小间距隧道动态施工力学研究

小间距隧道是在特定地形条件下修建隧道的理想选择之一,在隧道建设中发挥了积极作用。作为分离式隧道的有效补充型式,小间距可有效解决分离式隧道最小净距要求所带来的展线不灵活、占地面积大、高边坡等突出问题。但是,小间距隧道的应用和研究尚处于起步阶段,施工过程中的力学特性和规律、洞室之间的相互影响等问题还缺乏系统和全面的研究,其设计理论和施工方法远未成熟,无法满足工程的实际需要。本文以云南罗富高速公路段的平年隧道为工程背景,利用室内试验、相似模型试验、数值模拟及现场监控量测等方法,对双洞、四车道小间距隧道的施工力学特性进行了较为全面的研究。 首先,通过专题调研、现场取样、室内试验,对隧道所在处地质条件有了进一步的认识。利用相似理论开展了平面应变状态下的相似模型试验,并进行了相应的数值模拟计算。研究得到了开挖过程中的小间距隧道围岩的应力分布与变形变化的规律,对隧道之间相互影响的表现形式和力学机理有了较为全面的认识。 其次,应用大型有限元软件Msc.Marc对不同影响因素下小间距隧道的力学特性进行了数值模拟分析,得到了围岩级别与施工方法、隧道埋深、两隧道之间相对位置、偏压角度等因素对小间距隧道的相互影响及施工力学特征的影响作用规律,指出偏压荷载是小间距隧道开挖顺序引起施工力学变化的根本原因。 利用MSC.Marc软件对采用台阶法施工的小间距隧道施工全过程进行了三维弹塑性模拟计算,重点分析了左右洞掌子面距离和台阶长度这两个重要因素的影响。得到了在掌子面掘进过程中,围岩和支护结构的受力及变形随纵向开挖进尺的变化规律,对小间距隧道在纵向影响因素作用下施工力学特征有了初步认识。 通过对现场施工过程中实测数据的综合分析,建立了小间距隧道的初衬、二衬、洞周围岩的位移发展与空间、时间的函数关系;探讨了用围岩压力作为围岩稳定性判据的可能性;归纳出小间距隧道施工监测的要点,以期为同类型的其他工程提供参考。 最后,关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。