关键词:
连拱隧道
中隔墙
现场实验
数值模拟
力学行为
偏压
优化
摘要:
随着我国基础设施建设的发展,公路交通隧道日益增多。在复杂地形条件限制下,为满足公路隧道的使用功能,具有诸多优点的大跨连拱隧道数量急剧增加。在各类偏压条件下,大跨连拱隧道在施工和服役环节存在许多问题,尤其以中隔墙偏转或失稳引起的工程问题最为突出。大跨偏压连拱隧道的中隔墙在施工期力学状态较为复杂,且因偏压条件的变化而变化。现有研究主要围绕某类地形偏压条件对中隔墙的施工力学行为影响,鲜有对包括施工偏压在内的不同偏压条件进行对比分析研究。本文以长沙市夏鹃路隧道工程为依托,首先通过现场监测试验对比不同结构断面(偏压条件)中隔墙及支护结构的施工力学行为,结合数值模拟进一步明确中隔墙偏压偏转的力学机制和中隔墙空间力学行为。最后,分别研究地形坡度及施工台距对中隔墙的影响。以控制中隔墙偏转(移)为目标,提出相应工程优化措施。主要的研究内容和成果有:(1)通过对明暗连拱和暗埋连拱隧道的中隔墙及初期支护,开展现场监测试验,获得了不同结构断面中隔墙的墙肩主应变、主筋轴力、墙身弯矩和墙底压力的变化规律,实验结果发现,不同结构断面,引起中隔墙偏压的力学机制差异显著。(2)通过现场试验和数值模拟的综合对比分析,发现全暗埋段整个施工过程中中隔墙均向浅埋侧偏转,中隔墙的墙身应力表明先行洞开挖完成后中隔墙的偏压最为严重,后行洞开挖能有效缓解中隔墙的偏压。明晰了中隔墙偏压偏转的力学机制,即先行洞开挖阶段,同侧钢拱架拱脚处竖向分力及未开挖侧的水平荷载是引起中隔墙偏转及偏压的主要原因,后行洞开挖阶段,同侧钢拱架水平分力是引起中隔墙偏转及偏压的主要原因。先行洞侧钢拱架水平分力与后行车洞钢拱架竖向分力具有缓解中隔墙墙身偏压及偏转的作用。(3)通过对中隔墙及支护结构的力学行为开展数值模拟分析,研究了围岩-中隔墙-支护结构的协同受力变形规律,探明了连拱隧道中隔墙偏压、偏转所引起的支护结构和围岩力学状态变化原因。基于此,提出了“强化先行洞,控制后行洞”的工程优化措施原则,即提高先行洞支护结构的强度,控制后行洞围岩与支护结构的相对位移,以达到安全施工的目的。(4)通过对不同地形偏压条件下中隔墙力学行为的数值模拟分析,提出了不同地形偏压条件下控制中隔墙偏转(移)的工程优化方案:当地形坡度比小于0.6时,左洞开挖期间应限制中隔墙的底部位移;当坡度比为0.6时,为了抑制以及墙身偏压效应,提高中隔墙的稳定性,建议在中隔墙和后行洞中之间的中导洞回填碎石土以控制中隔墙的侧移偏转;当坡度比大于0.6时,右洞开挖期间应限制中隔墙的顶部水平位移;同时,由于中隔墙底部的基底压力由坡度小于0.4时的两侧应力集中状态,转变为坡度大于0.4时的基底全范围较大压应力状态,因此当地形坡度大于0.4时应考虑对中隔墙的底部地基采取加固措施。(5)通过对不同施工台距的中隔墙力学行为数值模拟研究,对比分析了中隔墙的墙身应力、位移、偏压效应及偏转角度,结果表明:台距主要影响中隔墙的应力偏压效应及偏转角度,施工台距越大,墙身应力偏压效应的影响越明显,且持续时间越长。施工结束后整体对中隔墙的受力状态影响不大。综合考虑中隔墙墙身应力分布、偏压效应、偏转角度和主洞施工的干扰因素,建议连拱隧道的施工步距保持在1D~1.5D范围内。图81幅,表10个,参考文献92篇