隧道結(jié)構(gòu)三維數(shù)值分析和可靠度計算——以湖南邵懷高速公路雪峰山隧道為例.pdf

1、隨著我國西部建設(shè)的高速發(fā)展和山區(qū)高速公路建設(shè)的需要，隧道工程特別是山區(qū)高速公路隧道工程將會日益增多，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用傳統(tǒng)的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法難以充分兼顧支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面的合理性和支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力與穩(wěn)定性的可靠性。本文用可靠度來度量結(jié)構(gòu)的可靠性能，使工程設(shè)計更趨科學(xué)、合理，更能反映問題的本質(zhì)。 本論文首先對湖南邵(陽)-懷(化)高速公路雪峰山隧道區(qū)初始地應(yīng)力場特征進(jìn)行了研究，在綜合分析隧道區(qū)地應(yīng)力場的現(xiàn)場水壓致裂法測試成果、室內(nèi)

2、Kaiser效應(yīng)測試成果、三孔交匯孔徑變形法測試成果的基礎(chǔ)上，通過非線性有限元仿真模擬隧道區(qū)初始地應(yīng)力場的分布狀態(tài)，得出的結(jié)果與實測地應(yīng)力量值基本一致：隧道所在平面上的最大主應(yīng)力值為16.7MPa～33.2MPa，最小主應(yīng)力為0.1MPa～5.4MPa。主應(yīng)力量值均具有隨埋深的增大而升高的規(guī)律，但受控于巖體的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)特征，在硬軟相間部位或斷層帶附近，出現(xiàn)應(yīng)力分異現(xiàn)象。最大主應(yīng)力的最大值并不在隧道埋深最大的部位，而是略偏東，表明地質(zhì)

3、構(gòu)造對主應(yīng)力的分布具有較大影響，隧道區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場較高。通過對隧道區(qū)初始地應(yīng)力場的研究，了解了隧道施工中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力變化規(guī)律，為高地應(yīng)力下災(zāi)害的預(yù)測與治理提供更多的依據(jù)，并為隧道結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模擬和可靠度計算提供了較精確的邊界條件。 通過對雪峰山隧道區(qū)工程地質(zhì)條件的研究，包括區(qū)域地質(zhì)與區(qū)域穩(wěn)定性、地形地貌條件、地層巖性及工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造及其應(yīng)力場演化、水文地質(zhì)條件等方面，結(jié)合現(xiàn)場對拱頂下沉、洞周收斂、地表下沉、圍巖

4、內(nèi)部變形及支護(hù)后圍巖變形等情況的監(jiān)測，利用FLAC<'3D>進(jìn)行隧道的三維非線性數(shù)值分析，來考察隧道結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)所引起的變形和穩(wěn)定性狀況的變化，確定支護(hù)結(jié)構(gòu)對于位移量控制的作用，為施工中采用合理的支護(hù)提供依據(jù)。同時，構(gòu)造功能函數(shù)及各參變量分布形態(tài)，采用響應(yīng)面法及蒙特卡羅法對雪峰山隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定性分析和可靠度研究。通過對雪峰山隧道結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模擬及可靠度計算對比分析，以及隧道位移的監(jiān)測結(jié)果，對隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為隧道的設(shè)計者

5、提供一些有益的意見建議，并對以后的地下工程提供借鑒，為設(shè)計和施工的可靠性提供科學(xué)根據(jù)。通過對典型區(qū)段三維非線性數(shù)值模擬研究、可靠度分析及對現(xiàn)有監(jiān)測資料的整理分析對比，獲得了較為滿意的結(jié)果：雪峰山隧道的開挖基本上沒有大變形發(fā)生，整個隧道的穩(wěn)定性比較好。對幾類圍巖段所選取典型斷面進(jìn)行數(shù)值模擬和監(jiān)測的結(jié)果都說明目前雪峰山隧道采用的支護(hù)方式是合理的，能夠保證隧道圍巖不發(fā)生大的位移，從而保證隧道的整體穩(wěn)定性，可靠度分析中可以看出β值拱腳最大，拱腰

6、次之，拱頂最小，與三維數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。發(fā)生小規(guī)模塌方地段，圍巖與襯砌的變形很大，原有的初始設(shè)計不能夠維持圍巖整體的穩(wěn)定性，后采用了超前小導(dǎo)管注漿、變更支護(hù)參數(shù)和開挖模式的支護(hù)措施和施工方法，形成了比較穩(wěn)定的承載拱，能夠保證隧道圍巖不發(fā)生大的位移，從而保證隧道的整體穩(wěn)定性。本文所提供的可靠度分析方法可行且基本上反映了隧道結(jié)構(gòu)的實際穩(wěn)定狀態(tài)，本次模擬分析考慮的參數(shù)及分布特征基本能滿足要求，實例證明該方法效率高，實用性強(qiáng)，用于地下結(jié)構(gòu)的