浅埋偏压对大跨度小间距隧道的施工影响研究

摘要

现代社会的高速发展离不开高效率的交通设施，选择公路隧道能有效缩短时空距离，随着国家西部大开发与“一带一路”的战略实施，隧道建设事业开展地如火如荼。由于隧道大量穿越软弱松散围岩且常处于浅埋偏压状态，对隧道受力变形产生不利影响。大跨度小间距隧道与普通公路隧道相比，能更好地提高交通效率、降低工程修造与维护成本。但是，大跨度小间距隧道开挖断面大、施工流程复杂，受浅埋偏压软弱松散围岩影响明显，极易引发工程事故，造成人员伤亡及巨大损失。因此，研究浅埋偏压条件下围岩与大跨度小间距隧道相互影响机理对保障隧道施工安全尤为重要。
　　本文依托南宁某实际工程，开展浅埋偏压对大跨度小间距隧道的施工影响研究。通过Midas GTS软件建立数值计算模型，首先研究了不同施工工法对不同工况单隧道围岩及支护结构的影响;然后模拟研究不同施工工法对平行双隧道围岩及支护结构的影响。
　　主要研究成果与结论如下:
　　(1)在浅埋偏压围岩中修建大跨度单隧道，采用双侧壁导坑法施工，最大压应力分别比台阶法与CD法小48.5％，15.8％，围岩应力分布合理;对于围岩位移而言，采用双侧壁导坑法，地面最大沉降、拱项沉降、拱底隆起分别为-16.5mm、-24.75mm、28.32mm，比台阶法小85％左右，比CD法小60％～75％，特别适用于对围岩位移控制要求高的工程;双侧壁导坑法开挖截面较小，扰动土体程度相对来说较小，且形成闭合支护及时，引起的锚杆轴力51.1 kN，比台阶法和CD法小72.7％、71％，轴力分布呈均布状态;对弯矩分配而言，双侧壁导坑法初期支护承受了较大围岩变形，减少了二次衬砌应对围岩变形的压力，引起的弯矩最大值为6975.6 kN·m左右拱肩、左右拱腰处弯矩数值分布在1000～3500kN·m范围内，较其他两种工法小，能充分发挥二衬结构承载能力。综合来看，双侧壁导坑法较台阶法与CD法，对隧道产生的不利影响最小;
　　(2)基于双侧壁导坑法的研究，开展偏压及浅埋对隧道开挖的影响研究，通过组合埋深与坡度条件得到12种工况，得到隧道偏压的主要影响范围为0～30m;坡度大于1∶1.5时，浅埋、偏压条件对围岩变形与应力分布影响显著;随埋深的增长和坡度的减小，浅埋偏压影响逐渐变小;
　　(3)对浅埋偏压围岩中进行大跨度小间距平行隧道修建，使用双侧壁导坑法进行施工，压应力比台阶法小约31％～43％，比CD法小约8％，围岩应力分布较其他两种工法更合理;双侧壁导坑法能有效减小开挖断面，能尽早完成封闭的支护体系，竖向位移量比台阶法小50％～69.8％，比CD法小45％～65％;双侧壁导坑法引起锚杆轴力比台阶法小13.8％～22.6％，比CD法小5％～12％，有效地控制围岩位移;双侧壁导坑法初期支护轴力左右洞最大值出现在拱腰，分别是4000.8kN、5352.5kN，拱肩次之拱顶最小，且左右拱肩与左右拱腰处轴力相差较小，初期支护轴力分布合理;双侧壁导坑法二次衬砌弯矩，左右洞的拱顶弯矩较小，拱肩次之，拱腰最大，最大值为-3698.6kN·m，弯矩分配较其他两种工法合理，能有效发挥二次衬砌的抵抗围岩变形的能力;双侧壁导坑法能减少后掘进隧道对先掘进隧道由施工带来的影响，保障施工安全。综合来看，双侧壁导坑法较台阶法与CD法，对大跨度小间距平行隧道的不利影响最小;
　　(4)基于双侧壁导坑法的研究，开展在浅埋偏压小间距隧道施工工序的研究，得到先开挖浅埋侧隧道后开挖深埋侧隧道，先开挖隧道远离中间岩柱侧后开挖隧道靠近中间岩柱侧为最优工序，能有效控制施工偏压对隧道的影响，且能较好地控制围岩位移，进一步减小对大跨度小间距平行隧道的不利影响。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 施工工法对隧道开挖影响研究现状

1．2．2 浅埋偏压因素对隧道的影响研究现状

1．2．3 小间距隧道施工影响研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 技术路线

2．1 软件介绍

2．2 有限元模型的建立与验证

2．2．1 工程概况与工程地质构造

2．2．2 模型网络划分与尺寸

2．2．3 隧道支护结构参数和岩体物理力学参数

2．2．4 模拟方案

2．2．5 模拟结果分析

2．3 本章小结

第三章 浅埋偏压大跨度隧道工法优选

3．1 浅埋偏压隧道的确定

3．2 施工工法比较

3．2．1 模型尺寸

3．2．2 隧道支护结构参数和岩体物理力学参数

3．3 各项工法数值模拟成果

3．3．1 台阶法开挖数值模拟

3．3．2 CD法开挖数值模拟

3．3．3 双侧壁导坑法开挖数值模拟

3．3．4 各工法数值模拟结果分析

3．4 本章小结

第四章 浅埋偏压程度对隧道施工影响分析

4．1 数值模拟工况与方案

4．1．1 模拟工况

4．1．2 模拟方案

4．1．3 隧道支护结构参数和岩体物理力学参数

4．2 数值模拟结果

4．2．1 围岩应力场分析

4．2．2 围岩位移场分析

4．2．3 锚杆轴力分析

4．2．4 数值模拟成果分析

4．3 本章小结

第五章 浅埋偏压小间距平行隧道施工工法优选及施工工序优化

5．1 小间距隧道的判定

5．2 隧道计算模型建立

5．2．1 模型尺寸

5．2．2 隧道支护结构参数和岩体物理力学参数

5．3 各项施工方案数值模拟成果

5．3．1 台阶法施工模拟

5．3．2 CD法施工模拟

5．3．3 双侧壁导坑工法施工模拟

5．3．4 各工法的数值模拟结果分析

5．4 双侧壁导坑法施工工序优化

5．4．1 计算步骤

5．4．2 围岩位移分析

5．4．3 围岩应力分析

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的科研成果