的有限元理论进行了研究。以中导洞全断面开挖的施工方法为基础,根据地层结构法的计算原理采用ANSYS软件对连拱隧道的开挖过程及初期支护的作用效果进行了二维弹塑性数值模拟分析。采用荷载结构法对二次衬砌进行了长期安全性评估。通过上述模拟,确定了整体式直中墙连拱隧道初期支护和二次衬砌设计控制截面的位置,同时分析了整体式直中墙的力学行为。在分析过程中,同时对相关计算数据和规范进行了对比,发现在保证结构稳定的条件下,从经济的角度考虑可将二次衬砌的厚度适当减小。 (3)根据现场量测的数据结果,将隧道的支护结构体系、围岩的数值模拟结果和实测数据进行了对比分析。揭示了计算参数对数值模拟影响,说明现场试验参数对施工指导的重要性。 通过上述研究,本文所得结论能在一定程度上对相似工程的设计和施工提供一定的参考。


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