软弱围岩浅埋大断面下穿隧道施工力学及工法优化研究

摘要

随着国家交通建设事业的快速发展，由于受到地质及地形条件、总体路线规划等因素影响，下穿既有公路的新建隧道也日益增多。由于下穿隧道大多呈现出大断面、浅埋、软弱围岩等特点，在施工过程中稍有不慎就容易引发塌方、冒顶等事故。面对这样复杂的工程地质情况和施工工序，在施工中为了控制围岩变形与既有公路路面沉降，对传统的开挖工法有了更高层次的要求。因此，研究浅埋大断面下穿隧道软弱围岩力学特性与施工工法，这有助于为以后类似复杂条件的隧道工程设计与施工提供具有价值的参考。
　　本文以下穿既有高速公路浅埋大断面下沙溪隧道为工程背景，从现场试验、数值模拟方面入手，基于试验设计、智能分析方法及有限元法等手段对围岩变形规律与路面沉降规律、围岩参数反演、围岩与支护的力学响应特性以及施工工法优化进行了深入的研究，主要的研究工作与成果如下：
　　1、根据下沙溪隧道的现场情况制定相应的试验方案，通过获得的现场监测数据对隧道围岩变形规律和既有高速路面沉降变形规律进行分析，同时得到了施工过程中断面在不同开挖步序下的围岩位移值。
　　2、基于遗传支持向量机和有限元方法建立隧道围岩参数反演模型，对围岩参数进行辨识。通过不同开挖步序下的围岩位移反演得到围岩力学参数，并对其进行对比分析，得到了隧道开挖过程中围岩力学参数变化规律。
　　3、基于求得的围岩力学参数，采用有限元软件建立浅埋大断面下穿隧道三维数值模型，并验证模型的正确性。同时，总结了公路路面沉降、围岩、初衬、临时支护和锚杆的变形规律及力学响应，为隧道安全施工提供理论依据。
　　4、基于隧道三维数值模型，采用7种不同开挖工法模拟隧道开挖。分析对比了隧道在不同开挖导坑顺序、不同开挖步距和不同开挖进尺下的既有公路路面沉降、围岩位移及应力、围岩塑性区分布、支护结构的力学响应特性。经综合对比得到了开挖工法3（循环进尺1m、导坑顺序B、台阶长15m）作为下沙溪隧道下穿段的施工方案是最为合适的。

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第1章 绪论

1.1 研究意义及背景

1.2 研究现状

1.3 主要研究内容及技术路线

1.4 本文创新点、难点及解决方案

第2章 浅埋大断面下穿隧道软弱围岩变形规律测试分析

2.1 引言

2.2 工程概况

2.3 浅埋大断面下穿隧道变形规律

2.4 高速公路路基分层沉降规律

2.5 本章小结

第3章 下沙溪隧道下穿段施工过程软弱围岩参数辨识

3.1 引言

3.2 支持向量机

3.3 遗传算法

3.4 基于遗传支持向量机的反演方法

3.5 基于遗传支持向量机的围岩参数反演模型

3.6 本章小结

第4章 浅埋大断面下穿隧道三维有限元模型建立与验证

4.1 引言

4.2 隧道三维开挖数值模型

4.3 隧道三维有限元模型可行性验证

4.4 本章小结

第5章 隧道变形双侧壁导坑法施工力学特性研究

5.1 引言

5.2 初始应力场下变形与应力

5.3 不同施工步序下路面沉降及围岩变形分析

5.4 围岩的力学响应分析

5.5 支护结构的力学响应分析

5.6 本章小结

第6章 浅埋大断面下穿隧道施工工法优化研究

6.1 引言

6.2 隧道下穿段施工工法优化方案

6.3 变形双侧壁导坑法不同开挖方式对空间效应的影响分析

6.4 变形双侧壁导坑法不同开挖方式对围岩稳定性的分析

6.5 变形双侧壁导坑法不同开挖方式对支护结构的分析

6.6 软弱浅埋大断面隧道下穿段开挖方案的优选

6.7 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 本文结论

7.2 不足与展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果