基于监控量测与数值分析的隧道围岩稳定性判定方法研究

论文摘要

随着我国公路隧道建设逐渐向着“长、大、深、群”的方向发展,对围岩失稳破坏所致灾害的预测成为面临的最主要任务之一。但由于公路隧道工程的独有特性,现有的隧道围岩稳定性判断理论和方法尚不成熟,且没有专门适用于公路隧道稳定性判断的基准与方法。本文结合交通部科技项目“公路隧道松弛荷载预测理论与预警系统”,从围岩变形破坏预警和围岩分级两个角度出发,通过结合现场监控量测、数值模拟分析及数理统计分析的手段对两车道公路隧道围岩稳定性判断方法进行了研究。论文通过对大量两车道公路隧道实测监控量测数据与数值计算结果数据的统计分析,得出一套适用于公路隧道围岩稳定性评价的位移基准值;依据该套基准值建立适用于隧道施工现场的“围岩变形破坏预警管理系统”,并在今后大量实际工程的应用中不断完成自我完善;同时,再次充分利用实测监控量测数据和数值分析数据,经回归计算分析得出在不同围岩级别下,隧道围岩周边相对位移与埋深之间的概略数量关系式: y = axb±c;“基于监控量测的隧道围岩分级方法”是在对现行监控量测项目进行拓展的前提下,将BQ分级方法与监控量测技术、非确定性反分析技术有机结合,制定出能够在施工现场快速、准确的判断围岩级别的方法,并建立“公路隧道围岩分级系统”;最后,将两系统与“隧道监控量测数据管理系统”有机结合,汇总成功能更为强大的“隧道施工监控量测智能型信息管理与分析系统”,使得现场工程人员对隧道围岩稳定性的评价更为方便,这一点在白云隧道等实际工程的应用中得以验证。本文的主要创新点有:(1)结合公路隧道的特点,由现场实测和数值计算两种方法综合确定两车道公路隧道的位移基准,制定出一套正真适用于公路隧道的围岩稳定性判定标准。(2)通过对两车道公路隧道周边位移数值分析结果的统计分析,得出在不同围岩级别下,隧道围岩周边相对位移与埋深之间的概略数量关系。(3)首次将卡尔曼滤波非确定性反分析技术引入到隧道围岩分级,建立“基于现场监控量测与反分析的隧道围岩分级方法”。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外隧道围岩稳定性现状研究
• 1.1.1 公路隧道围岩稳定性理论研究现状
• 1.1.2 隧道围岩稳定性判定方法研究现状
• 1.2 问题的提出
• 1.2.1 公路隧道的特点
• 1.2.2 公路隧道围岩稳定性判定方法存在的问题
• 1.3 本文研究目的、内容及方法
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 研究方法、技术路线
• 第二章 隧道围岩变形稳定理论研究
• 2.1 隧道围岩变形收敛约束基本理论
• 2.1.1 收敛约束原理
• 2.1.2 收敛约束原理的应用
• 2.2 隧道围岩变形影响因素分析
• 2.2.1 地质环境因素
• 2.2.2 工程施工因素
• 2.2.3 时间因素
• 2.3 隧道围岩稳定性的位移判据
• 2.3.1 隧道围岩允许位移
• 2.3.2 隧道围岩极限位移
• 2.3.3 允许位移与极限位移的区别
• 2.4 隧道实测位移的处理和确定
• 2.5 本章小结
• 第三章 两车道公路隧道围岩允许相对位移的统计分析
• 3.1 统计方案确定
• 3.1.1 综合考虑隧道围岩变形各项影响因素
• 3.1.2 统计项目的确定
• 3.2 数据处理
• 3.2.1 数据处理方法
• 3.2.2 隧道周边位移的统计方法
• 3.3 两车道公路隧道围岩允许位移的统计分析
• 3.3.1 Ⅳ级围岩允许位移统计分析
• 3.3.2 Ⅳ级围岩允许相对位移结果评价
• 3.3.3 其它围岩级别允许位移统计分析结果
• 3.4 两车道公路隧道围岩允许位移统计结果汇总
• 3.5 塌方、开裂、异常断面数据的总结归纳
• 3.6 本章小结
• 第四章 两车道公路隧道围岩极限位移的统计分析
• 4.1 隧道工程数值模拟研究现状
• 4.1.1 隧道工程数值模拟的主要方法
• 4.1.2 隧道围岩变形临界值有限元数值模拟研究
• 4.2 隧道工程数值模拟理论及其影响因素
• 4.2.1 隧道工程的有限元法数值模拟理论
• 4.2.2 影响隧道工程数值模拟的主要因素
• 4.3 极限位移的确定方法
• 4.3.1 计算模拟方法及其在隧道极限位移中的应用
• 4.3.2 模拟计算模型的选择及其要点
• 4.3.3 模拟分析软件简介
• 4.4 极限位移计算模拟的范围和采用的数据
• 4.4.1 支护类别及设计参数
• 4.4.2 隧道埋深及原始地应力
• 4.4.3 围岩与支护的物理力学参数
• 4.4.4 围岩和初期支护的单元划分
• 4.5 两车道公路隧道极限位移的计算模拟结果
• 4.5.1 毛洞极限位移的计算模拟分析
• 4.5.2 初期支护极限位移的计算模拟分析
• 4.5.3 初期支护极限相对位移的统计分析
• 4.6 隧道支护体系极限位移值计算模拟结果分析
• 4.6.1 初期支护极限位移计算模拟结果汇总
• 4.6.2 “极限相对位移”的最终确定
• 4.7 本章小结
• 第五章 两车道公路隧道围岩变形破坏预警系统
• 5.1 两车道公路隧道围岩变形基准值的综合确定
• 5.1.1 位移基准值的综合确定
• 5.1.2 综合位移基准值与规范值的比较分析
• 5.2 预警管理系统的建立
• 5.2.1 预警方案的确定
• 5.2.2 预警管理基准线的确定
• 5.2.3 预警管理系统的程序实现
• 5.3 预警实例
• 5.3.1 工程概况
• 5.3.2 断面SK324+782 预警分析
• 5.3.3 断面XK324+808 预警分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于监控量测与数值分析的隧道围岩分级
• 6.1 隧道围岩变形数据统计规律研究
• 6.1.1 现场监控量测数据的统计规律
• 6.1.2 数值计算数据的统计规律
• 6.1.3 实例验证
• 6.2 基于监控量测与反分析的隧道围岩分级方法
• 6.2.1 分级背景
• 6.2.2 隧道工程现场监控量测项目的拓展
• 6.2.3 扩张卡尔曼滤波非确定性反分析基本原理
• 6.2.4 分级方法的原理及要点阐述
• 6.3 隧道施工量测管理与围岩稳定智能分析系统简介
• 6.4 工程应用
• 6.4.1 工程概况
• 6.4.2 YK49+320 断面围岩分级实例
• 6.4.3 典型量测断面分级对比分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 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