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公路隧道动态施工过程数值模拟与二次衬砌结构安全性分析

潘世强  
【摘要】: 本文以重庆市唐凤二级公路明月山隧道工程为依托,简要介绍了明月山隧道的工程概况,综合分析了公路隧道动态施工过程数值模拟以及二次衬砌结构安全性分析的研究现状。利用ANSYS10.0有限元分析软件,建立明月山隧道进洞口浅埋段数值模型、洞身破碎带数值模型以及洞身富水段二次衬砌荷载结构数值模型。对进洞口浅埋段采用CRD工法模拟隧道施工过程,详细分析了CRD工法在隧道施工过程中的力学特性;对洞身深埋破碎带采用CD工法模拟其施工过程,详细分析了CD工法在隧道施工过程中的力学特征;对洞身富水段二次衬砌运用荷载结构法的基本原理,详细分析了二次衬砌在围岩压力和外水压力作用下的内力特性及安全性问题。 对明月山隧道进洞口浅埋段CRD工法的数值模拟,本文得到的结论主要如下:(1)采用CRD工法对明月山隧道进洞口浅埋段施工是安全可行的,该工法不仅可以明显控制洞周位移,而且可以有效控制围岩塑性区的发展。(2)明月山隧道进洞口浅埋段围岩的应力集中区域主要出现在左右拱脚稍偏下的浅层围岩,这也是围岩的主要塑性区分布区域。 对明月山隧道洞身深埋破碎围岩段CD工法的数值模拟,本文得到的结论主要如下:(1)采用CD工法对明月山隧道洞身深埋破碎段施工是安全可行的。该工法一方面可以控制拱顶位移的发展,另一方面可以控制围岩塑性区在合理深度之内。(2)明月山隧道洞身深埋破碎段围岩应力集中区域主要出现在距洞室表面1.5m深度处的左、右墙脚位置附近,这也是围岩塑性区的主要分布区域。(3)喷射混凝土先行导坑侧轴力明显大于后行导坑侧轴力。建议采用CD工法或者CRD工法进行隧道施工时,可适当增强先行导坑侧初期支护刚度,降低后行导坑侧初期支护的刚度。(4)临时中壁结构的稳定性是CD工法及CRD工法施工成功与否的最关键因素。CD工法及CRD工法的临时中壁在后行导坑的施工过程中将出现较大的内力。为安全考虑,在后行导坑的施工过程中,建议对临时中壁进行应变监控。 对明月山隧道洞身富水段二次衬砌结构的数值分析,本文得到的结论主要如下:(1)墙脚以及仰供中央截面是二次衬砌结构最薄弱的截面,如果考虑60%的围岩压力,明月山隧道富水段二次衬砌结构最多可以承担25m水头的外水压力。若实测外水压力大于0.25MPa,则应采取其他相关措施,以保证二次衬砌的安全性。(2)二次衬砌结构的轴力随外水压力的增加而增加。二次衬砌弯矩变化并不像轴力那样随外水压力的增加而持续增大,个别控制点弯矩随外水压力的增大反而减小。拱顶、拱肩以及拱脚的弯矩变化随外水压力的增加变化不大,而墙脚以及仰供中央弯矩则随外水压力的增加而迅速增加。(3)二次衬砌各控制点的安全系数基本上随外水压力的增加而降低,若不考虑混凝土的腐蚀以及钢筋的锈蚀等状况,适当的外水压力(约隧道洞高)对二次衬砌结构的受力是有利的。


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