城市土质地层小净距隧道失稳模式与控制机理研究

With the development and utilization of the urban underground space in China, the construction of underground structures is highly demanded. Among the underground structures, closely-spaced twin tunnels are widely used. These tunnels are characterized with complex urban geology and environmental conditions, varying cross sections, ever-changing construction processes and ground loads. According to these characteristics, this program focuses on the failure modes of ground and load calculation model of support system for closely-spaced twin tunnels in urban soil area. The distribution characteristics of the stress and displacement field will be investigated using the elastic-plastic theoretical analysis of twin tunnels. An evaluation method of the stability for the central soil wall will be proposed. The urban ground can be divided into the two main types: sandy and clayey soils. The space-time effect of the ground deformation for the two types of soil will be investigated using a comprehensive methodology of laboratory model tests and numerical simulations. The typical failure modes will be put forward using the methodology. Based on the failure modes, the calculation model of the surrounding ground pressure and the mechanical characteristics of the support systems for twin tunnels will be developed. An optimizing scheme for the design of twin tunnels will be provided according to both the prediction of the calculation model and field monitoring on the ground deformation and support system stressing. This study will not only contribute to the basic theories for the design of urban tunnels, but also benefit the construction technology for twin tunnels in soil ground.

随着我国地下空间开发高潮的来临，大量城市小净距隧道工程相继开工。针对城市地质与周边环境复杂、结构断面变化多、施工工序及地层荷载转换频繁等特点，本项目围绕城市土质地层小净距隧道稳定性特征和控制机理这一核心问题，基于双孔隧道弹塑性分析理论，研究小净距隧道地层应力场和位移场的分布规律，重点分析中夹地层的力学特性，进而提出基于破坏严重度的中夹地层稳定性评价方法；将城市土质地层概化为砂性和粘性两种，通过理论分析、大型室内模型试验和数值模拟分析，研究隧道上覆地层变形演化的时空效应规律，揭示土质地层小净距隧道失稳破坏的力学机制，提炼出典型的失稳模式；在此基础上研究小净距隧道地层荷载的计算方法和支护结构受力特性，并结合现场监测与原位试验结果优化支护设计方法和参数。项目成果对于深化城市土质地层小净距隧道失稳模式与控制机理的研究具有重要理论意义，对于提升我国大规模城市交通隧道工程的建设水平具有重大实用价值。

小净距隧道凭借其结构形式的灵活性和技术的可行性，在双洞隧道的设计和建设中被广泛采用，具有结构受力复杂和施工工序繁多等特点，有时还具有几何不对称、结构不对称和左右荷载不对称等复杂的力学特性。本项目通过理论解析、模型试验和数值模拟方法，研究了小净距隧道围岩受力变形特性、支护结构受力特性、隧道近接施工的相互影响规律、围岩损伤破坏模式以及中夹地层的应力释放规律。.（1）推导了深埋双洞隧道围岩应力显式解析解，分析了双洞隧道围岩应力的分布特性；基于摩尔库伦破坏准则，讨论了隧道埋深、支护力、侧压力系数、净距和隧道洞径比等参数的变化对隧道中夹地层区域初始塑性区的分布及扩展的影响。隧道中夹地层的初始失稳破坏模式：中间部分首先破坏，大多数属于这种情况；上下两端首先破坏，当地层侧压力系数较小或非对称隧道的洞径差异较大时，往往会出现这种破坏形式。.（2）研制了三维组合式大比尺梯度加载模型试验系统。加载系统具有压力输出稳定，保压时间长等优点；运用气囊加、卸载系统可重复模拟隧道开挖及支护过程。模型试验分析了高水平应力条件下，小净距隧道在不同埋深条件下开挖及超载过程中，支护结构受力状态及地层应力释放和变形规律。.（3）揭示了小净距隧道中夹地层的应力释放、传递规律及其力学机理。首次提出了定量分析了中夹地层非塑性区应力集中程度和塑性区围岩破坏程度的破坏严重度指标，讨论了支护强度和开挖顺序对中夹地层稳定性的影响。隧道开挖过程中，中夹地层的应力以水平释放为主，且在土质地层中，应力主要是由上下两端向侧向进行释放；而超载过程只增大了围岩的变形与受力，不改变其基本受力模式。.（4）依托实际工程案例，分析了双洞隧道围岩安全性分区演化规律。采用数值模拟方法，基于破坏严重度指标，对不同开挖方法和中夹地层加固措施下，定量评价了小净距隧道围岩整体稳定性及中夹地层的安全性分区演化规律，提出了不同围岩级别时小净距隧道的合理施工方案。