隧道結構三維數(shù)值分析和可靠度計算——以湖南邵懷高速公路雪峰山隧道為例.pdf

1、隨著我國西部建設的高速發(fā)展和山區(qū)高速公路建設的需要，隧道工程特別是山區(qū)高速公路隧道工程將會日益增多，隧道支護結構的設計采用傳統(tǒng)的隧道支護結構設計方法難以充分兼顧支護結構斷面的合理性和支護結構承載力與穩(wěn)定性的可靠性。本文用可靠度來度量結構的可靠性能，使工程設計更趨科學、合理，更能反映問題的本質。 本論文首先對湖南邵(陽)-懷(化)高速公路雪峰山隧道區(qū)初始地應力場特征進行了研究，在綜合分析隧道區(qū)地應力場的現(xiàn)場水壓致裂法測試成果、室內

2、Kaiser效應測試成果、三孔交匯孔徑變形法測試成果的基礎上，通過非線性有限元仿真模擬隧道區(qū)初始地應力場的分布狀態(tài)，得出的結果與實測地應力量值基本一致：隧道所在平面上的最大主應力值為16.7MPa～33.2MPa，最小主應力為0.1MPa～5.4MPa。主應力量值均具有隨埋深的增大而升高的規(guī)律，但受控于巖體的力學性能與結構特征，在硬軟相間部位或斷層帶附近，出現(xiàn)應力分異現(xiàn)象。最大主應力的最大值并不在隧道埋深最大的部位，而是略偏東，表明地質

3、構造對主應力的分布具有較大影響，隧道區(qū)構造應力場較高。通過對隧道區(qū)初始地應力場的研究，了解了隧道施工中圍巖和支護結構中的應力變化規(guī)律，為高地應力下災害的預測與治理提供更多的依據(jù)，并為隧道結構的三維數(shù)值模擬和可靠度計算提供了較精確的邊界條件。 通過對雪峰山隧道區(qū)工程地質條件的研究，包括區(qū)域地質與區(qū)域穩(wěn)定性、地形地貌條件、地層巖性及工程地質巖組、地質構造及其應力場演化、水文地質條件等方面，結合現(xiàn)場對拱頂下沉、洞周收斂、地表下沉、圍巖

4、內部變形及支護后圍巖變形等情況的監(jiān)測，利用FLAC<'3D>進行隧道的三維非線性數(shù)值分析，來考察隧道結構的空間效應所引起的變形和穩(wěn)定性狀況的變化，確定支護結構對于位移量控制的作用，為施工中采用合理的支護提供依據(jù)。同時，構造功能函數(shù)及各參變量分布形態(tài)，采用響應面法及蒙特卡羅法對雪峰山隧道結構進行確定性分析和可靠度研究。通過對雪峰山隧道結構的三維數(shù)值模擬及可靠度計算對比分析，以及隧道位移的監(jiān)測結果，對隧道結構的穩(wěn)定性進行分析，為隧道的設計者

5、提供一些有益的意見建議，并對以后的地下工程提供借鑒，為設計和施工的可靠性提供科學根據(jù)。通過對典型區(qū)段三維非線性數(shù)值模擬研究、可靠度分析及對現(xiàn)有監(jiān)測資料的整理分析對比，獲得了較為滿意的結果：雪峰山隧道的開挖基本上沒有大變形發(fā)生，整個隧道的穩(wěn)定性比較好。對幾類圍巖段所選取典型斷面進行數(shù)值模擬和監(jiān)測的結果都說明目前雪峰山隧道采用的支護方式是合理的，能夠保證隧道圍巖不發(fā)生大的位移，從而保證隧道的整體穩(wěn)定性，可靠度分析中可以看出β值拱腳最大，拱腰

6、次之，拱頂最小，與三維數(shù)值模擬結果基本一致。發(fā)生小規(guī)模塌方地段，圍巖與襯砌的變形很大，原有的初始設計不能夠維持圍巖整體的穩(wěn)定性，后采用了超前小導管注漿、變更支護參數(shù)和開挖模式的支護措施和施工方法，形成了比較穩(wěn)定的承載拱，能夠保證隧道圍巖不發(fā)生大的位移，從而保證隧道的整體穩(wěn)定性。本文所提供的可靠度分析方法可行且基本上反映了隧道結構的實際穩(wěn)定狀態(tài)，本次模擬分析考慮的參數(shù)及分布特征基本能滿足要求，實例證明該方法效率高，實用性強，用于地下結構的