基于现场实测围岩压力的偏压隧道结构和开挖方式优化研究

摘要

随着我国高速公路的快速发展，公路隧道越来越多，在隧道施工过程中，洞室周围的岩体发生应力重分布，当这种重分布的应力超过围岩强度极限时，会造成围岩失稳破坏，所以在施工过程中支护结构受力状态研究和围岩稳定性评价非常重要。在隧道施工过程中，不同的开挖方式在施工的安全性、经济性和工期上差别较大，所以开挖方式的优化选择对隧道施工有重要意义。现场对围岩压力进行监测,对围岩压力的时空分布规律进行分析。基于现场实测围岩压力，根据荷载结构法原理利用ANSYS软件对不同二衬厚度下隧道衬砌结构受力和变形特性进行数值模拟分析；根据地层结构法原理利用ANSYS软件模拟隧道不同的开挖方式，并对不同工况进行对比取优。
　　本文通过监测、计算及分析，得到了以下主要结论：⑴实测围岩压力与地形之间具有较为一致的对应性，埋深大处压力大，埋深小处压力小，围岩压力受地形的影响显著。⑵五级围岩实测围岩压力最大值占设计值的比例不到7％。按照规范确定的围岩压力进行设计的衬砌结构具有过大的安全储备。⑶轴力引起的应力在二衬各个部位相差不大。弯矩引起的应力在二衬各个部位变化比较大。弯矩引起的二衬内侧应力值与弯矩引起的二衬外侧应力值大小相等方向相反。二衬总应力主要由弯矩引起的应力控制。随着厚度的变化，二衬外侧总应力在左侧拱脚与左侧拱腰之间逐渐减小；在左侧拱腰与拱顶中部之间逐渐增大；在拱顶中部与右侧拱肩之间逐渐减小；在右侧拱肩到右侧拱脚之间逐渐减小。⑷偏压隧道在选择双侧壁导坑法和环形开挖预留核心土法施工方案时，优先考虑双侧壁导坑法。当选择双侧壁导坑法施工时，优先考虑先开挖受压力较大一侧的导坑。当选择环形开挖预留核心土法开挖隧道时，弧顶的开挖优先考虑先开挖受压力较大的一侧。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究问题的提出及意义

1.4 本文研究的内容、方法和技术路线

2 后偏梁隧道概况

2.1 邢汾高速公路邢台段简介

2.2 隧道工程地质条件

2.3 隧道设计参数

3 围岩压力现场监测

3.1 监测方法

3.2 监测断面选择

3.3 监测元件布置设计及安装

3.4 监测结果

4 二次衬砌安全性评价

4.1 围岩压力设计值的确定

4.2 二衬安全性评价

5 衬砌结构受力数值分析

5.1 分析说明

5.2 荷载结构法原理

5.3 ANSYS简介

5.4 数值模型

5.5 衬砌变形及内力

5.6 不同厚度情况下二衬受力分析

6 隧道开挖方式优化数值分析

6.1 分析简介

6.2 现行公路隧道开挖方法

6.3 地层结构法

6.4 数值模型的建立

6.5 初始地应力场

6.6 开挖过程模拟

6.7 分析结果对比总结

7 结论

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表论文目录