基于有限差分的山区公路偏压隧道围岩稳定性分析

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随着我国交通运输事业迅速发展,山岭公路隧道的修建越来越多,隧道的偏压现象屡见不鲜,如果偏压现象不被重视,就可能造成工程事故的发生。本文以重庆三环高速公路HC05标段为工程背景,采用理论分析、数值模拟相结合的方法,研究在地表倾角、隧道埋深、施工方法不同工况下,偏压隧道的力学性能和变形规律,以此来分析隧道围岩稳定性,主要研究结论如下:
  (1)通过对HC05标段隧道偏压段开挖进行建模分析,得出隧道右线开挖对中岩墙及左线内侧的第一主应力值影响较大,对变形的影响主要取决于隧道开挖后,土体回弹变形的大小。结合监测数据对隧道拱顶沉降进行了拟合,得出双曲拟合HC05标段隧道最合适,并将模拟的拱顶沉降曲线与工程实际曲线进行对比,确定了模型参数的正确性。
  (2)由地形原因造成的偏压,无论是在水平方向的应力、位移还是垂直方向的应力、位移都表现出明显的不对称。深埋侧隧道的受力、变形、塑性区都大于浅埋侧隧道。对于同一条隧道来说,浅埋侧受到的偏压影响要大。
  (3)通过不改变隧道埋深,只改变地表倾角的方式分析可知,地表倾角的改变引起的偏压现象非常明显。随着地表倾角的增大,隧道的应力、变形、锚杆的轴力都在增大。偏压的严重程度以地表倾角25°为转折点,超过25°时,隧道的变形和应力增加更加明显,极大加剧了不对称现象,偏压更加严重。
  (4)通过不改变地表倾角,只改变隧道埋深的方式分析可知,随着埋深的增加,偏压带来的影响明显减弱,隧道的应力、变形、锚杆轴力都在向对称方向发展,这种现象在埋深30m时比较显著。
  (5)通过不同埋深不同坡度的力学特性综合来看,隧道地表倾角大于等于25°且埋深小于等于25m时,此时偏压对隧道的内部应力分布和位移特征具有显著影响,应该在开挖和支护上,充分考虑偏压带来的力学特性和变形的影响。
  (6)建立三维模型对台阶法、CD法、预留核心土法进行分析,比对三者位移场、拱顶与拱底的变形、剪应力场情况,可以看出来CD法施工隧道对隧道的变形控制效果更好。从初期支护受力可以看出,CD法锚杆受力较大部位分布在拱顶两侧,拱顶受力比较安全。但从计算时步也可以看出CD法施工周期过长,所以在一些V围岩稳定性比较差的隧道才会考虑此方法开挖隧道。稍微好点IV围岩建议采用环形开挖留核心土法开挖隧道。
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