富水浅埋连拱隧道施工力学行为研究

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本文依托东北地区某城市轨道交通出入线段富水浅埋连拱隧道工程,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方式研究分析了流固耦合作用对富水浅埋连拱隧道施工产生的影响;并基于Flac3d5.0有限差分软件通过控制变量法对浅埋连拱隧道在流固耦合情况下在隧道不同施工工况中的隧道的开挖方案、围岩的饱和度、隧道施工的开挖步距和连拱隧道左右隧洞开挖间距这四个影响因素进行数值模拟研究分析;依托有限差分软件Flac3d5.0结合灰关联原理对富水浅埋连拱隧道在不同施工工况(围岩饱和度、施工开挖步距、左右隧洞开挖错距)下影响围岩变形的具体施工工况参数进行敏感性分析研究。论文的主要成果和结论如下:(1)通过理论分析对比力学特征时间ts和流体扩散时间tc,经过计算可知ts在tc的范围内,因此隧道开挖采用完全流固耦合的方法进行流固耦合计算;采用数值模拟的方法对东北地区某富水浅埋连拱隧道在是否考虑流固耦合作用这两种工况下对隧道左右隧洞的拱顶的最终累计沉降值、隧道周边收敛的最终位移值、初期支护的受力特征及塑性区的面积及分布进行了对比分析研究。得到了在流固耦合条件下,隧道围岩变形、初支受力及塑性区面积均大于没有考虑流固耦合作用。并将数值模拟的结果与实测数据对比,验证了考虑流固耦合作用数值模型的准确性。因此,在富水浅埋连拱隧道工程中必须充分考虑流固耦合作用。(2)在考虑流固耦合作用的基础上,采用控制变量法对富水浅埋连拱隧道不同施工工况中的隧道的开挖方案、围岩的饱和度、隧道施工的开挖步距和连拱隧道左右隧洞开挖间距这四个影响因素进行数值模拟研究分析。结合该隧道工程的实际情况,建议采用核心土三台阶法开挖施工;开挖过程中为保证安全性,应及时做好防水、排水工作,防止围岩饱和度过高引起隧道围岩软化现象;隧道开挖步距建议优选2m;隧道左右隧洞开挖间距建议优选8m。(3)依托有限差分软件Flac3d5.0结合灰关联原理对富水浅埋连拱隧道在不同施工工况(围岩饱和度、施工开挖步距、左右隧洞开挖错距)下影响围岩变形的具体施工工况参数进行敏感性分析研究。通过矩阵计算得出了各影响因素的敏感度,对比了各影响因素敏感度的大小,得出在富水浅埋连拱隧道拱顶的最终累计沉降值和周边收敛的最终位移值在不同施工工况的三种影响因素中,施工开挖步距对隧道周边收敛的最终位移值影响最大,其次是围岩饱和度,最后是左右隧洞开挖错距。因此在隧道开挖施工过程中要重点考虑施工开挖步距和围岩饱和度因素,合理把控好施工开挖步距并做好防排水工作。
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