大断面小净距隧道群围岩压力分布的理论解析与数值模拟研究

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随着山区高速公路的不断发展,大断面小净距隧道群因其占地面积小且易满足线型优化而得以在建设中大量采用。由于隧道群开挖支护工法复杂,先后行隧道之间影响强烈,使得其围岩压力分布常迥异于传统小净距隧道,并给设计、施工及理论研究带来相当大的麻烦。本文以平潭龙兴岭三车道两主洞+两车道两辅洞+电力隧道组成的五洞大断面小净距隧道群为依托工程,针对现有规范计算方法的不足,提出系列修正方法;并考虑围岩的蠕变效应,采用大量数值模拟系统研究了小净距隧道群深埋段、浅埋段和明洞段的围岩压力分布及随时间变化规律。本文所做的主要工作及获得的研究成果如下:(1)深埋大断面小净距隧道群的围岩压力分布及其经时变化基于极限平衡拱理论对中夹岩柱的实际支撑力进行修正,提出深埋大断面小净距隧道群的围岩压力修正计算公式。对比每延米隧道所承受的竖向围岩压力;主洞数值解相较修正解的差值为10%,辅洞数值解相较修正解的差值为40%。进一步考虑围岩压力的时间效应,初期支护围岩压力随时间总体呈下降趋势,二次衬砌的围岩压力随时间总体呈上升趋势,但二者之和基本保持恒定。隧道经过100年蠕变,辅洞二次衬砌围岩压力占比最终稳定在35%-60%之间,主洞二次衬砌围岩压力承担占比在30%-50%之间。(2)浅埋大断面小净距隧道群的围岩压力分布及其经时变化基于三角形楔形体的极限平衡,推导浅埋非对称小净距隧道群的围岩压力计算公式。对比每延米隧道所承受的竖向围岩压力;主洞数值解相较修正解的差值为20%,辅洞数值解相较修正解的差值为35%。初期支护围岩压力随时间总体呈下降趋势,二次衬砌的围岩压力随时间总体呈上升趋势。隧道经过100年蠕变,辅洞二次衬砌围岩压力占比最终稳定在30%-60%之间,主洞二衬衬砌围岩压力占比均为30%-50%之间。(3)大断面小净距隧道群明洞段围岩压力分布基于库伦被动土压力理论,得到边墙的被动土压力计算公式。通过二铰拱原理计算拱圈的挠曲线变形微分方程预估边墙的水平位移,得到边墙被动土压力的折减系数,提出明洞回填荷载的修正计算方法。其分布规律与数值模拟结果基本一致,竖向围岩压力可等效于均布荷载。侧向围岩压力呈钟型分布,从拱顶至拱脚呈现缓慢增大-急剧增大-逐渐减小的变化趋势。
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