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超大断面黄土公路隧道衬砌受力变形特性研究

周云鹏  
【摘要】:目前,已建或在建的黄土单洞三、四车道公路隧道基本上都属于超大断面黄土公路隧道,能有效的缓解高密度的交通流量,势必将成为未来隧道结构形式的主流,从隧道的地质状况、地形条件结合设计资料可得出,超大断面黄土公路隧道施工中将会面临不少难点:开挖面积大、隧道埋深浅、围岩强度低、隧道受力及施工工序复杂,在本质上讲它已不同于普通的单洞双车道黄土隧道,且超大断面浅埋黄土隧道的数量又较少,国内外研究的不多,所以至今为止仍然存在问题。本文以我国西宝改扩建中的唐家塬隧道为工程背景,综合运用现场实测、理论分析和数值模拟等多种技术手段,从超大断面黄土公路隧道初期支护力学特性、初期支护变形特性和二次衬砌力学特性三个方面进行了系统全面的研究。主要工作及研究成果如下: (1)超大断面黄土公路隧道围岩变形到稳定,大致经历了三个阶段:急剧变形阶段—持续增长阶段—缓慢增长阶段。超大断面黄土隧道拱顶下沉量要远远大于围岩水平收敛量,围岩变形主要表现为整体下沉,所以在超大断面黄土隧道施工过程中关键应该是如何控制隧道整体下沉,通过监测数据对比分析,建议施工单位采用双侧壁导坑预留核心土方法来控制隧道整体下沉。 (2)采用《公路隧道设计规范》、谢家烋公式、太沙基理论、普氏理论、比尔鲍曼公式五种理论计算方法分别计算隧道围岩压力,并与现场实测进行对比分析,得出现场实测垂直压力与太沙基理论计算结果基本吻合,在此基础上提出了对太沙基理论的侧压力系数修正方法,现场实测进一步验证了其可行性,推荐采用修正后的太沙基理论作为唐家塬隧道的围岩压力计算方法,为今后同类隧道衬砌设计提供参考和依据。 (3)根据唐家塬隧道现场调研及围岩压力计算分析,指出现有隧道深浅埋界定标准并不适用于超大断面黄土公路隧道,提出了以拱顶中心线土体侧压力系数变化规律为依据的深、浅埋数值模拟方法,推断出唐家塬隧道的深浅埋界定范围为90m,现场调研情况进一步验证了其合理性与准确性。 (4)通过现场围岩压力监测,并对围岩压力进行统计分析,得出唐家塬隧道围岩压力的分布形式:隧道的垂直方向围岩压力的最大值并不是出现在拱顶部位,而是出现在中轴线侧面40°左右,而其余的比拱顶小,围岩的水平压力分布形式拱部线性增长,直墙部分均匀分布的特点。 (5)通过对国、内外黄土隧道的安全阀值研究,提出了在现场量测位移基础上,用计算机数值模拟综合确定超大断面黄土公路隧道安全阀值的方法,并给出了唐家塬隧道的安全阀值。运用灰色预测模型中的GM(1,1)、残差模型和新陈代谢模型与现有的实测数据进行对比分析,选取新陈代谢模型作为唐家塬隧道的预测模型,提出一套针对超大断面黄土隧道的变形预警标准,并对唐家塬隧道进行预警,取得了良好的效果。 (6)通过对国内同类隧道的调研以及唐家塬隧道现场实测,得出超大断面黄土公路隧道二次衬砌的受力特性,并结合现有的规范,以及超大断面黄土隧道的特点,作者分别考虑了围岩重度和侧压力系数的对应关系,建立弹性抗力系数K的公式,运用同济曙光公路隧道设计与分析软件对唐家塬隧道在实测荷载条件下二次衬砌的受力进行计算,并对其安全性进行了评价。


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