排烟横洞超近接上跨既有隧道开挖优化及受力变形特征研究

摘要

近接立交隧道施工所引起的地层效应和支护结构的力学行为及其复杂，特别是新建隧道“零距离”上跨既有隧道时，这种效果更明显，严重时甚至会导致下方隧道支护结构破坏以及围岩的崩塌。因此，对新建隧道开挖过程中既有隧道支护结构的受力变形特性以及开挖方法优化研究及其重要。本文依托汶马高速公路赶羊沟隧道排烟横洞交叉口工程，采用监控量测结合三维有限元数值模拟的方法，对主线隧道支护结构的受力变形特征、排烟横洞的工法优化以及碴土车对主线隧道的影响进行了研究，主要研究工作及成果如下:
　　(1)介绍了隧道开挖的力学原理及上下重叠交叉隧道开挖过程的应力应变规律。
　　(2)系统介绍了赶羊沟隧道排烟横洞交叉段的工程地质条件、水文地质条件;结合上下交叉隧道的受力特点，制定了现场监控量测方案，并就所测数据进行了分析。
　　(3)对排烟横洞的开挖过程进行了三维数值模拟，并对主线二次衬砌的竖向变形、横向变形及内外侧最大主应力变化规律进行了分析。结果表明:主线变形表现为拱顶向上隆起，拱腰外鼓;确定影响区域起于排烟横洞上台阶掌子面离交叉中心-10m，止于18m。
　　(4)通过模拟不同施工工况，对比了排烟横洞的变形、初期支护内外侧最大主应力及最大剪应力，得出了排烟横洞最优的开挖进尺和下台阶高度。结果表明:采用1.8m进尺及2.5m下台阶高度更有利于施工，排烟横洞上台阶掌子面距交叉中心（坐标0m）-20m前开挖进尺取3m，-20～10m内取2.4m，10～18m内取1.8m，18m后取2.4m。
　　(5)通过现场调查的方法总结了碴土车的特点，计算出碴土车满载时车轮与地面的接触压力，确定了动荷载系数，并通过模拟车轮的不同作用位置模拟车辆行驶的过程，分析了车辆荷载对主线二次衬砌的影响，结果表明:车辆荷载对主线二次衬砌的应力最大增幅为13.41％，整体影响幅度不大，控制开挖后主线隧道围岩压力是关键，宜在离交叉中心3m范围内采取适当措施控制碴土车的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 近接交叉隧道受力与变形研究

1．2．2 近接交叉隧道开挖方法优化研究

1．2．3 车辆荷载对下穿隧道影响研究

1．3 研究的内容及方法

2 近接隧道施工的一般力学原理

2．1 概述

2．2 近接隧道施工的分类

2．3 近接隧道施工力学一般原理

2．3．1 隧道施工各阶段应力场

2．3．2 临近隧道围岩应力场的分布形态

2．4 近接隧道施工影响程度判别准则

2．5 近接隧道施工的影响分区

2．6 本章小结

3 赶羊沟隧道排烟横洞交叉段工程概况及现场监控量测

3．1 工程概况

3．1．1 赶羊沟隧道排烟横洞交叉段工程简介

3．1．2 工程地质条件

3．1．3 水文地质条件

3．1．4 围岩分级

3．2 赶羊沟隧道排烟横洞交叉段监控量测

3．2．1 现场监测方案

3．2．2 现场监控量测结果

3．3 本章小结

4 排烟横洞开挖对主线隧道受力变形影响及横洞开挖优化数值模拟

4．1 三维有限元模型的建立

4．1．1 计算模型

4．1．2 屈月技准则和变彤模式

4．1．3 开挖工序确定

4．2 主线隧道受力、变形影响动态分析

4．2．1 二次衬砌变形分析

4．2．2 二次衬砌应力分析

4．3 不同进尺优化分析

4．3．1 围岩应力

4．3．2 支护结构变形

4．3．3 初期支护应力

4．3．4 二次衬砌应力

4．3．5 开挖进尺优化对比总结

4．4 不同下台阶高度优化分析

4．4．1 围岩应力

4．4．2 支护结构变形

4．4．3 初期支护应力

4．4．4 二次衬砌应力

4．4．5 下台阶高度优化对比总结

4．5 本章小结

5 排烟横洞碴土车荷载对主线隧道支护结构影响分析

5．1 概述

5．2 赶羊沟隧道碴土车荷载的调研

5．3 碴土车荷载的数值模拟

5．3．1 车辆荷载模型的简化

5．3．2 车辆荷载值确定

5．3．3 三维有限元模型

5．4 结果分析

5．4．1 二次衬砌变形分析

5．4．2 二次衬砌应力分析

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果