立交隧道近接施工对既有隧道力学特性的影响研究

论文摘要

城市化进程的加速发展、施工工艺的快速提升,为地下立交的发展提供新的平台,使地下立交成为解决城市交通的一个新的发展方向。然而,地下立交隧道跨度大、结构形式复杂,势必会产生新建隧道临近既有隧道施工的现象,从而引起既有隧道周围岩土体的再次扰动,导致一系列力学行为的变化,如果不采取合理的措施,将对既有隧道产生非常不利的影响。本文在前人研究的基础上,以规划中的重庆两江隧道工程为依托,采用相似模型试验和数值分析相结合的方法,对新建隧道开挖过程中既有隧道力学行为的变化规律进行了较为深入的研究。主要研究工作和成果如下:①依据相似理论,结合重庆两江隧道工程实际,开展了地下立交隧道的相似模型试验研究。构建了拟分析的立交隧道模型与原型的相似比,确定了既有隧道支护的相似材料和围岩相似材料的配合比;根据单一圆形洞室基本力学理论确定了量测系统及其布置,并对边界荷载进行了设计。②通过相似模型试验动态模拟了立交隧道中正交下穿新建隧道的掘进,研究了既有隧道纵向上两个断面处的围岩变形、应力和支护结构内力的变化规律,结果表明,既有隧道支护的存在对围岩变形产生一定的约束作用,交叉部位处断面受新建隧道掘进的影响程度更大,交叉部位两侧处断面受影响范围更大。③基于有限元基本理论,结合建立的立交隧道模型,模拟了正交下穿新建隧道的掘进过程,主要分析了既有隧道纵向上距离交叉部位17m范围内的稳定性影响规律,包括拱顶、拱底和拱腰的竖向和水平位移、围岩内部相对位移、支护结构内力及周边围岩应力,并将数值分析结果与试验结果进行了对比,分析表明两种研究方法得到的总体变化趋势是基本一致的。④分析了立交隧道近接施工的各种影响因素,采用数值分析方法研究了四种隧道净距变化(0.25D、0.5D、0.75D、1.0D)对新建隧道掘进过程中既有隧道稳定性的影响,包括交叉部位围岩应力变化情况、既有隧道纵向上四个断面的位移和支护内力变化情况、围岩塑性区范围和塑性应变值大小等,对比分析后得出:两隧道间净距越小,围岩产生的拉应力区和拉应力值越大;隧道及围岩变形越大;支护结构附加内力越大;塑性区范围和塑性应变值越大。其中,在0.25D净距下塑性区在交叉部位围岩中完全贯通。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 工程背景及意义
• 1.1.2 学术背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 立交隧道工程实践
• 1.2.2 立交隧道的近接度划分的研究现状
• 1.2.3 立交隧道施工力学研究方法
• 1.2.4 单一圆形洞室的一般力学原理
• 1.3 本文研究的主要内容及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 地下立交隧道相似模型试验方案设计及试验过程
• 2.1 相似定理
• 2.1.1 相似第一定理
• 2.1.2 相似第二定理
• 2.1.3 相似第三定理
• 2.2 依托工程概况
• 2.3 模型试验装置介绍
• 2.3.1 综合试验系统与内加载系统
• 2.3.2 外加载系统
• 2.4 相似材料及参数确定
• 2.4.1 几何相似常数及衬砌相似材料确定
• 2.4.2 围岩相似材料选取及应力相似常数确定
• 2.5 量测系统及原始地应力场设计
• 2.5.1 量测系统及测点布置
• 2.5.2 模型箱边界荷载设计
• 2.5.3 加载与开挖模拟步骤设计
• 2.6 模型试验过程
• 2.7 本章小结
• 3 地下立交近接施工对既有隧道影响的试验结果分析
• 3.1 围岩内部位移分析
• 3.1.1 既有隧道1-1 断面分析
• 3.1.2 既有隧道2-2 断面分析
• 3.2 支护结构内力分析
• 3.2.1 既有隧道1-1 断面分析
• 3.2.2 既有隧道2-2 断面分析
• 3.3 围岩应力分析
• 3.3.1 既有隧道1-1 断面分析
• 3.3.2 既有隧道2-2 断面分析
• 3.4 本章小结
• 4 地下立交近接施工对既有隧道影响的三维数值模拟
• 4.1 计算基本理论
• 4.1.1 有限元法基本理论
• 4.1.2 本构模型的选择
• 4.2 三维有限元模型的建立
• 4.2.1 模型边界处理及单元选择
• 4.2.2 开挖工序确定
• 4.2.3 计算参数选取
• 4.3 结果分析
• 4.3.1 位移变化分析
• 4.3.2 支护结构内力变化分析
• 4.3.3 围岩应力变化分析
• 4.4 数值计算结果与试验结果的对比分析
• 4.4.1 围岩内部相对位移变化对比分析
• 4.4.2 支护结构内力变化对比分析
• 4.4.3 围岩应力变化对比分析
• 4.5 本章小结
• 5 地下立交隧道净距对既有隧道力学效应的影响
• 5.1 概述
• 5.2 三维有限元模型的建立
• 5.2.1 模型边界处理及单元选择
• 5.2.2 开挖工序确定
• 5.2.3 计算参数选取
• 5.3 计算结果对比分析
• 5.3.1 围岩应力变化对比分析
• 5.3.2 位移变化对比分析
• 5.3.3 支护结构内力变化对比分析
• 5.3.4 塑性区对比分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 研究成果与结论
• 6.2 对后续工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B 作者在攻读学位期间参与的科研项目