[01114411]近域汽车动荷载作用下的双跨连拱隧道稳定性研究

一、任务来源及背景《近域汽车动荷载作用下的双跨连拱隧道稳定性研究》是河北省交通厅2005年科学技术计划项目（编号：Y-050135）。该课题的目的是对张（家口）～石（家庄）高速公路野弧岭1#双跨连拱隧道施工中遇到的近域汽车动荷载对其施工的影响、近域汽车动荷载对连拱隧道稳定性的影响等问题进行攻关与研究，为野弧岭1#双跨连拱隧道施工保驾护航，实现安全、优质、高效的隧道施工，同时也为我国的高速公路连拱隧道施工技术和理论探讨积累经验和资料。二、技术原理及性能指标1、对国内外连拱隧道的稳定性理论和数值分析方法进行综述，研究如何运用ANSYS软件实现连拱隧道的开挖和支护过程、连续施工和地应力逐步释放的模拟。2、建立有限元模型，分析用“三导洞法”修建连拱隧道的围岩和隧道结构在上方公路汽车荷载作用下的受力变形规律，分析汽车荷载对隧道开挖和结构物稳定的影响。3、实施现场监控量测，对监测数据和资料进行处理分析，将实测结果与理论分析结果进行对比，综合分析连拱隧道在近域汽车动荷载作用下的稳定性。三、取得的主要成果课题组经过近两年的辛勤工作，结合野弧岭1#双跨连拱隧道施工实践，获得了如下主要成果：1、应用智能弦式数码应变计和综合测试仪进行现场监控测量，获得了双跨连拱隧道在围岩和近域汽车动荷载作用下二次衬砌的受力状况，即二次衬砌上的应力总体来说不大，在拱顶及仰拱部位存在着一定的拉应力，一般均满足其抗拉强度，只是仰拱局部出现较大的拉应力，二次衬砌整体应力不大，隧道结构的受力状态良好。2、测量结果表明，近域汽车动荷载在1.5～2.0D（D为隧道直径）以外时，对双跨连拱隧道的施工影响不大。3、二次衬砌中的应力随隧道往前开挖存在着小的波动，表明二次衬砌的强度储备功能不断发挥，也表明施作二次衬砌时围岩尚未完全稳定，二次衬砌施作时机应进一步优化。4、就监测的应力状态而言，隧道的受力状态良好，但由于开挖工序直接影响着中墙应力状态的变化，因此应尽快施作后续隧道的衬砌，使先施作隧道支护结构的受力状态早日趋于稳定。5、应用平面应变弹塑性有限元，数值模拟双连拱隧道在上方公路汽车荷载作用下的三导洞法开挖过程，分析塑性区在各施工阶段的分布情况，得到施工过程中围岩应力的危险区域，获得了隧道稳定性的参考数据，为施工决策提供服务。理论分析与实测结果趋势上吻合，再次证明理论分析和实际监控量测相结合是开展隧道工程科研工作的有效方法。四、适用范围：公路工程。五、简要技术说明：1.通过现场监控测量，获得了双跨连拱隧道在围岩和近域汽车动荷载作用下二次衬砌的受力状况，即二次衬砌上的应力总体来说不大，在拱顶及仰拱部位存在着一定的拉应力，一般均满足其抗拉强度，只是仰拱局部出现较大的拉应力，二次衬砌整体应力不大，隧道结构的受力状态良好。2.测量结果表明，近域汽车动荷载在1.5～2.0D（D为隧道直径）以外时，对双跨连拱隧道的施工影响不大。3.二次衬砌中的应力随隧道往前开挖存在着小的波动，表明二次衬砌的强度储备功能不断发挥，也表明施作二次衬砌时围岩尚未完全稳定，二次衬砌施作时机应进一步优化。4.就监测的应力状态而言，隧道的受力状态良好，但由于开挖工序直接影响着中墙应力状态的变化，因此应尽快施作后续隧道的衬砌，使先施作隧道支护结构的受力状态早日趋于稳定。5.应用平面应变弹塑性有限元，数值模拟双连拱隧道在上方公路荷载作用下的三导洞法开挖过程，分析塑性区在各施工阶段的分布情况，得到施工过程中围岩应力的危险区域，获得了隧道稳定性的参考数据，为施工决策提供服务。理论分析与实测结果趋势上吻合，再次证明理论分析和实际监控测量相结合是开展隧道工程科研工作的有效方法。六、推广应用前景：建筑业是我国的支柱产业之一。而在建筑业中，铁路隧道、公路隧道、城市地铁等往往是投资比较大的工程，而在这些隧道工程中常常会遇到双连拱隧道结构。因此，研究双连拱隧道的稳定性，对加快施工速度、提高施工质量、降低成本和促进隧道施工技术水平的提高，具有非常重要的意义。该研究项目取得的成果，能够对双连拱隧道的设计和施工决策提供参考依据，以及对促进连拱隧道的合理设计和施工技术水平的提高起积极作用，有着很好的应用前景。