施工期隧道结构安全性控制研究
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摘要
施工期公路隧道结构是否安全可靠,关系到结构的使用是否满足设计的预定功能要求,是否造成不必要的人员与财产损失。本文在前人工作的基础上,针对施工期隧道结构安全问题做了以下几个方面的工作：
(1)在分析隧道施工过程的受力状态、现代支护结构原理的基础上,结合目前隧道常见的病害,分析了工程地质条件、施工方法的选择、爆破效果、衬砌支护时机、支护结构的施工质量等对施工期隧道结构安全的影响。
(2)简单介绍了有限单元法的原理,归纳总结了有限单元法基本的计算步。闸述了有限单元法对隧道施工过程的模拟思路及实现方法,讨论了有限元法主要采用“开挖卸载模拟”与“外边界加载法”的思路,并针对“开挖卸载模拟”思路,比较了“反转应力释放法”与“地应力自动释放法”的优缺点,指出本文采用后者的理由。
(3)以某公路隧道工程为例,采用ABAQUS有限元分析软件对受力较复杂的V级浅埋、V深埋、IV级深埋隧道,分别采用预留核心土法开挖、上下台阶法开挖的施工过程进行了数值模拟,分析了不同围岩、不同埋深、不同施工方法下,围岩、锚杆支护结构和衬砌结构的受力特性,为施工的安全提供更加合理的技术支持。
(4)从地质勘探技术、开挖技术、初期支护、防水层施工、二衬施工注浆回填和施工管理角度阐述了隧道施工过程的控制要点,以期达到施工安全、经济合理、确保质量的要求。
The safety and reliability of the highway tunnel structures in construction can ensure that the tunnel structures meet the reservation function requirement of the design during their service life, which will prevent unnecessary personnel and property losses. Based on the previous work, this thesis has conducted the following studies concentrated on the safety of the tunnel structures during construction:
(1) Based on the analysis of the modem supporting theory and mechanical properties of the surrounding rock in tunnel construction, the thesis proposed the influence factors which have effect on the safety of the tunnel structures during construction and discussed the influencing mechanism. The influence factors include the engineering geology condition, the selected construction method, the effect of excavation blasting, the opportunity of lining supported, the quality of the lining structure, and so on.
(2) Based on the brief introduction of the basic principle and the basic steps of the calculation of the finite element method, The simulation and implementation ideas of the finite element method on the construction progress of the tunnel structures were discussed. Two simulation methods "Excavation Unloading Simulation" and "Outer Boundary Loaded Method" on the tunnel structures in construction were presented. Besides, the two styles of "Excavation Unloading Simulation" were compared, which are "Releasing method of reversed stress" and "Automatically releasing method of ground stress". Based on the advantages and disadvantages of the two styles, the latter was applied in this thesis.
(3) Taken some highway tunnel as example which has three type of depths including V level of the shallow cover, V level and IV level of deep, the construction methods of excavating up and down steps and reserving core were simulated applying the ABAQUS finite element software. In addition, the mechanical characteristics of surrounding rock, shotcrete and the second lining were analyzed with different surrounding rock, cover depths and construction method, which presents reasonable technical supports on the design and construction of the tunnel structures.
(4) In order to ensure that the tunnel structures meet the requirements of construction safety, economy and construction quality, the key points of the construction process control of the tunnel were put forward, which include geological exploration technology, excavation technology, the primary support, waterproof layer, the second lining, backfill grouting, and so on.
(1)在分析隧道施工过程的受力状态、现代支护结构原理的基础上,结合目前隧道常见的病害,分析了工程地质条件、施工方法的选择、爆破效果、衬砌支护时机、支护结构的施工质量等对施工期隧道结构安全的影响。
(2)简单介绍了有限单元法的原理,归纳总结了有限单元法基本的计算步。闸述了有限单元法对隧道施工过程的模拟思路及实现方法,讨论了有限元法主要采用“开挖卸载模拟”与“外边界加载法”的思路,并针对“开挖卸载模拟”思路,比较了“反转应力释放法”与“地应力自动释放法”的优缺点,指出本文采用后者的理由。
(3)以某公路隧道工程为例,采用ABAQUS有限元分析软件对受力较复杂的V级浅埋、V深埋、IV级深埋隧道,分别采用预留核心土法开挖、上下台阶法开挖的施工过程进行了数值模拟,分析了不同围岩、不同埋深、不同施工方法下,围岩、锚杆支护结构和衬砌结构的受力特性,为施工的安全提供更加合理的技术支持。
(4)从地质勘探技术、开挖技术、初期支护、防水层施工、二衬施工注浆回填和施工管理角度阐述了隧道施工过程的控制要点,以期达到施工安全、经济合理、确保质量的要求。
The safety and reliability of the highway tunnel structures in construction can ensure that the tunnel structures meet the reservation function requirement of the design during their service life, which will prevent unnecessary personnel and property losses. Based on the previous work, this thesis has conducted the following studies concentrated on the safety of the tunnel structures during construction:
(1) Based on the analysis of the modem supporting theory and mechanical properties of the surrounding rock in tunnel construction, the thesis proposed the influence factors which have effect on the safety of the tunnel structures during construction and discussed the influencing mechanism. The influence factors include the engineering geology condition, the selected construction method, the effect of excavation blasting, the opportunity of lining supported, the quality of the lining structure, and so on.
(2) Based on the brief introduction of the basic principle and the basic steps of the calculation of the finite element method, The simulation and implementation ideas of the finite element method on the construction progress of the tunnel structures were discussed. Two simulation methods "Excavation Unloading Simulation" and "Outer Boundary Loaded Method" on the tunnel structures in construction were presented. Besides, the two styles of "Excavation Unloading Simulation" were compared, which are "Releasing method of reversed stress" and "Automatically releasing method of ground stress". Based on the advantages and disadvantages of the two styles, the latter was applied in this thesis.
(3) Taken some highway tunnel as example which has three type of depths including V level of the shallow cover, V level and IV level of deep, the construction methods of excavating up and down steps and reserving core were simulated applying the ABAQUS finite element software. In addition, the mechanical characteristics of surrounding rock, shotcrete and the second lining were analyzed with different surrounding rock, cover depths and construction method, which presents reasonable technical supports on the design and construction of the tunnel structures.
(4) In order to ensure that the tunnel structures meet the requirements of construction safety, economy and construction quality, the key points of the construction process control of the tunnel were put forward, which include geological exploration technology, excavation technology, the primary support, waterproof layer, the second lining, backfill grouting, and so on.
引文
[1]边巴次仁.年拉山隧道开挖过程围岩稳定性分析[D].[硕士论文].重庆交通大学,2010.
[2]崔阳.复杂地质构造条件隧道施工设计方案与衬砌检测评价[D].[硕士论文].长沙理工大学,2010.
[3]Richards J A. Inspection, maintenance and repair of tunnels:International lessons and practice[J]. Tunnelling and Underground Space Technology.1998,13(4):369-375.
[4]吴江滨,张顶立,王梦恕.铁路运营隧道病害现状及检测评估[J].中国安全科学学报.2003(6)：52-55.
[5]Diamantidis D, Zuccarelli F, Westhauser A. Safety of long railway tunnels[J]. Reliability Engineering and System Safety.2000,67(2):135-145.
[6]Inokuma A, Inano S. Road tunnels in Japan:deterioration and countermeasures[J]. Tunnelling and Underground Space Technology.1996,11(3):305-309.
[7]谭仁辉.隧道工程[M].重庆大学出版社,新疆大学出版社,2001.
[8]万明富.超大跨公路隧道开挖力学行为研究[D].[博士论文].东北大学,2009.
[9]王书刚.八字岭分岔隧道稳定性分析及其安全控制[D].[硕士论文].山东大学,2006.
[10]蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社,2002.
[11]Panet M. LA STABILITE DES OUVRAGES SOUTERRAINS SOUTENEMENT ET REVETEMENT.Stability of Underground Structures-Ground Support and Lining.[J]. Laboratoire Central des Ponts et Chaussees, Rapport de Recherche.1973,28.
[12]Egger P. DEFORMATIONS AT THE FACE OF THE HEADING AND DETERMINATION OF THE COHESION OF THE ROCK MASS.[J]. Underground Space. 1978,4(5):313-318.
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[17]Mroueh H, Shahrour I. A full 3-D finite element analysis of tunneling-adjacent structures interaction[J]. Computer and Geotechnics.2003(30):243-245.
[18]尚岳全,王士天.洞室嗣岩破坏机制及因素敏感性的有限元分析：全国第三次工程地质人会[Z].中国四川成都：1988558-563.
[19]徐林生.公路隧道施工围岩稳定性监测预报系统与隧道工程数值模拟研究[D].[硕十论文].同济人学,2001.
[20]刘刚,宋宏伟.围岩松动圈影响因素的数值模拟[J].矿冶工程.2003(1)：1-3.
[21]王建华.深埋隧道软弱围岩与初期支护相互作用研究[D].[硕十论文].重庆大学,2005.
[22]孙克国,李术才,张庆松,等.特长山岭隧道衬砌监测及模拟研究[J].岩石学与工程学报.2007：4465-4470.
[23]张亮,曾甫江,罗杰.基于增量加载法的隧洞上方地基承载力研究[J].铁道科学与工程学报.2009(4)：51-53.
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[40]李军.人跨度公路隧道动态施工围岩稳定性数值分析[D].[硕士论文].河海大学,2006.
[41]谭勇.峪园隧道衬砌破裂检测评价及演化机理分析[D].[硕十论文].长沙理工大学,2003.
[42]柴柏龙.公路隧道软弱破碎带围岩-支护结构稳定性分析[D].[硕十论文].重庆大学,2009.
[43]陈兵.隧道单层衬砌设计及工程可靠性研究[D].[硕十论文].西南交通人学,2008.
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[61]严涛.地铁隧道开挖引起的地表沉降及地铁运行引起的环境振动研究[D].[硕十论文].西南交通大学,2010.
[62]王文正.公路双连拱隧道开挖方法及施工过程数值模拟研究[D].[硕士论文].长安人学,2003.
[63]李贻伟.岩溶公路隧道围岩—支护结构受力特性数值模拟分析[D].[硕士论文].重庆交通大学,2010.
[64]凡人林.双连拱隧道施工过程有限元数值模拟分析[D].[硕十论文].合肥工业人学,2008.
[65]黄华月.白芷山隧道岩溶段施工力学性态与稳定性研究[D].[硕士论文].重庆交通人学,2011.
[66]傅鹤林,郭磊,欧阳刚杰,等.人跨度隧道施工力学行为及衬砌裂缝产生机理[M].北京：科学出版社,2009.
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[68]朱玉.隧道锚设计体系中的关键问题研究与实践[D].[硕十论文].华中科技人学,2005.
[69]孙立冬.禾洛山道监控量测技术及衬砌安全性分析[D].[硕十论文].西南交通人学,2007.
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