岩溶公路隧道围岩—支护结构受力特性数值模拟分析
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摘要
我国是岩溶分布最广的国家,岩溶这种不良地质现象的存在给岩溶区公路隧道的开挖施工和运营安全造成严重威胁。探索溶洞对公路隧道围岩和支护结构的影响规律,开展岩溶区公路隧道的衬砌结构优化对策研究,对加快岩溶区隧道的建设有着直接的推动作用。
     论文以平阳隧道和天池隧道为工程背景,针对岩溶区公路隧道建设中隐伏溶洞对隧道围岩-支护结构稳定性的影响,以及岩溶富水区公路隧道结构的受力特性和结构设计等问题做了比较深入的研究和探索。本文研究的主要内容有:
     首先,采用通用有限元软件ANSYS10.0对平阳隧道典型构造溶蚀地段隧道的开挖和支护施工过程进行了三维弹塑性数值模拟分析,重点研究了既有隐伏溶洞对隧道围岩和初期支护结构稳定性的影响。
     其次,简要介绍了隧道外水压力的研究现状,并对不同外水压力作用天池隧道典型断面隧道围岩的受力和变形规律,以及二次衬砌结构的受力特性和安全性进行了数值模拟分析研究。
     最后,对不同二次衬砌厚度、不同衬砌断面轮廓条件下天池隧道结构的稳定性进行了数值模拟研究,重点分析了二次衬砌的内力变化特征,以及衬砌结构的抗水压性能。
     根据有限元数值模拟计算结果,对岩溶区公路隧道的开挖施工和支护设计有如下结论和建议:
     1.底部溶洞的存在不仅降低了溶洞前后方隧道围岩的稳定性,也在一定程度上削弱了初期支护喷射混凝土的安全性。因此,岩溶隧道工程的施工必须坚持一探一挖制度,全断面预注浆和超前支护也十分必要。
     2.随着外水压力的增加,隧道二次衬砌各部位的内力大体上均有所增加,而仰拱隅角部位的内力的增加速率最大,尤其是弯矩增加较快,导致该部位的偏心距较大,安全系数也最低,是整个二次衬砌结构受力最薄弱环节。
     3.当衬砌水压力较大时,采取适当增大仰拱半径和仰拱连接半径(二者圆心位置不变)的措施对衬砌断面进行优化后,可有效提高隧道衬砌结构的抗水压性能。
Karst exists extensively in China, it's a kind of poor geology conditions which affect the construction and operation of road tunnels seriously. Study on the influence of karst upon the stability of tunnel surrounding rock and support structure has directly impulsed the construction of karst tunnel.
     According to Pingyang tunnel and Tianchi tunnel,the influence of concealed caverns on the stability of tunnels in Karst region is researched,while the mechanical characteristics of secondary lining and the structure design of tunnel in abundant water and karst zone are studied detailedly,which mainly contains as follows:
     Firstly, construction process of Pingyang tunnel in tectonic and corroded region is numerically simulated with elasto-plastic FEM by using ANSYS 10.0 software, then the influence of concealed caverns on the stability of tunnel is analyzed.
     Secondly, the research of external hydraulic pressure on tunnel lining structure is summaried. The mechanical characteristics as well as safety factors of the secondary lining of Tianchi tunnel under different external hydraulic pressure are studied.
     Lastly, the stability of lining structure with different thickness and section of Tianchi tunnel is analyzed with elasto-plastic FEM. The mechanical characteristics as well as safety factors of the secondary lining structure under different external hydraulic pressure are studied detailedly.
     The main results of numerical simulation are as follows:
     1. The stability of surrounding rock and support structure discrease distinctly because of the karst cave in the bottom of the tunnel,so the geological prediction must be carried out before the tunnel excavation construction, and the advanced support is imperative for the safety of the tunnel with karst caves.
     2. The inner forces of the secondly lining structure increase with the raise of external hydraulic pressure, the bending moments of the corner of the invert arch increase largely, and its eccentricity is biggest while safety factor is smallest.
     3. The best optimization design of the lining against external water pressure is increasing the radius of the corner on the invert arch (keep the center point constant)
引文
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