下穿隧道施工空間效應(yīng)及圍巖變形影響與控制研究.pdf

1、隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，受地形和地勢(shì)空間限制，公路之間互相交疊、交叉問(wèn)題不斷涌現(xiàn)，使得下穿既有建（構(gòu)）筑物隧道施工難度和施工問(wèn)題明顯增多。對(duì)于這類復(fù)雜條件下的隧道類型，設(shè)計(jì)人員迫切需要清楚圍巖變形和路基分層沉降隨掌子面推進(jìn)過(guò)程中的變化規(guī)律，以便提出更加合理的支護(hù)形式；同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工人員也需要利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的部分圍巖變形規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)判斷圍巖的最終變形穩(wěn)定性。隧道縱向斷面變形曲線（Longitudinal Deformation Pro

2、file，簡(jiǎn)稱LDP曲線）和圍巖特征曲線（Ground Response Profile）是收斂—約束法中重要組成部分；然而，在靜水壓力條件下討論中間主應(yīng)力和考慮掌子面空間效應(yīng)的約束損失因子Λ，對(duì)圓形隧道圍巖特征曲線的影響，以及在軟弱圍巖下穿隧道中分析LDP曲線的規(guī)律，進(jìn)而提出如何有效控制隧道圍巖穩(wěn)定性的具體方法，尚需進(jìn)一步研究。
　　本文通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法，對(duì)下穿隧道施工空間效應(yīng)及圍巖變形影

3、響與控制進(jìn)一步研究。首先，基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論，通過(guò)引入考慮隧道掌子面空間效應(yīng)影響的約束損失因子Λ的方式，推導(dǎo)獲得同時(shí)考慮σ2和Λ影響的隧道圍巖彈塑性分析理論解，并討論了統(tǒng)一強(qiáng)度理論中權(quán)系數(shù)b及引入的約束損失因子Λ對(duì)圍巖特征曲線的影響程度。接著，以324國(guó)道下沙溪隧道下穿沈海高速公路為工程背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和ABAQUS有限元軟件的數(shù)值模擬方法，分析了在隧道施工過(guò)程中圍巖LDP曲線變化規(guī)律。然后，模擬分析掌子面前方圍巖不同加固措施、隧道不同

4、開挖方式和高速公路不同汽車荷載下對(duì)隧道圍巖LDP曲線影響規(guī)律進(jìn)一步分析。最后，結(jié)合下沙溪隧道實(shí)際工程數(shù)值模擬結(jié)果，提出控制圍巖變形的具體方法分析控制效果。這些研究成果對(duì)完善收斂—約束法的內(nèi)容以及深入了解隧道圍巖變形規(guī)律和指導(dǎo)控制圍巖變形具有重要意義。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴當(dāng)隧道處于彈性變形階段時(shí)，權(quán)系數(shù)b的取值對(duì)圍巖特征曲線變化無(wú)關(guān)；當(dāng)隧道處于塑形變形階段時(shí)，圍巖特征曲線的斜率隨權(quán)系數(shù) b的增大而增大。當(dāng)考慮束損失因子Λ時(shí)計(jì)

5、算得到的圍巖塑性區(qū)徑向位移最大值 R,maxU比不考慮約束損失因子Λ時(shí)小22.24％，且在相同0?R/?下，圍巖徑向位移值U R越小。（2）由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)資料分析，得到在掌子面前方1倍洞徑位置處圍巖開始受到擾動(dòng)變形，在掌子面后方1倍洞徑范圍內(nèi)圍巖擾動(dòng)程度明顯增大，同時(shí)也是受掌子面空間效應(yīng)影響程度比較明顯的區(qū)域。⑵建立隧道施工的三維有限元模型，得到隧道開挖應(yīng)力釋放后，圍巖變形總體上向隧道開挖后的臨空面方向移動(dòng)；通過(guò)圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位置變形和位移

6、釋放系數(shù)λ的變化曲線，隧道開挖的空間效應(yīng)影響范圍大約在掌子面前后[-1.5D，2.0D]距離之內(nèi)，其中，在掌子面前后方[-1.5D,-0.74D]（D為隧洞直徑）范圍，為圍巖變形緩慢增長(zhǎng)區(qū)；在掌子面前后方[-0.74D,1.0D]范圍，為圍巖變形急劇增長(zhǎng)區(qū)；在掌子面后方2.0D，圍巖變形趨于穩(wěn)定。⑶超前支護(hù)圍巖加固區(qū)注漿后距掌子面開始開挖的時(shí)間越長(zhǎng)，隧道拱頂沉降、拱腰水平收斂位移越小，而對(duì)圍巖的位移釋放系數(shù)影響不大；采用等效圍巖加固圈厚

7、度模擬超前加固措施的作用時(shí)，等效圍巖加固圈厚度越大，隧道拱頂沉降最大值呈指數(shù)減小趨勢(shì)、拱腰水平收斂位移最大值呈線性減小趨勢(shì)，對(duì)掌子面前后圍巖位移釋放系數(shù)有一定影響。⑷隧道各導(dǎo)洞開挖進(jìn)尺速率對(duì)掌子面前方圍巖的擾動(dòng)影響較小，而對(duì)掌子面后方圍巖的變形影響較大；隧道采用導(dǎo)洞法開挖得到的拱頂沉降位移釋放系數(shù)λ，在Z<11m范圍內(nèi)，比采用按全斷面法小，且在Z=0m時(shí)達(dá)到23.7%；在Z>11m范圍內(nèi)，比采用全斷面法開挖大。隧道采用導(dǎo)洞法開挖得到的拱