特大断面地下洞室多层耦合施工方法及其可靠度研究

论文摘要

本文以特大断面地下洞室为研究对象,探讨了多层耦合施工法新技术,对洞室施工过程的可靠度进行了分析研究,并采用流固耦合、热流固耦合及总应力分析方法对施工过程进行了数值模拟。本文对特大断面地下洞室两种施工新技术进行了研究。在工程施工中采用导洞先行,顶层、中层、底层平行立体交叉的开挖方案。这种方案可创造多个工作面,效率高,实现了大断面洞室多层耦合施工的技术创新;在对临近洞室爆破时,通过优化掏槽方案,使临空面条件改善,爆破夹制作用减小,爆破产生的振动也随之降低,且依据先进的爆破技术实现微差延时错峰,又保证成对斜眼同时起爆,确保错峰减振和高效掏槽双效益。通过对Monte-Carlo随机有限元进行研究和系统可靠度计算的β分支法分析,考虑把两者联合起来分析洞室施工过程安全性,对特大断面地下洞室开挖过程中的每一步进行可靠性评价,并对围岩参数进行了敏感性分析,得出影响洞室稳定最敏感的岩石参数。本文同时分析了多层耦合法与分层逆做法两种施工方法在洞室施工过程中的稳定性,比较了两者的优缺点,从中得出分层逆做法施工过程比较安全,而施工完毕后两者的可靠性几乎一致。从而对多层耦合法施工有一个全面的了解和比较,为今后的特大断面地下洞室快速施工提供科学依据。本文采用宏观连续介质方法,将实际的多孔介质视为一种理想的连续介质,系统地分析流、固、热三场之间的耦合关系。将有效应力原理运用到变温条件下地下水的渗流问题,在此基础上建立岩石变形耦合方程。对于温度场的耦合,通过虚位移原理将变化的温度场产生的热应力转化为“热荷载”加载到岩石固相骨架上。以位移变量和孔隙压力变量为基本变量,把变化的温度场产生的热应变转化为“热荷载”加在结点上。运用等参元、加权残数法、高斯积分法等推导适用于热流固耦合问题的平面八结点单元的刚度矩阵。运用ABAQUS有限元分析软件对工程实例进行流固耦合、热流固耦合及总应力数值模拟分析,通过与实测数据对比,得出一些有益的结论,为今后大断面洞室的施工与设计提供理论依据。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 特大断面地下厂房施工实践及研究现状
• 1.3 地下结构的可靠度理论研究进展
• 1.4 岩土与流体之间的流固与热流固耦合问题
• 1.5 本文主要研究工作
• 第二章特大断面地下洞室多层耦合施工方法
• 2.1 引言
• 2.2 某特大断面地下洞室工程概况
• 2.3 特大断面地下洞室并行施工方法
• 2.4 特大断面地下洞室多层耦合施工方法
• 2.5 各单元洞室临近爆破的振动控制
• 2.6 小结
• 第三章 特大断面地下洞室施工可靠度分析
• 3.1 引言
• 3.2 基于蒙特卡罗随机有限元与β分支法耦合的可靠度分析方法
• 3.3 特大断面地下洞室施工可靠度分析
• 3.4 小结
• 第四章 特大断面地下洞室施工流固及热流固耦合有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 流固及热流固耦合基本方程
• 4.3 流固及热流固耦合数值模型
• 4.4 特大断面地下洞室施工流固及热流固耦合分析
• 4.5 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文与参加科研情况说明
• 致谢