软弱围岩中特大断面超小净距隧道2扩4施工方法研究

论文摘要

随着我国隧道建设快速发展,大断面小净距隧道将日益增多,新奥法应用于大断面隧道尤其2扩4大断面小净距隧道的设计、施工仍然处于探索和验证阶段。由于大断面小净距隧道结构型式的特殊性和新颖性,其在施工过程中与既有隧道相互影响难以把握,边施工边通车,且隧道断面大、扁平率低,施工工序复杂,中间岩柱的受力复杂,围岩稳定性差,而施工方法是影响隧道围岩稳定的重要因素之一,合理的施工方法可以充分利用围岩的自承作用,在最小的支护条件下,得到满足围岩稳定要求。因此,研究2扩4各种施工方法中围岩稳定性和力学响应,这有助于今后类似2扩4大断面隧道合理设计和安全施工提供具有价值的参考。本论文在岩石力学基本原理和新奥法基本思想指导下,以扩建大帽山公路隧道为依托,对大断面隧道不同扩挖大小、不同开挖顺序和不同开挖进尺的CD法施工的力学特征共计6种工况进行了数值模拟,并结合现场监控量测,分析了CD法扩挖时隧道施工各阶段的应力场、位移场、锚喷支护力学特征的动态演化规律、塑性区的分布规律及对既有隧道的影响,取得以下一些主要成果:1、软弱围岩洞口段地表沉降槽出现形成两头小,中间大的倒马鞍形的沉降曲线,在既有隧道正上方出现一个微小的沉降槽;地表的总位移量主要是由于上半断面的开挖引起,周边收敛变形和拱顶下沉有振荡特征,洞壁围岩并不是一直朝净空移动。2、大断面隧道围岩强度发挥明显区域形态类似于蝴蝶翅膀,右拱肩围岩强度发挥区域与临近隧道相互贯通,围岩的应力变化主要集中在隧道结构较近的区域;围岩掌子面塑性区深度为0-5m,各导坑台阶塑性区与掌子面塑性区相互连通,连通区域可能形成与隧道纵向呈45°的塑性滑动面。中间岩柱右拱腰位置的位移变化最为剧烈,是最易失稳破坏点。3、隧道初期支护处于压应力状态,右拱腰也出现应力集中,其相应应力值为1.61MPa,但未超过混凝土抗压允许值16.7Mpa;锚杆的轴力特征是不断变化的,洞周围岩内锚杆的轴力分布极不均匀,拱脚的位置锚杆处于受压状态,其最大压力为43.46KN,其余部位的锚杆处于受拉状态,其最大拉力为167.98KN。4、新建隧道的开挖对既有隧道横断面产生不均匀沉降和不同程度的变形,拱脚、拱腰、拱顶等部位的最终沉降不等且依次减小,左侧的变形相对右侧较大,整个断面呈现明显的偏压状态。新建隧道的开挖对既有隧道的最大拉应力增量为0.25MPa,略小于拉应力增量弱影响阏值（0.3MPa）,受新建隧道施工的轻微影响;最大压应力为-0.82MPa,小于弱影响压应力增量值（1.OMPa ）,因此既有隧道是安全的。5、分析比较6种不同工法的地表沉降、拱顶位移、支护结构内力分布和围岩塑性区范围分布的优劣,CD法ACBD顺序循环进尺1m的开挖方式是最为适合大帽山隧道软弱围岩扩挖施工的方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题意义及研究背景
• 1.1.1 研究意义
• 1.1.2 课题研究背景
• 1.1.2.1 工程特点
• 1.1.2.2 工程地质情况
• 1.1.2.3 水文地质情况
• 1.1.2.4 Ⅴ级围岩段扩挖施工工序
• 1.2 国内外研究现状与进展
• 1.2.1 大跨隧道及其施工方法研究
• 1.2.2 近接施工分类与分区研究
• 1.3 本文主要内容和方法
• 第二章 大断面小净距隧道施工基本理论
• 2.1 大断面隧道施工力学关键性问题
• 2.2 大断面隧道分布开挖力学机理
• 2.3 大断面近接隧道影响基本理论
• 2.3.1 临近洞室施工的应力场
• 2.3.2 近接影响程度的判别准则
• 2.3.3 近接施工影响的分区标准
• 2.4 大断面隧道各级围岩下开挖方法的选取
• 2.5 本章小节
• 第三章 大断面小净距隧道软弱围岩变形规律测试与分析
• 3.1 量测目的及意义
• 3.2 测试内容及方法
• 3.3 地表沉降规律
• 3.4 拱顶下沉规律
• 3.5 净空收敛规律
• 3.6 本章小节
• 第四章 隧道施工三维弹塑性有限元模型
• 4.1 概述
• 4.2 三维弹塑性有限元基本理论
• 4.2.1 有限元的基本方程
• 4.2.2 Druker-Prager 屈服准则
• 4.2.3 收敛准则
• 4.3 隧道扩挖软弱围岩计算模型
• 4.3.1 模型参数
• 4.3.2 单元选取及划分
• 4.3.3 施工过程模拟
• 4.4 隧道2 扩4 施工工法数值模拟方案
• 4.5 本章小节
• 第五章 2 扩4 CD 法围岩和支护力学响应研究
• 5.1 引言
• 5.2 围岩位移场分析
• 5.2.1 地表下沉
• 5.2.2 周边收敛
• 5.2.3 中间岩柱
• 5.2.4 空间效应
• 5.3 塑性区
• 5.3.1 掌子面塑性区
• 5.3.2 围岩塑性区
• 5.4 围岩强度发挥分析
• 5.5 初期衬砌受力特征
• 5.6 锚杆支护受力特征
• 5.7 中隔壁支护应力和变位分析
• 5.8 CD 工法对既有隧道结构的影响研究
• 5.8.1 既有隧道结构变位分析
• 5.8.2 既有隧道结构应力增量分析
• 5.9 计算结果与现场测试结果的比较
• 5.10 本章小结
• 第六章 2 扩4 CD 工法不同开挖方式施工力学特征研究
• 6.1 引言
• 6.2 CD 工法不同开挖方式对空间效应影响分析
• 6.2.1 地表下沉空间效应分析
• 6.2.2 洞内变形空间效应分析
• 6.2.3 中夹岩变形分析
• 6.3 CD 工法不同开挖方式对围岩稳定性分析
• 6.3.1 CD 工法不同开挖方式对围岩塑性区分析
• 6.3.2 CD 工法不同开挖方式对围岩强度发挥分析
• 6.3.3 洞内关键点应力分析
• 6.4 CD 工法不同开挖方式对支护结构受力特征分析
• 6.5 CD 工法不同开挖方式对既有隧道结构分析
• 6.6 大断面小净距隧道开挖方案的优选
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 进一步研究的展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间论文发表及参与课题情况
• 致谢