摘要
我国西部地区属于高原黄土区，地形地貌地质复杂，这给高速铁路的设计和修建带来了很大困难，为满足高速铁路平顺性和安全性要求，隧道被越来越多的应用到黄土高原地区高速铁路修建中。黄土隧道具有稳定性差，湿陷性大等特点，在隧道施工过程中容易出现围岩失稳和支护结构破坏。浅埋小净距黄土隧道施工一直是隧道工程界重点关注的问题，尤其是开挖方法和预支护方法的选取，是控制围岩变形和保证施工安全顺利进行的重要方面。 论文以中兰客专引入兰州枢纽配套工程白石一号隧道为工程背景，结合工程实践和数值模拟，对浅埋小净距黄土隧道施工方案进行研究，对比分析不同方案施工过程中的变形规律和力学特征，选出隧道的合理开挖工法，并对最优工法进行施工参数优化分析，针对实际施工中出现的仰拱开裂病害进行数值模拟研究，提出了相应的处治方法;通过强度折减法分析不同施工顺序和开挖工法下隧道偏压段边坡的稳定性，并研究了中岩柱性质对围岩稳定性的影响;根据数值模拟计算结果比选出隧道最优超前支护方法和布置范围。论文主要工作及研究成果如下: (1)针对浅埋小净距黄土隧道开挖工法的优化，通过数值模拟分析方法研究了两台阶法、三台阶法和三台阶临时横撑法开挖时隧道围岩、中岩柱和支护结构的变形受力特征以及地表沉降大小和围岩塑性区范围，根据计算结果确定了三台阶临时横撑法的开挖方法，并对该方法进行不同台阶长度，不同循环进尺的优化分析，最后对比分析确定了 0.6m循环进尺，3m台阶长度为最优施工参数。 (2)针对白石一号隧道后行洞施工过程中出现的先行洞仰拱开裂病害，采用有限元模拟手段研究了先行洞仰拱在隧道开挖过程中的受力和变形特征，确定了后行洞开挖引起的先行洞仰拱结构拉应力集中是造成仰拱开裂的主要原因，并提出了对先行洞仰拱下部土体和中岩柱区域进行注浆加固的防护措施，最后通过数值模拟分析验证了该措施的有效性。 (3)针对浅埋小净距黄土隧道偏压段的施工，采用有限元局部强度折减法研究了“左侧隧道先行开挖”和“右侧隧道先行开挖”时隧道周围土体以及临近边坡的稳定性，基于分析结果确定了“左侧隧道先行开挖”的施工顺序，并采用同种方法对两台阶法、三台阶法、环形开挖预留核心土法和三台阶临时横撑法进行对比分析，结果表明，三台阶临时横撑法更适用于浅埋小净距黄土隧道偏压段的施工。最后分析了中岩柱性质对隧道围岩稳定性的影响，结果表明，可以在实际施工中对小净距隧道中岩柱区域进行加固，以提高围岩稳定性。 (4)针对浅埋小净距黄土隧道超前支护方法，构建了精细化三维数值分析模型，研究了超前小导管支护和超前管棚支护下隧道开挖对围岩、中岩柱土体和地表沉降的影响，基于数值模拟分析确定了超前管棚支护方案，并对90°、135°和180°支护范围下超前管棚支护的加固效果进行了对比分析，结果表明，按照180°的布置范围进行管棚预支护效果最佳。
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