单洞双层暗挖隧道衬砌结构力学特性研究

摘要

随着土木工程技术的发展，在解决了展线、消防等技术难题后，双层隧道因为调和了城市交通量急剧增大而建设空间却愈加有限的矛盾而成为较好的隧道建设形式。然而，对于双层隧道的设计施工，既缺乏相应的规范文献作参考，又缺少相关的工程经验和理论研究作支撑。
　　本文通过有限元模拟、理论分析的研究方法，系统研究了单洞双层城市道路隧道的断面、衬砌参数和衬砌中隔板的受力特性，以上研究结论基于现行标准、规范，方案可行，参数可靠，可为论证城市双层道路隧道及类似地下工程的建设提供一定的根据及参考。
　　本文研究得到以下几个方面的成果:
　　1、在考虑相同初期支护的情况下，通过对比圆形、矩形、马蹄形双层隧道开挖断面，发现两车道跨度下，马蹄形为最优断面;三车道跨度下，马蹄形为最优断面;四车道跨度下，马蹄形与圆形优劣难分。随着跨度增加，马蹄形断面相比于圆形断面的优势逐渐减小，四车道时两者各有优势。可以推断的是，随着跨度的继续增加，圆形断面将比马蹄形更有优势，成为最优断面。
　　2、通过具体工况下衬砌结构的受力情况研究双层隧道喷射混凝土与二次衬砌的力学特性，发现马蹄形断面仰拱两侧是结构危险部位，衬砌轴力极值、剪力极值、弯矩极值、主应力极值与塑性破坏均出现在该处;初期支护是衬砌结构承载外荷载的主体，二次衬砌在承受少量外荷载的同时，更多的起到安全储备的作用。
　　3、通过研究不同围岩下衬砌参数的变化对衬砌力学特性的影响，通过统计整理大量数据，得到了各级围岩下衬砌位移量、轴力、剪力、弯矩、主应力与围岩塑性破坏情况随衬砌参数的变化趋势，发现增大衬砌厚度与强度均能有效改善衬砌的支护效果，但衬砌厚度的影响更为明显，并且围岩质量越差，该趋势表现的约为明显
　　4、研究中隔板对隧道整体衬砌受力影响，通过中隔板是否参与受力对比，发现中隔板不但有分割空间，承载上层车道、行车荷载，更能够参与衬砌整体受力，显著遏制了衬砌两侧拱腰处位移量，并有效改善了仰拱两侧部位衬砌的应力集中现象。
　　5、针对中隔板断面形状的研究，通过具有相同面积的拱形、矩形、多边形三种中隔板设计断面对比，结果显示多边形断面仰拱附近应力集中现象最为微弱，对仰拱即衬砌最危险区域的保护效果最为突出，但多边形断面中隔板本身应力分布较差，中隔板区域有一定的应力集中现象;拱形断面对中隔板本身的保护效果最为突出，其中隔板位移量也远远小于前两者，但拱形断面的仰拱区域应力集中现象最为明显;矩形断面力学性能较差。
　　6、重庆市某双车道市政公路双层隧道项目的设计方案在开挖断面形式、施工工法、支护措施及参数、横隔板断面形式等方面与本文模型、结论基本一致。通过根据本项目的具体工况建立有限元计算模型，计算结果符合有关规范。既验证了本设计方案的可实施性，又验证了本文研究结论的合理性与实用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 单洞双层隧道现状研究

1．2．2 复合式衬砌受力现状研究

1．3 研究方法与研究内容

1．3．1 研究方法

1．3．2 研究内容

1．4 技术路线

1．5 本章小结

第二章 单洞双层道路隧道新奥法建造方法分析

2．1 概述

2．2 新奥法相关理论

2．2．1 新奥法基本原理

2．2．2 光面爆破

2．2．3 初期支护

2．2．4 二次衬砌

2．2．5 监控量测

2．3 新奥法计算方法

2．3．1 隧道计算方法概述

2．3．2 有限单元法基本原理

2．4 单洞双层道路隧道建造方法

2．5 本章小结

第三章 双层隧道开挖断面形式优选

3．1 两车道双层隧道典型断面比选

3．1．1 典型断面设计

3．1．2 计算模型

3．1．3 典型断面比选

3．2 三车道双层隧道典型断面比选

3．2．1 典型断面设计

3．2．2 计算模型

3．2．3 典型断面比选

3．3 四车道双层隧道典型断面比选

3．3．1 典型断面设计

3．3．2 计算模型

3．3．3 典型断面比选

3．4 本章小结

第四章 双层隧道衬砌设计力学研究

4．1 双层隧道衬砌力学特性研究

4．1．1 计算模型

4．1．2 喷射混凝土与二次衬砌力学特性分析

4．2 衬砌参数对衬砌结构力学特性的影响分析

4．2．1 计算模型

4．2．2 衬砌参数力学特性

4．3 本章小结

第五章 双层隧道中隔板设计力学研究

5．1 中隔板对双层隧道衬砌受力影响

5．1．1 计算模型

5．1．2 结果分析

5．2 中隔板优化设计分析

5．2．1 中隔板受力分析

5．2．2 中隔板断面形式优选

5．3 本章小结

第六章 工程案例

6．1 背景工程

6．1．1 工程概况

6．1．2 气象、水文

6．1．3 围岩地质

6．1．4 暗挖主线隧道设计方案

6．1．5 本文研究对所选工程的适用性讨论

6．2 有限元模拟

6．2．1 计算模型

6．2．2 施工过程模拟

6．2．3 S5b型衬砌结构验算

6．2．4 S4b型衬砌结构验算

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文和取得的学术成果