连拱隧道围岩压力计算方法与动态施工力学行为研究

论文摘要

连拱隧道设计施工已有30多年的历史，成功建设数百座连拱隧道。然而由于双连拱隧道的连拱结构，多分部开挖支护的结构荷载转换过程多，围岩应力变化和围岩与结构相互作用关系复杂，目前在设计、施工中仍然存在一些问题：①勘察设计围岩分类与施工揭露实际围岩级别常有差异，并难以实现及时变更。②尚无满足连拱隧道特点的围岩压力理论，特别是在浅埋偏压条件下围岩荷载估计偏差较大。③施工中经常出现支护失效、衬砌裂缝及渗漏泄水等工程安全、质量问题。本文首先研究连拱隧道坑道宽度取值及中墙计算模型选取，为连拱隧道特性研究提供基础；然后确定地形偏压临界覆土厚度，对偏压隧道与非偏压隧道进行界定；在此基础上研究偏压隧道和非偏压隧道的围岩压力计算方法；为保证设计参数能符合施工中所揭露的围岩实际条件，开展现场围岩快速评价方法及岩体力学参数综合确定方法研究；最后开展偏压连拱隧道动态施工力学数值模拟研究，并结合实际工程接受工程实践检验。本文针对连拱隧道，进行围岩压力计算方法和动态施工力学行为研究，主要研究成果有：1、连拱隧道坑道宽度取值及中墙计算模型选取研究对于连拱隧道，围岩塑性区受中墙及施工方案影响较小，主要与最终开挖跨度有关。在计算荷载时要考虑最不利工况，连拱隧道坑道宽度取整个连拱隧道的宽度是合理的，偏于安全的。2、地形偏压临界覆土厚度研究应用岩柱理论(又叫比尔鲍曼理论)求得塌落拱曲线方程，然后用作图法在连拱隧道外侧作一个切线与以地形的坡度求出的塌落拱曲线方程的切线相平行，两平行线的距离即为地形偏压临界覆盖厚度。运用此方法求得连拱隧道大跨度条件下不同坡率、不同围岩级别条件下的偏压连拱隧道地形偏压临界覆土厚度，为偏压连拱隧道设计提供了可靠依据。3、连拱隧道围岩压力计算方法研究针对连拱隧道断面远大于单线隧道，围岩压力远大于按单线隧道宽度修正结果所出现的问题，通过对目前常用地层压力理论和公式进行探索与系统分析，提出了对于大跨度双连拱隧道，在极浅埋、浅埋条件下，仍然分别采用全土柱理论荷载和谢家然理论荷载；在深埋条件下，推荐双连拱隧道竖直地层压力采用适合双连拱大断面隧道特点的修正比尔鲍曼理论围岩压力计算公式。4、偏压连拱隧道围岩压力及结构计算方法研究对于浅埋偏压连拱隧道，不仅要考虑非对称的地层主动荷载，还要调整浅埋侧地层被动荷载，提出浅埋偏压连拱隧道地层主动偏压荷载和被动不均匀荷载确定方法及地形偏压情况下隧道支护结构的合理计算方法，并求得不同坡率、不同围岩级别条件下浅埋侧土体的弹性抗力系数的合理取值，为设计中偏压连拱隧道采用荷载结构模式计算时浅埋侧土体的弹性抗力系数取值提供参考。5、施工期间围岩快速评价及综合确定岩体力学参数方法研究在充分吸收国内外围岩分类经验的基础上，针对隧道施工期间的现场围岩判别特点与要求，提出了一种现场围岩快速评价方法，该方法以定量与定性指标相结合，现场观察、量测及快速评价。另外针对隧道围岩实际力学指标难以获取的难题，提出应用围岩Q指标和现场点荷载强度推测围岩物理力学参数的方法，并结合围岩快速评价结果，综合确定隧道围岩实际力学指标。6、连拱隧道动态施工力学的数值模拟研究对于浅埋偏压连拱隧道，侧导洞应该先开挖深埋侧侧导洞，而主洞应该先开挖浅埋侧主洞；而对于非偏压连拱隧道，在围岩条件较好时主洞开挖可采用上下台阶法，且主洞开挖合理的工作面间距应约为2．0D～3．0D(D为单拱跨度)；在中隔墙完成后，部分回填，使正洞初期支护能直接作用在中隔墙上，不仅有效提高支护整体刚度，还使中隔墙受力更合理，改善中隔墙受力状态。经富溪偏压连拱隧道工程施工与现场监测结果检验，研究中提出的连拱隧道坑道宽度取值、偏压连拱隧道深浅埋分界、围岩主动压力与围岩被动压力计算方法、现场围岩级别快速评价以及施工方法正确合理，为工程成功建设提供了重要技术支持，也为类似工程提供经验。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 连拱隧道中隔墙结构断面形式及施工方法
• 1.2.1 中隔墙结构断面形式
• 1.2.2 连拱隧道常用施工方法
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 理论分析
• 1.3.2 数值模拟
• 1.3.3 现场试验
• 1.3.4 室内相似模拟试验
• 1.4 连拱隧道研究中存在的问题
• 1.5 本论文主要研究内容与研究方法
• 1.6 本论文的创新之处
• 2 连拱隧道坑道宽度取值及中隔墙计算模型选取研究
• 2.1 概述
• 2.2 连拱隧道坑道宽度取值
• 2.2.1 计算模型
• 2.2.2 计算结果分析
• 2.2.3 连拱隧道坑道宽度取值的合理性验证
• 2.3 中隔墙计算模型选取分析
• 2.3.1 计算模型及参数
• 2.3.2 不同计算模型结果对比分析
• 2.4 本章小结
• 3 地形偏压临界覆土厚度研究
• 3.1 地形偏压规律的认识
• 3.1.1 数值模拟概况
• 3.1.2 数值模拟结果与分析
• 3.2 地形偏压临界覆盖厚度
• 3.2.1 比尔鲍曼理论的塌落拱曲线
• 3.2.2 偏压连拱隧道外侧拱肩山体最大覆盖厚度
• 3.3 本章小结
• 4 连拱隧道围岩压力计算方法研究
• 4.1 常用围岩压力理论
• 4.1.1 全土柱理论
• 4.1.2 普氏理论
• 4.1.3 泰沙基理论
• 4.1.4 比尔鲍曼理论
• 4.1.5 谢家焦理论
• 4.1.6 隧道设计规范公式
• 4.2 常用深浅埋的界限理论及深浅埋的界限建议
• 4.2.1 常用深浅埋的界限理论
• 4.2.2 深浅埋的界限建议
• 4.3 不同理论的围岩压力对比分析
• 4.3.1 5m跨度情况
• 4.3.2 24.57m跨度情况
• 4.3.3 31.5m跨度情况
• 4.4 连拱隧道均布围岩压力计算方法的改进
• 4.5 连拱隧道均布围岩压力改进的计算方法效果分析
• 4.5.1 计算参数及围岩压力
• 4.5.2 不同计算方法结果对比分析
• 4.6 本章小结
• 5 偏压连拱隧道围岩压力及结构计算方法
• 5.1 围岩主动压力计算方法
• 5.1.1 偏压隧道垂直压力的计算
• 5.1.2 偏压隧道水平侧压力的计算
• 5.2 围岩被动压力计算方法
• 5.3 地形偏压结构设计计算方法
• 5.3.1 计算模型
• 5.3.2 计算结果及分析
• 5.4 本章小结
• 6 施工期间围岩快速评价及综合确定岩体力学参数方法研究
• 6.1 施工期间围岩快速评价方法研究
• 6.1.1 围岩快速评价方法整体思路
• 6.1.2 围岩快速评价方法
• 6.1.3 围岩快速评价方法检验验证
• 6.2 综合确定岩体力学参数方法研究
• 6.2.1 岩石的点荷载试验
• 6.2.2 综合确定岩体力学参数
• 6.3 本章小结
• 7 连拱隧道动态施工力学的数值模拟研究
• 7.1 浅埋偏压连拱隧道合理施工方法研究
• 7.1.1 隧道计算模型和计算参数
• 7.1.2 侧导洞开挖顺序比较
• 7.1.3 隧道主洞核部开挖顺序比较
• 7.2 深埋连拱隧道合理施工方法研究
• 7.2.1 均压连拱隧道开挖方法确定
• 7.2.2 主洞开挖工作面合理间距分析
• 7.3 中隔墙受力特征与接顶时机分析
• 7.3.1 数值模拟计算方法
• 7.3.2 计算结果分析
• 7.3.3 中隔墙受力特征与接顶时机小结
• 7.4 偏压连拱隧道变形规律与受力机制研究
• 7.4.1 计算结果分析
• 7.4.2 偏压连拱隧道变形规律与受力机制小结
• 7.5 本章小结
• 8 富溪偏压连拱隧道设计与施工实践
• 8.1 连拱隧道设计检验
• 8.2 连拱隧道施工方法
• 8.2.1 施工方法的优化
• 8.2.2 三导洞施工方法
• 8.2.3 中导洞施工方法
• 8.3 施工实测效果
• 8.3.1 施工监测方案
• 8.3.2 监测成果
• 8.4 本章小结
• 9 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集