【摘 要】
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铁路是国民经济的大动脉,近年来高速客运专线的出现和大规模应用为经济社会发展起到了重要的作用,隧道工程是高速铁路截弯取直,减小展线系数的重要途径,衬砌结构受力模式的时空分布特征是优化衬砌结构设计的重要依据。因此,文章以银川—西安高铁庆阳隧道二工区正洞围岩及衬砌结构为研究对象,通过资料收集、室内试验、现场试验及ABAQUS有限无模拟等手段,对三台阶法开挖人断面穿越上新统红黏土地层隧道衬砌结构的变形及受
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铁路是国民经济的大动脉,近年来高速客运专线的出现和大规模应用为经济社会发展起到了重要的作用,隧道工程是高速铁路截弯取直,减小展线系数的重要途径,衬砌结构受力模式的时空分布特征是优化衬砌结构设计的重要依据。因此,文章以银川—西安高铁庆阳隧道二工区正洞围岩及衬砌结构为研究对象,通过资料收集、室内试验、现场试验及ABAQUS有限无模拟等手段,对三台阶法开挖人断面穿越上新统红黏土地层隧道衬砌结构的变形及受力的π时空分布特征进行研究,得到以下研究成果:(1)研究区红黏土属于新近纪红黏土(N2cr),土体颗粒整体偏细为风成沉积次生红黏土范畴,孔隙较少,颗粒间胶结能力极强,土质极硬；由于固结压力及固结历史长,在饱和浸水断裂面上可明显观察有层状节理特征,证明该层红黏土有部分沉积成岩趋势。随着含水率的增加,内摩擦角减小,黏聚力降低。同时膨胀潜势受初始含水率影响,初始含水率越低其膨胀潜势越大。(2)围岩压力呈现出“快速增长—剧烈波动—缓慢增长—稳定”的规律,水平围岩压力大于垂直围岩压力;衬砌结构内力呈现出“快速增长—缓慢增长—稳定”的规律,拱顶位置及两侧边墙拱脚位置出现应力集中,应考虑放大截面及改善拱脚约束;大断面隧道的衬砌结构并非理想承压环模型,而是已支护部分与围岩多次应力重分布达到平衡的过程,其中锁脚锚杆对衬砌结构受力状态有着显著影响;由于水平围岩压力大于垂直围岩压力这一特殊的围岩应力状态,导致其两侧收敛量大于拱顶沉降量。(3)衬砌结构在未闭合与已闭合交界位置出现较大的应力集中,应考虑在该位置布置临时仰拱;锚杆内力较小,未发挥理想约束作用可考虑在土质隧道中取消系统锚杆;开挖过程对沉降过程影响范围大致为1.5倍洞径,该范围外影响较小,掌子面距离未开挖部分1/2倍洞径位置开始产生剧烈变形,远离后影响幅度匀速减小,可量测沉降量约为实际围岩总沉降量的1/2;对比全断面、两台阶、双导洞法及CD法衬砌结构受力及变形特征,考虑到工期等因素,该地层隧道推荐使用两台阶法开挖。
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