高速公路隧道开挖与支护力学行为研究

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1、第25卷第6期岩石力学与工程学报Vol.25No.62006年6月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJune，2006高速公路隧道开挖与支护力学行为研究张延新，蔡美峰，乔兰，王克忠(北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)摘要：随着公路隧道开挖向长大型方向的发展，隧道的稳定性日益成为设计和施工的首要问题。选取京承高速公路何家沟隧道为研究对象，该隧道为上、下行分离式双洞单向隧道，开挖断面为直墙拱形。采用三维快速拉格朗日法，对公路隧道开挖与支护过程中的力学行为进行研究，获得隧道在动态分步开挖、分步支

2、护的情况下围岩和支护结构中位移、应力的分布规律，同时给出隧道在无支护、初次支护和二次支护3个不同阶段围岩塑性区的分布状况及破坏机理。关键词：隧道工程；数值建模；力学行为；地下开挖；支护结构中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)06–1284–06STUDYONMECHANICALRESPONSETOEXCAVATIONANDSUPPORTOFEXPRESSWAYTUNNELZHANGYanxin，CAIMeifeng，QIAOLan，WANGKezhong(SchoolofCivilandEnvironmentalEngi

3、neering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)Abstract：Withtheexpresswaytunneltendingtobelongandwide，itsstabilityisbecomingthekeyproblemforthedesignandconstruction.TheHejiagouexpresswaytunnel，whichisdouble-lanetunnelwithseparateupanddownlines，istakenasanexamp

4、le.Themechanicalresponseofexcavationandsupportisstudiedusingthe3Dthree-dimensionalfastLagrangiananalysisofcontinua(FLAC)method.Thenumericalsimulationrevealsthedistributioncharacteristicsofdisplacementandstressfortheundergroundstructureundertheconditionofdynamicstepexcavationandsup

5、port.Thedistributionofplasticzoneisgraphicallypresentedforthedifferentconstructionstagesanditsmechanismisalsodiscussedindetail.Theobtainedconclusionsofferaguidelineforthedesignandconstructionoftunnelsinrocksandsoils.Keywords：tunnellingengineering；numericalmodelling；mechanicalbehav

6、ior；undergroundexcavation；supportstructure程和提高公路等级，国家在山区公路建设中将大量1引言采用隧道公路方案。与世界上许多发达国家相比，我国对长大公路隧道的建设和研究起步较晚，工程公路运输是国民经济发展的基础，是社会生产、实例不多。因此，研究公路隧道施工过程中围岩–流通、分配和消费各个环节正常运转、协调发展的支护结构形成的隧道结构体系，将在公路隧道建设先决条件。我国是一个多山的国家，为缩短交通里中产生极大的经济效益。收稿日期：2004–12–31；修回日期：2005–05–08基金项目：国家自然科学基金资助项目(5

7、0074002)作者简介：张延新(1977–)，男，现为博士研究生，主要从事隧道及地下工程方面的研究工作。E-mail：zyx382@163.com第25卷第6期张延新等.高速公路隧道开挖与支护力学行为研究•1285•目前，对于隧道在开挖与支护过程中隧道结构力学行为研究的主要方法有：经验类比法、数学解析法、数值模拟法及物理试验法。经验类比法在一定历史时期和一定条件下发挥了一定的作用，但在精度方面仍然不能很好地满足实际工程的需要。数学解析法在研究隧道施工力学行为问题时，对岩体进行了简化，通过实验建立模型和方程式，重点是处理本构关系和在特定条件下求解，这除了要

8、求较高的数学基础外，其所能解决的实际工程问题相当有限，而且忽略了问