黄土公路隧道围岩压力特征与荷载作用机理研究

本项目将在申请者近几年对黄土公路隧道研究成果的基础上，结合已建、在建的实体工程，在对依托工程大量实测资料深入分析的基础上，结合室内试验和理论分析等手段对黄土公路隧道深浅埋界定标准、围岩压力特征及作用机理、浅埋黄土公路隧道围岩压力计算方法等进行深入研究，旨在提出一种考虑双洞效应的适宜的黄土公路隧道深浅埋界定标准、得出浅埋黄土公路隧道围岩压力特征、揭示浅埋黄土公路隧道围岩压力作用机理、推导出更接近实际的浅埋黄土公路隧道围岩压力公式。通过项目的研究将进一步完善黄土公路隧道修筑理论体系，不仅可有效指导黄土公路隧道设计与施工，大大减少运营的病害治理费用和养护维修费用，有明显经济与社会效益显著，而且将为我国公路隧道相应规范（或规程）修订提供必要的基础数据和科学依据，在学科上有重要的理论意义，影响深远。

本项目通过现场测试、室内试验和理论分析等手段对黄土公路隧道深浅埋界定标准、围岩压力特征及作用机理、浅埋黄土公路隧道围岩压力计算方法等进行了深入研究，取得如下成果：①针对黄土隧道围岩压力与荷载作用机理研究不足的现状，开展了大规模系统的现场测试，实测结果表明：现有浅埋隧道围岩压力公式计算结果与实测结果偏差较大，其分布呈“猫耳朵”形状；深埋隧道围岩压力属形变压力，其实测值与修正卡柯公式计算结果较为一致；深埋与浅埋隧道中仰拱的受力性态有所不同；格栅拱钢筋轴力以受压为主；黄土公路隧道二次衬砌受力相对较小。②运用研制的地质力学模型试验简便实用的隧道开挖工具与方法，首次系统开展了基于先加载后开洞思路的不同应力场黄土隧道模型试验，研究了开挖对不同应力场黄土隧道围岩应力分布的影响，分析了不同初始应力场和不同支护时机下黄土隧道结构的受力特点。并进行围岩和衬砌的破坏试验，分析了围岩和衬砌的变形破坏特点。③建立有效的有限元模型，采用不用加载方式，模拟不同应力场，对黄土公路隧道施工过程中隧道围岩位移和应力变化特征及其影响范围进行了详细分析，并对衬砌结构的受力和变形特征进行深入研究。最后，为减少方法局限性所产生的误差，将数值仿真与模型试验结果进行了综合对比分析，揭示了两者的内在联系规律，并从理论上解释试验结果。④在分析实测结果和理论成果的基础上，以中心线土体侧压力系数变化规律为依据，首次提出了隧道深浅埋界定的新思路和方法，并用两个工程实例进行验证。⑤通过离心模型试验，深入分析了黄土隧道施工引起的地表及以下地层变形规律，找出了影响黄土公路隧道变形特征的三个主要因素并给出敏感性，剖析了当前多用于隧道沉降槽预测的Peck公式对黄土公路隧道的适用性并对其进行了修正，拟合出一种可较好预测黄土隧道地表及以下土体沉降的新方法。⑥基于离心模型试验成果，根据土体力学平衡条件，推导出额一种浅埋黄土隧道围岩压力计算方法，经多种计算理论所得结果与现场实测数值对比，采用该方法算得结果较接近实测值，可为类似工程围岩压力计算提供参考。这些成果对黄土公路隧道的设计、施工及病害处治具有重要的理论意义和工程实用价值。