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扁平大断面小净距公路隧道施工力学研究

作　者: 龚建伍
导　师: 夏才初
学　校: 同济大学
专　业: 结构工程
关键词: 大断面隧道小净距隧道施工力学净距优化岩柱加固数值模拟围岩压力监控量测
分类号: U451
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

为适应日益增长的经济和交通发展要求,同时为解决特殊地质地形条件下公路线桥隧衔接、总体线型规划和优化等问题,在坚持可持续发展、切实保护生态环境和有限的土地资源的战略指导下,以三车道公路隧道为代表的大断面小净距隧道的建设需求已初露端倪。然而,由于这类低扁平率隧道结构型式的特殊性和新颖性,其双洞施工相互影响大,在设计和施工过程中均存在许多关键问题需要解决,有必要进行系统深入的分析和探讨。本文在福建省交通科技发展项目“三车道大断面小净距隧道建设关键技术研究”的资助下,通过理论分析、数值模拟和现场监控量测,对大断面小净距隧道设计施工若干问题进行了分析和研究,完成了以下主要工作:1、结合公路隧道设计规范和普氏围岩压力理论,提出了大断面小净距公路隧道围岩压力与荷载分析模式,即考虑了隧道先后开挖相互作用对围岩压力分布产生的影响;在此基础上,分别建立了浅埋和深埋条件下隧道围岩压力计算方法和计算公式,指出隧道内外侧围岩压力分布不对称的偏压特征,中间岩柱部位围岩压力大于隧道外侧,先行洞偏压程度比后行洞严重;按此模式计算,可使隧道结构支护参数的设计结果更加安全、更加合理,计算方法可为小净距公路隧道结构设计提供一定的参考。2、通过数值模拟和现场监测,指出了大断面小净距隧道施工开挖对围岩变形和稳定性影响的时空效应及其影响范围,总结提出了大断面小净距公路隧道在不同地质、地形条件下合理施工方法和施工顺序的建议:隧道开挖对掌子面前方(未开挖部分)围岩主要影响范围约0.5～0.75B(B为隧道单洞开挖跨度),在掌子面后方约1.0～2.0B;两隧道相邻掌子面的距离宜控制在适当范围内,一般取1.0B～1.5B较为合理;Ⅴ级围岩中优先选用双侧壁法施工,Ⅳ级围岩优选CD法,Ⅲ级及以上围岩则优选台阶法,而对一般地形偏压为主的隧道,先开挖浅埋侧隧道优于先开挖深埋侧隧道。3、结合两车道小净距隧道研究成果,总结提出了大断面小净距隧道合理净距取值的判断准则,即以合理的施工方案为前提,仅在常规初期支护状态下,隧道中间岩柱围岩屈服接近度应避免η=0.7的区域连通,同时考虑后行洞施工对先行洞位移和支护内力不产生过大影响;在此基础上,结合数值分析和现场监测,对不同净距时大断面小净距隧道相互影响规律进行分析,得出了不同级别围岩中隧道最小净距的合理取值:Ⅴ级围岩D≥0.6B,Ⅳ级围岩D≥0.4B,Ⅲ级围岩D≥0.3B,Ⅱ级位移D≥0.25B,并指出隧道最小净距不宜小于4.0m。4、在最小合理净距研究基础上,提出了大断面小净距隧道岩柱加固的基本原则和净距范围,即当隧道净距大于最小合理净距时,一般不需进行特殊加固处理,仅以采用合适的施工方案为对策,按常规系统支护即可,而仅当隧道净距小于最小合理净距时,才需采取特殊加固措施,并结合施工监控量测及时调整修改相应对策;同时,分析指出了三车道小净距隧道区别于两车道隧道岩柱加固的显著特点,即在Ⅳ～Ⅵ级围岩中,岩柱雁形部是受力状态最薄弱、需重点加固处理的关键部位之一;在此基础上,综合论证提出了大断面小净距隧道岩柱加固范围及施工对策的建议:在Ⅳ～Ⅵ级围岩中,宜重点对岩柱雁形部进行注浆等加固处理;对Ⅰ～Ⅲ级围岩,一般只需对岩柱中部一定范围进行适当锚杆加固支护即可,而对雁形部可不必采取特殊加固措施。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第1章绪论  14-33
  1.1 研究背景及意义  14-17
    1.1.1 公路隧道的发展  14-15
    1.1.2 小净距隧道适应性分析  15-16
    1.1.3 研究意义  16-17
  1.2 国内外研究现状  17-27
    1.2.1 隧道净距优化的研究  18-21
    1.2.2 施工力学及施工方法的研究  21-24
    1.2.3 支护参数与岩柱加固的研究  24-25
    1.2.4 监控量测及震动测试的研究  25-27
  1.3 研究存在的问题  27-29
  1.4 主要研究内容及创新点  29-33
    1.4.1 主要研究内容  29-30
    1.4.2 主要创新点  30-33
第2章大断面小净距隧道力学特征分析  33-58
  2.1 概述  33-36
    2.1.1 大断面隧道的划分  33-34
    2.1.2 大断面小净距隧道基本特点  34-36
  2.2 大断面小净距隧道基本力学特征  36-48
    2.2.1 单洞隧道围岩特征应力分析  36-39
    2.2.2 双洞隧道围岩特征应力分析  39-46
    2.2.3 双洞隧道围岩塑性区分布特征分析  46-48
  2.3 大断面小净距隧道围岩稳定性分析  48-56
    2.3.1 数值计算理论基础  48-51
    2.3.2 计算模型及参数  51-52
    2.3.3 V级围岩力学特征分析  52-54
    2.3.4 III级围岩力学特征分析  54-56
  2.4 本章小结  56-58
第3章大断面小净距隧道围岩压力与荷载模式研究  58-81
  3.1 常用围岩压力计算方法  59-62
    3.1.1 普氏围岩压力理论  59-60
    3.1.2 《公路隧道设计规范》计算理论  60-61
    3.1.3 围岩压力计算公式的评述  61-62
  3.2 小净距隧道围岩压力与荷载模式分析  62-78
    3.2.1 浅埋小净距隧道围岩压力分析  63-70
    3.2.2 深埋小净距隧道围岩压力分析  70-74
    3.2.3 围岩压力特征分析  74-78
  3.3 工程实例分析  78-80
  3.4 本章小结  80-81
第4章大断面小净距隧道施工力学与施工方案分析  81-126
  4.1 引言  81-82
  4.2 隧道施工力学关键因素分析  82-87
    4.2.1 模型的建立  83
    4.2.2 计算结果及分析  83-86
    4.2.3 小结  86-87
  4.3 隧道施工力学及方案优化分析  87-112
    4.3.1 概述  87-91
    4.3.2 V级围岩中施工方案  91-96
    4.3.3 IV级围岩中施工方案  96-100
    4.3.4 III级围岩中施工方案  100-104
    4.3.5 II级围岩中施工方案  104-106
    4.3.6 偏压隧道施工方案  106-112
  4.4 大断面小净距隧道三维有限元分析  112-124
    4.4.1 引言  112-113
    4.4.2 模型的建立  113-115
    4.4.3 计算结果及分析  115-122
    4.4.4 小结  122-124
  4.5 本章小结  124-126
第5章大断面小净距隧道净距优化及岩柱加固方案分析  126-158
  5.1 净距优化分析的评判准则  127-130
    5.1.1 合理净距取值的准则分析  127-129
    5.1.2 合理净距判断准则的选取  129-130
  5.2 隧道合理净距优化数值分析  130-143
    5.2.1 V级围岩隧道净距分析  130-135
    5.2.2 IV级围岩隧道净距分析  135-139
    5.2.3 III级围岩隧道净距分析  139-141
    5.2.4 II级围岩隧道净距分析  141-142
    5.2.5 小结  142-143
  5.3 岩柱合理加固方案分析  143-156
    5.3.1 V级围岩中岩柱加固方案分析  145-151
    5.3.2 III级围岩中岩柱加固方案分析  151-156
  5.4 本章小结  156-158
第6章结论与展望  158-161
  6.1 结论  158-160
  6.2 进一步研究的展望  160-161
参考文献  161-170
附录三车道小净距鹤上隧道监控量测分析  170-195
  A.1 引言  170
  A.2 工程简介  170-173
  A.3 监测内容及方案  173-175
    A.3.1 监测项目  173
    A.3.2 监测方案  173-175
  A.4 监测结果及分析  175-193
    A.4.1 变形监测结果分析  175-181
    A.4.2 应力监测结果分析  181-187
    A.4.3 爆破振动监测及结果分析  187-193
  A.5 本章小结  193-195
致谢  195-197
个人简历博士期间发表的学术论文与研究成果  197-198

扁平大断面小净距公路隧道施工力学研究

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