超大斷面小凈距隧道施工圍巖空間變形與荷載釋放機制及工程應用.pdf

1、隨著經濟社會的發(fā)展和城市化建設步伐的加快，交通擁堵已經成為制約城市和區(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)快速路的建設已經進入新的發(fā)展時期，與此對應的超大斷面隧道的建設也呈現(xiàn)出快速增多的趨勢。但是國內外超大斷面公路隧道的工程實踐尚不多見，既無成熟的施工建設經驗可以借鑒，也無可靠的計算方法可以使用，更無設計、施工的規(guī)范和標準可參考，僅能依靠為數(shù)不多的簡單的工程類比進行分析。

2、
　　本文針對超大斷面公路隧道施工工序受力復雜、圍巖穩(wěn)定性判別基準不確定、荷載計算方法不明確以及支護結構和參數(shù)選取難度較大等研究現(xiàn)狀及難題，通過理論分析、室內試驗、模型試驗、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場試驗等手段，結合濟南東南二環(huán)延長線項目在建港溝隧道工程實際，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)化進行了詳細研究，取得了一系列具有理論價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力特征的凈距、矢跨比、側壓力系數(shù)等因素，分別從應力集中度的角度對超大斷面小凈距隧道的圍巖力學特征進行了分析總結。結合現(xiàn)有普式壓力理論和公路隧道設計規(guī)范，對超大斷面小凈距隧道圍巖壓力及荷載模式進行了探討，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算方法和公式的推導。通過公式分析研究可得，超大斷面小凈距隧道內側圍巖與外側圍巖的壓力呈不

4、對稱的偏壓分布，中夾巖墻豎向圍巖壓力大于隧道外側，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重。根據(jù)該模式進行計算，可以得到更加安全合理的隧道支護結構設計參數(shù)，對類似工程的設計具有一定的借鑒意義。
　　(2)開展了工程現(xiàn)場的圍巖動態(tài)分級評價和點荷載試驗，并對白云質灰?guī)r開展了室內試驗，既對現(xiàn)場施工提供了動態(tài)指導，又對模型試驗和數(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驗，在“正交試驗設計，敏感因素分析”的

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

6、可實現(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進行了后處理軟件的開發(fā)，可以將柔性點云數(shù)據(jù)測量儀采集的隧道模型點云數(shù)據(jù)進行降噪、抽稀、擬合處理，再對比兩次測量數(shù)據(jù)計算隧道的變形量，對隧道模型變形信息進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研究和復雜地層超大斷面隧道施工過程力學模型試驗研究，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)律進行了研究，同時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)律進行了探討。針對模型試驗所選取的工程原型施工段，開展了相應數(shù)值模擬試驗研究，通過兩者結果的相互驗證，增加了結果的可靠度。其結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制，確保該復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數(shù)值模擬，進行

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，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進行了分析和探討，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結構體系的力學特點及規(guī)律進行了監(jiān)測研究，并對其施工過程中的時空效應進行了分析