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原文传递伏牛山特长公路隧道地下洞室群交叉施工稳定性分析及方案优化

论文题名：	伏牛山特长公路隧道地下洞室群交叉施工稳定性分析及方案优化
关键词：	特长公路隧道;地下洞室群;交叉施工;围岩位移场;应力场;支护结构
摘要：	特长公路隧道在建设时常需增设众多辅助洞室，受制于地形地貌等因素，部分辅助洞室相距较近并与主洞结合形成高密度交叉地下洞室群。交叉隧道的开挖将造成围岩多次扰动，应力变化差异性大，难以定量描述，是一个极其复杂的力学转换过程。因此交叉隧道施工稳定性成为影响洞室群工程成败的关键因素。本文依托郑西高速伏牛山特长公路隧道地下洞室群工程，采用现场试验与有限元模拟相结合的方法，针对洞室群交叉施工引起围岩位移场、应力场及支护结构安全性变化的规律进行如下研究：　　（1）对地下洞室群范围内围岩进行综合性评价与等级划分，优化和改进了原有洞室群施工方案，并对送、排风交叉口支护方案进行了设计。　　（2）依托交叉隧道动态施工采集的监测数据，分析交叉口开挖引起既有隧道围岩位移、围岩压力及拱架应力的变化特征。发现交叉隧道开挖对既有洞室围岩位移的影响主要表现为拱顶沉降突增，对洞周收敛影响小，断面围岩位移变化具有显著的空间分布不均匀性；受交叉口主洞开挖的影响，既有隧道围岩压力在靠近开挖主洞掌子面一侧应力集中，呈现明显的偏压分布特征。型钢拱架在交叉口开挖后，其结构安全性等级由安全下降为基本安全。　　（3）利用有限元软件MIDAS GTS/NX采用地层-结构法对伏牛山地下洞室群进行三维开挖模拟，从整体和局部两个层面对计算结果进行分析，研究地下洞室群交叉施工对围岩及支护稳定性影响，并引入破损阶段法评价初期支护结构安全性。发现除6#交叉口最大沉降值为15.9mm，位于交叉口主洞拱顶，其余各交叉口最大沉降值均位于交叉衔接部位拱顶。围岩拉应力值主要介于0.049MPa～1.648MPa间，在各交叉衔接口拱腰及5、7#送风口主洞边墙位置产生拉应力集中区，在交叉口下部边墙及墙角位置产生压应力集中区。既有6#排风道靠近交叉口侧25m范围内受主洞及车行横通道开挖影响显著，其中主隧道开挖使既有监测断面初支最小安全系数降低64.8%，车行横通道开挖降低8.3%，两开挖阶段监测断面各部位初期支护最小安全系数均大于1.53，满足设计规范要求。　　（4）通过数值模拟对特殊平面交叉形式的“十”字形交叉口进行施工稳定性影响因素及方案优化研究，共设置三组（12种工况），模拟分析了交叉口不同施工工法、施工顺序方案及支护加强段设置长度条件下，“十”字交叉隧道开挖产生的围岩位移场、应力场及支护结构内力影响情况。比选后建议“十”交叉口开挖方案为：先开挖斜井，后台阶法转入主洞大、小里程两端分别开挖，最后贯通横通道。交叉口支护加强方案为：交叉口斜井、主洞设置5m加强段，横通道不设加强。
作者：	李梦瑶
专业：	建筑与土木工程
导师：	翁效林
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2021