基于流固耦合的软弱围岩隧道扩挖稳定性研究

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目前多数单线铁路隧道改复线均采取单线隧道旁增建第二线隧道,增线隧道建设常利用既有结构物进行扩挖,若施工作业处于雨季或富水区域,应力与渗流之间的耦合作用将成为影响围岩稳定性的重要因素。本文以渝怀复线新杉树陀隧道既有平行导坑扩挖段为工程背景,通过数值模拟与经典解析解对比分析论述了隧道扩挖稳定性较之开挖更差;通过FLAC3D有限差分软件建立流固耦合与普通比对模型,分析得出考虑流固耦合的隧道扩挖稳定性较之不考虑流固耦合更差;建立不同埋深、不同水位、不同侧压力系数的流固耦合模型,分析不同因素影响下的隧道扩挖稳定性并利用相应判据对隧道扩挖稳定性进行评价。主要研究内容及成果如下:(1)查阅相关文献并归纳总结,结合弹塑性理论并按照平面应变问题对软弱围岩圆形洞室开挖与扩挖塑性区分布规律进行研究。结果表明:45°方向的扩挖塑性区半径较之开挖有所增大,其软弱围岩扩挖稳定性越差。(2)通过FLAC3D软件建立流固耦合与普通比对模型,对有无流固耦合作用下隧道扩挖过程中的围岩孔隙水压力、应力、位移、塑性区分布规律及初支受力特性进行研究。结果表明:考虑流固耦合作用下,围岩主应力、拱顶沉降与拱腰水平位移、塑性区范围均有所增大,其软弱围岩隧道扩挖稳定性越差。(3)建立不同埋深、不同水位、不同侧压力系数的流固耦合模型,对不同影响因素下隧道扩挖过程中的围岩孔隙水压力、应力、位移、塑性区分布规律及初支受力特性进行研究。结果表明:随埋深增加、水位上升、侧压力系数减小,围岩位移及塑性区范围有所增大,其埋深变化对软弱围岩隧道扩挖稳定性的影响尤其显著。(4)对软弱围岩隧道既有平行导坑扩挖段进行施工模拟,与实际监测数据进行对比分析验证数值模拟可靠性,据现行规范要求及计算方法得出二衬合理支护时机及初支安全系数分布规律。结果表明:软弱围岩隧道采用两台阶法扩挖,其二衬合理支护时机为20d,安全步距为20m,施工阶段初支结构最不利位置为拱腰。
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