大断面连拱隧道中墙厚度及支护参数优化研究

论文摘要

大断面连拱隧道作为一种新兴的隧道形式,不同于普通的连拱隧道。中隔墙是连拱隧道的重要结构构件,中隔墙的厚度是关系到隧道整体稳定与工程造价的重要参数,支护参数对此也有重要影响,而目前国内在建和拟建的连拱隧道普遍存在总体支护体系过强,而局部位置又相对较弱、衬砌产生大面积裂痕、衬砌接头处严重漏水、进出口浅埋段及高级别围岩段工程造价过高等问题,因此对连拱隧道的中墙厚度和支护参数进行优化研究就显得十分必要。本文以广贺高速公路双洞六车道连拱隧道-护坑隧道为依托工程,主要作了以下一些研究工作:①系统介绍了护坑隧道隧址区的工程地质和水文地质条件,据此给出了隧道围岩的分级情况,并对隧道的断面设计、支护结构设计以及施工方法等作了简要的介绍。②介绍了公路连拱隧道监控量测的目的和基本要求以及护坑隧道监控量测的项目、方法和断面布置等情况,在此基础上对护坑隧道中导洞Ⅴ级围岩段两个量测断面的拱顶下沉和周边收敛监控量测资料进行了整理,并对结果进行了分析评价。③阐述了有限元法模拟地下工程的基本原理,在此基础上运用大型通用有限元软件ADINA,以Ⅴ级围岩为例,对曲中墙厚度分别为2.2m（设计值）和1.34m（优化值）两种情况进行施工过程的大变形非线性有限元模拟分析,并与中导洞的位移监测结果进行了对比,结果表明:1)中导洞的拱顶下沉及周边收敛的模拟结果与监测结果基本一致,由此可以说明有限元模拟中所采用的本构模型和所取用的围岩物理力学参数是较为合理的。2)在围岩、支护结构和曲中墙的应力、位移极值,锚杆的轴力极值,以及围岩、支护结构关键部位的应力、位移特征方面,曲中墙厚度为2.2m时没有明显优势,而在中隔墙关键部位的应力和位移特征方面,曲中墙厚度为2.2m时有一定的优势,但优势不大。因此,曲中墙厚度取为1.34m是可行的。④在中墙厚度优化的基础上,对Ⅴ级围岩条件下的支护结构参数进行了优化分析,结果表明:在围岩、曲中墙的应力、位移极值和关键部位应力、位移特征方面,原设计的支护参数有一定的优势,但优势不大;而在支护结构的应力、位移极值和关键部位应力、位移特征方面,尤其是锚杆的轴力极值特征方面,原设计的支护参数有较大的优势。建议采用此优化方案时要加强相关的辅助施工措施和锚杆的监控量测。因此,原设计的支护参数有一定的优势,但只要在施工过程中加强相关辅助施工措施,对薄弱部位加强支护,优化的支护参数是基本可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文的选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 连拱隧道的发展现状
• 1.2.2 连拱隧道的研究现状
• 1.3 连拱隧道的特点
• 1.3.1 中墙的结构形式
• 1.3.2 连拱隧道的特征
• 1.4 本文的研究内容和方法
• 1.4.1 研究的主要内容
• 1.4.2 研究的技术路线
• 2 护坑隧道工程概况
• 2.1 工程概况
• 2.2 工程地质和水文地质条件
• 2.2.1 工程地质条件
• 2.2.2 水文地质条件
• 2.2.3 地震及区域稳定性
• 2.3 隧道围岩分级分段及工程特性
• 2.4 隧道设计概况
• 2.4.1 净空断面
• 2.4.2 支护结构设计
• 2.5 施工方法设计
• 2.6 本章小结
• 3 连拱隧道监控量测
• 3.1 概述
• 3.1.1 监控量测的目的
• 3.1.2 监控量测的基本要求
• 3.2 护坑隧道监控量测设计
• 3.2.1 量测项目和方法
• 3.2.2 断面布置
• 3 护坑隧道监控量测成果
• 3.3.1 中导洞监测成果
• 3.3.2 监测结果汇总
• 3.4 本章小结
• 4 连拱隧道中墙厚度的优化
• 4.1 有限元法的基本原理
• 4.1.1 有限元的基本方程
• 4.1.2 屈服准则
• 4.1.3 流动法则
• 4.1.4 岩土体无拉分析
• 4.2 ADINA 的特点
• 4.3 数值分析模型的建立
• 4.3.1 计算参数的选取
• 4.3.2 有限元模型的建立
• 4.3.3 施工过程的控制
• 4.4 中导洞计算位移与监测位移的对比分析
• 4.4.1 中导洞数值模拟结果
• 4.4.2 结果对比分析
• 4.5 不同中墙厚度模拟结果的对比分析
• 4.5.1 围岩应力和位移特征
• 4.5.2 支护结构特征
• 4.5.3 曲中墙应力和位移特征
• 4.6 本章小结
• 5 连拱隧道支护参数的优化
• 5.1 支护参数的优化设计
• 5.2 不同支护参数模拟结构的对比分析
• 5.2.1 围岩应力和位移特征
• 5.2.2 支护结构特征
• 5.2.3 曲中墙应力和位移特征
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 后续研究工作及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录