沿海山岭大跨度小净距隧道施工稳定性分析

摘要

小净距隧道近年来被广泛运用到我国高速公路建设当中,随着小净距隧道建设规模的扩大,国内外设计、研究、施工技术人员对其展开了系统研究和实践工作,但仍有诸多问题有待解决。影响复杂条件下的大跨度小净距隧道的施工稳定性因素主要有以下几个方面:隧道所处围岩含裂隙等弱结构面、隧道爆破产生的振动、围岩受地下水影响、岩体的蠕变特性等。本文结合大连市渤海大道(一期)工程-大东山小净距隧道工程对上述几方面问题进行了研究,主要研究内容与成果如下:
　　(1)将高斯算法(GP)、差异进化算法(DE)与遍布节理模型相结合,建立一种含节理隧道围岩参数反分析方法。首先按照正交设计的节理参数组合方案,通过遍布节理模型进行三维数值模拟,借助敏感性分析选取关键参数。然后,通过高斯-差异进化过程的耦合算法(GP-DE),实现节理参数-围岩位移非线性表达;利用差异进化算法实现节理参数的反演,并对含节理段围岩在不同加固措施下变形特征进行分析。上述研究结果表明,反分析结果精度较高。对于大断面小净距隧道支护施工而言,围岩超前注浆锚杆加固效果较好,能够满足工程安全需求。研究结论可为类似条件下特大断面小净距隧道开挖、岩墙加固提供理论依据,对工程实践具有指导意义。
　　(2)通过数值计算方法研究了后行洞不同爆破施工工法下对先行洞的影响,分析指出先行洞在后行洞爆破影响下的薄弱部位。根据爆破地震现场试验获取现场实际监测值,分析隧道临近建筑物监测点振动响应情况,在此基础上提出了隧道穿越临近建筑物减震爆破方案,并将此方案应用于施工当中,有效地保证了爆破开挖过程中临近建筑物的稳定性,满足爆破安全规程要求。
　　(3)考虑地下水对围岩作用,对不同围岩级别下小净距隧道施工工法进行数值模拟,对两种工法每一步开挖过程中围岩及中夹岩柱受力特性进行分析,得出相关结论。基于注浆层厚度、抗渗系数两方面对控制隧道涌水量等方面考虑,对富水区小净距隧道合理注浆参数进行研究,提出合理注浆参数。
　　(4)通过非线性西元模型对地下水影响下的大东山隧道工程围岩的蠕变特性进行研究,分析三种工况下小净距隧道施工过程及开挖完成后时间效应对围岩稳定性影响,并利用单元状态指标(Zone State Index)对隧道围岩的稳定性进行定量评价,基于ZSI与单元的渗透性联系,得出围岩渗透系数随围岩稳定性变化值。最后,提出二衬合理支护时间,为类似小净距隧道工程提供参考,具有一定的实际意义。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 含节理围岩反馈分析研究现状

1．2．2 小净距隧道爆破振动效应研究现状

1．2．3 小净距隧道流固耦合研究现状

1．2．4 渗流-蠕变耦合研究现状

1．3 本文研究内容与解决的问题

第2章 节理岩体大跨度小净距隧道反馈分析及加固措施

2．1 前言

2．2 GP和DE算法

2．2．1 差异进化算法(DE)

2．2．2 GP-DE耦合算法

2．3 基于GP-DE节理参数反分析算法

2．3．1 遍布节理模型算法

2．3．2 基于GP-DE反分析节理参数算法流程实现

2．3．3 算法验证

2．4 工程应用

2．4．1 工程概况

2．4．2 数值计算模型

2．4．3 节理面参数反演

2．4．4 含节理段围岩自动化监测

2．5 加固措施研究

2．5．1 计算工况

2．5．2 结果分析

2．6 本章小结

第3章 大跨度小净距隧道爆破稳定控制技术研究

3．1 前言

3．2 大东山小净距隧道采用常规爆破方案及其爆破参数

3．3 后行洞不同开挖工法爆破施工方案数值模拟

3．3．1 数值模型及岩土体参数

3．3．2 数值计算结果

3．4 隧道常规爆破对邻近建筑物影响结果分析

3．5 大东山隧道临近建筑物段改进爆破方案

3．5．1 主要减震措施

3．5．2 数值模拟

3．6 本章小结

第4章 考虑流-固耦合作用下大跨度小净距隧道力学特性及合理注浆参数

4．1 前言

4．2 隧道渗流场理论

4．2．1 隧道围岩渗流场对应力场影响

4．2．2 隧道围岩应力场对渗流场影响

4．2．3 FLAC-3D流固耦合理论

4．3 小净距隧道不同施工工法数值模拟

4．3．1 数值模型建立

4．3．2 计算参数

4．3．3 数值模拟结果

4．4 富水区大跨度小净距隧道合理注浆参数研究

4．4．1 计算模型

4．4．2 注浆圈厚度确定

4．4．3 注浆圈合理渗透系数确定

4．5 本章小结

第5章 渗流-蠕变耦合作用下小净距隧道施工过程稳定性分析

5．1 前言

5．2 基于单元状态指标围岩稳定性定量评价方法

5．3 岩石蠕变损伤模型

5．3．1 常见的蠕变模型

5．3．2 非线性西原应变软化模型

5．4 蠕变-渗流耦合理论

5．4．2 蠕变-渗流耦合分析的连续性方程

5．4．3 蠕变-渗流耦合分析总体控制方程

5．5 大跨度小净距隧道施工方案数值模拟

5．5．1 工程概况及数值模型建立

5．5．2 岩土体材料参数选取

5．5．3 基于弹塑性模型施工过程数值模拟

5．5．4 时间效应结果分析

5．5．5 隧道二衬合理支护时机

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

研究生履历