考虑时变效应的超大断面隧道施工工法研究及施工工艺优化

摘要

隧道开挖过程围岩变形规律中时空效应明显，隧道动态开挖过程加之岩体流变特征双重耦合作用对围岩及隧道结构稳定性影响巨大。隧道开挖方式与施工工法密切相关，大断面隧道往往由于巨大的断面面积多选择分块开挖，这导致开挖步骤较为复杂。分块开挖-支护会对围岩体造成反复扰动，对围岩体的反复加卸载荷过程直接影响围岩及衬砌结构的稳定性。同时大断面隧道乃至超大断面隧道由于跨度较大，分块开挖情况较多，围岩在施工过程及支护后期会产生持续性变形，因此本文依托莲塘隧道超大断面段特殊施工工法，考虑围岩时变效应，采用粘弹塑本构模型对隧道施工全过程进行数值模拟，对隧道动态开挖过程中围岩变形规律及衬砌支护后应力重分布规律进行对比研究，同时对衔接处扩挖方式及小净距台阶进尺进行优化分析，并与量测结果互相印证其可靠性，主要研究内容及结论如下：　　①调查总结了国内外大断面隧道施工现状、隧道工程开挖过程围岩变形及衬砌受力随时间变化规律，同时也对部分大断面隧道施工优化内容进行了总结。　　②结合莲塘隧道超大断面段K1880?K1901里程21m段工程概况，对隧道超大断面段进行双侧壁导坑与特殊工法全过程动态开挖进行数值模拟，在模拟开挖过程引入时变理论，以ANSYS软件自带粘弹塑耦合本构模型模拟隧道开挖，综合分析了掌子面分块开挖过程中围岩水平变形、垂直变形、初衬施作完毕后随时间增长应力重分布规律，通过两个方法数值模拟结果及监控量测围岩变形数据互相印证了超大断面隧道特殊施工工法动态施工优缺点。　　③对K1901?K1915里程渐变段扩挖施工方法进行了动态模拟分析，综合围岩变形、锚杆受力发现扩挖过程中以型钢门架作为临时支护对控制围岩变形具有较好效果，同时对扩挖进尺进行优化分析得出2.5m扩挖进尺效果最佳。　　④对小净距段双洞开挖进行台阶法数值模拟，发现后开挖洞施工对先开挖洞扰动较大，导致先开挖洞二衬应力较高、中夹岩水平变形朝向后开挖洞侧。综合分析围岩变形、衬砌应力分布规律得出后开挖洞以4m台阶进尺效果最佳。　　⑤完善了超大断面及衔接处隧道段施工工法，细化了掌子面各导坑分块施工顺序及开挖进尺，针对开挖过程提出了改进措施，从安全措施、质量控制、环保措施等角度对砂岩隧道分岔部超大断面及衔接处施工工法做出了补充。

目录

1 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 考虑隧道岩体施工时变效应隧道施工理论研究现状

1.2.2超大断面隧道施工工艺及其优化研究现状

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究思路及技术路线

2 分岔部超大断面段施工方法对比研究

2.1莲塘隧道工程概况

2.1.1 地形地貌

2.1.2隧道围岩等级

2.1.3地质构造与地层岩性

2.1.4 不良地质条件及特殊岩土

2.1.5 水文及水文地质条件

2.1.6 支护结构设计

2.2 基于时变效应的隧道开挖模拟理论

2.2.1 基于时空效应的围岩及支护能量转换原理

2.2.2隧道工程全过程施工数值模拟方法选用

2.2.3具有时变效应的隧道施工全过程动态模拟理论

2.3.1分岔段原设计施工顺序及施工工法

2.3.2分岔段实际施工顺序及施工工法

2.4 超大断面段隧道全动态建设过程模型及参数

2.4.1双侧壁导坑法与小导洞先行开挖特殊工法模型

2.4.2材料本构及参数

2.4.3边界条件

2.4.4 开挖施工模拟顺序

2.5 双侧壁导坑法模拟结果

2.5.1全过程开挖围岩变形规律分析

2.5.2衬砌受力分析

2.6基于双侧壁导洞法的小导坑先入施工方法结果分析

2.6.1全过程开挖围岩变形规律分析

2.6.2衬砌受力分析

2.7本章小结

3 超大断面衔接段施工参数优化

3.1渐变段横向扩挖施工过程研究及优化分析

3.1.1扩挖段隧道几何模型及材料参数

3.1.2扩挖全过程分析

3.1.3模拟结果与量测结果对比及扩挖进尺优化

3.2小净距段后开挖洞台阶进尺优化

3.2.1三车道台阶法优化模型及参数

3.2.2围岩及隧道结构整体稳定性及优选分析

3.2.3模拟结果与量测结果对比验证

3.4本章小结

4 砂岩隧道分岔部超大断面及衔接处施工工法

4.1工法特点

4.2工艺原理

4.2.1施工工艺流程

4.2.2操作要点

4.3 质量控制

4.4 相关措施

（一）安全措施

（二）环保措施

4.5本章小结

5 结论与展望

5.1主要结论

5.2 展望

参考文献

附 录

A．作者学习期间发表的论文

B．研究生期间参与项目

C．研究生期间所获奖励

D. 学位论文数据集

致 谢