基于粘弹塑性力学模型双连拱隧道施工过程动态力学特性研究

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公路连拱隧道(Multi-arch Road Tunnel)是随着公路建设规模日渐扩大而出现的较新型大跨度隧道形式。双连拱隧道开挖跨度大、围岩压力较大、易产生偏压、埋深浅、围岩多次扰动、施工工序多、结构复杂等特点,隧道开挖和支护相对于分离式隧道和小净距隧道要复杂。大多数岩土体材料具有蠕变的特性,根据新奥法的基本思想,隧道开挖后,围岩从变形到破坏有一个时间历程,包括开挖面向前推进时围岩应力逐步释放的时间效应和围岩介质的流变效应。经典的弹塑性变形理论,计算上对毛洞开挖后洞体变形的释放都看作瞬时完成来处理的,无法反映其时间效应,只有考虑围岩的流变特性,进行粘弹塑性力学分析,才能真实反映地层与支护结构间相互作用的特点,以确定合理的初期支护和二衬支护时机。本文以吉林省于木匠沟双连拱隧道为工程地质背景,采用基于有限差分法数值分析软件FLAC3D对双连拱隧道施工方案的施工过程进行模拟分析,主要探讨了开挖进尺或掌子面推进距离对隧道围岩、支护结构应力应变的影响,分析了隧道的空间效应和时间效应。本文的研究内容与数值分析结果如下:(1)利用数值分析软件FLAC3D内置蠕变模型,参考于木匠沟双连拱隧道现场监控量测记录,对双连拱隧道进行位移反分析,得出了与论文相关的力学蠕变参数:Kelvin剪切模量、粘性系数和Maxwell剪切模量、粘性系数。(2)对双连拱隧道进行不同力学模型(弹塑性力学模型和粘弹塑性力学模型)不同施工方案施工过程模拟分析,分别记录了各个施工工序的应力、位移、支护结构的内力和不平衡力。同时对记录的数据进行相互对比分析,得出以下结论:基于粘弹塑性力学模型计算出的地表位移、拱顶竖向位移均比基于弹塑性计算出的位移大;基于粘弹塑性力学模型计算出的收敛变形较基于弹塑性计算出的位移小;基于粘弹塑性力学模型计算出的围岩内部位移变化曲线呈平行状,基于弹塑性力学模型计算出的围岩内部位移变化曲线相互交叉,但是二者靠近临空面的量测点位移均收敛于零。(3)双连拱隧道施工过程空间效应分析:采用相同施工方案不同力学模型、不同施工方案相同力学模型、不同施工方案不同力学模型,对开挖进尺或掌子面推进距离对量测断面拱顶竖向应力和位移进行对比分析,得出以下结论:基于粘弹塑性力学模型三导洞施工方案,开挖进尺或掌子面推进距离对量测断面拱顶竖向应力和竖向位移影响范围约1.5倍单洞跨度。(4)双连拱隧道施工过程时间效应分析:基于粘弹塑性力学模型,采用不同施工工序间隔时间,相同施工方案以及不同施工方案的模拟结果对比分析,得出以下结论:相同施工方案,施工工序间隔时间越长,拱顶竖向位移越大;三导洞施工法产生的拱顶竖向应力随着时间推移逐渐收敛于同一应力,中导洞—正洞台阶施工法产生的拱顶应力大小按照工序间隔时间排列依次为:间隔5天>间隔8天>间隔10天。
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