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原文传递上软下硬地层隧底结构优化研究

论文题名：	上软下硬地层隧底结构优化研究
关键词：	公路隧道;上软下硬地层;隧底结构;衬砌支护
摘要：	近年来，随着我国在公路隧道建设方面的投入越来越多，公路隧道建设迅速发展，建设里程越来越长，数量也越来越多。我国幅员辽阔，地质环境复杂多变，出现了许多修建于上软下硬复合地层中的隧道建设项目。这种特殊地层表现为上部地层较软弱，但下部岩层自身完整性好，岩体坚硬，有着很高的承载能力与强度参数。而仰拱是在地质条件较差时设置在隧道底部的一个反向拱形结构，其有着施工工艺复杂与耗费资金高的特点。而在上软下硬地层中建设于本身具有很高强度地层中的隧道，如果仰拱设计不合理或设计偏于保守，会导致工期延长，造成经济上的浪费。为了改善隧道建设面临的上述问题，本文就上软下硬特殊地层隧底支护结构的形式进行了优化与设计，提出了一种扩大拱脚的衬砌结构支护方案，为了验证优化隧底结构形式方案的可行性与合理性，采用数值模拟与模型试验的方法进行了研究。主要研究内容与结论如下: 　　（1）基于ABAQUS有限元软件就传统施作仰拱的衬砌结构与扩大拱脚的衬砌结构支护方案，分别对隧道的开挖与支护进行了模拟。从地表变形、围岩位移与应力、衬砌变形与受力、二衬安全性等几个方面对两种不同隧底结构形式的支护效果进行了对比研究。结果表明:扩大拱脚衬砌结构支护方案由于仰拱的取消减小了开挖区域，降低了对围岩与结构的扰动，使得在控制地表变形、围岩拱顶沉降、衬砌拱顶沉降、衬砌拱顶轴力与弯矩等方面有一定优势，在数值上与带仰拱衬砌结构相比有一定程度的减小;由于对拱脚扩大的过程中对二衬边墙与拱脚位置处的截面均有增大，在两位置处的衬砌安全系数相比带仰拱衬砌有显著提高，结构安全性更强，从以上方面考虑扩大拱脚衬砌结构优于带仰拱衬砌结构。而在控制围岩拱底隆起、围岩拱底受力、拱腰轴力与弯矩，边墙轴力与弯矩等方面扩大拱脚衬砌结构却不如带仰拱衬砌结构。但由于本文中所研究的隧道基底围岩条件较坚硬，自身条件较好，有着较好的承载力与强度，拱底围岩本身隆起值很小，仅在1.5mm以内，而衬砌在边墙位置虽承受轴力弯矩较大，但此处扩大拱脚支护方案由于拱脚的扩大反而在此处衬砌安全性更好。从数值模拟角度综合来看，可以考虑采用扩大拱脚衬砌结构支护方案来代替传统施作仰拱的隧道支护方案。　　（2）针对带仰拱衬砌结构与本文提出的扩大拱脚支护方案开展了相似比为1∶50的室内模型试验，从衬砌受力、衬砌安全性、衬砌-围岩接触压力等方面进行了分析，进一步研究采用扩大拱脚的衬砌结构支护方案的可行性。结果表明:扩大拱脚衬砌结构由于取消了仰拱，未形成封闭的支护系统，在拱脚轴力、边墙轴力、拱肩轴力与弯矩、拱肩与拱顶位置衬砌-围岩接触压力方面不如带仰拱衬砌结构，相比带仰拱衬砌结构在数值上均有一定程度的增大，但增大程度较小，控制在8％以内。在拱腰、拱肩与拱顶衬砌安全系数方面两种衬砌结构基本保持一致，在数值上相差不大，控制在5％以内。而在拱顶轴力与弯矩、拱肩衬砌-围岩接触压力方面扩大拱脚衬砌结构有小部分的减小，由于边墙与拱脚处衬砌断面的扩大使得在两位置处衬砌安全系数有较显著的提高，衬砌安全系数相比带仰拱衬砌结构分别提高了89.84％、36.05％。从这些方面考虑扩大拱脚衬砌结构优于带仰拱衬砌结构。　　（3）针对本文提出的扩大拱脚衬砌结构支护方案应用于山东省某在建隧道的工程实例，分别统计了其与传统施作仰拱支护方案每延米的主要工程数量。结果表明:扩大拱脚衬砌结构支护方案由于取消了仰拱的设计，可使得每延米土体开挖量减少32.45m3,初支支护量减少3.56m3,二衬支护量减少9.35m3,素混凝土用量减少9.92m3。减少了开挖、支护与素混凝土用量，并由此带来很大的经济效益。　　从以上数值模拟、模型试验与经济方面综合考虑，在本文研究的处于上软下硬特殊复合地层中的隧道可以考虑取消传统仰拱的设计，而采用本文提出的扩大拱脚的衬砌结构支护方案。可以减少开挖与支护，降低施工扰动，缩短施工周期，并由此带来很大的经济效益，解决了传统仰拱施工中施工难度大与耗费资金高的问题，可为今后类似工程的设计与建设提供借鉴，有着重要的理论意义与实际价值。
作者：	关三飞
专业：	土木工程
导师：	杜明庆;张素磊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2023