边坡滑坡与隧道相互作用测试及三维数值模拟研究

论文摘要

目前,新奥法施工已被广泛应用,现场测试也已被普遍重视,但由于地形地质的复杂性和难预测性,以及施工管理人员的参差不齐,以致在隧道建设过程中滑坡塌方屡见不鲜,尤其在边坡和极差地质条件下。因此,探索边坡、围岩和隧道结构的变形规律和相互作用的关系,最大程度的防止事故发生,具有非常重要的意义。本文主要依托宁武高速公路宁德段A1标段福安隧道建设工程作为研究背景,通过从长期的现场观察到现场试验,从平面模拟到三维数值模拟,从边坡滑坡与隧道的关系到滑坡灾害治理措施的选择,这一系列的研究分析工作,主要获得了以下结论和成果:1、分析了隧道塌方机理和边坡稳定的主要因素,根据地形地质以及现场观察,确定福安隧道结构与边坡相互作用的三种模式:轴向剪切型、侧向剪切型、拱顶挤压扰动型。2、通过对地表边坡的水平位移以及地表沉降的测试,获得了宝贵的一手资料,并对比在极差地质、隧道结构极限变形下和正常情况下围岩结构的动态变形规律,得出前者通常表现为突发性、下沉急速、难收敛。综合分析数据,得出:地表沉降值≈拱顶沉降值+围岩内部位移量。3、本文通过对34+330断面的平面数值模拟,直观的获取土体滑坡形成规律,与现场情况很好的吻合。4、建立洞口段隧道与边坡相互作用关系的三维模拟,完成了:（1）在边坡滑移方向,可采用“三角形”动态分析法,根据变形后的角度大小判断边坡的稳定以及变形规律。（2）在边坡下,采用选取关键点法进行围岩应力应变的微观动态分析,得出在竖向方向,各变量与埋深关系的变化规律。围岩塑性区的分布形态为喇叭口形式,即越往洞内,范围越大。（3）对锚喷支护结构采用截面分析和纵向分析,得出各变量在不同开挖步下、受边坡作用的特殊时空效应。5、福安隧道通过综合选择,采用减重反压措施,合理有效地解决了隧道潜在的轴向边坡滑坡问题,同时系统的阐述了滑坡灾害的类型、治理措施的选择以及抗滑桩的设计,为相关工程部门提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的提出及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 边坡稳定性分析方法
• 1.2.1.1 极限平衡理论分析
• 1.2.1.2 应力-应变数值分析方法
• 1.2.2 隧道变形研究
• 1.2.3 隧道滑坡预测与防治
• 1.2.4 隧道与滑坡作用机理
• 1.3 本文的研究内容和方法
• 1.4 依托的工程概况
• 第二章 隧道塌方机理、滑坡与隧道相互作用分析
• 2.1 隧道塌方机理分析
• 2.1.1 隧道塌方主要因素
• 2.1.2 福安隧道塌方及处理情况
• 2.2 边坡滑坡与隧道的关系
• 2.2.1 影响边坡稳定性的主要因素
• 2.2.2 滑坡成因及隧道变形特征分析
• 2.2.2.1 滑坡成因
• 2.2.2.2 滑动面类型分析
• 2.2.2.3 福安隧道塌方前变形特征
• 2.3 滑坡推力作用下的隧道受力分析
• 2.3.1 轴向剪切型受力分析
• 2.3.2 侧向剪切型受力分析
• 2.3.3 拱顶挤压扰动型受力分析
• 2.3.4 顺滑型位移受力分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 隧道与边坡相互作用现场测试研究
• 3.1 测试方案
• 3.1.1 测试内容、目的及仪器选择
• 3.1.2 测点布设原理
• 3.1.2.1 极差地质条件下地表测点布设原理
• 3.1.2.2 隧道结构极限变形下测点布设原理
• 3.2 测试结果分析
• 3.3 隧道极限状态下变形规律
• 3.3.1 周边位移变化规律
• 3.3.2 拱顶沉降同步分析
• 3.3.3 地表实时跟踪测试位移规律分析
• 3.3.3.1 纵向水平位移对比分析
• 3.3.3.2 横向水平位移
• 3.3.3.3 地表沉降纵横向位移对比分析
• 3.3.4 隧道围岩内部位移规律
• 3.3.4.1 围岩位移时空影响分析
• 3.3.4.2 围岩位移径向变量分析
• 3.4 隧道结构内力分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 隧道开挖土体滑坡的形成规律数值分析
• 4.1 有限元模拟开挖具体方法
• 4.2 模型建立及参数确定
• 4.2.1 计算范围确定和离散法
• 4.2.2 材料参数
• 4.3 开挖步模拟及目的
• 4.4 初始重力场下位移和应力分析
• 4.5 右洞开挖过程模拟分析
• 4.5.1 各开挖步变化分析云图
• 4.5.2 相对于重力场变化分析
• 4.6 左洞开挖过程模拟分析
• 4.6.1 左洞各开挖变化分析
• 4.6.2 相对于右洞变化分析
• 4.7 临时支撑拆除模拟分析
• 4.7.1 拆除支撑后各变量分析
• 4.7.2 拆撑前后锚杆轴力变化分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 滑坡与隧道相互作用三维数值模拟
• 5.1 三维有限元数值模型
• 5.2 隧道施工过程数值模拟方案
• 5.3 隧道动态开挖对边坡围岩影响分析
• 5.3.1 边坡围岩应力应变宏观动态变化规律
• 5.3.1.1 边坡稳定性Z 向动态三角形分析法
• 5.3.1.2 XY 向位移场整体分析
• 5.3.1.3 边坡应力时态分析
• 5.3.2 研究面围岩应力应变微观动态分析
• 5.3.2.1 应力竖向时空效应
• 5.3.2.2 位移竖向时空效应
• 5.3.3 围岩塑性特性分析
• 5.4 隧道开挖对支护结构影响分析
• 5.4.1 临时支撑应力应变特性
• 5.4.2 初期支护动态影响
• 5.4.2.1 初衬应力应变规律
• 5.4.2.2 锚杆应力分析
• 5.5 小结
• 第六章 隧道边坡滑坡治理技术
• 6.1 滑坡治理常用技术及选择
• 6.1.1 常用技术措施
• 6.1.2 工程治理措施选择
• 6.2 抗滑桩设计理论
• 6.2.1 抗滑桩适用条件
• 6.2.2 抗滑桩位置确定
• 6.2.3 抗滑桩间距
• 6.3 抗滑桩计算方法
• 6.3.1 普通抗滑桩
• 6.3.2 预应力锚索抗滑桩
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 不足与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间论文发表及参与课题情况
• 致谢