超大斷面小凈距隧道施工圍巖空間變形與荷載釋放機(jī)制及工程應(yīng)用.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和城市化建設(shè)步伐的加快，交通擁堵已經(jīng)成為制約城市和區(qū)域發(fā)展的重要因素，原有的兩車道、三車道公路已經(jīng)無法滿足日益增長交通流量的需要，一部分山區(qū)高速公路和市區(qū)快速路的建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期，與此對應(yīng)的超大斷面隧道的建設(shè)也呈現(xiàn)出快速增多的趨勢。但是國內(nèi)外超大斷面公路隧道的工程實(shí)踐尚不多見，既無成熟的施工建設(shè)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，也無可靠的計(jì)算方法可以使用，更無設(shè)計(jì)、施工的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可參考，僅能依靠為數(shù)不多的簡單的工程類比進(jìn)行分析。

2、
　　本文針對超大斷面公路隧道施工工序受力復(fù)雜、圍巖穩(wěn)定性判別基準(zhǔn)不確定、荷載計(jì)算方法不明確以及支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)選取難度較大等研究現(xiàn)狀及難題，通過理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場試驗(yàn)等手段，結(jié)合濟(jì)南東南二環(huán)延長線項(xiàng)目在建港溝隧道工程實(shí)際，深入研究了超大斷面隧道施工過程中圍巖空間變形和荷載釋放規(guī)律，并對超大斷面隧道的施工方法比選和凈距優(yōu)化進(jìn)行了詳細(xì)研究，取得了一系列具有理論價(jià)值和工程意義的研究成果，主要包括:
　　

3、(1)針對影響隧道圍巖應(yīng)力特征的凈距、矢跨比、側(cè)壓力系數(shù)等因素，分別從應(yīng)力集中度的角度對超大斷面小凈距隧道的圍巖力學(xué)特征進(jìn)行了分析總結(jié)。結(jié)合現(xiàn)有普式壓力理論和公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，對超大斷面小凈距隧道圍巖壓力及荷載模式進(jìn)行了探討，在考慮超大斷面小凈距隧道施工過程中先行洞和后行洞相互影響的前提下，分別進(jìn)行了淺埋情況和深埋情況下的超大斷面小凈距隧道圍巖壓力計(jì)算方法和公式的推導(dǎo)。通過公式分析研究可得，超大斷面小凈距隧道內(nèi)側(cè)圍巖與外側(cè)圍巖的壓力呈不

4、對稱的偏壓分布，中夾巖墻豎向圍巖壓力大于隧道外側(cè)，先行洞由于受后行洞開挖擾動的影響，偏壓程度較后行洞更加嚴(yán)重。根據(jù)該模式進(jìn)行計(jì)算，可以得到更加安全合理的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，對類似工程的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。
　　(2)開展了工程現(xiàn)場的圍巖動態(tài)分級評價(jià)和點(diǎn)荷載試驗(yàn)，并對白云質(zhì)灰?guī)r開展了室內(nèi)試驗(yàn)，既對現(xiàn)場施工提供了動態(tài)指導(dǎo)，又對模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬圍巖參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。借鑒以有相似材料配制經(jīng)驗(yàn)，在“正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，敏感因素分析”的

5、前提下，進(jìn)行了流-固耦合相似材料的配制，并在模型試驗(yàn)中成功應(yīng)用。在節(jié)省試驗(yàn)開支的前提下，研制了厚壁方管組合式試驗(yàn)臺架和降雨模擬系統(tǒng)，構(gòu)建了多元信息實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集系統(tǒng)。利用激光相位測量技術(shù)，融合空間動態(tài)坐標(biāo)測量方法與虛擬測量技術(shù)，進(jìn)行了適用于模型試驗(yàn)圍巖變形測量的柔性點(diǎn)云數(shù)據(jù)測量儀的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)開挖輪廓測量的高自動化、高適應(yīng)性、柔性、非接觸、高效的優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)將掃描路徑三維正交分解，通過計(jì)算及距離測量自動獲得最佳測量軌跡，

6、可實(shí)現(xiàn)對多種隧道模型，多種開挖部形狀的快速精密測量。針對該儀器基于MATLAB進(jìn)行了后處理軟件的開發(fā)，可以將柔性點(diǎn)云數(shù)據(jù)測量儀采集的隧道模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、抽稀、擬合處理，再對比兩次測量數(shù)據(jù)計(jì)算隧道的變形量，對隧道模型變形信息進(jìn)行空間可視化的提取。
　　(3)選取依托工程現(xiàn)場有代表性里程段，以此為原型開展了超大斷面隧道淺埋小凈距段施工過程模型試驗(yàn)研究和復(fù)雜地層超大斷面隧道施工過程力學(xué)模型試驗(yàn)研究，對超大斷面淺埋小凈距隧道施工過程

7、及降雨入滲對圍巖空間變形的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，同時(shí)對穿越斷層破碎帶前后不同開挖工法施工下圍巖的空間變形及荷載釋放規(guī)律進(jìn)行了探討。針對模型試驗(yàn)所選取的工程原型施工段，開展了相應(yīng)數(shù)值模擬試驗(yàn)研究，通過兩者結(jié)果的相互驗(yàn)證，增加了結(jié)果的可靠度。其結(jié)果對揭示超大斷面淺埋小凈距隧道施工過程中圍巖空間變形機(jī)制，確保該復(fù)雜地層段的施工安全，保證隧道順利貫通提供了支撐。
　　(4)修正了已有的摩爾-庫倫屈服接近度，并基于彈塑性有限差分?jǐn)?shù)值模擬，進(jìn)行

8、了超大斷面小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素的分析和評價(jià)，對不同圍巖等級的隧道給出了合理的施工方案建議。研究了超大斷面小凈距隧道施工力學(xué)特征，對小凈距隧道圍巖變形分布規(guī)律和施工的空間變形效應(yīng)進(jìn)行了分析和探討，建立了超大斷面小凈距隧道合理凈距優(yōu)化準(zhǔn)則，并提出了不同圍巖級別隧道最小凈距的合理取值。
　　(5)依托四車道超大斷面小凈距港溝隧道，對其施工過程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)特點(diǎn)及規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測研究，并對其施工過程中的時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行了分析