大跨淺埋公路隧道支護(hù)體系的系統(tǒng)優(yōu)化研究.pdf

1、隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，自21世紀(jì)起，大規(guī)模的公路新建、擴(kuò)建中，雙向6車道以上公路隧道逐漸興起。在東部丘陵地區(qū)，常伴隨著淺埋、富水等復(fù)雜地質(zhì)因素。大跨公路隧道具有開挖跨度大、斷面形狀復(fù)雜、幾何尺寸不一、高跨比小等特點(diǎn)，對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生不利影響；淺埋地層條件導(dǎo)致開挖后的應(yīng)力重分布不利、底腳處的應(yīng)力集中過大、拱頂不穩(wěn)定、松弛地壓力較大、支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力相對(duì)較小等特點(diǎn)。因此同時(shí)具有大跨、淺埋等特點(diǎn)的典型公路隧道是隧道工程領(lǐng)域面

2、臨的新課題。大跨淺埋隧道的施工設(shè)計(jì)優(yōu)化更為重要，合理優(yōu)化的結(jié)構(gòu)不僅確保隧道施工和運(yùn)營(yíng)的安全可靠，還將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益。 我國(guó)大跨公路隧道建設(shè)的研究起步較晚，現(xiàn)行的《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70—2004)僅適用于以鉆爆法為主要施工手段的各級(jí)公路雙車道隧道，對(duì)于單向3車道以上大跨隧道沒有明確的規(guī)定，因此，有必要對(duì)迅速發(fā)展的單向3車道以上大跨公路隧道的施工設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)其安全性關(guān)鍵技術(shù)及其施工設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行深入探討。

3、 本文以典型江南丘陵區(qū)寧常高速公路大跨淺埋茅山隧道工程為依托，在系統(tǒng)總結(jié)隧道工程優(yōu)化的最新研究成果和進(jìn)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合公路隧道工程設(shè)計(jì)、施工全過程的特點(diǎn)，引入拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對(duì)可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段、施工控制階段各自的優(yōu)化方法、特點(diǎn)及其優(yōu)化的要點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出了大跨公路隧道系統(tǒng)優(yōu)化體系與方法。本文主要成果如下： 1.對(duì)大跨淺埋茅山公路隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)方案設(shè)計(jì)與分析，對(duì)臺(tái)階法，CRD法施工過程中洞室收斂、拱頂下沉

4、、初支內(nèi)力、二襯內(nèi)力、錨桿內(nèi)力、深層位移等變形規(guī)律進(jìn)行了研究，揭示了松動(dòng)圈變化規(guī)律，總結(jié)了大跨淺埋公路隧道施工過程的圍巖變形、穩(wěn)定特征與支護(hù)結(jié)構(gòu)性狀。 2.公路隧道建設(shè)是一復(fù)雜系統(tǒng)工程，目前優(yōu)化研究均側(cè)重局部?jī)?yōu)化，無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。根據(jù)目前公路隧道設(shè)計(jì)、施工程序，結(jié)合實(shí)際工程引入預(yù)優(yōu)化設(shè)計(jì)思想及拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，建立了完善的公路隧道動(dòng)態(tài)施工設(shè)計(jì)優(yōu)化體系理論；明確公路隧道施工設(shè)計(jì)過程中每個(gè)階段所采用的主要優(yōu)化方法及優(yōu)化的主要內(nèi)容。

5、 3.公路隧道洞形優(yōu)化和局部支護(hù)技術(shù)是隧道設(shè)計(jì)施工的關(guān)鍵技術(shù)之一。首次引入拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，提出拓?fù)錂?quán)重概念，建立公路隧道拓?fù)鋬?yōu)化模型及具體實(shí)施技術(shù)路線；對(duì)隧道開挖洞形及其擾動(dòng)區(qū)支護(hù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析；并提出破碎軟弱圍巖的預(yù)強(qiáng)支護(hù)理論，建立公路隧道三層支護(hù)體系，確定圍巖主要影響區(qū)的預(yù)強(qiáng)支護(hù)最佳位置，為超前支護(hù)深度、大管棚施工最合理的鉆孔布置提供指導(dǎo)。 4.大跨淺埋公路隧道預(yù)優(yōu)化研究是系統(tǒng)優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)之一，因此從系統(tǒng)優(yōu)化角度考慮，研

6、究了預(yù)優(yōu)化的特點(diǎn)、目的及主要內(nèi)容，提出其主要內(nèi)容包括：施工方案的比選、支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性優(yōu)化(主要是初支、二襯的厚度)、初支施作時(shí)機(jī)的確定、施工控制與變形特點(diǎn)分析、監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)的合理布置等。并結(jié)合大跨淺埋茅山隧道進(jìn)行了詳細(xì)研究。 5.動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)過程中反分析模型的“真實(shí)性”直接影響反饋設(shè)計(jì)的結(jié)果，通過實(shí)際工程中初支作用特點(diǎn)的研究，充分考慮初支在大跨淺埋公路隧道開挖過程中的不確定性，采用更符合實(shí)際情況的考慮松動(dòng)圈效應(yīng)的雙介質(zhì)模型，建立

7、“承載復(fù)合體”反分析模型；并利用最能反映大跨扁平公路隧道變形特點(diǎn)的拱項(xiàng)下沉量建立目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行了反分析。最后通過實(shí)例對(duì)比分析論證了該模型的優(yōu)點(diǎn)。 6.研究了大跨淺埋茅山公路隧道采用鋼拱架的柔性支撐力學(xué)作用特點(diǎn)，以鋼拱架翼緣應(yīng)變量測(cè)結(jié)果作為計(jì)算參數(shù)，提出柔性支撐安全性判斷與預(yù)測(cè)的新方法；并結(jié)合位移控制標(biāo)準(zhǔn)建立四級(jí)安全控制管理標(biāo)準(zhǔn)。從工程應(yīng)用情況顯示，該方法能較好的反映圍巖實(shí)際開挖變化情況，預(yù)測(cè)結(jié)果能基本反映圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)，既能顯示