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土质小净距隧道空间效应力学特性研究及适用性优化

周飞  
【摘要】:山区高速公路选线时上、下行隧道往往受地形、地物的限制常采用小净距隧道形式。本文针对土质小净距隧道开挖方法不确定、洞周围岩变形较特殊、合理净距与施工间距不明确以及中夹土柱稳定措施不具体等研究现状,通过理论分析结合数值计算以及对比验证模型试验与工程实例等方法,深入研究了净距及施工间距变化下洞周围岩空间效应的力学特性,分析了中夹土柱的加固方法,并提出安全净距取值。通过数值分析优选一种更适合土质围岩小净距隧道的开挖方法;基于不同埋深条件下的地层沉降特性提出不论深浅埋洞周围岩均存在一定的偏压现象,并揭示了地表沉降曲线随埋深变化的两种形态以及中夹区域特有的压力拱式沉降现象;分析了不同净距与施工间距值对双洞效应的影响程度以及双洞效应影响下土质围岩的响应特性,提出了合理的施工间距取值;对《公路隧道设计细则》提出的开挖技术要点进行优化,明确了该要点在土质围岩的作用效果;对中夹土柱进行分区加固,优化了横向预应力锚杆的纵向植入间距,提出了合理的布设密度范围,给出了加固后最小净距的取值范围。1.分别采用CRD法、弧形导坑留核心土法及双侧壁导坑法对土质小净距隧道进行模拟开挖,从控制地层沉降、中夹土柱位移和塑性区的发展及初支结构应力的增长考虑,经过对比分析,择优选择双侧壁导坑法作为更适合土质围岩小净距隧道的开挖方法。2.在不同埋深条件下考察洞周围岩的变形特性,拱顶附近沉降值远大于中夹土柱,且拱顶与中夹土柱上侧位移随埋深增加而增大,下侧位移受埋深变化影响很小。无论浅埋还是深埋洞周围岩均存在一定的偏压现象,净距不变的前提下,隧体两侧压力值均随埋深增大而增加,埋深越大内外侧压力值差值也越大,偏压越严重,埋深增大是中夹土柱应力集中现象加剧的原因之一。随着埋深增加地表沉降曲线逐渐由“单驼峰形”转变为典型的“沉降槽形”;中夹区域内某一特定地层开始出现压力拱式沉降现象,该地层的位置随埋深增加逐渐靠近拱顶,随净距增大及纵向开挖深度的增加逐渐远离拱顶。3.通过对不同净距条件、围岩级别以及隧道设计参数的数值模拟,研究了洞周围岩的力学特性和变形规律。随着净距的不断减小,内侧拱腰和中夹土柱的位移及应力出现大幅增长,外侧拱腰变化却很小,表明净距变化是改变双洞效应作用强弱的主要原因,同时也是中夹土柱应力集中现象加剧的另一原因,净距越小,洞周围岩的偏压现象越严重。在净距为24m~9m时,中夹土柱内双洞效应的强影响区域在两侧的分布之和约占总面积的60%,中部相对弱影响区域约为40%,同时塑性区缓慢发展;净距为9m~7m时,强影响区域的分布率开始出现较缓增长,塑性区发展显著;净距6m~3m时,强影响区域增幅显著,塑性区急速增长并出现左右贯通。围岩弱化和跨度增加均会扩大开挖扰动的影响范围,并使洞周围岩的受力环境变得更为复杂,且隧体结构对跨度增加的敏感度大于围岩弱化。4.研究了不同纵向掌子面施工间距下洞周围岩的响应特性。各地层的竖向位移在洞口处均为最大值,随着纵深的增加逐渐减小,在掌子面前方10m处趋于稳定。左右洞地层沉降差和中夹土柱主应力增幅率在间距≤0.5D和≥2.0D时变化不明显,在0.5D~1.5D之间时变化显著;间距的增大还会扩大先行洞塑性区的分布,并在拱肩和仰拱部分形成新的二次扰动区,间距变化是改变双洞效应作用强弱的次要原因,提出合理的掌子面施工间距范围应≤0.5D,或≥2.0D。5.优化了《细则》中双侧壁导坑法的开挖技术要点,并对该要点在土质围岩中的作用效果进行补充。随着左右导坑施工距离的增加,开挖后成一侧导坑时,先成导坑与后成导坑均受到影响,先成导坑表现为位移及应力值缓慢增大,而后成导坑表现为横向位移及应力值逐渐减小,且后成导坑的变化速率相对较大,因此该开挖技术要点对先成导坑的稳定性作用不显著,但对后成导坑的稳定性做出了较大的贡献。左右导坑施工距离的改变对洞周围岩竖向位移影响较小,但从控制掌子面内水平位移的增长考虑,合适的距离范围宜≥1.0D。6.将中夹土柱分为上盘、中墙以及下盘分区域加固,经分析得出全盘加固+预应力锚杆+注浆对控制中夹土柱稳定性效果最好。对横向预应力锚杆的纵向植入密度进行研究,提出植入间距与加固效果并非成正比:当布设间距范围为0.6m~1.0m时,中夹土柱竖向位移的发展及应力值增长得到了较好的控制;当布设间距为0.3m~0.6m时控制效果次之;间距范围为1.0m~1.5m时效果最差;不论何种布设间距对控制围岩横向位移的发展作用都很小。提出加固后最小净距的取值范围,Ⅳ级围岩双车道最小净距的取值范围为4~7m,三车道为5~8m;Ⅴ级围岩双车道为5~8m,三车道为6~9m。综上所述,通过对土质小净距隧道力学特性的研究,优选了适合的开挖方法,揭示了洞周围岩的受力变形规律,提出了中夹土柱合理的加固措施,为土质围岩下开展小净距隧道形式的设计及施工提供了一定的参考。


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