基于盾构下穿立交结构围岩整体稳定性的研究

论文摘要

本文以某市地铁2号线土建1标在K1+110-K1+700里程盾构下穿立交结构为工程背景,对盾构下穿立交结构围岩的整体稳定性进行研究。首先,总结研究区隧道围岩的变形破坏机制和影响围岩整体稳定性的地质因素,结合围岩分级结果,对研究区隧道围岩整体稳定性进行定性评价。结果表明：研究区围岩等级较低（Ⅰ类）,围岩整体稳定性易于受距离隧道开挖面较近桥基荷载的影响。其次,建立二维模型,对研究区具有代表意义的四个断面隧道开挖围岩整体稳定性进行分析。结果表明：在不含桥基的右线K268.628断面和桥基距离隧道开挖面较远的右线K278.228断面隧道开挖时,围岩变形、应力集中程度及塑性区分布面积较小,围岩整体稳定性较高；而在桥基距离隧道开挖面较近的左线K588.168断面和右线K715.129断面隧道开挖时,围岩变形、应力集中程度及塑性区分布面积较大,围岩整体稳定性较低,在施工过程中,建议采用型钢加固的方法来提高隧道围岩的整体稳定性。再次,建立三维模型,对研究区具有代表意义的右线K248.228-K308.228断面区间盾构动态掘进过程进行模拟。结果表明：盾构在该区域掘进过程中,围岩变形较小,无明显的应力集中现象,塑性区域面积较小,隧道围岩的整体稳定性较高。最后,考虑到土体材料非均质特征,对右线K268.628断面、右线K278.228断面、左线K588.168断面和右线K715.129断面隧道围岩渐进破坏过程及声发射规律进行研究,并计算出相应的安全系数。结果表明：右线K268.628断面和右线K278.228断面隧道围岩的安全系数较高,分别为2.08和2.0,而左线K588.168断面和右线K715.129断面隧道围岩的安全系数较低,仅为1.19和1.14,采取加固措施后,安全系数分别达到1.85和1.61。从围岩破坏过程中的声发射规律来看,其主要破坏形式为剪切破坏和拉破坏。目前,对于隧道围岩整体稳定性评价并没有统一的模式,本文采用工程地质法、有限单元法,并考虑到土体材料的非均质性特征,结合监控量测数据等多种途径,分别从定性、定量不同的角度对研究区盾构下穿立交结构围岩的整体稳定性进行了综合评价。评价结果表明：整个研究区隧道过程中,除在左线K588.168断面和右线K715.129断面建议采取加固措施外,围岩整体稳定性都基本满足安全施工要求。本文研究的方法及成果,能够对类似工程设计及施工有所指导和帮助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 隧道围岩稳定分析方法研究现状
• 1.2.1 工程地质法
• 1.2.2 有限单元法
• 1.2.3 监控量测法
• 1.3 桩基对隧道围岩稳定性影响的研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容、创新点及技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 创新点
• 1.4.3 技术路线
• 本章小结
• 第二章 研究区隧道围岩整体稳定性工程地质评价
• 2.1 工程概况
• 2.1.1 设计简介
• 2.1.2 工程地质
• 2.1.3 水文地质
• 2.2 影响隧道围岩整体稳定性的地质因素
• 2.2.1 土体强度
• 2.2.2 初始应力
• 2.2.3 地下水作用
• 2.3 隧道围岩主要变形破坏机制
• 2.3.1 开挖面应力释放
• 2.3.2 桥梁桩基荷载
• 2.3.3 隧道施工工艺
• 2.4 研究区隧道围岩等级划分
• 2.4.1 规范法
• 2.4.2 判定卡法
• 本章小结
• 第三章 不同断面隧道开挖围岩整体稳定性分析
• 3.1 隧道开挖有限元模拟理论分析
• 3.1.1 隧道开挖模拟基本理论
• 3.1.2 土体非线性本构模型
• 3.1.3 反映施工质量的等代层模型
• 3.1.4 桩土接触的实现
• 3.1.5 初始地应力平衡方法
• 3.2 有限元模型的建立
• 3.2.1 工况分析及断面选取
• 3.2.2 单元类型及网格划分
• 3.2.3 边界条件
• 3.2.4 计算假设
• 3.2.5 计算步骤
• 3.3 计算结果分析
• 3.3.1 围岩变形分析
• 3.3.2 围岩应力变化分析
• 3.3.3 围岩塑性区变化分析
• 3.4 提高不利断面隧道开挖围岩整体稳定性的加固措施
• 3.4.1 加固方案Ⅰ
• 3.4.2 加固方案Ⅱ
• 3.5 采用加固方案Ⅰ—隧道开挖围岩整体稳定性对比分析
• 3.5.1 围岩变形对比
• 3.5.2 围岩应力变化对比
• 3.5.3 围岩塑性区变化对比
• 3.6 采用加固方案Ⅱ—隧道开挖围岩整体稳定性对比分析
• 3.6.1 围岩变形对比
• 3.6.2 围岩应力变化对比
• 3.6.3 围岩塑性区变化对比
• 3.7 计算结果与实测数据对比分析
• 3.7.1 地表沉降计算结果与实测数据对比
• 3.7.2 围岩收敛计算结果与实测数据对比
• 3.7.3 拱顶位移计算结果与实测数据对比
• 本章小结
• 第四章 盾构掘进过程中围岩整体稳定性分析
• 4.1 盾构掘进过程的三维非线性有限元模拟理论分析
• 4.1.1 三维模拟实现基本理论分析
• 4.1.2 模拟方法及步骤
• 4.2 有限元模型的建立
• 4.2.1 计算区域选取
• 4.2.2 单元类型及网格划分
• 4.2.3 边界条件
• 4.2.4 荷载模拟
• 4.3 计算结果分析
• 4.3.1 围岩变形分析
• 4.3.2 围岩应力变化分析
• 4.3.3 围岩塑性应变分析
• 4.4 二维、三维计算结果及实测数据对比分析
• 本章小结
• 第五章 隧道围岩渐进破坏过程及安全稳定性分析
• 5.1 隧道围岩渐进破坏过程数值模拟分析
• 5.1.1 土体细观单元的本构关系
• 5.1.2 隧道围岩破坏时的声发射
• 5.1.3 隧道围岩失稳判据
• 5.1.4 安全系数定义及计算
• 5.2 计算模型的建立
• 5.2.1 模型最小单元引入——基元
• 5.2.2 基元三种形态
• 5.2.3 基元的相变
• 5.2.4 基元赋值
• 5.2.5 网格剖分
• 5.2.6 模型参数选取
• 5.3 计算结果分析
• 5.3.1 右线K268.628断面
• 5.3.2 右线K278.228断面
• 5.3.3 左线K588.168断面
• 5.3.4 右线K715.129断面
• 5.4 采取加固措施后不利断面计算结果分析
• 5.4.1 右线K278.228断面
• 5.4.2 左线K588.168断面
• 5.4.3 右线K715.129断面
• 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文