复杂条件下连拱隧道信息化施工及数值模拟研究

论文摘要

我国高等级公路建设中,在特殊地质及地形条件受限制的地区,为了获得良好的技术经济效果,大量选择了连拱隧道方案。但连拱隧道所处位置地质条件复杂、跨度大、开挖扰动频繁和结构复杂不稳定。在连拱隧道洞口边坡偏斜地段,往往出现一侧无法形成洞室,另一侧可以进行暗洞开挖的现象。为了避免高挖深填,保护自然环境,还需选择特殊的结构形式—半隧半路结构。本文以常吉高速公路殿会坪隧道工程为依托,在偏压连拱隧道典型断面进行了收敛位移、拱顶下沉、围岩内部位移、锚杆轴力、地表沉降等项目测试;对于半隧半路结构,在典型断面进行了收敛位移、围岩内部位移、锚杆轴力、地表沉降、二衬应力和耳墙水平位移及应力测试,获得了围岩位移和支护结构内力分布规律,为现场施工提供指导。基于实测围岩位移数据,应用反分析方法,并结合室内岩石力学试验确定岩体c、φ等力学参数。采用数值模拟方法分析比较了偏压连拱隧道中导洞—台阶法和三导洞—台阶法施工过程中隧道围岩、支护结构和中墙的应力场、位移场的异同,得出三导洞—台阶法是复杂条件下连拱隧道合理的施工方案。首次将地形偏压率引入半隧半路特殊隧道,采用有限元数值模拟方法研究了隧道在不同了偏压率P(分别为7、4和2.5)时,各施工阶段围岩应力场、位移场以及支护结构和耳墙的位移、应力分布规律。重点分析了耳墙应力分布规律,得出耳墙外侧拉应力较大的结论,设计施工时应防止耳墙外侧混凝土发生拉裂破坏。综合考虑半隧半路结构安全和稳定性要求,得出1:1是比较合适的边坡坡度(即P=4)的结论,验证了实际工程的设计合理性。基于偏压连拱隧道水平收敛位移和拱顶下沉现场测试数据,建立神经网络BP预测模型,对围岩位移变化规律进行智能预测,并与实测值进行对比分析,验证了预测结果的正确性。最后,对有限元数值模拟结果和现场量测结果进行比较,进一步论证数值模拟分析结果的正确性,可以用以指导工程设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 连拱隧道研究现状
• 1.2.1 连拱隧道支护结构设计方面
• 1.2.2 连拱隧道施工工序方面
• 1.2.3 连拱隧道施工过程数值模拟方面
• 1.2.4 连拱隧道监控量测方面
• 1.2.5 连拱隧道半隧半路结构形式方面
• 1.3 连拱隧道数值模拟与监控量测的优缺点
• 1.3.1 数值模拟的优缺点
• 1.3.2 监控量测的优缺点
• 1.4 本文主要研究内容和研究方法
• 1.5 论文所依托的殿会坪隧道工程概况
• 1.5.1 工程地质概况
• 1.5.2 洞口地质评价
• 第二章 偏压连拱隧道施工过程数值模拟分析
• 2.1 反分析计算方法
• 2.1.1 反分析计算方法概述
• 2.1.2 反分析计算方法应用
• 2.2 偏压连拱隧道计算模型概况
• 2.2.1 计算基本假定
• 2.2.2 计算模型范围和单元选取
• 2.2.3 计算参数选取
• 2.2.4 计算结果说明及特征点布置
• 2.2.5 两种施工方法施工工序
• 2.3 中导洞法模拟结果分析
• 2.3.1 围岩竖向应力分析
• 2.3.2 围岩竖向位移分析
• 2.3.3 初期支护内力分析
• 2.3.4 中隔墙应力分析
• 2.4 三导洞法模拟结果分析
• 2.4.1 围岩竖向应力分析
• 2.4.2 围岩竖向位移分析
• 2.4.3 初期支护内力分析
• 2.4.4 中隔墙应力分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 半隧半路特殊隧道数值模拟分析
• 3.1 概述
• 3.1.1 半隧半路特殊隧道介绍
• 3.1.2 地形偏压率的概念
• 3.2 半隧半路特殊隧道计算模型
• 3.2.1 半隧半路特殊隧道施工工序
• 3.2.2 半隧半路模型计算参数
• 3.2.3 计算结果说明及特征点布置
• 3.3 围岩计算结果分析
• 3.3.1 围岩应力分析
• 3.3.2 围岩位移分析
• 3.4 耳墙计算结果分析
• 3.4.1 耳墙应力分析
• 3.4.2 耳墙位移分析
• 3.5 支护结构内力分析
• 3.5.1 喷射混凝土结构轴力分析
• 3.5.2 锚杆轴力分析
• 3.5.3 二衬内力分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 殿会坪隧道监控量测实施及结果分析
• 4.1 殿会坪隧道监控量测的目的和意义
• 4.1.1 监控量测的目的
• 4.1.2 监控量测的意义
• 4.2 殿会坪隧道监控量测内容及元件埋设
• 4.2.1 水平收敛位移及拱顶下沉量测
• 4.2.2 地表下沉及边坡滑移量测
• 4.2.3 围岩内部位移量测
• 4.2.4 锚杆轴力量测
• 4.2.5 二衬应力量测
• 4.2.6 耳墙水平位移和应力量测
• 4.3 殿会坪隧道监控量测结果分析
• 4.3.1 水平收敛位移和拱顶下沉结果分析
• 4.3.2 地表沉降及边坡滑移结果分析
• 4.3.3 围岩内部位移结果分析
• 4.3.4 锚杆轴力结果分析
• 4.3.5 半隧半路二衬应力结果分析
• 4.3.6 半隧半路耳墙水平位移和应力结果分析
• 4.4 围岩位移量测数据处理
• 4.4.1 BP神经网络简介
• 4.4.2 BP网络模型及设计过程
• 4.4.3 围岩位移预测分析
• 4.5 数值模拟结果与现场测试结果比较分析
• 4.5.1 对称连拱隧道拱顶下沉比较分析
• 4.5.2 半隧半路耳墙竖向应力比较分析
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要研究结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 （攻读学位期间发表的论文和参加的科研项目）