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原文传递公路隧道大直径通风竖井围岩压力计算及施工优化效果研究

论文题名：	公路隧道大直径通风竖井围岩压力计算及施工优化效果研究
关键词：	公路隧道;通风竖井;围岩压力;数值模拟;施工优化
摘要：	随着大直径通风竖井的修建数量越来越多，在工程实践中发现根据规范公式所得的围岩压力计算值与实测数据的误差过大，还有目前竖井的开挖工法也存在着诸多缺点。因此对大直径通风竖井的围岩压力计算理论以及先进的竖井开挖工法展开研究具有重要意义，研究成果可为通风竖井的顺利安全施工提供保障。　　以阳宗隧道大断面通风竖井为依托，综合采用理论分析、工程类比与数值模拟等多种手段，基于松动圈理论采用极限平衡法推导了适用于公路隧道通风竖井的围岩压力计算公式，并分析了不同影响因素下的竖井围岩压力计算值变化规律；对公路隧道大直径通风竖井采取短段掘砌混合作业法和单层模筑混凝土的施工方案进行了适用性分析；最后对依托工程应用短段掘砌混合作业法过程中围岩与支护的相互作用机理进行了研究，主要成果如下：　　（1）针对现有的竖井围岩压力理论计算进行了全面总结，并通过官田隧道通风竖井围岩压力实测数据与现有各公式计算所得的结果进行了对比研究，研究表明现有公式存在着误差过大、未考虑开挖直径因素和衬砌自重以及对于多是岩质围岩的竖井围岩压力计算并不适用的缺点。　　（2）基于松动圈理论以及竖井开挖后围岩产生的环向楔紧效应特点，采用极限平衡法推导了适用于公路隧道通风竖井的围岩压力计算公式，与官田隧道通风竖井实测数据进行了对比验证，结果显示与实测数据的最大围岩压力23.5kPa相比，本文公式计算误差最小为6.5kPa，平均误差在12.85kPa以内，其他公式的误差均在180kPa以上，本文公式相对误差减小了167.15kPa以上；通过控制变量法分析了不同竖井直径、围岩等级以及侧压力系数下竖井围岩压力的变化规律，结果表明开挖直径大小与侧压力系数对围岩压力的影响呈正相关，但是影响程度逐渐减弱；围岩等级越高即围岩性质越好，竖井围岩压力越小，围岩压力达到稳定时的极限深度越小，围岩等级同时影响着竖井的围岩压力以及极限深度大小，相对于前两种因素的影响作用更为显著。　　（3）指出了传统的公路隧道竖井施工方法的问题所在，梳理了煤矿行业短段掘砌混合作业法的先进性和关键技术点；将公路隧道通风竖井与煤矿立井的断面形式、支护形式和施工工序进行了对比，并针对依托工程大断面、围岩性质较好、出水量较少的特点，对应用短段掘砌混合作业方式和模筑混凝土支护衬砌的施工方案进行了适用性分析，amp;nbsp;提出了具体的施工设计方案。　　（4）基于短段掘砌混合作业法建立了无松动圈和有松动圈两种工况下的三维施工仿真模型。结果显示：在有松动圈的工况下，在同一深度时的井壁径向位移更大，但是井壁围岩压力更小，且随着深度增加这种现象更明显，说明松动圈的存在使得竖井开挖后围岩应力更好的释放，最后作用在支护上的围岩压力较小；围岩压力引起的衬砌内力随着深度增加而增大，衬砌结构内侧应力比外侧较大，在开挖至井底时，两种工况下的衬砌最大主应力分别为3.95MPa和3.82MPa，满足结构稳定性要求。　　（5）结合实际竖井施工工序与数值模拟结果，发现在衬砌上半部分的井壁因为暴露时间最久以及受到两次施工扰动的作用，导致该范围内的井壁径向位移达到最大，为9.23mm，相对于其他位置增大了6.6mm；在相邻支护衬砌之间的衔接处会出现应力集中现象而达到542kPa，相对于其他位置增大了394kPa。
作者：	史育峰
专业：	土木工程
导师：	赖金星;任兆丹
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022