高压富水硬岩地层中隧道结构断面参数优化研究 - 朱鹏霖; 孙意; 申玉生; 张昕阳; 谢俊; 曹珂 (铁道标准设计, 2025)
U25%U452.2; 在富水地区修建隧道工程时,高水压力对衬砌结构安全有极大的影响.目前,隧道断面设计仍停留在对隧道的单一指标进行设计比选的阶段,然而事实上隧道断面的最优选择必须考虑包括围岩形态响应应力、位移、稳定性等多方面因素的影响.首先利用有限元差分软件建立南大梁高速工程某隧道断面在不同扁平率下的数值模型,研究 8 种扁平率下隧道衬砌内力和围岩位移、塑性区等情况;其次采用层次分析法对隧道关键部位的围岩位移、衬砌弯矩、衬砌轴力、孔隙水压力和围岩塑性区的目标值加以调整,从而获得隧道在地层条件为高压富水硬岩时的扁平率最优值.研究表明,当隧道处于高压富水硬岩地层中时,不同扁平率下隧道衬砌弯矩分布基本一致,弯矩反弯点均出现在拱腰、拱脚附近,隧道扁平率的改变对拱腰处弯矩值影响最大,最大变化幅值可达到 70.8 kN·m;仰拱隆起值随着扁平率的增大逐渐减小,隧道两侧水平收敛、最大轴力值、最大孔隙水压力值以及塑性区面积均随着扁平率的增大先增大后减小,拱顶下沉值受扁平率变化的影响较小;从施工成本、隧道抗压承载能力、结构安全性3 个角度出发,综合考虑隧道尺寸、洞周衬砌应力分布、洞周变形位移、初期支护安全性和衬砌结构安全性等因素,结合组合权重分析,依托工程隧道断面的最优扁平率为 0.82.本研究技术和结论将为高压富水硬岩地层中隧道结构断面施工的参数优化方案提供参考.