淺論大跨淺埋公路隧道支護(hù)體系的系統(tǒng)優(yōu)化研究

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1、東南大學(xué)博士學(xué)位論文大跨淺埋公路隧道支護(hù)體系的系統(tǒng)優(yōu)化研究姓名：沈才華申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：巖土工程指導(dǎo)教師：劉松玉;童立元20080908摘要隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，自21世紀(jì)起，大規(guī)模的公路新建、擴(kuò)建中，雙向6車道以上公路隧道逐漸興起。在東部丘陵地區(qū)，常伴隨著淺埋、富水等復(fù)雜地質(zhì)因素。大跨公路隧道具有開挖跨度大、斷面形狀復(fù)雜、幾何尺寸不一、高跨比小等特點(diǎn)，對隧道圍巖的穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生不利影響；淺埋地層條件導(dǎo)致開挖后的應(yīng)力重分布不利、底腳處的應(yīng)力集中過大、拱項(xiàng)不穩(wěn)定、松弛地壓力較大、支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力相對較小等特點(diǎn)。因此同時具有大跨、淺埋

2、等特點(diǎn)的典型公路隧道是隧道：【：程領(lǐng)域面臨的新課題。大跨淺埋隧道的施工設(shè)計(jì)優(yōu)化更為重要，合理優(yōu)化的結(jié)構(gòu)不僅確保隧道施工和運(yùn)營的安全可靠，還將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益。我國大跨公路隧道建設(shè)的研究起步較晚，現(xiàn)行的《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70—2004)僅適用于以鉆爆法為主要施工手段的各級公路雙車道隧道，對于單向3車道以上大跨隧道沒有明確的規(guī)定，因此，有必要對迅速發(fā)展的單向3車道以上大跨公路隧道的施工設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)研究，對其安全性關(guān)鍵技術(shù)及其施工設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行深入探討。本文以典型江南丘陵區(qū)寧常高速公路大跨淺埋茅山隧道工程為依托，在系統(tǒng)總結(jié)隧道：【程優(yōu)

3、化的最新研究成果和進(jìn)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合公路隧道：『：程設(shè)計(jì)、施工全過程的特點(diǎn)，引入拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段、施j：控制階段各自的優(yōu)化方法、特點(diǎn)及其優(yōu)化的要點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出了大跨公路隧道系統(tǒng)優(yōu)化體系與方法。本文主要成果如下：1對大跨淺埋茅山公路隧道進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測方案設(shè)計(jì)與分析，對臺階法，CRD法施]j過程中洞室收斂、拱頂下沉、初支內(nèi)力、二襯內(nèi)力、錨桿內(nèi)力、深層位移等變形規(guī)律進(jìn)行了研究，揭示了松動圈變化規(guī)律，總結(jié)了大跨淺埋公路隧道施工過程的圍巖變形、穩(wěn)定特征與支護(hù)結(jié)構(gòu)性狀。2公路隧道建設(shè)是一復(fù)雜系統(tǒng)工程，目前優(yōu)化研究均側(cè)重局

4、部優(yōu)化，無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。根據(jù)目前公路隧道設(shè)計(jì)、施：r=程序，結(jié)合實(shí)際rT程引入預(yù)優(yōu)化設(shè)計(jì)思想及拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，建立了完善的公路隧道動態(tài)旄工設(shè)計(jì)優(yōu)化體系理論；明確公路隧道施工設(shè)計(jì)過程中每個階段所采用的主要優(yōu)化方法及優(yōu)化的主要內(nèi)容。3公路隧道洞形優(yōu)化和局部支護(hù)技術(shù)是隧道設(shè)計(jì)施下的關(guān)鍵技術(shù)之一。首次引入拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，提出拓?fù)錂?quán)重概念，建立公路隧道拓?fù)鋬?yōu)化模型及具體實(shí)施技術(shù)路線；對隧道開挖洞形及其擾動區(qū)支護(hù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析；并提出破碎軟弱圍巖的預(yù)強(qiáng)支護(hù)理論，建立公路隧道三層支護(hù)體系，確定用巖主要影響區(qū)的預(yù)強(qiáng)支護(hù)最佳位置，為超前支護(hù)深度、大管棚施一[最合理

5、的鉆孔布置提供指導(dǎo)。4大跨淺埋公路隧道預(yù)優(yōu)化研究是系統(tǒng)優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)之一，因此從系統(tǒng)優(yōu)化角度考慮，研究了預(yù)優(yōu)化的特點(diǎn)、目的及主要內(nèi)容，提出其主要內(nèi)容包括：施工方案的比選、支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性優(yōu)化(主要是初支、二襯的厚度)、初支施作時機(jī)的確定、施工控制與變形特點(diǎn)分析、監(jiān)控量測點(diǎn)的合理布置等。并結(jié)合大跨淺埋茅山隧道進(jìn)行了詳細(xì)研究。5動態(tài)反饋設(shè)計(jì)過程中反分析模型的“真實(shí)性”直接影響反饋設(shè)計(jì)的結(jié)果，通過實(shí)際：[程中初支作用特點(diǎn)的研究，充分考慮初支在大跨淺埋公路隧道開挖過程中的不確定性，采用更符合實(shí)際情況的考慮松動圈效應(yīng)的雙介質(zhì)模犁，建立“承載復(fù)合體”反分析

6、模瓔；并利用最能反映大跨扁平公路隧道變形特點(diǎn)的拱項(xiàng)下沉量建立目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行了反分析。最后通過實(shí)例對比分析論證了該模型的優(yōu)點(diǎn)。6研究了大跨淺埋茅山公路隧道采用鋼拱架的柔性支撐力學(xué)作用特點(diǎn)，以鋼拱架翼緣應(yīng)變量測結(jié)果作為計(jì)算參數(shù)，提出柔性支撐安全性判斷與預(yù)測的新方法；并結(jié)合位移控制標(biāo)準(zhǔn)建立四級安全控制管理標(biāo)準(zhǔn)。從工程應(yīng)用情況顯示，該方法能較好的反映圍巖實(shí)際開挖變化情況，預(yù)測結(jié)果能基本反映闈巖穩(wěn)定性狀態(tài)，既能顯示安全性級別，又能反映初支內(nèi)力變化規(guī)律。關(guān)鍵詞：大跨淺埋公路隧道；系統(tǒng)優(yōu)化；動態(tài)設(shè)計(jì)；拓?fù)鋬?yōu)化；承載復(fù)合體；強(qiáng)預(yù)支護(hù)；安全管理標(biāo)準(zhǔn)Abstrac

7、tWiththeeconomicdevelopmentofChina,highwaytunnelswithbidirectionalsixormorelanesarespringingupduringthelarge—scaleconstructionofnewroadsandextensionsincethe21“century．However，mosteasternhillyregionsarealwayscoupledbycomplexgeologicalfactors—beingshallow-embeddedandrichinwate

8、retc．Large-spanhighwaytunnelswillexertnegativeinfluenceonthestabilityoftunn