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通透肋式联拱隧道是一种全新的浅埋傍山隧道,其受力模式与承载机理尚不清楚,设计理论有待建立。依托望(江)东(至)长江公路大桥南山隧道工程,采取理论分析和数值模拟相结合的方法,对通透肋式联拱隧道破坏模式及结构荷载简化模型开展了系统的研究,具有重要的理论意义与实用价值。
主要内容及其成果如下:
1、对隧道设计的型式进行了分析,并结合实际工程,提出了一种全新的隧道结构型式。结果表明:通透肋式联拱隧道除了具有边坡扰动小、环境破坏少、结构简洁轻盈、外形美观、通透性佳的优点,还弥补了肋式拱梁隧道结构形式单一、跨度小的不足。
2、开展了两种不同开挖方式下通透肋式联拱隧道围岩及结构物的受力变形数值模拟研究。研究表明:开挖方式的改变对隧道内侧洞室的应力状态影响小,对外侧洞室的应力状态影响较大,且先开挖内洞再开挖外洞的方案时围岩整体的应力水平明显较低,偏于安全;开挖方式的改变对内洞衬砌层受力的影响较小,对主要承力构件中隔墙及肋梁结构的受力影响较大,且先开挖内洞再开挖外洞时中隔墙及肋梁的结构内力更小。综合考虑认为,先开挖内洞再开挖外洞的方案更佳。
3、对通透肋式联拱隧道在不同工况下的围岩破坏模式进行了分析。研究表明:在围岩岩性均质的工况下,破坏模式为内侧洞室拱顶沿某一斜面延伸至山坡面的楔体滑移,且随着围岩强度的降低,破坏区域增大。非均质围岩岩性下的破坏模式与均质围岩相同,且破坏屈服仅发生在强度较低的表层岩体中,说明浅埋隧道的结构荷载主要为浅层围岩的松动荷载。对于不同地形相交关系的工况,在不施做中隔墙时,3种不同地形相交关系的围岩破坏模式均为沿着中隔墙拱顶某一斜面的楔体滑移,且随着切坡深度的增加,滑动区域增大;在施做中隔墙时,围岩破坏模式亦为楔体滑移,滑移斜面较不施做中隔墙时有内移趋势,在内侧拱顶附近产生塑性区,并随着塑性区的扩大,达到极限破坏状态。分析表明:通透肋式联拱隧道在各种影响因素下的破坏模式均为楔体滑移,其滑移面范围位于中隔墙拱顶至内洞拱顶围岩区段,故其结构荷载模型中取极限情况,应分工况将滑动面分别设置于中隔墙内侧围岩与内侧洞室拱顶围岩。
4、分析了隧道围岩破裂角的计算方法,并将数值方法与理论解法、《公路隧道设计规范》推荐解法的计算结果进行了对比分析。分析表明:《公路隧道设计规范》推荐解法能与数值计算结果较好吻合,主要是因为它考虑因素相对全面,引入了围岩内摩擦角、边坡坡角、滑移面摩阻力等影响参数,因此,《公路隧道设计规范》推荐解法适用于通透肋式联拱隧道围岩破裂角的计算。
5、基于围岩破坏模式的研究结果,提出了不同工况下适合通透肋式联拱隧道的结构荷载简化模型,并将数值模拟方法与结构荷载简化模型方法在不同地形相交关系影响下的计算结果加以对比分析,来验证结构荷载简化模型的可靠性。分析表明:两种方法计算结构受力的变化规律基本一致,计算所得的结构受力图模式基本一致,因此,结构荷载简化模型基本能正确反映隧道结构受力变形的规律。
相关成果已应用于望(江)东(至)长江公路大桥南山隧道工程,为设计与施工方案的优化提供了科学的依据。