米家寨隧道施工力学及其空间效应研究

论文摘要

随着我国西部大开发战略的深入实施及高速公路交通事业的迅猛发展,山岭公路隧道的建设呈现出精彩纷呈的局面,小净距浅埋偏压隧道便是其中的重要类型。本文以山西省忻州至保德线米家寨隧道为工程背景,通过理论分析、现场实测、数值模拟相结合的方法,研究和探讨该类型隧道易发生的施工灾害现象、围岩压力分布特点、施工力学特性及其影响因素、隧道开挖时开挖面的空间约束效应及开挖时隧道间的相互影响。研究工作和成果如下:(1)根据山西省米家寨隧道的工程实践,结合该隧道的监控量测成果,列举和分析了该隧道施工期间发生的灾害现象,并提出浅埋偏压隧道病害处治方案。(2)归纳总结偏压小净距隧道的计算方法,对浅埋偏压小净距隧道围岩压力进行分析,分别计算研究覆盖层厚度变化和地表坡度变化时围岩压力分布特征及其变化规律。(3)建立二维弹塑性数值模型,计算和分析浅埋偏压小净距隧道分别在覆盖层厚度变化、地表坡度变化时隧道的施工力学特性及其变化规律,并对比不同施工方法对围岩及支护结构的影响。当覆盖层厚度增大时,隧道周边总体围岩压力随之增大而总体偏压效应减小;当地表坡度增大时,深埋测隧道围岩压力显著增大而偏压效应更加明显;此外,较台阶法、CRD法及环形开挖法,采用双侧壁导坑法施工时对开挖后围岩应力重分布更为有利且围岩(尤其是拱部)受扰动较小。(4)建立三维弹塑性数值模型,对米家寨隧道进行施工过程模拟,研究浅埋偏压小净距隧道施工力学特性,重点分析隧道施工过程中开挖面的空间约束作用。对开挖时的隧道纵向变形规律、隧道开挖的合理步距及双线隧道开挖面的合理间距作出分析,得出开挖面作用在纵向表现为半弯宆约束,横向表现为环形约束;在米家寨隧道中,开挖面对纵向20m以内围岩具有一定的空间约束作用,左右线隧道开挖面纵向合理间距应不小于20m且开挖的合理步距应控制在2.5m以内。(5)结合现场实测、理论分析及数值模拟的结果,对软弱围岩地区浅埋偏压小净距隧道施工过程中的薄弱环节提出几点建议。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 浅埋偏压隧道研究现状
• 1.3.2 小净距隧道研究现状
• 1.3.3 开挖面空间效应研究现状
• 1.4 主要研究内容、研究思路及技术路线
• 1.4.1 本文主要研究内容
• 1.4.2 研究思路和技术路线
• 2 米家寨隧道监控量测及施工灾害分析
• 2.1 米家寨隧道概况
• 2.1.1 工程简介
• 2.1.2 地层岩性
• 2.1.3 水文地质条件
• 2.2 隧道设计参数与施工方法
• 2.2.1 隧道设计参数
• 2.2.2 隧道施工方法
• 2.3 米家寨隧道监控量测及其成果分析
• 2.3.1 隧道监控量测技术
• 2.3.2 米家寨隧道监控量测成果分析
• 2.4 隧道施工期间灾害现象
• 2.4.1 左线开挖面处“冒顶”现象
• 2.4.2 左线初期支护开裂现象
• 2.4.3 右线掌子面拱顶塌方及初支剥落坍塌
• 2.4.4 灾害现象总结
• 2.5 浅埋偏压隧道病害处理方案设计
• 2.5.1 病害处理原则与流程
• 2.5.2 病害的基本分析与分类处理要求
• 2.5.3 隧道病害处理应采取的主要措施
• 3 浅埋偏压小净距隧道围岩压力分析
• 3.1 隧道支护结构计算基本理论
• 3.1.1 隧道支护结构受力特点
• 3.1.2 隧道结构体系计算理论
• 3.1.3 地下工程支护结构的计算方法
• 3.2 浅埋偏压小净距隧道围岩压力计算方法
• 3.2.1 浅埋偏压小净距隧道的判定
• 3.2.2 单洞浅埋偏压隧道荷载计算
• 3.2.3 浅埋小净距隧道荷载计算
• 3.2.4 浅埋偏压小净距双洞荷载计算
• 3.2.5 有关问题讨论
• 3.3 小净距浅埋偏压隧道围岩压力分析
• 3.3.1 基本假设及参数选取
• 3.3.2 覆盖层厚度变化时围岩压力分析
• 3.3.3 地表坡度变化时围岩压力分析
• 3.4 本章小结
• 4 浅埋偏压小净距隧道施工力学影响因素数值分析
• 4.1 弹塑性有限元方法
• 4.1.1 弹塑性基本理论
• 4.1.2 屈服准则
• 4.1.3 有限元分析过程及MIDAS/GTS 软件介绍
• 4.2 有限元数值模型的建立
• 4.2.1 数值计算基本假定
• 4.2.2 模型荷载及边界条件
• 4.2.3 模型参数的选取
• 4.2.4 数值模型计算过程
• 4.2.5 数据控制点选取
• 4.3 覆盖层厚度变化时计算结果及分析
• 4.3.1 围岩应力变化特征
• 4.3.2 支护结构内力变化特征
• 4.3.3 位移变化特征
• 4.3.4 覆盖层厚度变化时计算结果小结
• 4.4 地表坡度变化时计算结果及分析
• 4.4.1 围岩应力变化特征
• 4.4.2 支护结构内力变化特征
• 4.4.3 位移变化特征
• 4.4.4 坡度变化时计算结果小结
• 4.5 不同施工方法计算结果及分析
• 4.5.1 四种工法施工步序介绍
• 4.5.2 围岩应力变化特征
• 4.5.3 支护结构内力变化特征
• 4.5.4 位移变化特征
• 4.5.5 不同工法时计算结果分析
• 4.6 本章小结
• 5 米家寨隧道三维开挖模拟及其空间效应分析
• 5.1 数值模型的建立
• 5.1.1 模型荷载及边界条件
• 5.1.2 模型参数的选取
• 5.1.3 施工工序及计算过程
• 5.2 围岩及支护结构应力分析
• 5.2.1 围岩应力特征
• 5.2.2 锚杆内力特征
• 5.2.3 喷射混凝土应力特征
• 5.3 位移特征及空间效应分析
• 5.3.1 围岩总体位移特征
• 5.3.2 初期支护位移特征
• 5.3.3 左线开挖对右线位移影响
• 5.4 塑性区特征分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 本文结论
• 6.2 对施工的几点建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目