分岔式隧道设计施工的关键技术研究

发布时间：2017-06-18 12:07

  本文关键词：分岔式隧道设计施工的关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 由于地形条件的限制和减少工程造价的考虑，正在施工建设的沪蓉西高速公路八字岭隧道出口采用分岔式形式。分岔隧道由大拱段、连拱段、小净距段和分离段组成，设计、施工都比较复杂，本文分别采用理论分析、模型试验、数值计算的方法研究了分岔隧道设计施工中的关键技术。并采用现场监测数据进行了对比分析，证明了研究结果的正确性。 建立了隧道中墙的承载模型，针对连拱隧道的混凝土中墙和小净距隧道的岩体中墙，分别给出了中墙的极限强度表达式，最后给出了中墙的失稳判据。研究了小净距隧道中间岩墙的支护措施，当中墙埋深一定时，可以通过加固措施提高中墙的C，φ值，采用预应力贯穿锚杆增加中墙的侧向力等加固措施增加中墙的强度。 应用新型地质力学模型试验台和IBSCM相似材料对分岔隧道这种新型的隧道结构进行了研究。共做了2个模型，，分别研究了分岔隧道大拱段—连拱段和连拱段—小净距段的施工全过程及其在施工过程中的受力、变形、破坏形态和模型2的超载安全度。试验结果表明，大拱段和连拱段开挖位移不大，拱顶只有4mm左右，连拱段和小间距段的最终位移为4.5-6mm之间，水平位移都较小。中墙内的压应力集中，约为6.5MPa。大拱段和连拱段过渡处最危险，连拱中墙承受较大的压力，且中墙上部产生拉应力。模型2的拱项、拱腰和中墙是隧道较易发生破坏的区域，靠近连拱段的小净距段较为危险。隧道超载安全度为3.5。 采用损伤与弹塑性耦合的方法，根据不可逆热力学原理，推导出了损伤软化破坏理论，并用VISUAL FORTRAN6.5编制了大型三维损伤弹塑性有限元D-FEM程序。它能模拟岩土工程的开挖、回填等施工过程，且具有求解速度快、群组功能、材料模型多等特点。并采用FLAC3D进行了验证，结果表明考虑岩体损伤软化后的D-FEM有限元程序计算结果更加符合岩体破坏的真实特点。 应用损伤弹塑性有限元D-FEM程序分别研究了分岔隧道连拱段直中墙、连拱段曲中墙和小净距段中墙的合理取值，研究了不同围岩类别、不同埋深对中墙宽度的影响，并对分岔隧道的施工工序进行了优化。通过分析得出如下结论：(1)直中墙隧道的稳定性比曲中墙隧道要好，连拱段隧道中墙形式易采用整体式直中墙形式。(2)八字岭分岔隧道采用左洞超前32m，左右洞同步开挖的施工工序比较合理。 提出了分岔隧道整体线型优化设计的最优化模型。根据此模型，可以得出最经济的线型。分析了分岔隧道的支护措施，并针对八字岭分岔隧道原设计提出了建议。 现场监测了分岔隧道大拱段、连拱段和小净距段等不同断面的位移、锚杆内力、钢结构内力、二次衬砌内力、中墙压力及围岩松动圈的大小。现场监测的结果与模型试验和数值计算的结果对比证明了模型试验和数值计算的正确性。
【关键词】：分岔隧道 优化设计 施工方法 稳定性判据 模型试验 损伤软化有限元 现场监测
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：U455
【目录】：

• 摘要13-15
• Abstract15-17
• 第1章 绪论17-29
• 1.1 选题背景与意义17-18
• 1.2 研究现状18-26
• 1.2.1 隧道理论的研究与发展18-22
• 1.2.2 分岔式隧道研究现状22-26
• 1.3 主要研究内容26-27
• 1.3.1 分岔隧道中墙合理厚度研究26
• 1.3.2 分岔式隧道施工关键技术研究26-27
• 1.4 采用的技术路线27
• 1.5 研究工作的创新点27-29
• 第2章 围岩力学模型及隧道中墙稳定性判据29-44
• 2.1 隧道围岩力学模型29-35
• 2.1.1 弹塑性力学29-33
• 2.1.2 岩体塑性屈服破坏准则33-35
• 2.2 岩体稳定性判据35-36
• 2.3 隧道中墙承载模型及稳定性判据36-43
• 2.3.1 中墙承受荷载模型36-39
• 2.3.2 中墙的极限强度39-40
• 2.3.3 中墙稳定性判据40-41
• 2.3.4 中墙稳定性判据应用举例41-43
• 2.4 小结43-44
• 第3章 分岔隧道地质力学模型试验研究44-78
• 3.1 概述44
• 3.2 地质力学模型试验相似原理44-47
• 3.2.1 相似判据的推导44-47
• 3.2.2 地质力学模型试验相似理论47
• 3.3 相似材料与试验装置47-54
• 3.3.1 相似材料的研制47-51
• 3.3.2 三维地质力学模型试验装置51-53
• 3.3.3 测量仪器53-54
• 3.4 分岔隧道施工过程试验研究54-68
• 3.4.1 工程概况54
• 3.4.2 模拟范围及隧道断面54-56
• 3.4.3 相似材料参数56-57
• 3.4.4 试验过程57-61
• 3.4.5 测试结果分析61-68
• 3.5 试验结果与计算结果的对比分析68-76
• 3.5.1 计算模型与荷载施加68-69
• 3.5.2 支护措施的模拟69
• 3.5.3 计算与试验结果对比分析69-76
• 3.6 结论76-78
• 第4章 岩体损伤软化破坏模型及有限元实现78-102
• 4.1 岩体变形特性及应变软化模型78-82
• 4.1.1 岩体变形特性78
• 4.1.2 应变软化模型78-82
• 4.2 损伤软化破坏模型82-88
• 4.2.1 损伤弹塑性模型82-84
• 4.2.2 损伤演化方程84-86
• 4.2.3 损伤附加载荷与塑性附加载荷86-88
• 4.3 弹塑性损伤的有限元实现88-92
• 4.3.1 非线性有限元的一般解法88-90
• 4.3.2 有限元实现方法90
• 4.3.3 程序的流程与功能90-92
• 4.4 程序功能的验证92-101
• 4.4.1 计算模型及计算工况92-93
• 4.4.2 计算结果对比分析93-101
• 4.5 小结101-102
• 第5章 分岔隧道中墙合理宽度研究及设计施工优化102-129
• 5.1 计算模型及计算工况102-104
• 5.2 连拱段直中墙的合理宽度104-109
• 5.2.1 围岩损伤屈服演化104-105
• 5.2.2 中墙宽度的影响105-107
• 5.2.3 围岩力学参数的影响107-108
• 5.2.4 地应力的影响108-109
• 5.3 连拱段曲中墙的合理宽度109-115
• 5.3.1 围岩损伤屈服演化109-111
• 5.3.2 中墙宽度的影响111-113
• 5.3.3 围岩力学参数的影响113-114
• 5.3.4 地应力的影响114-115
• 5.4 小净距段中墙的合理宽度115-120
• 5.4.1 围岩损伤屈服演化115-116
• 5.4.2 中墙宽度的影响116-118
• 5.4.3 围岩力学参数的影响118-120
• 5.4.4 地应力的影响120
• 5.5 施工过程优化分析120-124
• 5.5.1 施工工序121
• 5.5.2 施工优化分析121-124
• 5.6 分岔式隧道优化设计124-128
• 5.6.1 整体线形优化设计124-126
• 5.6.2 分岔隧道支护措施126-127
• 5.6.3 八字岭分岔隧道设计建议127-128
• 5.7 结论128-129
• 第6章 分岔隧道施工现场监测分析129-138
• 6.1 概述129
• 6.2 现场监测项目及布置129-131
• 6.2.1 现场监测项目129-130
• 6.2.2 监测项目测点布置130-131
• 6.3 监测结果分析131-136
• 6.3.1 位移监测结果131-132
• 6.3.2 隧道支护监测132-136
• 6.4 试验、计算与监测对比分析136-137
• 6.5 本章小结137-138
• 第7章 结论与展望138-141
• 7.1 结论138-139
• 7.2 展望139-141
• 参考文献141-149
• 致谢149-150
• 博士期间发表的学术论文及参加的项目150-151
• 附录151-161
• 学位论文评阅及答辩情况表161

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 马璐;蒋树屏;林志;韩直;;大型地下互通式立交型式选择方法及实例[J];公路交通技术;2011年01期

2 王汉鹏;郑学芬;李术才;范丽;;隧道中墙承载模型与稳定性判据研究及其应用[J];山东大学学报(工学版);2008年05期

3 高天荣;;露天矿预裂爆破对边坡的损伤研究[J];铜业工程;2011年06期

4 马璐;蒋树屏;林志;韩直;;大型地下互通式立交型式选择和路线标准研究[J];现代隧道技术;2011年01期

5 李术才;王汉鹏;郑学芬;;分岔隧道稳定性分析及施工优化研究[J];岩石力学与工程学报;2008年03期

中国博士学位论文全文数据库 前4条

1 徐冲;分岔隧道设计施工优化与稳定性评价[D];北京交通大学;2011年

2 郭子红;地下立交近接隧道稳定性的理论分析与模拟研究[D];重庆大学;2010年

3 张国军;大连地铁分岔隧道施工风险评估[D];大连理工大学;2013年

4 李新志;超浅埋大跨度连拱隧道围岩受力分析及工程应用研究[D];山东大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前7条

1 刘立顺;端锚预应力锚杆支护技术研究[D];中南大学;2011年

2 张乾兵;大型地下洞室群劈裂破坏现场监测和三维地质力学模型试验研究[D];山东大学;2010年

3 王锋;隧道竖井及空间叉附属结构施工力学行为研究[D];西南交通大学;2010年

4 谢应坤;地下立交隧道交叉段稳定性模拟研究[D];重庆大学;2010年

5 王继槐;小净距隧道开挖数值模拟及动力特性研究[D];长沙理工大学;2012年

6 袁超;浅埋连拱隧道上覆围岩变形破坏特性试验及现场应用研究[D];山东大学;2012年

7 何琼;变截面交岔隧道开挖与支护衬砌力学行为研究[D];西华大学;2012年

  本文关键词：分岔式隧道设计施工的关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：459197