大跨浅埋公路隧道支护体系的系统优化研究

摘要

随着我国经济建设的发展，自21世纪起，大规模的公路新建、扩建中，双向6车道以上公路隧道逐渐兴起。在东部丘陵地区，常伴随着浅埋、富水等复杂地质因素。大跨公路隧道具有开挖跨度大、断面形状复杂、几何尺寸不一、高跨比小等特点，对隧道围岩的稳定、结构的受力产生不利影响；浅埋地层条件导致开挖后的应力重分布不利、底脚处的应力集中过大、拱顶不稳定、松弛地压力较大、支护结构的承载力相对较小等特点。因此同时具有大跨、浅埋等特点的典型公路隧道是隧道工程领域面临的新课题。大跨浅埋隧道的施工设计优化更为重要，合理优化的结构不仅确保隧道施工和运营的安全可靠，还将产生重大的经济效益。 我国大跨公路隧道建设的研究起步较晚，现行的《公路隧道设计规范》(JTGD70—2004)仅适用于以钻爆法为主要施工手段的各级公路双车道隧道，对于单向3车道以上大跨隧道没有明确的规定，因此，有必要对迅速发展的单向3车道以上大跨公路隧道的施工设计进行系统研究，对其安全性关键技术及其施工设计优化技术进行深入探讨。 本文以典型江南丘陵区宁常高速公路大跨浅埋茅山隧道工程为依托，在系统总结隧道工程优化的最新研究成果和进展的基础上，结合公路隧道工程设计、施工全过程的特点，引入拓扑优化技术，对可行性研究阶段、初步设计阶段、施工控制阶段各自的优化方法、特点及其优化的要点进行系统研究，提出了大跨公路隧道系统优化体系与方法。本文主要成果如下： 1.对大跨浅埋茅山公路隧道进行现场监控量测方案设计与分析，对台阶法，CRD法施工过程中洞室收敛、拱顶下沉、初支内力、二衬内力、锚杆内力、深层位移等变形规律进行了研究，揭示了松动圈变化规律，总结了大跨浅埋公路隧道施工过程的围岩变形、稳定特征与支护结构性状。 2.公路隧道建设是一复杂系统工程，目前优化研究均侧重局部优化，无法实现系统最优。根据目前公路隧道设计、施工程序，结合实际工程引入预优化设计思想及拓扑优化技术，建立了完善的公路隧道动态施工设计优化体系理论；明确公路隧道施工设计过程中每个阶段所采用的主要优化方法及优化的主要内容。 3.公路隧道洞形优化和局部支护技术是隧道设计施工的关键技术之一。首次引入拓扑优化技术，提出拓扑权重概念，建立公路隧道拓扑优化模型及具体实施技术路线；对隧道开挖洞形及其扰动区支护特点进行了分析；并提出破碎软弱围岩的预强支护理论，建立公路隧道三层支护体系，确定围岩主要影响区的预强支护最佳位置，为超前支护深度、大管棚施工最合理的钻孔布置提供指导。 4.大跨浅埋公路隧道预优化研究是系统优化的重要环节之一，因此从系统优化角度考虑，研究了预优化的特点、目的及主要内容，提出其主要内容包括：施工方案的比选、支护结构的合理性优化(主要是初支、二衬的厚度)、初支施作时机的确定、施工控制与变形特点分析、监控量测点的合理布置等。并结合大跨浅埋茅山隧道进行了详细研究。 5.动态反馈设计过程中反分析模型的“真实性”直接影响反馈设计的结果，通过实际工程中初支作用特点的研究，充分考虑初支在大跨浅埋公路隧道开挖过程中的不确定性，采用更符合实际情况的考虑松动圈效应的双介质模型，建立“承载复合体”反分析模型；并利用最能反映大跨扁平公路隧道变形特点的拱项下沉量建立目标函数，进行了反分析。最后通过实例对比分析论证了该模型的优点。 6.研究了大跨浅埋茅山公路隧道采用钢拱架的柔性支撑力学作用特点，以钢拱架翼缘应变量测结果作为计算参数，提出柔性支撑安全性判断与预测的新方法；并结合位移控制标准建立四级安全控制管理标准。从工程应用情况显示，该方法能较好的反映围岩实际开挖变化情况，预测结果能基本反映围岩稳定性状态，既能显示安全性级别，又能反映初支内力变化规律。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1问题的提出

1.2国内外研究现状

1.3存在问题

1.4本文研究思路与主要工作

第二章 大跨浅埋茅山公路隧道工程地质环境特征及施工监控分析

2.1茅山隧道工程地质环境

2.2茅山隧道结构设计与施工概况

2.3茅山公路隧道现场监控量测分析

2.4大跨浅埋茅山公路隧道力学特点分析

2.5本章小结

第三章 大跨浅埋公路隧道系统优化理论与方法

3.1大跨浅埋公路隧道优化难点

3.2大跨浅埋公路隧道系统优化体系

3.3大跨浅埋公路隧道优化理论

3.4大跨浅埋公路隧道预优化的有限元方法

3.5大跨浅埋公路隧道基于有限元的反馈分析法

3.6大跨浅埋公路隧道的拓扑优化理论与有限元法的工程实现

3.7本章小结

第四章 大跨浅埋公路隧道支护结构的拓扑优化研究

4.1公路隧道拓扑优化的目的与技术实现

4.2隧道拓扑优化的权重概念

4.3隧道洞形的拓扑优化研究

4.4大跨浅埋公路隧道支护结构的组合拓扑优化

4.5本章小结

第五章 大跨浅埋公路隧道支护体系的预优化研究

5.1大跨浅埋公路隧道设计预优化研究主要内容

5.2大跨浅埋公路隧道预优化的技术实现

5.3大跨浅埋茅山公路隧道工程的预优化研究

5.4本章小结

第六章 基于改进双介质模型的隧道反馈优化设计及初支稳定性预测新方法

6.1大跨浅埋公路隧道动态反馈设计管理流程

6.2大跨浅埋公路隧道动态反馈设计要点

6.3大跨浅埋公路隧道考虑初支不确定性的改进双介质反馈设计模型

6.4大跨浅埋公路隧道基于改进双介质模型的动态反馈优化设计实例分析

6.5大跨浅埋茅山公路隧道初期支护稳定性预测新方法及四级安全管理标准

6.6大跨浅埋茅山公路隧道监控信息实时网络化管理系统

6.7本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1全文总结

7.2展望

参考文献

致 谢

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