公路隧道扩建开挖方案比选及施工力学研究

论文摘要

随着国内公路交通建设的飞速发展,在一些经济发达地区,双向四车道乃至双向六车道公路隧道已不能适应交通量日益增长的需求,因此公路隧道的改扩建工程变得迫在眉睫。在既有双洞四车道分离式隧道的基础上新建双洞进而形成四洞八车道小净距隧道群是一种基本的扩建型式,属于复杂近接施工的范畴。新建隧道的施工会使围岩从原来多次演变应力场的基础上再进行多次演变,正是这种应力的演变导致了既有隧道和新建隧道的受力变异,造成新建隧道的复杂性和既有隧道的安全性问题。本文依托某高速公路隧道扩建工程,对其合理的扩建型式及开挖方案、动态施工力学以及支护参数优化等问题进行了研究,主要内容和结论如下:1.综合分析隧道近接施工和洞口位置选择的影响因素,确定了该工程的最优扩建型式——在既有两隧道之间增设一个两车道隧道同时在既有左隧道左侧再增设一个两车道隧道。2.对选定扩建型式的四种不同开挖方案进行了有限元数值模拟。分析结果表明,采用台阶法开挖相比采用交叉中隔墙法,其围岩及支护结构应力较小,施工过程较简便,对围岩的扰动相对较少。确定了上下台阶法为新建隧道最优开挖方案。3.对选定的开挖方案进行了三维动态施工力学数值模拟。分析结果表明,新建隧道围岩位移、应力、塑性区以及支护结构应力较小,新建隧道围岩随着开挖支护的完成逐渐趋于稳定,新建隧道采用上述选定的型式和开挖方案进行施工是安全、合理的。同时,还分析得到了新建两隧道的施工对既有隧道围岩及支护结构应力状态的影响情况与特性。4.通过对新建隧道不同初期支护参数的数值模拟分析,认为锚杆长度由设计值4.0m优化至3.0m、喷射混凝土厚度由26cm优化至21cm是可行的。研究结论不仅为依托隧道扩建工程的设计、施工提供了科学依据,也为今后高速公路改扩建工程中类似的隧道扩建工程提供了值得借鉴的资料和经验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 本文的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 隧道改扩建研究现状
• 1.2.2 小净距隧道研究现状
• 1.2.3 隧道近接施工研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容及技术路线
• 1.3.1 研究的主要内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 依托隧道扩建型式比选
• 2.1 隧道工程地质特征
• 2.1.1 地形地貌
• 2.1.2 工程地质层组及特征
• 2.1.3 地质构造及地震
• 2.1.4 不良地质现象
• 2.1.5 水文地质条件
• 2.2 隧道结构设计
• 2.2.1 结构形式
• 2.2.2 支护参数
• 2.3 扩建型式比选
• 2.3.1 近接施工影响因素
• 2.3.2 洞口位置影响因素
• 2.4 本章小结
• 3 小净距隧道群扩建开挖方案比选
• 3.1 弹塑性有限元原理与方法
• 3.1.1 弹塑性力学基本理论
• 3.1.2 屈服准则
• 3.1.3 有限元的分析过程
• 3.1.4 MIDAS/GTS 有限元软件简介
• 3.2 开挖方案比选有限元模型的建立
• 3.2.1 开挖方案
• 3.2.2 计算参数的选取
• 3.2.3 模型的建立
• 3.2.4 施工过程
• 3.3 计算结果及分析
• 3.3.1 围岩位移特征
• 3.3.2 围岩应力特征
• 3.3.3 围岩屈服区特征
• 3.3.4 隧道喷射混凝土应力特征
• 3.3.5 锚杆应力特征
• 3.3.6 隧道二次衬砌应力特征
• 3.4 本章小结
• 4 小净距隧道群动态施工力学数值模拟
• 4.1 V 级围岩段动态施工力学有限元模型的建立
• 4.1.1 计算参数的选取
• 4.1.2 模型的建立
• 4.1.3 施工过程控制
• 4.2 新建隧道动态施工力学分析
• 4.2.1 围岩位移特征
• 4.2.2 围岩应力特征
• 4.2.3 围岩屈服区特征
• 4.2.4 喷射混凝土应力特征
• 4.2.5 锚杆应力特征
• 4.2.6 二次衬砌应力特征
• 4.3 新建隧道对既有隧道影响分析
• 4.3.1 围岩位移特征
• 4.3.2 围岩应力特征
• 4.3.4 喷射混凝土应力特征
• 4.3.5 锚杆应力特征
• 4.4 本章小结
• 5 隧道初期支护参数优化
• 5.1 锚杆长度优化
• 5.1.1 围岩位移特征
• 5.1.2 围岩应力特征
• 5.1.3 围岩屈服区特征
• 5.1.4 锚杆应力特征
• 5.2 隧道初期支护厚度优化
• 5.2.1 围岩位移特征
• 5.2.2 围岩屈服区特征
• 5.2.3 隧道喷射混凝土应力特征
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要研究结论
• 6.2 存在问题及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录