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原文传递软弱围岩双连拱隧道设计施工关键技术研究

论文题名：	软弱围岩双连拱隧道设计施工关键技术研究
关键词：	连拱隧道工程;相似模型试验;监控量测;数值分析;桥梁隧道工程;高速公路
摘要：	进入20世纪90年代以来，我国的公路(特别是高速公路)建设进入一个高速发展时期，并迅速向西部延伸，在中西部山岭重丘区高等级公路建设中，由于路线选线困难或受到其它因素的影响，一般选择有着丰富实践经验的小间距隧道方案或双洞分离式隧道方案，但在特殊地质及地形条件下，隧道形式的选择不仅受地形、地质条件的约束，同时受线路平、纵、横指标以及三方面组合设计的制约。双连拱隧道由于跨度较大(双车道大于20m，三车道达到30m以上)，结构复杂，开挖与支护交错进行，使得围岩应力变化和支护荷载转换变得尤为复杂。全国各地已建成不少连拱隧道，但目前仍缺少有效的可以类比的工程借鉴，没有隧道施工设计规范可以参考，尤其是对于双连拱隧道围岩变形控制基准尚处于摸索和积累的经验阶段。双连拱隧道的施工存在工期较长、工序较多、造价较高及工程质量不够理想等问题，除了双连拱隧道本身结构型式有待完善外，另一个重要的因素就是需要对软弱围岩双连拱隧道设计施工的关键技术有待于深入的研究。在双连拱隧道结构荷载计算方法方面，从目前发表的文章来看，荷载-结构法与地层-结构法均有采用。在荷载-结构法中，关键是荷载的确定，双连拱隧道施工条件较差，隧道结构承受的大部分为松散压力，但由于双连拱隧道与单拱隧道在跨度、施工方法等方面的区别，采用经验法或依据单拱隧道的荷载计算方法是不合理的。通过对双连拱隧道开挖平衡拱影响范围的分析，对双连拱隧道深浅埋分界深度的判别基准进行初步探讨，并由此对双连拱隧道荷载计算方法进行分析研究，建立双连拱隧道围岩压力荷载合理的计算方法。随着双连拱隧道得到广泛的应用和发展，其断面型式也得到了很大的发展，本文对双连拱隧道选型的影响因素分析、隧道结构断面型式的分类及结构力学特性的研究，得出连拱隧道结构断面选型必须满足隧道建筑限界、通风、路线线型(洞外接线条件)、防排水、工程地质条件和隧道结构受力等条件的要求。任何一个因素的改变可能会影响连拱隧道整体结构的稳定性以及后期运营的耐久性。通过分析最近双连拱隧道的断面型式的发展，连拱隧道断面型式按中墙型式可以分为：单一式中墙连拱隧道和分离式中墙连拱隧道。在双连拱隧道施工方法方面，本文采用大型相似模型试验(相似比为1/25)及有限元数值模拟方法，对软弱围岩双连拱隧道施工方法进行了试验和模拟，分别从围岩变形位移、衬砌支护应力、中墙的变形及竖向应力方面对对比分析，建立了软弱围岩双连拱隧道准确的施工方法，由此节约大量的物力、财力。同时根据现场的监控量测数据，重点分析了中导洞半断面法和三导洞法的隧道结构力学特性及隧道净空位移变化。中墙是双连拱隧道结构受力的核心构件，受力十分复杂，是隧道应力集中部位(拉、压、弯、扭、剪力均有)，其结构受力要在隧道整体结构中进行调整。而中墙的力学行为和它的位移沉降指标直接关系到连拱隧道的总体稳定性。通过模型试验、现场监控量测和有限元数值分析对中墙的力学行为进行研究，得出双连拱隧道中墙的力学行为与施工工序、施工方法、开挖断面的间距、支护类型等因素之间的关系；建立双连拱隧道左右洞室开挖断面的合理间距，提出了在软弱围岩中连拱隧道两洞开挖面合理间距为2B(单洞开挖跨度为12m)，但必须同时满足在2B范围内施工工期不少于15天，以保证围岩应力均衡释放。在双连拱隧道围岩变形控制基准方面，以现场监控量测及大型相似模型试验为主，有限元数值模拟分析为辅进行分析，对围岩变形的安全控制基准进行深入的研究，初步建立软弱围岩的双连拱隧道净空位移与拱顶下沉安全控制基准，并提出双连拱隧道现场施工管理量测基准，使双连拱隧道工程的支护设计由定性或经验设计向定性与定量结合的设计水平方向发展。加强双连拱隧道监控量测基准研究，不仅可以有效地指导双连拱隧道安全施工，而且还可以修订隧道支护参数、优化隧道支护结构受力特性，为今后公路隧道规范的修编提供技术参考。在上述研究中，通过将数值模拟、室内相似模型试验与现场量测成果进行对比分析，研究成果能够较好地与现场测试成果吻合，说明文中的研究成果是合理可信的，为实际工程的施工提供了理论依据和指导，解决了施工中一系列的技术关键和难题，为类似工程的设计、施工和研究丰富和积累了宝贵的经验。
作者：	申玉生
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	赵玉光;高波
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文