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冲沟地形浅埋土质隧道开挖纵向效应特征研究

雷浩  
【摘要】:塌方是隧道开挖过程中频繁出现,破坏性和危害性极大的一种围岩失稳模式,隧道穿越浅埋冲沟地形过程中,塌方事故时常发生,但目前对于这方面的研究比较匮乏,设计与施工人员对此的认识不足,研究意义较大。对隧道穿越冲沟地形施工过程分析发现:此类地形隧道施工不仅塌方事故频发,而且塌方位置主要集中在隧道向坡开挖的边坡位置。具体来说,隧道穿越沟顶与沟底平缓段时,围岩比较稳定,而采用向坡方向开挖,塌方频发且多在边坡处,采用背坡方向开挖围岩变形和受力相对稳定,隧道在浅埋冲沟地段施工,围围岩沿纵向表现出明显的应力和形变差异性,我们称之为隧道纵向效应特征。鉴于此,以大有山隧道工程为依托,通过长期现场监测,揭示了冲沟地形浅埋土质隧道在施工过程中变形与受力特征的演变规律,发现该地形环境下隧道施工中表现出明显的纵向效应特征。为进一步探究,将现场监测结果与室内试验,数值分析的结论进行对比分析能有效地指导工程实践。论文主要工作如下:(1)基于相似理论,采用具有现场工程性质的相似土,按照相似比例制作冲沟地形浅埋隧道模型,探究开挖过程中围岩压力与变形的演化规律,并进一步讲座边坡坡角与隧道掘进方向对该地形隧道开挖的影响。结果表明:冲沟地形隧道的围岩压力与土层位(?)有较明显的纵向效应,二者在边坡位置有明显的增大现象,试验各工况多次隧道塌方均出现在边坡位置。围岩压力与土层位移随边坡坡角的增大而增大,且随边坡坡角的增大而愈加明显。隧道掘进方向对围岩压力与土层位移影响较大,二者在数值上产业化显著,该影响程度比边坡坡角影响更加明显,采明背坡开挖方法可以大幅减小围岩压力与(?)多。(2)采用MIDASNN有限元软件建立三维数值模型,对冲沟地形的隧道开挖纵向效应、衬砌结构的应力应变及掌子面的挤出效应进行数值模拟研究。结果表明:隧道围岩沉降、围岩压力和模型试验结果一致,均表现出较明显的纵向效应,在边坡位置二者有较大幅度增大,且受边坡坡角与掘进方向影响较大。隧道向坡开挖时,掌子面最大挤出变形产生于掌子面中心处,随掌子面的不断推进,掌子面挤出变形不断增加,而挤出效应在坡底附近时变化更快更明显。(3)以大有山隧道为工程实例,对穿越冲沟地形段隧道拱顶沉降、地表变形、周边收敛及初期支护接触压力进行现场测试,并将测试结果与前述研究结果进行对比。对比结果表明:与模型试验和有限元计算结果一致,四类监测数据在隧道纵向均表现出较明显的差异,在边坡位置的量测数值较其它断面大很多。接触压力大小表现为:拱顶位置拱底位置拱肩位置拱脚位置,测试结果与模型试验结果吻合性良好。


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