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随着我国经济的不断发展,交通运输量激增,许多既有隧道已不能满足通行要求,隧道扩挖成为解决交通瓶颈的有效方式。本文依托实际隧道扩挖工程,对既有隧道扩挖为双连拱隧道的动态施工过程进行了数值模拟,分析了南北扩挖隧道的支护结构受力及变形规律,对比了不同施工方法下隧道支护结构的受力及变形情况。基于能量耗散突变理论,建立了隧道扩挖工程变形失稳能量耗散突变判据,结合数值分析结果对隧道扩挖工程的安全性进行了探讨。对隧道扩挖工程进行了动力时程分析,研究扩挖隧道衬砌结构在地震荷载作用下的位移和内力变化规律,同时与扩挖前对应规律进行对比分析,研究扩挖隧道对相邻隧道结构抗震性能的影响,为扩挖隧道的抗震性能设计提供参考。主要的研究工作及结论如下:(1)利用有限元分析软件MIDAS/GTS建立隧道扩挖的力学分析模型,分析隧道扩挖施工过程中围岩应力应变分布规律及扩挖隧道支护结构的应力变形特性,研究地表沉降的变化规律及锚杆受力情况。研究表明扩挖隧道竖向位移(7.5mm)以两洞的对称线为中心左右对称分布;扩挖隧道地表沉降曲线呈单漏斗与(5.5mm)W形(5.7mm);扩挖隧道结构的轴力(658.68kN)、剪力(109.46kN)和弯矩(48.83kN·m)主要拱顶、拱脚和拱腰;隧道扩挖过程中锚杆在开挖处承受最大轴力(28.96kN)。(2)对比采用单侧拓宽上台阶弧形分步开挖法和CD工法施工时扩挖隧道的应力应变分布规律及地表沉降变化规律,研究不同施工方法对隧道扩挖工程的影响。两种施工方法都能满足安全需求,CD工法施工扩挖隧道竖向位移(7.4mm)、地表沉降(5.5mm)、轴力(492.67kN)、剪力(97.83kN)、弯矩(15.84kN·m)和锚杆轴力(20.24kN)均较小,施工更为安全,但CD工法施工复杂,临时支撑的施作和拆除困难、成本较高,因此建议长隧道扩挖采用单侧拓宽上台阶弧形分步开挖法,短隧道扩挖采用CD工法。(3)分析隧道扩挖时能量耗散突变过程,基于隧道扩挖时产生的塑性耗散能密度(PDED)及表征耗散能E_f,建立隧道扩挖变形失稳的能量演化模型,提出隧道扩挖失稳破坏的能量耗散突变判据,并结合数值分析结果对隧道扩挖工程的安全性进行评价。研究表明隧道扩挖工程施工时,各关键部位的突变特征值?>0,隧道扩挖施工相对安全。(4)对隧道扩挖工程进行动力时程分析,研究扩挖隧道衬砌结构在地震荷载作用下的位移和内力变化规律,探讨扩挖前后隧道地震响应的改变规律,分析扩挖隧道对相邻隧道结构抗震性能的影响。在地震波作用下,扩挖隧道水平方向位移峰值随埋深的增加有递减的趋势,越靠近地面的部分水平方向位峰值移越大(6.9mm),且扩挖隧道结构拱顶45o位置及拱脚处内力出现拉压循环作用。