深埋隧道施工空间效应及施工方案优选研究

发布时间：2017-08-11 11:15

  本文关键词：深埋隧道施工空间效应及施工方案优选研究

  更多相关文章： 空间效应 有限元分析 虚拟支撑力法 施工方案

【摘要】：隧道的施工会使围岩位移场与应力场重新生成,在开挖过程中空间效应对上述位移场与应力场的重生成有重要影响,掌握在其影响下围岩变形、应力变化规律,为合理选择施工方案提供理论基础,具有重要意义。因此本文将把施工过程中围岩荷载的释放以及施工空间效应作为主要研究内容。本文首先对隧道施工空间效应国内外研究现状进行了介绍,阐述了对隧道空间效应理论的理解;其次,深入地分析了空间效应下隧道变形力学机理;最后,结合理论分析,选取工程实例,根据隧道施工力学特性以及空间效应理论,采用有限元分析的手段动态地模拟了隧道施工的过程,得到了以下成果:(1)建立二维弹塑性模型,对深埋大跨度隧道的开挖支护进行弹塑性分析,并采用“虚拟支撑力法”实现围岩荷载的不同程度的释放,对不同荷载释放率下围岩位移、初期支护受力进行评价,掌握深埋隧道变形和应力随施工进程的变化历程。分析表明荷载不同释放程度对围岩变形以及衬砌结构受力有极大影响。(2)为了直观地研究隧道施工空间效应,建立深埋大跨度隧道三维有限元模型,以分部开挖预留核心土法为工法,动态地展示隧道施工过程。并设定某断面为目标断面,研究施工过程中目标断面的变形、应力变化规律,掌握深埋隧道围岩变形和应力随开挖进程的空间变化历程。研究表明:在一定空间范围内,不管开挖面通过目标断面与否,其向前推进的过程均会给目标断面围岩变形、应力带来影响,当开挖面正通过目标断面时,其带来的这种影响达到最大。比如,当开挖面未通过目标断面且距其仍有较大距离时,目标断面围岩开始发生变形、主应力产生变化,随二者之间距离的拉近这种改变愈加明显,并且当二者之间距离减小到零时,目标断面围岩的变形、应力急剧发展。(3)为了维护隧道围岩的稳定以及保障施工安全性,必须为该工程选定最为合理的施工方案。本文从开挖方式、下台阶长度、二次衬砌施作时机三个方面,分别建立各自对应的几种工况进行分析,同时仍然从围岩变形、应力变化以及二次衬砌受力几个角度,探讨隧道在上述三个方面因素影响下的围岩特性,综合三种因素,优选施工方案。在开挖方式的选取中,以分部开挖预留核心土法、台阶分部开挖法以及导坑法三种工法进行数值模拟,通过分析得出,在限制围岩变形方面,台阶分部开挖法与其它两种方式相比具有较大优势;在下台阶长度的选取中,建立了不同下台阶长度如2m、4m、6m、8m、10m五种工况进行分析,结果表明当下台阶长度为10m,能够较为充分地发挥围岩的空间效应、及时地形成支护封闭体系,同时不发生较大的变形;在二次支护时机的选择中,建立了二衬距下台阶0m、4m、8m、12m、16m、20m六种工况进行分析,结果表明当二次衬砌与隧道下台阶距离为20.0m时围岩并未发生较大变形,且二衬所受最大主应力较小。因此,最终选择台阶分部开挖法作为工法,选择10m作为下台阶长度,并且距隧道下台阶20m时施作二次衬砌。
【关键词】：空间效应 有限元分析 虚拟支撑力法 施工方案
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 选题背景与研究意义11-12
• 1.1.1 选题背景11
• 1.1.2 研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 地下结构计算方法研究现状12-13
• 1.2.2 隧道施工空间效应研究现状13-14
• 1.2.3 对当前隧道空间效应研究现状的评价14-15
• 1.3 研究内容15
• 1.4 创新点15-17
• 2 隧道开挖的空间效应及施工性态模拟基本理论17-22
• 2.1 对隧道开挖空间效应的理解17
• 2.2 开挖面空间效应与位移释放系数17-19
• 2.2.1 开挖面空间效应在横纵断面的表现17-18
• 2.2.2 位移释放系数18-19
• 2.3 隧道施工性态模拟基本理论19-21
• 2.3.1 隧道施工性态模拟方式的选定19
• 2.3.2 数值分析基本理论19-20
• 2.3.3 有限元法常用术语20
• 2.3.4 围岩力学模型20
• 2.3.5 有限元法解析步骤20-21
• 2.4 本章小结21-22
• 3 深埋隧道施工空间效应的二维分析22-56
• 3.1 概述22
• 3.2 数值模拟程序选择（ANSYS)22
• 3.3 工程概况22-23
• 3.4 隧道设计参数23
• 3.5 本构模型23-24
• 3.6 隧道施工二维弹塑性分析24-42
• 3.6.1 围岩力学参数、支护结构参数24-25
• 3.6.2 计算模型25-26
• 3.6.3 开挖方案26
• 3.6.4 计算过程26-27
• 3.6.5 计算结果分析27-42
• 3.7 考虑混凝土龄期的隧道施工二维弹塑性分析42-54
• 3.7.1 围岩力学参数、支护结构参数43
• 3.7.2 计算模型43
• 3.7.3 开挖方案43-44
• 3.7.4 计算过程44
• 3.7.5 计算结果分析44-54
• 3.8 本章小结54-56
• 4 深埋隧道施工空间效应的三维分析及施工方案优选56-86
• 4.1 隧道概况56
• 4.2 计算模型及参数56-59
• 4.2.1 计算模型56-57
• 4.2.2 隧道横断面设计57-58
• 4.2.3 模型参数58-59
• 4.3 开挖方式选择与施工过程模拟59-60
• 4.3.1 开挖方式选择59-60
• 4.3.2 施工过程模拟60
• 4.4 计算结果及分析60-69
• 4.4.1 隧道变形分析60-67
• 4.4.2 隧道围岩应力分析67-69
• 4.5 施工方案优选69-84
• 4.5.1 开挖方式的选择70-74
• 4.5.2 台阶长度的选择74-79
• 4.5.3 二次支护时机的选择79-84
• 4.6 本章小结84-86
• 5 结论与展望86-88
• 5.1 结论86-87
• 5.2 展望87-88
• 参考文献88-92
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研成果92-93
• 致谢93-94

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