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随着我国经济的飞速增长,公路、铁路等基础设施的建设规模也得到前所未有的发展。我国是一个多山国家,在大规模的公路、铁路等建设过程中必然伴随大量隧道工程的涌现。传统分离式隧道存在展线较困难的缺陷,而连拱隧道则存在长度通常较短、施工复杂、工期长、造价高等诸多缺陷。介于分离式隧道和连拱隧道之间的小净距隧道则具有较大的灵活性和适用性,一定程度上弥补了分离式隧道和连拱隧道的不足。
对于软弱围岩大跨度小挣距这类特殊的隧道形式,由于隧道断面大、净距小、围岩软弱、支护结构复杂、施工工序较多,在整个施工过程中围岩受到不同程度的扰动,后建隧道对先建隧道可能存在较大的影响。因此对软弱围岩大跨度小净距隧道动态施工力学行为进行研究,分析围岩及支护结构的应力和变形的变化规律,对保障隧道安全施工和围岩稳定以及支护结构优化具有一定的指导作用。
本文以国家重点交通工程二广高速公路西岸隧道为依托,以大跨度小净距隧道软弱围岩(Ⅴ级)为研究对象,主要采用数值计算方法,运用大型通用有限元模拟软件ANSYS,将数值计算结果与数学解析解和现场监测数据进行对比分析,通过综合手段对隧道动态施工过程中围岩及支护结构的力学行为进行研究,具有重要的学术价值和实践意义。
本文首先论述了隧道围岩稳定性的影响因素、围岩失稳的力学机理及围岩稳定性的基本判据。其中影响因素包括地质因素和人为因素等诸多方面;围岩失稳的力学机理包括松动压力、形变压力和膨胀压力;围岩稳定性的基本判据包括强度判据、应变极限判据和洞周围岩收敛位移判据等。
然后以二广高速公路西岸隧道为工程实例,在对西岸隧道工程地质条件进行分析的基础上,介绍了隧道围岩分级的方法并对该隧道进行围岩分级,初步确定围岩物理力学参数的范围,并对西岸隧道的施工工法和监控量测进行了简要介绍和分析。
接着介绍了有限元分析的基本原理及过程、岩土体本构模型和屈服准则、支护结构等参单元刚度矩阵计算方法及隧道动态施工过程的有限元计算方法,在对此全面分析的基础上,掌握了有限元方法模拟隧道动态施工的关键技术。在对西岸隧道工程地质条件及施工方法与工序进行分析的基础上,通过公路隧道围岩分级、室内试验、相关工程经验及有限元反分析等综合方法确定了软弱围岩及支护结构的物理力学参数。对隧道工程地质条件和支护结构进行了合理概化,建立了符合实际、用来处理平面应变问题的二维有限元模型。
最后根据有限元计算结果,并结合隧道施工期现场监测数据及数学解析解,对隧道围岩及支护结构进行了全面的分析,主要包括围岩的应力和变形(地表沉降、拱顶下沉和净空收敛)分析、初衬支护结构的内力和变形分析、临时支撑的内力和变形分析、锚杆的轴力分析、二衬结构的应力和变形分析,以及后行隧道施工对先行隧道围岩及支护结构的影响分析。并通过有限元计算方法,探讨了软弱围岩小净距隧道的净距变化对围岩力学行为的影响。经过上述全面的分析,得出一些有意义的结论。在文末分析了研究过程中存在的问题,并提出对下一步研究工作的建议。