岩溶公路隧道围岩—支护结构受力特性数值模拟分析

论文摘要

我国是岩溶分布最广的国家,岩溶这种不良地质现象的存在给岩溶区公路隧道的开挖施工和运营安全造成严重威胁。探索溶洞对公路隧道围岩和支护结构的影响规律,开展岩溶区公路隧道的衬砌结构优化对策研究,对加快岩溶区隧道的建设有着直接的推动作用。论文以平阳隧道和天池隧道为工程背景,针对岩溶区公路隧道建设中隐伏溶洞对隧道围岩-支护结构稳定性的影响,以及岩溶富水区公路隧道结构的受力特性和结构设计等问题做了比较深入的研究和探索。本文研究的主要内容有：首先,采用通用有限元软件ANSYS10.0对平阳隧道典型构造溶蚀地段隧道的开挖和支护施工过程进行了三维弹塑性数值模拟分析,重点研究了既有隐伏溶洞对隧道围岩和初期支护结构稳定性的影响。其次,简要介绍了隧道外水压力的研究现状,并对不同外水压力作用天池隧道典型断面隧道围岩的受力和变形规律,以及二次衬砌结构的受力特性和安全性进行了数值模拟分析研究。最后,对不同二次衬砌厚度、不同衬砌断面轮廓条件下天池隧道结构的稳定性进行了数值模拟研究,重点分析了二次衬砌的内力变化特征,以及衬砌结构的抗水压性能。根据有限元数值模拟计算结果,对岩溶区公路隧道的开挖施工和支护设计有如下结论和建议：1.底部溶洞的存在不仅降低了溶洞前后方隧道围岩的稳定性,也在一定程度上削弱了初期支护喷射混凝土的安全性。因此,岩溶隧道工程的施工必须坚持一探一挖制度,全断面预注浆和超前支护也十分必要。2.随着外水压力的增加,隧道二次衬砌各部位的内力大体上均有所增加,而仰拱隅角部位的内力的增加速率最大,尤其是弯矩增加较快,导致该部位的偏心距较大,安全系数也最低,是整个二次衬砌结构受力最薄弱环节。3.当衬砌外水压力较大时,采取适当增大仰拱半径和仰拱连接半径（二者圆心位置不变）的措施对衬砌断面进行优化后,可有效提高隧道衬砌结构的抗水压性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状和发展动态
• 1.2.1 溶洞对隧道围岩-支护结构稳定性的影响研究
• 1.2.2 岩溶预报及处治技术研究现状
• 1.2.3 岩溶隧道防排水设计原则及衬砌外水压问题
• 1.3 研究的内容、目的和意义
• 1.3.1 研究的内容
• 1.3.2 研究的目的和意义
• 第二章 有限元基本原理及隧道施工过程模拟的ANSYS实现
• 2.1 有限元理论概述
• 2.1.1 有限元方法的基本思想
• 2.1.2 有限元方法优点
• 2.1.3 有限元方法分析过程
• 2.2 岩土材料的力学模型和屈服准则
• 2.3 隧道开挖过程模拟的基本方法
• 2.3.1 隧道开挖模拟基本思想
• 2.3.2 实现卸载过程的具体方法
• 2.4 隧道施工过程模拟的ANSYS实现
• 2.4.1 ANSYS有限元软件简介
• 2.4.2 初始地应力场的模拟
• 2.4.3 开挖与支护过程的模拟
• 2.4.4 连续施工的模拟
• 2.5 本章小结
• 第三章 溶洞对公路隧道稳定性影响的数值模拟分析
• 3.1 隧道工程概况
• 3.1.1 工程简介
• 3.1.2 地质水文条件
• 3.2 三维有限元计算模型
• 3.2.1 物理力学参数
• 3.2.2 有限元分析模型
• 3.2.3 过程实现和控制
• 3.3 溶洞对隧道围岩稳定性的影响分析
• 3.3.1 围岩应力场特征
• 3.3.2 围岩位移场特征
• 3.3.3 围岩塑性区分布特征
• 3.4 溶洞对喷射混凝土受力特性的影响分析
• 3.4.1 喷射混凝土应力变化特征
• 3.4.2 喷射混凝土轴力变化特征
• 3.5 本章小结
• 第四章 高水压下公路隧道结构受力特性数值模拟分析
• 4.1 隧道工程概况
• 4.1.1 工程简介
• 4.1.2 地质水文条件
• 4.2 有限元模型及参数
• 4.3 计算工况及过程控制
• 4.4 计算结果分析
• 4.4.1 围岩应力和位移变化特征
• 4.4.2 二次衬砌内力变化和变形特征
• 4.4.3 二次衬砌安全性分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 高水压公路隧道衬砌结构优化对策研究
• 5.1 不同厚度的二次衬砌抗水压性能数值模拟分析
• 5.1.1 计算工况
• 5.1.2 计算结果分析
• 5.2 不同断面形状的二次衬砌抗水压性能数值模拟分析
• 5.2.1 衬砌断面优化方案
• 5.2.2 衬砌断面优化效果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果