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原文传递天鹅穴偏压隧道施工围岩——结构稳定性的数值模拟分析

论文题名：	天鹅穴偏压隧道施工围岩——结构稳定性的数值模拟分析
关键词：	偏压隧道;施工过程;受力分析;变形特征;稳定性
摘要：	随着基础建设投资的加大，隧道行业近年来发展迅猛。高速公路隧道向山岭地区延伸的过程中，浅埋、偏压、小净距等复杂条件往往不可避免。与常规隧道相比，偏压隧道受力和变形更为复杂，具有更大的不确定性。在施工中时，常发生围岩坍塌、支护开裂等破坏。因此需迫切积累大量理论研究，建立相应的技术体系。在软弱围岩、浅埋、小净距等多种因素叠加下的偏压隧道建设将面临更大的挑战，深入揭示其施工中重点部位的受力和变形规律至关重要。本文以天鹅穴隧道为工程背景，将理论分析、资料调研、数值模拟以及现场监控量测几种手段相结合，主要内容如下：　　（1）通过资料查询与综合归纳分析，对偏压隧道的基本特性进行了综述研究，包括其施工特点、形成原因与各自受力特点以及破坏过程；对依托工程天鹅穴隧道的偏压性质进行了研判；根据以随机介质理论为基础的浅埋偏压隧道地表沉降计算公式，分析了其主要影响因素。　　（2）利用ABAQUS软件，构建了不同地表倾角、围岩级别以及埋深下相关工程的浅埋偏压隧道三维有限元数值分析模型。通过分析不同工况下的地表沉降、拱顶下沉、围岩水平位移、围岩与支护结构的受力以及塑性区分布等，揭示了偏压隧道的受力和变形规律，得出：①掌子面推进过程中，监测面位移变化规律基本一致，均分为缓慢变形、变形加快、趋于稳定三个阶段；随着开挖的进行，变形值逐渐增大。②偏压作用下，受力变形明显具有不对称性，深埋侧围岩变形大于浅埋侧，地表沉降和拱顶下沉最大值均位于拱顶正上方及偏右一侧。③随着地表倾角和埋深的增大，位移水平逐渐增大；而通过提高围岩强度，可显著降低围岩变形，抵御偏压作用。此外，基于数值模拟对天鹅穴隧道的围岩稳定性进行评价，发现模拟结果均小于允许值，没有产生大变形情况。　　（3）通过对浅埋偏压隧道的研究，得出地表倾角45°时，处于陡坡偏压状态，偏压现象急剧上升，必须重视其影响。且埋深≤20m时，整体位移水平随着埋深的增加而逐渐增大。因此，将地表倾角45°、埋深20m、V级围岩保持恒定，通过设置不同净距，对偏压小净距隧道的施工力学特性进行数值模拟分析。通过总结重点部位的受力变形规律和双洞间相互影响作用，得到：①净距变化后围岩应力的调整主要集中在中间岩柱部位，净距增加，受力得到改善。②随着净距的增大，浅埋侧隧道整体位移减小，受先行洞的影响降低，说明增大净距可有效减小对围岩的扰动；而深埋侧隧道位移增大，这可能与埋深相应增加有关。　　（4）对天鹅穴隧道进行了监控量测研究，并分析研究了该隧道浅埋偏压段施工过程中出现的施工灾害。此外，为了验证数值模拟的可靠性，对典型断面进行数值模拟反演，并将计算结果与监控量测值进行对比。发现两者的变形规律基本一致，虽然模拟值均小于监测值，但差别不大。说明通过数值模拟对隧道进行稳定性分析是基本可靠的，可从一定程度上反映隧道的受力变形规律。最后基于施工灾害分析，提出了浅埋偏压隧道的病害处理方案。
作者：	韦笑
专业：	土木工程;结构工程
导师：	徐林生
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2021