下穿高速公路隧道施工稳定性研究及支护结构监测分析

论文摘要

随着高速铁路建设速度的不断加快以及地下空间开发力度的加大,新建铁路隧道穿越高速公路的情况日益增多。施工中如何控制既有高速公路沉降及保证隧道结构稳定性,是亟待解决的问题,因此研究下穿高速公路隧道施工稳定性及支护结构监测具有非常重要的现实意义。论文以处于强风化层状页岩地层中的大顶山下穿高速公路隧道为工程背景,采用数值模拟和现场监测相结合的方法进行研究。该隧道开挖面积达到195m2,设计采用由双层φ159mm大管棚加φ42mm小导管的超前支护,及双层初期支护、二次衬砌组成的复合式支护体系。从设计的支护结构出发,考虑了不同施工工法、临时支护曲率半径对隧道施工稳定性的影响；研究了不同超前支护形式对隧道施工稳定性的影响。建立三维数值模型,进行了隧道施工过程稳定性分析；采用光纤光栅传感器,对试验段支护结构内力进行监测。研究表明,在强风化层状页岩地层及双层φ159mm大管棚超前支护下,CD法施工是可行而且合理的。在该类地层中,超前支护选择的优先顺序依次为双层大管棚、单层大管棚、超前锚杆,但单层大管棚支护、超前锚杆支护均能满足施工控制要求。CD工法施工时,地层位移、支护结构内力均随着临时支护曲率半径的增大表现为先减小后增大,在r=30m（即临时支护两侧开挖面积相等时）达到最小。CD法施工时,中隔壁水平位移达到9.07mm,施工中需特别注意；拆除临时支护是施工关键步序,拆撑过程中能合理控制沉降变化速度的拆撑间距为5m-10m。通过对实测型钢拱架应力的分析,第一层初衬最大压应力为2.18MPa,小于初衬弯曲抗压强度,认为初衬结构满足承载力要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 隧道施工稳定性研究现状
• 1.2.1 下穿类地下工程施工技术研究现状
• 1.2.2 浅埋大跨度隧道施工稳定性研究现状
• 1.3 光纤光栅传感技术应用现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 地下工程围岩稳定性分析原理
• 2.1 围岩应力的弹性理论分析
• 2.1.1 圆形地下工程围岩应力
• 2.1.2 非圆形开挖体的围岩应力
• 2.1.3 弹性围岩重分布应力的几点规律
• 2.2 围岩应力的塑性理论分析与计算
• 2.2.1 塑性圈内的重分布应力
• 2.2.2 塑性区与弹性区交界处的重分布应力
• 2.2.3 塑性区厚度的计算
• 2.3 地下工程围岩体的破坏机理
• 2.3.1 拉伸破坏机理
• 2.3.2 剪切破坏机理
• 2.4 本章小结
• 第3章 隧道施工稳定性的影响因素分析
• 3.1 工程背景
• 3.1.1 工程概况
• 3.1.2 场地水文
• 3.1.3 地层岩性
• 3.2 施工工法对隧道稳定性的影响分析
• 3.2.1 模型的建立
• 3.2.2 隧道开挖计算方案
• 3.2.3 计算结果分析
• 3.3 临时支护曲率半径对隧道稳定性的影响
• 3.3.1 临时支护分析工况
• 3.3.2 临时支护计算模型
• 3.3.3 计算结果分析
• 3.4 超前支护形式对隧道稳定性的影响
• 3.4.1 超前支护分析工况
• 3.4.2 计算结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 大顶山隧道施工稳定性分析
• 4.1 施工工法介绍
• 4.1.1 CD法简介
• 4.1.2 CD法施工步序
• 4.2 模型的建立
• 4.2.1 计算的基本假设
• 4.2.2 岩土材料的屈服准则
• 4.2.3 支护材料的模拟
• 4.2.4 三维计算模型
• 4.3 计算结果分析
• 4.3.1 地表沉降分析
• 4.3.2 拱顶沉降分析
• 4.3.3 水平位移分析
• 4.3.4 结构内力分析
• 4.3.5 拆撑步距分析
• 4.3.6 围岩塑性区分布
• 4.4 本章小结
• 第5章 大顶山隧道支护结构监测研究
• 5.1 光纤光栅传感技术简介
• 5.1.1 光纤光栅传感原理
• 5.1.2 光纤光栅传感器优点
• 5.2 监测设计
• 5.2.1 监测目的及设计流程
• 5.2.2 光纤光栅传感器的优化布置
• 5.2.3 监测方案
• 5.3 监测实施
• 5.3.1 监测系统硬件组成
• 5.3.2 传感器安装与保护
• 5.4 监测数据分析
• 5.4.1 温度分析
• 5.4.2 应力分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介