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软弱地层隧道,特别是软土隧道,采用暗挖方法修建时,由于地层稳定性能差,施工条件困难等因素,往往需要采用各种有效的措施对地层进行预加固处理,改善其工程物理力学性能,才能满足工程施工的基本要求,因此,预加固的实施,对软土隧道工程的顺利施工起关键性的作用。本文基于典型淤泥地层条件下修建城市浅埋地下工程的实践,在大量文献资料的调查研究基础上,探讨分析了国内外地层预加固处理技术的种类和适用条件,以及隧道及地下工程浅埋暗挖方法的特点及应用范围、重点以ABAQUS有限元计算软件在ubuntu操作系统上构建的丛集系统为平台,利用三维有限元数值模拟的方法,研究分析了软土隧道不采取预加固措施和采取预加固措施的围岩稳定性,以及浅埋暗挖方法的支护系统工作性能,并结合大量现场量测数据,对预加固的实际工程应用效果,以及隧道支护系统工作状况进行了研究。主要研究结论如下:
(1)无预加固条件下,隧道开挖引起的地面横向变形影响范围主要集中在-2.5i~2.5i范围,且横向水平位移最大值与横向沉降槽的反弯点i对应;地面纵向变形主要影响范围主要集中在-2.5D~3.5D范围,且纵向水平位移最大值与纵向沉降曲线的反弯点对应。
(2)无预加固条件下,隧道开挖引起的地中沉降随深度的增加而增加;地中横向水平位移随着掌子面的推进而增大,掌子面通过2.0D后,趋于稳定,且位移主要集中在开挖范围;拱顶上方纵向水平位移在掌子面前方1.0D左右产生,掌子面通过2.5D后趋于稳定,且沿深度方向,中间地层存在减小纵向水平位移的缓冲带;掌子面前方纵向水平位移在掌子面前方1.0D左右产生,掌子面通过时达到最大,最大位移在掌子面中心处。
(3)运用椭球体理论,结合三维数值模拟结果,对掌子面前方土体稳定性进行分析,结果表明,无预加固条件下,掌子面前方1.0D范围土体出现拉应力,进入塑性,位移表现为:挤出位移最大,竖向沉降次之,洞周收敛最小。
(4)对比有无预加固条件下,隧道开挖所引起的地层位移、应力和塑性区的变化,阐明了隧道预加固后,可明显减小地层位移,将地层拉应力转变为压应力,控制地层塑性区的开展,对暗挖施工有利。
(5)运用特征曲线法原理,对软土地层浅埋隧道的预加固机理进行研究,结果表明,采取预加固措施后,改善了原有地层条件,改变了原有地层的应力应变状态,增强了地层的自承载能力,为暗挖施工的顺利进行提供了保障。
(6)基于有无预加固条件下,隧道开挖的数值模拟结果,对嘉禾园地下通道进行预加固设计,并通过对隧道预加固后的三维有限元数值模拟结果和现场监控量测数据的分析,阐述了地层预加固在实际工程中的应用效果,结果表明,预加固效果明显,为通道的暗挖施工创造了条件。