软弱围岩双连拱隧道设计施工关键技术研究

论文摘要

进入20世纪90年代以来,我国的公路（特别是高速公路）建设进入一个高速发展时期,并迅速向西部延伸,在中西部山岭重丘区高等级公路建设中,由于路线选线困难或受到其它因素的影响,一般选择有着丰富实践经验的小间距隧道方案或双洞分离式隧道方案,但在特殊地质及地形条件下,隧道形式的选择不仅受地形、地质条件的约束,同时受线路平、纵、横指标以及三方面组合设计的制约。 双连拱隧道由于跨度较大（双车道大于20m,三车道达到30m以上）,结构复杂,开挖与支护交错进行,使得围岩应力变化和支护荷载转换变得尤为复杂。全国各地已建成不少连拱隧道,但目前仍缺少有效的可以类比的工程借鉴,没有隧道施工设计规范可以参考,尤其是对于双连拱隧道围岩变形控制基准尚处于摸索和积累的经验阶段。双连拱隧道的施工存在工期较长、工序较多、造价较高及工程质量不够理想等问题,除了双连拱隧道本身结构型式有待完善外,另一个重要的因素就是需要对软弱围岩双连拱隧道设计施工的关键技术有待于深入的研究。 在双连拱隧道结构荷载计算方法方面,从目前发表的文章来看,荷载-结构法与地层-结构法均有采用。在荷载-结构法中,关键是荷载的确定,双连拱隧道施工条件较差,隧道结构承受的大部分为松散压力,但由于双连拱隧道与单拱隧道在跨度、施工方法等方面的区别,采用经验法或依据单拱隧道的荷载计算方法是不合理的。通过对双连拱隧道开挖平衡拱影响范围的分析,对双连拱隧道深浅埋分界深度的判别基准进行初步探讨,并由此对双连拱隧道荷载计算方法进行分析研究,建立双连拱隧道围岩压力荷载合理的计算方法。 随着双连拱隧道得到广泛的应用和发展,其断面型式也得到了很大的发展,本文对双连拱隧道选型的影响因素分析、隧道结构断面型式的分类及结构力学特性的研究,得出连拱隧道结构断面选型必须满足隧道建筑限界、通风、路线线型（洞外接线条件）、防排水、工程地质条件和隧道结构受力等条件的要求。任何一个因素的改变可能会影响连拱隧道整体结构的稳定性以及后期运营的耐久性。通过分析最近双连拱隧道的断面型式的发展,连拱隧道断面型式按中墙型式可以分为:单一式中墙连拱隧道和分离式中墙连拱隧道。

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的背景及意义
• 1.2 双连拱隧道设计施工理论的研究现状
• 1.2.1 隧道结构断面的选型和中墙设计及其应力分析研究
• 1.2.2 双连拱隧道相似模型试验研究及施工方法优化分析
• 1.2.3 连拱隧道施工过程的数值模拟及其结构受力分析研究
• 1.2.4 双连拱隧道现场监控量测及其结构内力和围岩稳定性分析
• 1.3 双连拱隧道理论研究的薄弱环节及存在的问题
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 1.5 本文研究的技术路线与主要的研究方法
• 1.5.1 研究采用的技术路线
• 1.5.2 主要研究方法
• 第2章 双连拱隧道深浅埋判别基准及荷载计算方法探讨
• 2.1 目前已进行的双连拱隧道荷载计算方法
• 2.1.1 碎裂介质中双连拱隧道荷载的解析解
• 2.1.2 块裂介质中双连拱隧道荷载的解析解
• 2.1.3 双连拱隧道荷载计算经验法
• 2.2 双连拱隧道深浅埋分界判断基准研究
• 2.3 双连拱隧道围岩压力计算方法探讨
• 2.3.1 深埋双连拱隧道围岩压力计算公式
• q时双连拱隧道围岩压力计算公式'>2.3.2 当埋深h≤h_q时双连拱隧道围岩压力计算公式
• q≤h≤H_p时双连拱隧道围岩压力计算公式'>2.3.3 当埋深h_q≤h≤H_p时双连拱隧道围岩压力计算公式
• 2.4 双连拱隧道围岩压力计算方法对比分析
• 2.4.1 双连拱隧道围岩压力计算模型
• 2.4.2 双连拱隧道荷载计算结果对比分析
• 2.4.3 双连拱隧道结构内力结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 双连拱隧道结构横断面的选型及力学特征
• 3.1 双连拱隧道结构横断面选型的影响因素
• 3.1.1 连拱隧道断面型式要满足建筑限界和通风要求
• 3.1.2 路线线型（洞外接线条件）因素影响
• 3.1.3 连拱隧道断面型式要满足防排水要求
• 3.1.4 满足工程地质条件和隧道结构受力的要求
• 3.2 双连拱隧道结构横断面型式
• 3.2.1 双连拱隧道横断面按中墙型式分类
• 3.2.2 双连拱隧道横断面按边墙型式分类
• 3.2.3 双连拱隧道横断面按有无仰拱进行分类
• 3.2.4 双连拱隧道横断面按结构对称进行分类
• 3.2.5 其它断面型式的双连拱隧道
• 3.3 双连拱隧道力学特征分析
• 3.3.1 双连拱隧道计算模型的建立
• 3.3.2 双连拱隧道数值模拟计算系列
• 3.3.3 双连拱隧道数值计算结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 双连拱隧道的施工方法与施工力学研究
• 4.1 双连拱隧道施工方法综述
• 4.1.1 三导洞法施工方法
• 4.1.2 中导洞拓展法施工方法
• 4.1.3 双导坑法施工方法
• 4.1.4 中导洞-CD法
• 4.2 双连拱隧道结构施工力学特性分析
• 4.2.1 依托工程概况
• 4.2.2 隧道测试项目及元件埋设
• 4.2.3 测试数据处理分析
• 4.2.4 小结
• 4.3 双连拱隧道施工方法与力学特征模型试验研究
• 4.3.1 相似关系
• 4.3.2 相似模型试验概况
• 4.3.3 模型试验结果分析
• 4.4 双连拱隧道施工方法与施工力学数值分析
• 4.4.1 隧道开挖模拟的基本方法
• 4.4.2 隧道施工过程及支护加固措施的模拟
• 4.4.3 弹塑性有限元基本理论
• 4.4.4 双连拱隧道数值计算模型的建立
• 4.4.5 隧道施工数值计算分析
• 4.5 双连拱隧道施工方法比选
• 4.5.1 现场施工监测数据分析双连拱隧道施工方案
• 4.5.2 相似模型试验数据分析双连拱隧道施工方案
• 4.5.3 有限元数值模拟分析双连拱隧道施工方案
• 4.6 双连拱隧道初次衬砌内力样式研究
• 4.6.1 围岩压力模型及工作状态
• 4.6.2 锚杆内力模型及工作状态
• 4.6.3 钢拱架内力模型及构件的工作状态
• 4.7 本章小结
• 第5章 中墙力学行为与隧道整体结构稳定性关系研究
• 5.1 基于现场监测中墙内力样式与隧道整体结构稳定性研究
• 5.1.1 基于监控量测的中墙内力计算公式建立
• 5.1.2 小金口双连拱隧道中墙力学特性分析
• 5.1.3 鞋底坡双连拱隧道中墙力学特性分析
• 5.1.4 双连拱隧道施工工序与中墙内力的耦合关系
• 5.2 中墙地基接触应力的现场监测与隧道整体结构稳定性
• 5.3 双连拱隧道中墙力学行为及变形特性研究
• 5.3.1 双连拱隧道中墙力学特性分析
• 5.3.2 双连拱隧道中墙变形特性分析
• 5.3.3 中墙力学行为与隧道整体结构稳定的耦合关系研究
• 5.4 双连拱隧道两主洞施工掌子面的合理间距研究
• 5.4.1 基于现场监控量测的隧道施工两主洞掌子面合理间距研究
• 5.4.2 两洞室掌子面不同施工间距对中墙应力及变形的空间影响
• 5.5 与双连拱隧道中墙力学行为有关的一些问题研究
• 5.5.1 中墙上方锚杆的布设优化分析
• 5.5.2 中墙一侧是否进行回填的力学特性研究
• 5.5.3 双连拱隧道直中墙稳定性研究
• 5.5.4 双连拱隧道明洞衬砌结构力学特性研究
• 5.6 本章小结
• 第6章 双连拱隧道净空位移与拱顶下沉控制基准研究
• 6.1 双连拱隧道围岩变形的数值模拟分析
• 6.1.1 隧道竖向位移分析
• 6.1.2 隧道周边收敛分析
• 6.2 隧道的围岩变形数理统计及曲线回归分析
• 6.2.1 双连拱隧道拱顶下沉位移的回归及统计分析
• 6.2.2 连拱隧道净空位移回归及统计分析
• 6.3 双连拱隧道相似模型试验稳定性研究
• 6.3.1 V级围岩双连拱隧道净空位移分析
• 6.3.2 W级围岩双连拱隧道净空位移分析
• 6.3.3 双连拱隧道洞室失稳破坏分析
• 6.4 双连拱隧道安全施工的控制基准研究
• 6.4.1 单幅隧道施工围岩位移的管理基准
• 6.4.2 双连拱隧道围岩变形分析依据
• 6.4.3 双连拱隧道围岩位移的控制基准研究
• 6.4.4 双连拱隧道施工围岩变形的管理标准
• 6.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果