巴东组地质条件下下穿高速高铁隧道支护时效可靠性研究

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近年来,地下空间的开发与利用越来越受到国家的重视。隧道建设作为地下空间的重要工程,其安全性问题受到了广泛关注。在巴东组等复杂地质条件下,具有较强蠕变特性的隧道围岩屡见不鲜,支护体的可靠性及断面稳定性有明显的时效特性。因此,在掌子面不断推进的过程中,已完成支护段的支护结构发生破坏导致的塌方等隧道工程事故与日俱增。但目前关于隧道及地下人防工程的坍塌事故分析,也就是针对支护体时效可靠性的研究还较少,即对隧道工程的风险预测及有效安全评估还存在不足。对此,本文以重庆市奉节县境内柏村沟浅埋大跨度高速高铁隧道开挖工程为工程研究背景,选择了DK718+800、DK718+751.7及DK718+750.8典型断面进行研究。本文借助ABAQUS和MIDAS/GTS有限元分析软件,考虑复杂地质条件下围岩的蠕变作用,研究了巴东组地质条件下隧道施工过程中初期支护的时效可靠性问题,主要研究内容如下:(1)首先介绍了隧道围岩的蠕变特性,然后阐述了初期支护与围岩间的相互作用过程,最后分析了岩石的两种基本蠕变过程,即稳定蠕变(衰减蠕变)与非稳定蠕变(非衰减蠕变)。随后介绍了评价隧道工程可靠性的一般方法,因为隧道洞周的沉降及收敛能够最直观且客观地反映隧道施工过程中支护结构的力学性质及稳定性,所以本文着重考虑位移来研究隧道初期支护结构的时效可靠性,以收敛-约束原理为基础定义支护结构的时效破坏概率,同时介绍确定极限位移的方法。(2)选择柏村沟隧道DK718+750~DK718+800地段,借助MIDAS/GTS软件进行建模分析。选择CD法、台阶法及全断面法这几种施工方法,分析各个工况隧道洞周的位移变化情况,据此判断采用不同施工方法时变形最大的断面位置,即风险最大的不利断面。(3)选择柏村沟隧道DK718+800、DK718+751.7及DK718+750.8典型断面利用ABAQUS软件进行建模分析。选择拱顶、拱肩、拱腰和拱脚这几个断面关键位置,分析支护结构各特征点处随着掌子面的推进在不同方向的应力变化及变形情况,最后对各断面支护体的位移-时间曲线进行多项式拟合。根据拟合方程分别计算各观测点的时效破坏概率,由此得出不同开挖过程中隧道危险断面的时效破坏概率,进而判断隧道断面的时效可靠性及稳定性。时效破坏概率的加入能够实现隧道工程风险的动态评估,全面预测隧道施工全过程中不同时间点的风险,对于地下隧道的设计优化和施工风险规避具有重大的意义。
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