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原文传递下穿隧道施工空间效应及围岩变形影响与控制研究

论文题名：	下穿隧道施工空间效应及围岩变形影响与控制研究
关键词：	地下隧道;下穿施工;围岩变形;沉降监测
摘要：	随着交通基础设施的不断完善，受地形和地势空间限制，公路之间互相交叠、交叉问题不断涌现，使得下穿既有建（构）筑物隧道施工难度和施工问题明显增多。对于这类复杂条件下的隧道类型，设计人员迫切需要清楚围岩变形和路基分层沉降随掌子面推进过程中的变化规律，以便提出更加合理的支护形式；同时，现场施工人员也需要利用现场监测得到的部分围岩变形规律来预测判断围岩的最终变形稳定性。隧道纵向断面变形曲线（Longitudinal Deformation Profile，简称LDP曲线）和围岩特征曲线（Ground Response Profile）是收敛—约束法中重要组成部分；然而，在静水压力条件下讨论中间主应力和考虑掌子面空间效应的约束损失因子Λ，对圆形隧道围岩特征曲线的影响，以及在软弱围岩下穿隧道中分析LDP曲线的规律，进而提出如何有效控制隧道围岩稳定性的具体方法，尚需进一步研究。　　本文通过理论分析、现场实测数据分析、数值模拟分析相结合的方法，对下穿隧道施工空间效应及围岩变形影响与控制进一步研究。首先，基于统一强度理论，通过引入考虑隧道掌子面空间效应影响的约束损失因子Λ的方式，推导获得同时考虑σ2和Λ影响的隧道围岩弹塑性分析理论解，并讨论了统一强度理论中权系数b及引入的约束损失因子Λ对围岩特征曲线的影响程度。接着，以324国道下沙溪隧道下穿沈海高速公路为工程背景，通过现场监测和ABAQUS有限元软件的数值模拟方法，分析了在隧道施工过程中围岩LDP曲线变化规律。然后，模拟分析掌子面前方围岩不同加固措施、隧道不同开挖方式和高速公路不同汽车荷载下对隧道围岩LDP曲线影响规律进一步分析。最后，结合下沙溪隧道实际工程数值模拟结果，提出控制围岩变形的具体方法分析控制效果。这些研究成果对完善收敛—约束法的内容以及深入了解隧道围岩变形规律和指导控制围岩变形具有重要意义。　　本研究主要内容包括：⑴当隧道处于弹性变形阶段时，权系数b的取值对围岩特征曲线变化无关；当隧道处于塑形变形阶段时，围岩特征曲线的斜率随权系数 b的增大而增大。当考虑束损失因子Λ时计算得到的围岩塑性区径向位移最大值 R,maxU比不考虑约束损失因子Λ时小22.24％，且在相同0?R/?下，围岩径向位移值U R越小。（2）由现场实际监测资料分析，得到在掌子面前方1倍洞径位置处围岩开始受到扰动变形，在掌子面后方1倍洞径范围内围岩扰动程度明显增大，同时也是受掌子面空间效应影响程度比较明显的区域。⑵建立隧道施工的三维有限元模型，得到隧道开挖应力释放后，围岩变形总体上向隧道开挖后的临空面方向移动；通过围岩关键点位置变形和位移释放系数λ的变化曲线，隧道开挖的空间效应影响范围大约在掌子面前后[-1.5D，2.0D]距离之内，其中，在掌子面前后方[-1.5D,-0.74D]（D为隧洞直径）范围，为围岩变形缓慢增长区；在掌子面前后方[-0.74D,1.0D]范围，为围岩变形急剧增长区；在掌子面后方2.0D，围岩变形趋于稳定。⑶超前支护围岩加固区注浆后距掌子面开始开挖的时间越长，隧道拱顶沉降、拱腰水平收敛位移越小，而对围岩的位移释放系数影响不大；采用等效围岩加固圈厚度模拟超前加固措施的作用时，等效围岩加固圈厚度越大，隧道拱顶沉降最大值呈指数减小趋势、拱腰水平收敛位移最大值呈线性减小趋势，对掌子面前后围岩位移释放系数有一定影响。⑷隧道各导洞开挖进尺速率对掌子面前方围岩的扰动影响较小，而对掌子面后方围岩的变形影响较大；隧道采用导洞法开挖得到的拱顶沉降位移释放系数λ，在Z<11m范围内，比采用按全断面法小，且在Z=0m时达到23.7%；在Z>11m范围内，比采用全断面法开挖大。隧道采用导洞法开挖得到的拱腰水平收敛位移释放系数λ，在整个隧道开挖过程中都比采用全断面法开挖小，且在Z=0m时达到42.9%。⑸当隧道上方沈海高速公路汽车荷载采用拟静力方法计算时，汽车荷载对隧道拱顶沉降有一定的影响，而对隧道拱腰水平位移只有在掌子面后方围岩具有一定的影响。⑹掌子面前方围岩加固措施选择上应主要考虑增大等效加固圈厚度；隧道开挖方式选择上应首先考虑开挖面积的影响。
作者：	黄清祥
专业：	建筑与土木工程
导师：	林从谋;徐洪波
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华侨大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文