浅埋软弱围岩隧道施工方法及力学响应研究

摘要

在山岭隧道进出口段及城市轨道交通隧道中，多为浅埋软弱围岩隧道，其水文地质条件差，埋深浅，岩土体自稳能力差，抗扰动能力弱，甚至存在隧道下穿或紧邻其它既有建筑物、构筑物等现象，一旦工程措施（包括设计措施）和施工方法不当，将极易发生初期支护变形侵限，甚至隧道坍方等工程事故，这些问题亟待解决。
　　本文以广西永贺高速公路大岭头隧道浅埋软弱围岩段工程实践为依托工程，综合应用理论计算、有限元数值模拟和现场实测等手段，进行了如下研究:
　　①分析总结了有限元在隧道工程中的应用，应用解析公式法分析圆形隧道围岩应力状态，得到了弹性条件下及弹塑性条件下圆形隧道的应力解析解，分析了各个相应指标和塑性区半径大小的关系。
　　②运用有限元数值模拟的方法研究分析了浅埋软弱围岩隧道力学特征及变形特征，重点对比分析了浅埋软弱Ⅴ级围岩隧道施工过程中“掌子面前方超前变形”、“掌子面变形”、“掌子面后方变形”的比例关系，发现在超前变形中拱顶沉降最为显著，拱顶处的超前预加固及预支护有重要的意义。
　　③运用有限元数值模拟分析的方法，选取三种典型浅埋软弱围岩隧道，分别采用CRD法、 CD法、预留核心土台阶法及台阶法，以及有无超前支护措施，重点对比分析有、无超前预加固措施应力场和位移场的变化，验证了超前预加固措施是控制浅埋软弱围岩隧道结构及其围岩变形的有效措施之一，并通过有限指标的定量比较，得出三种浅埋软弱围岩，四种不同施工方法、一种超前预加固措施的适应性。
　　④依托广西永贺高速公路大岭头隧道浅埋软弱围岩段的工程实践，运用有限元数值方法，模拟分析其采用超前小导管注浆预加固留核心土台阶法施工过程，总结分析其应力、应变、位移变化规律，得到其支护结构的安全系数均在安全范围内，验证了其安全性。
　　⑤对广西永贺高速公路大岭头隧道进行现场实测研究，对其监控量测的数据进行处理和回归分析研究，并对比分析现场监控量测数据处理结果与数值模拟结果，结果表明数值模拟结果与现场监控量测结果较吻合。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 浅埋软弱围岩隧道介绍

1．3 国内外研究现状

1．3．1 施工方法概述

1．3．2 施工力学概述

1．4 本文研究主要内容和方法

第二章 浅埋软弱围岩隧道力学和变形特征

2．1 有限元在隧道工程中的应用

2．1．1 隧道有限元数值模拟范围

2．1．2 初始地应力计算

2．1．3 岩土材料本构模型

2．1．4 隧道施工过程模拟

2．2 解析公式法分析圆形隧道围岩应力状态

2．2．1 圆形隧道施工围岩的弹性应力状态

2．2．2 圆形隧道施工围岩的弹塑性应力状态

2．3 浅埋软弱围岩隧道力学及变形特征

2．3．1 浅埋软弱围岩隧道力学特征

2．3．2 浅埋软弱围岩隧道变形特征

2．4 本章小结

第三章 浅埋软弱围岩隧道施工方法适应性研究

3．1 有限元模型

3．2 无超前预加固数值模拟模型计算结果及分析

3．2．1 计算结果

3．2．2 应力场分析

3．2．3 位移及应变分析

3．3 超前预加固数值模拟模型计算结果及分析

3．3．1 计算结果

3．3．2 应力场分析

3．3．3 位移及应变分析

3．4 有、无超前预加固浅埋软弱围岩隧道几种施工方法比较

3．5 本草小结

第四章 大岭头隧道施工力学响应的数值模拟研究

4．1 工程地质概况

4．2 有限元模型建立

4．3 计算结果

4．4 应力场分析

4．5 位移场及应变场分析

4．5．1 拱顶沉降分析

4．5．2 周边收敛分析

4．5．3 地表沉降分析

4．5．2 塑性区分析

4．6 本章小结

第五章 大岭头隧道现场实测研究

5．1 监控量测目的

5．2 监控量测项目

5．3 监控量测范围及断面布设

5．4 监控量测方法

5．4．1 洞内目测观察

5．4．2 隧道内拱顶沉降及拱底隆起监控量测

5．4．3 周边收敛

5．4．4 地表沉降监测

5．5 监控量测原则及精度要求

5．6 监控量测频率

5．7 变形控制基准及管理基准

5．8 监控量测数据处理及分析

5．8．1 监控量测数据检查及平差

5．8．2 监控量测数据成图及回归分析原理

5．9 现场监控量测数据与数值模拟结果比较

5．10 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果