特大断面浅埋偏压隧道CRD工法施工力学研究

论文摘要

目前,在我国所有公路隧道中断面面积在150m2以上的特大扁平断面隧道还相当少见。由于断面超大,扁平率增加,围岩形成塌落拱所需的埋深增大,隧道对偏压问题逐渐敏感,所以对传统的施工力学理论提出了更高层次的要求。本论文以国内罕见的大跨度超大断面隧道——福泉高速扩建工程前鸥隧道为工程背景,结合现场试验和静力有限元分析等研究方法,对特大断面隧道在浅埋偏压段采用CRD工法开挖时,围岩、衬砌、临时支撑和锚杆的施工力学问题进行深入研究,得到的主要研究成果与结论如下:1、通过对大断面隧道施工力学理论发展历程的概括,系统地总结了大断面隧道在浅埋问题、偏压问题和施工工法问题上的研究现状,并提出了目前尚待研究的特大断面浅埋偏压隧道CRD工法施工力学问题。2、通过对平面应力状态下椭圆形洞室周边应力分布理论解的研究,得出了前鸥隧道采用变异CRD工法施工时,实际导坑形状与围岩原始应力状态下的最优形状之间的偏离程度的度量方法。3、通过制定合理的试验方案,对特大断面隧道——前鸥隧道进行现场试验,取得了试验研究的初步材料。在数据处理问题上引入了小波理论和速率上限截断方法。对试验成果的研究,得到了围岩位移变形的一般规律。4、根据前鸥隧道的实际情况建立了三维数值计算模型,验证了数值模型的适用性,模拟了隧道开挖过程,并总结了围岩、衬砌、临时支撑和锚杆的力学响应和位移变形规律。5、对特大断面隧道的浅埋问题进行专题研究,建立了浅埋问题的研究方法,并提出了等效半径的概念作为度量浅埋性质的指标。6、对特大断面隧道的偏压问题进行专题研究,建立了偏压问题的研究方法。7、对特大断面隧道的变形时变规律进行了专题研究,提出了计算桩号的概念,建立了隧道变形规律的数学模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题意义及背景
• 1.1.1 课题意义
• 1.1.2 课题背景
• 1.2 国内外特大断面公路隧道浅埋偏压段CRD 工法施工力学研究现状
• 1.2.1 国内特大断面公路隧道施工力学研究现状概述
• 1.2.2 国内特大断面公路隧道浅埋和偏压问题研究现状
• 1.2.3 国内特大断面公路隧道CRD 工法研究现状
• 1.2.4 国外关于特大断面公路隧道浅埋偏压段CRD 工法施工力学问题的研究现状
• 1.2.5 特大断面公路隧道浅埋偏压段CRD 工法施工力学研究现状
• 1.3 课题研究的主要内容及技术路线
• 1.3.1 研究的主要内容
• 1.3.2 技术路线
• 1.4 创新点与难点
• 1.4.1 创新点
• 1.4.2 本文的难点及解决的途径
• 第2章 特大断面隧道施工力学理论研究
• 2.1 新奥法的施工理念
• 2.2 特大断面隧道开挖的计算模型
• 2.2.1 特大断面隧道的施工力学特性
• 2.2.2 特大断面隧道近似计算模型
• 2.2.3 前鸥隧道的近似计算模型
• 2.3 隧道工程数值计算的有限元方法
• 2.3.1 有限元的基本思想
• 2.3.2 有限元法基本方程的建立
• 2.3.3 有限元的分析过程
• 2.4 本章小结
• 第3章 特大断面隧道浅埋偏压段试验研究
• 3.1 试验研究的目的
• 3.2 试验方案
• 3.2.1 试验所依托的工程及其概况
• 3.2.2 地表下沉试验
• 3.2.3 隧道收敛试验
• 3.2.4 拱顶沉降试验
• 3.3 数据处理与分析
• 3.3.1 小波去噪理论
• 3.3.2 数据处理与数据分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 特大断面隧道浅埋偏压段 CRD 工法数值模拟
• 4.1 建模方案
• 4.1.1 基本情况介绍
• 4.1.2 模型基本参数
• 4.1.3 ANSYS 建模
• 4.2 CRD 工法的开挖方案
• 4.2.1 重力场下围岩的初始应力应变状态的模拟
• 4.2.2 施工过程的模拟
• 4.3 数值模型与现场试验对比分析
• 4.3.1 位移总体分析
• 4.3.2 ZK357+140 断面下沉分析
• 4.3.3 对比分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 特大断面浅埋偏压隧道 CRD 工法的力学响应
• 5.1 重力场下应力与变形
• 5.2 围岩的力学响应与变形规律
• 5.2.1 围岩应力分析
• 5.2.2 围岩位移分析
• 5.3 初期支护的力学响应与变形规律
• 5.3.1 初期支护的应力分析
• 5.3.2 初期支护的位移分析
• 5.4 临时支撑的力学响应与变形规律
• 5.4.1 临时支撑的应力分析
• 5.4.2 临时支撑的变形分析
• 5.5 锚杆的力学响应
• 5.6 本章小结
• 第6章 特大断面的几个重要问题
• 6.1 特大断面隧道浅埋问题的专门研究
• 6.1.1 隧道开挖应力影响半径
• 6.1.2 隧道开挖对浅埋段地表下沉的影响研究
• 6.2 特大断面隧道偏压问题的专门研究
• 6.3 特大断面隧道时变规律的专门研究
• 6.3.1 CRD 工法下特大断面隧道变形曲线的特征
• 6.3.2 CRD 工法下特大断面隧道变形的时变规律
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文主要成果与结论
• 7.2 本文的不足与展望
• 附件
• 附件1. 小波去噪的MATLAB程序源代码
• 附件2. 隧道变形统一方程拟合程序
• 致谢
• 硕士期间发表的主要论文及成果
• 参考文献