非对称连拱隧道力学特性数值模拟研究及结构优化

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1、非对称连拱隧道力学特性数值模拟研究及结构优化1绪论1.1选题背景及意义二十世纪90年代以来，我国公路建设进入一个高速发展时期，并且迅速向西部延伸。在山区高等级公路中，由于线路选线困难或受到其他因素的影响，隧道全部设计成分离式随道或者小间距隧道变得越来越困难，或者即使能够设计成分离式随道或者小间距随但却使设计变得不经济或不利于环保。连拱隧道作为一种新的随道结构型式，在这种情况下应运而生。这种型式的特点是双洞间岩柱被混凝土墙所取代，形成双洞拱墙相连的结构型式。与小间距隧道相比，连拱随道对两端接线地形要求不高，接线工程量小且接线线形较为顺畅，

2、另外在围岩稳定性差的地段（如IV、V级围岩），由于小间距隧道对中心岩核处理的技术和施工工艺比较复杂，如果考虑洞外接线问题，连拱隧道在可靠性、经济性和时间性上与路堑和小间距随道有较大的可比性⑴。与传统的分离式隧道相比，连拱隧道避免了洞口分幅路堑，与洞外接线顺畅，减少占地，在傍山或者迹口地形有利于洞口位置的选择，并可减少随道长度。此外，在桥隧相连的情况中，它可以避免隧道洞口大桥分幅，特别是跨河大桥，可有效减少施工难度和费用。城市地下道路建设是城市经济高速发展，城市土地资源与城市建设矛盾迅速激化的产物。随着城市化进程的不断推进，为完善城市道路

3、路网、缓解城区道路的交通拥堵，国内各城市地下道路建设正在不断发展。上海是我国修建地下道路最多的城市，目前己建成及在建的多达16条。北京地下道路建设起步也比较早，2008年在奥运中心区建成了地下环型交通联系通道，是当时国内最长的城市地下道路，北京市其它在建或已投入使用的还有大屯路隧道、金融街地下环隧、中关村地下环隧等城市地下道路。在城市地下道路中，产生的分贫与汇流问题是城市地下道路的关键点。其中，连拱随道是分贫隧道中的重要组成部分。因为分盆隧道处主线隧道与匣道隧道不对称（如图1.1)，其受力更加复杂。目前，对于非对称连拱随道的设计施工主要

4、依靠经验进行设计施工，对于复杂地质条件（偏压、浅埋和围岩破碎等）下隊道施工，其设计施工经验有待摸索和积累。通过对非对称双连拱隧道的结构和施工进行优化设计，提高结构的稳定性、减少工程造价的研究报告较少。..1.2国内外现状经验公式法是应用最广泛和发展最成熟的确定围岩压力方法。它以已修建的大量工程实例为基础，根据不同围岩级别给出不同的计算方法；1907年，俄国学者普罗托奇雅阔诺夫对矿山坑道进行观察，根据沙箱模型试验，提出了平衡拱理论的垂直围岩压力计算方法1922年，He的深埋隧道，提出围岩压力计算公式，而这个计算公式与隧道埋深、时间、隧道填

5、充三个因素有关[6]。我国的研究人员对围岩压力也进行了大量的相关研究。其中有：《铁路隧道设计规范》（TB-100003-2005)基于400多所随道的1025个坊塌资料，根据这些资料进行统计分析，提出了将概率极限状态法运用到围岩压力的计算当中[7]。《公路随道设计规范KJTGD70-2004)在计算深埋随道的围岩压力时，提出了当围岩为松散体时的计算方法[8]，以及用谢家依公式计算浅埋随道的围岩压力《水工随洞设计规范》（SL279-2002)中的薄层状及碎裂散体结构围岩压力计算公式。《人工岩石洞室设计规范》中的围岩压力计算公式等。这些公式

6、都是在国外的围岩压力计算公式的基础上，与我国具体工程实际相结合提出来的，基本上代表了我国目前围岩压力研究的最新水平。..2非对称连拱隧道围岩压力计算方法研究2.1单洞随道围岩压力计算理论节理密集和比较破碎的岩体的力学特性与无粘性地层比较相似，随道开挖后，引起围岩的应力的重分布，围岩压力主要为松动围岩压力。浅埋随道开挖后，其拱顶大多会产生较大的拱顶沉降，当地层条件较差时甚至会产生坊塌。鉴于诸如此类的破坏形式，建立了一系列相应的围岩压力计算方法，其中包括太沙基理论、比尔鲍曼理论和全土柱理论等。对于深埋隧道，由于随道开挖后拱顶及上部一定区域内

7、的围岩会产生沉降，形成一个塌落拱，而隧道结构受到的仅为塌落拱以下围岩的自重，比较普遍的计算方法有普氏理论。当随道埋深很小、随道幵挖无支护，破坏趋于地表，并忽略楔形滑体滑面摩阻力时，垂直土层压力随埋深而增加，用式3-1计算，叫全土柱理论，即作用在结构上的围岩压力等于土柱的全部重量。当埋深增加或地质条件较好，由工程实际与试验表明，作用在结构上的垂直围岩压力比按全土柱理论计算的结果偏小。从而产生考虑楔形滑体滑面土柱两侧摩擦力和粘聚力的土柱计算理论。随着随道埋深不断增大，或者地层条件较好，按照己有工程经验、现场试验和模型试验结果，随道结构上的竖

8、直围岩压力相对按全土柱理论计算的围岩压力略小，因此出现了比尔鲍曼理论，也称岩柱计算理论，如图2.3所示。比尔鲍曼理论考虑了岩柱两侧摩擦力以及粘聚力。.2.2非对称连拱隧道围岩压力计算方法研究目前，我国的公路