偏压作用下双连拱隧道围岩和支护结构的力学行为

论文摘要

随着我国公路建设的高速发展,连拱隧道作为一种新的隧道结构形式越来越广泛的被采用。由于结构断面的复杂形状,连拱隧道围岩—支护系统在施工过程中的受力状态比单洞隧道更加复杂,目前,连拱隧道在施工过程中围岩和支护结构的力学行为研究已经成为工程界相当关注的课题。在实际工程中,复杂的地形条件和施工顺序造成的连拱隧道偏压状况普遍存在,目前关于连拱隧道施工过程中偏压对围岩与支护结构力学行为影响的研究工作既不系统也不深入。本文以某实际连拱隧道工程为背景,采用有限元方法模拟连拱隧道施工过程,重点分析偏压对连拱隧道围岩和支护结构在典型施工阶段力学行为的影响。首先介绍了新奥法原理以及连拱隧道的主要施工方法,深入讨论了模拟隧道开挖的有限元原理,指出了输出结果的意义,详细描述了初应力法模拟隧道开挖的步骤。然后运用有限元软件ANSYS对位于傍山部位的连拱隧道施工过程进行平面弹塑性分析,研究地形和施工顺序对围岩、中墙和支护结构力学行为的影响规律。也对连拱隧道施工过程进行了空间弹性分析,重点研究隧道结构在偏压作用下的空间效应。最后,对偏压作用下双连拱隧道围岩和支护结构的力学行为进行总结,得到若干有益的结论,为连拱隧道的设计和施工提供参考,并提出今后值得深入研究的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的意义
• 1.2 国内外连拱隧道的研究和应用现状
• 1.3 国内已建成连拱隧道存在的主要问题
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 新奥法理论及隧道施工方法简介
• 2.1 新奥法理论简介
• 2.1.1 新奥法基本原理
• 2.1.2 新奥法在国内外的发展
• 2.1.3 新奥法的优点、实施中存在的问题及解决方法
• 2.2 连拱隧道主要施工方案及优缺点
• 2.2.1 主要施工方案
• 2.2.2 各施工方案的优缺点
• 2.3 隧道结构的主要数值计算方法及优缺点
• 2.4 本章小节
• 第3章 初应力法模拟隧道开挖过程的有限元原理及列式
• 3.1 隧道开挖问题的力学描述
• 3.1.1 岩体的初始应力场
• 3.1.2 问题的提法
• 3.1.3 基本力学模型
• 3.1.4 一个基本概念
• 3.2 线性假设下隧道开挖的有限元模拟
• 3.2.1 隧道开挖过程有限元模拟方法
• 3.2.2 模拟开挖过程的有限元列式
• 3.3 ANSYS 中隧道开挖模拟的步骤
• 3.4 算例分析验证
• 3.5 围岩的弹塑性材料模型
• 3.5.1 常用的岩体屈服准则
• 3.5.2 等效Mohr-Coulomb 屈服准则在ANSYS 上的实现
• 3.6 本章小节
• 第4章 偏压作用下连拱隧道开挖平面弹塑性分析
• 4.1 工程概况
• 4.2 施工方法和施工顺序
• 4.3 连拱隧道偏压的主要原因
• 4.4 连拱隧道平面有限元模型
• 4.4.1 锚杆加固的简化
• 4.4.2 连拱隧道有限元模型1
• 4.4.3 连拱隧道有限元模型2
• 4.5 水平地表下傍山边坡围岩偏压分析
• 4.5.1 围岩应力场分析
• 4.5.2 围岩位移场分析
• 4.5.3 围岩塑性区分布
• 4.5.4 线弹性和弹塑性平面模型对比
• 4.6 倾斜地表下围岩的偏压分析
• 4.6.1 围岩应力场分析
• 4.6.2 围岩位移场分析
• 4.6.3 施工过程地表位移特征
• 4.6.4 倾斜地表地形引起的偏压讨论
• 4.7 偏压作用下连拱隧道中墙力学行为分析
• 4.7.1 整体式直中墙施工荷载偏压分析
• 4.7.2 倾斜地表下偏压连拱隧道整体式直中墙分析
• 4.8 偏压作用下连拱隧道支护结构力学行为分析
• 4.8.1 支护结构第一主应力分析
• 4.8.2 支护结构位移变化分析
• 4.9 本章小节
• 第5章 偏压作用下连拱隧道开挖空间弹性分析及量测基准讨论
• 5.1 工程概况
• 5.2 施工方法和施工顺序
• 5.3 连拱隧道空间有限元模型
• 5.4 隧道开挖过程空间效应数值计算分析
• 5.4.1 左右洞间的相互影响分析
• 5.4.2 中墙的空间力学行为分析
• 5.5 监控量测基准讨论
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表和即将发表的学术论文