施工缺陷对隧道稳定性影响的模型试验研究

论文摘要

随着我国国民经济的快速发展,山岭地区公路建设的不断发展,公路隧道的建设数量日益增多。由于公路隧道在修建时投资大,往往是控制公路建设工期的关键。因此,一定要保证隧道工程建设的安全性、经济性和适用性。由于隧道施工工序繁多,存在不少潜在危险源,在施工过程中,容易形成施工缺陷,而隧道病害大部分都是由这些缺陷形成。这些病害既影响了隧道作为快速安全交通通道的功能,在维修加固时又会花费大量的资金,更严重的是存在安全隐患。因此,分析施工缺陷对隧道稳定性影响就极为重要。本文以辽宁海棠山隧道为背景,研究了不同施工缺陷对隧道的破坏形式、关键点的位移及应力应变的影响,归纳出一定的规律,以期对本工程的施工提供参考。现有研究表明,由于施工缺陷其破坏机理复杂性,传统研究方法多采用数值分析的方法。相对的,有关隧道空洞模型实验方面开展研究的并不多见。本文基于模型实验,立足东北大学实验室现有条件,提出利用模型试验为主要的研究手段,以数值分析为辅助手段并作为模型试验的验证与补充。本论文重点开展如下研究工作：(1)空洞对隧道稳定性影响的机理综述和分析：围岩与衬砌之间存在的空洞,使其产生不均匀的点接触,这些点接触造成应力集中,使衬砌内侧受拉、外侧受压破坏,这种受力方式严重影响着隧道围岩与结构的稳定性。因此,空洞对隧道稳定性产生显著影响。(2)本文围绕施工缺陷对隧道稳定性问题,开展了不同范围的拱顶空洞和不同位置空洞对隧道稳定性影响的系列实验研究。结合相似准则,实现了在弹性范围内控制各物理力学参数的相似性。首先,针对实际工程,确定了几何相似比,继而开展了相似材料配比实验,制作了隧道模型,最后进行加载试验及数据的量测。总结得出了不同情况下,施工缺陷对隧道稳定性的影响规律。(3)为了验证与补充模型实验,采用了MIDAS数值法来分析该工程,建立了不同范围的拱顶空洞和不同位置的空洞模型。通过有限元分析,主要从位移和应力两方面分析了不同情况下,隧道的变形及受力情况。将数值分析与模型实验的结果进行对比分析,提出合理的施工建议。(4)根据模型试验与数值分析的结论,针对海棠山隧道工程,提出了一些施工缺陷的防治措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 施工缺陷对隧道稳定性影响的研究现状
• 1.2.2 隧道模型试验的研究现状
• 1.3 工程概况
• 1.4 本文研究目标、内容和方法
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 研究方法述评
• 第2章 隧道施工缺陷概述
• 2.1 隧道施工缺陷形成的原因
• 2.2 隧道施工缺陷的种类
• 2.2.1 长大管棚施工易存在的缺陷
• 2.2.2 超前小导管施工易存在的缺陷
• 2.2.3 隧道开挖易存在的缺陷
• 2.2.4 隧道初期支护易存在的缺陷
• 2.2.5 隧道二次衬砌施工易存在的缺陷
• 2.3 隧道施工缺陷的防治
• 2.4 本章小结
• 第3章 相似理论及模型试验相似比的确定
• 3.1 模型实验相似理论及相似比确定准则
• 3.1.1 相似的概念
• 3.1.2 相似三定理
• 3.1.3 应用相似定理的局限性
• 3.2 模型试验设计思路
• 3.2.1 物理模型的基本概念
• 3.2.2 物理模型的单值条件与相似指标
• 3.2.3 本次模型试验设计
• 3.2.4 模型尺寸的选择
• 3.3 模型相似材料成分的选取及配比实验
• 3.3.1 相似材料成分的选取
• 3.3.2 模型材料配比实验
• 3.3.3 配比的选择
• 3.4 本章小结
• 第4章 模型制作及试验准备
• 4.1 模型的制作
• 4.1.1 模型的制作
• 4.1.2 隧道模型实验的开洞方式
• 4.1.3 制作过程
• 4.2 实验加载
• 4.2.1 加载方法
• 4.2.2 加载台架
• 4.2.3 加载分级
• 4.2.4 边界条件
• 4.3 实验测试内容及测点布置
• 4.3.1 量测项目及方法
• 4.3.2 测点布置
• 4.3.3 数据采集系统
• 4.3.4 实验仪器的调试
• 4.4 本章小结
• 第5章 模型试验过程及结果分析
• 5.1 实验过程
• 5.2 实验数据量测
• 5.2.1 不同拱顶空洞范围对隧道稳定性影响的的模型试验
• 5.2.2 不同空洞病害位置对隧道稳定性影响的模型试验
• 5.3 本章小结
• 第6章 数值分析
• 6.1 程序选择
• 6.2 模型的建立
• 6.2.1 计算参数的确定
• 6.2.2 有限元网格划分
• 6.2.3 约束与加载
• 6.3 模型试验的数值分析
• 6.3.1 不同拱顶空洞范围对隧道稳定性影响的的模拟分析
• 6.3.2 不同空洞病害位置对隧道稳定性影响的模拟分析
• 6.3.3 小结
• 6.4 模型实验与数值分析结果比较
• 6.5 本章小结
• 第7章 工程应用
• 7.1 设计概况
• 7.2 施工方法
• 7.3 施工缺陷防治措施
• 7.3.1 超前小导管施工缺陷的防治措施
• 7.3.2 隧道开挖缺陷的防治措施
• 7.3.3 隧道初期支护缺陷的防治措施
• 7.3.4 隧道二次衬砌施工缺陷的防治措施
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介