基于强度折减法与衬砌安全系数的青岛地铁衬砌结构优化设计研究

论文摘要

地下隧道围岩的稳定性一直是许多学者关心的问题。现行衬砌结构计算方法有较大的人为性和经验性，各级围岩的主要结构尺寸数据大都来自工程类比确定，或按比较保守的经验公式确定。保守设计造成了一些质量高的岩体都采用了较厚的尺寸。青岛市地质条件优越，合理充分利用青岛优越的地质条件，降低衬砌结构尺寸，对青岛地铁项目有重大的意义。本文将强度折减法应用于隧道稳定性分析及评价，提出了隧道衬砌的优化结构设计计算方法，并由此定量的确定衬砌结构尺寸，以确保隧洞安全并降低成本。本文主要完成了以下工作：1.简要介绍了基于有限差分原理的FLAC5.0软件，强度折减法的基本原理以及隧洞失稳的判据，并分析了隧洞失稳在FLAC数值模拟计算中的具体表现。2.选取两种不同跨度的青岛地铁区间隧道，利用强度折减法计算得出隧道在Ⅰ至Ⅳ级围岩下的毛洞安全系数、初衬后围岩安全系数、二衬后围岩安全系数以及二衬安全系数。并以此为依据对区间隧道衬砌结构进行优化设计。3.选取青岛地铁一个典型的浅埋暗挖车站，利用强度折减法计算得出车站的毛洞安全系数、初衬后围岩安全系数以及二衬安全系数。以此为依据对该车站衬砌结构进行优化设计。4.选取相同跨度但不同埋深的区间隧洞，利用强度折减法计算得到不同埋深隧洞毛洞的安全系数，在一定埋深范围内毛洞安全系数随着埋深的增加先增大后减小。由毛洞安全系数的变化规律确定出了隧洞的合理埋深。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 地下工程研究进展与现状
• 1.3 地下工程设计计算方法现状
• 1.4 本文主要的研究内容
• 第2章 基于 FLAC 软件的强度折减法
• 2.1 引言
• 2.2 FLAC5.0 简介
• 2.3 有限差分法原理
• 2.4 强度折减法基本原理
• 2.4.1 传统的极限分析法及其安全系数定义
• 2.4.2 强度折减法中安全系数的定义
• 2.4.3 强度折减法原理
• 2.4.4 强度折减计算中屈服准则的选用
• 2.5 隧洞整体失稳的判据
• 2.5.1 隧洞破坏的判据
• 2.5.2 隧洞失稳在数值模拟计算中的具体表现
• 2.6 本章小结
• 第3章 区间隧道衬砌结构优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 隧洞的设计计算方法
• 3.2.1 隧洞计算方法
• 3.2.2 FLAC 中基于不平衡力的应力释放方法
• 3.2.3 初衬计算
• 3.2.4 二衬计算
• 3.3 5.1 米跨度隧道衬砌结构优化设计
• 3.3.1 工程概况
• 3.3.2 材料物理力学参数选取
• 3.3.3 FLAC 建模
• 3.3.4 毛洞安全系数计算
• 3.3.5 初衬后围岩安全系数的计算
• 3.3.6 二衬后围岩安全系数计算
• 3.3.7 二衬安全系数计算
• 3.3.8 优化后的衬砌结构尺寸
• 3.4 10.1 米跨度隧道衬砌结构优化设计
• 3.4.1 工程概况
• 3.4.2 FLAC 建模
• 3.4.3 毛洞安全系数计算
• 3.4.4 初衬后围岩安全系数计算
• 3.4.5 二衬后围岩安全系数计算
• 3.4.6 二衬安全系数计算
• 3.4.7 优化后的衬砌结构尺寸
• 3.5 本章小结
• 第4章 浅埋暗挖车站衬砌结构优化设计
• 4.1 引言
• 4.2 车站工程概况
• 4.3 材料物理力学参数选取
• 4.4 FLAC 建模
• 4.5 毛洞安全系数计算
• 4.6 初衬后安全系数计算
• 4.7 二衬安全系数计算
• 4.8 结果分析
• 4.9 本章小结
• 第5章 不同埋深隧洞安全系数变化规律
• 5.1 引言
• 5.2 不同埋深隧洞模型的建立
• 5.3 不同埋深隧洞安全系数计算
• 5.4 隧道合理埋深的确定
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目
• 致谢