钻爆法施工单洞双线铁路隧道预制拼装二次衬砌结构力学特性研究

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目前山岭隧道施工的主要方法是钻爆法,常用的衬砌结构形式为复合式衬砌。复合式衬砌中模筑现浇二次衬砌易出现开裂、厚度不足等质量缺陷,影响铁路隧道的安全运营。预制拼装衬砌具有施工速度快,拼装完成即可承载、衬砌质量能得到保证等优点,因此可成为钻爆法施工隧道二次衬砌形式的发展方向。本文以某单洞双线铁路隧道为工程依托,研究了其Ⅳ级围岩深埋段和Ⅴ级围岩浅埋段二次衬砌分担的围岩压力比例。依据现浇二次衬砌结构内力计算结果,提出了6种二次衬砌拼装方案。建立了梁-弹簧计算模型对各拼装方案进行了结构计算,确定了较优分块方案。建立了壳-弹簧计算模型对拼装二次衬砌结构力学特性开展了研究,并建立地层-结构三维有限元模型,计算分析了全断面法和两台阶法开挖隧道预制拼装二次衬砌结构的力学特性。论文主要开展的研究内容和所得到的结论如下:(1)基于依托铁路隧道工程的工程地质条件,分别建立了Ⅳ级围岩深埋隧道和Ⅴ级围岩浅埋隧道三维有限元模型,模拟的隧道开挖方法为两台阶法。分别计算分析不同台阶长度和二次衬砌安全步距工况下衬砌结构层间接触压力大小。依据复合式衬砌结构层间接触压力关系,分别计算两种围岩级别和埋深条件下二次衬砌分担的围岩压力比例。结合依托工程Ⅳ级围岩深埋段实测的衬砌结构层间接触压力和公路隧道设计规范建议的Ⅳ级和Ⅴ级围岩隧道二次衬砌分担的围岩压力比例,综合确定依托的铁路隧道Ⅳ级围岩深埋段和Ⅴ级围岩浅埋段二次衬砌分担的围岩压力比例分别为33%~46%和70%~80%。(2)建立均质圆环计算模型对依托的单洞双线铁路隧道工程Ⅴ级围岩浅埋段的二次衬砌结构内力进行计算分析。按照接头设置在弯矩较小处原则提出6种二次衬砌分块方案,参考盾构隧道预制管片接头刚度的理论计算公式,计算得到了拼装二次衬砌接头刚度大小。建立梁-弹簧计算模型对各分块方案进行结构力学特性分析,从拼装二次衬砌结构受力、衬砌运输、安装和防水特性等方面综合选定了9分块方案,即边墙和拱顶均分为5块,两侧拱脚各分为1块共计2块,仰拱均分为2块。(3)分别建立梁-弹簧计算模型和-弹簧计算模型研究拼装二次衬砌厚度、环宽、拼装方式及连接螺栓等级对结构力学特性的影响规律。结合大盾构隧道设计和施工经验,建议Ⅴ级围岩浅埋隧道预制拼装二次衬砌厚度采用0.55m,环宽采用2.0m,螺栓等级采用M36。当围岩条件相对较好时预制二次衬砌可采用通缝或错缝拼装方式,围岩条件相对较差时建议采用错缝方式拼装。(4)建立Ⅴ级围岩单洞双线浅埋铁路隧道三维数值计算模型,计算分析了全断面法和两台阶法开挖对隧道衬砌结构力学特性和预制拼装二次衬砌环向和环间接触应力的影响规律。研究表明:两种开挖方式对衬砌结构力学特性和拼装二次衬砌块环向和环间的接触压力影响规律基本一致,其大小也基本相当,因此两种开挖方式下二次衬砌皆可采用预制拼装的方式。建议预制拼装二次衬砌结构防水措施采用两道防水层做法,即在初期支护与二次衬砌间铺设防水板和提高拼装二次衬砌本身防水性能。对于特殊地质地段隧道采用预制拼装二次衬砌,需进行专项设计。通过选用合理开挖方式、优化衬砌结构参数、选用合适的材料类型等措施实现采用预制拼装二次衬砌的目的。
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