大川隧道施工数值模拟与稳定性研究

论文摘要

本文依托湖北省十堰市十两公路大川隧道设计与施工,结合当前国内外对隧道的研究特点以及拱隧道施工方法的现状,应用有限元软件ANSYS,对大川隧道的施工进行了数值模拟,分析研究了大川隧道的在不同围岩类别、不同施工方式、不同施工阶段隧道围岩的稳定性及和支护结构的内力、应变及位移特征和变化规律。论文首先利用有限元分析软件ANSYS,用平面4节点实体线性单元模拟围岩,用Beam3单元模拟喷混凝土,用杆单元模拟锚杆,用Beam3单元模拟二次衬砌,选取Drucker-Prager屈服准则模拟围岩,建立了大川隧道不同围岩,不同施工方式,不同施工阶段的平面（应变）有限元计算模型。同时,简单介绍并采用隧道开挖卸载的方法——“反转应力逐步释放法”,利用杀死和激活单元来模拟隧道开挖和支护过程。论文考虑岩体的自重应力,忽略其构造应力,模拟计算了不同围岩、不同施工方式、不同阶段条件下的隧道围岩应力和支护结构内力。结果表明:隧道拱脚处,有最大弯矩和剪力,隧道拱腰线下,有最大轴力。对三级围岩,若采用全断面开挖,设置仰拱与否对围岩应力影响不大,但是,设置仰拱可以降低二次衬砌拱脚处的弯矩,还可以降低拱顶处的拉应力;若采用台阶开挖,设置仰拱比不设置仰拱的围岩应力小。对四级和五级围岩,设置仰拱环形开挖比设置仰拱台阶开挖的围岩应力小而分布比较均匀;四级围岩若台阶开挖,设置仰拱与否围岩应力变化不大,但是,围岩设置仰拱可以降低二次衬砌拱脚处的内力;五级围岩台阶开挖,设置仰拱可以适当减小隧道围岩拱脚处压应力和等效应力,而且,设置仰拱可以降低二次衬砌拱脚处的弯矩和拱脚处的剪力。对大川隧道变形数值模拟表明:无论采用那种施工方式,一般在隧道（围岩、二次衬砌）拱顶处有较大位移。三级围岩台阶开挖或全断面开挖设置仰拱与否、四级围岩台阶开挖设置仰拱与否对位移影响不大,但是,设置仰拱可以减少二次衬砌的变形。对五级围岩设置仰拱台阶开挖的位移比不设仰拱台阶开挖的位移小,尤其是水平方向位移,而且,设置仰拱可以减少二次衬砌的变形。对四级围岩和五级围岩设置仰拱环形开挖比设置仰拱台阶开挖的位移要小。尽管运用数值计算求解岩土工程问题已经为成为工程设计和施工中稳定性分析的主要依据,但是由于地下有太多的未知数,要确保隧道施工和运营安全,必须加强施工中的信息反馈,并利用反馈的信息对隧道施工进行调整。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 隧道信息化施工概述
• 1.2 基于信息化施工的稳定性判据
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 项目研究的目的与意义
• 1.5 本文研究的主要研究内容
• 第2章 大川隧道工程概况
• 2.1 隧道概况
• 2.2 隧道技术标准
• 2.3 隧道工程地质条件
• 2.3.1 地形、地貌
• 2.3.2 隧道地质与围岩情况
• 2.4 隧道土建工程设计
• 2.4.1 衬砌断面设计
• 2.4.2 衬砌结构设计
• 2.4.3 辅助施工
• 2.4.4 建筑材料
• 2.4.5 洞门设计
• 2.4.6 防排水设计
• 2.4.7 路面及洞内装饰
• 2.5 隧道土建工程的施工
• 2.5.1 隧道施工原则
• 2.5.2 隧道洞门和明洞施工
• 2.5.3 洞身开挖施工
• 2.5.4 初期支护
• 2.5.5 超前支护
• 2.5.6 二次支护
• 2.5.7 施工监控量测
• 2.6 小结
• 第3章 隧道有限元计算模型的建立
• 3.1 有限元的理论基础
• 3.2 有限元的分析过程
• 3.3 弹塑性问题的增量有限元理论
• 3.4 大川隧道有限元计算模型
• 3.4.1 单元的选择
• 3.4.2 计算参数的选择
• 3.4.3 物理方程的选择
• 3.4.4 边界条件
• 3.4.5 初始地应力的模拟
• 3.4.6 开挖和支护过程的模拟
• 3.5 小结
• 第4章 隧道施工中的应力分析
• 4.1 隧道围岩受力分析
• 4.1.1 初始地应力
• 4.1.2 隧道开挖后应力分析
• 4.1.3 隧道支护后应力分析
• 4.2 大川隧道围岩应力的有限元计算
• 4.2.1 三级围岩应力计算
• 4.2.2 四级围岩应力计算
• 4.2.3 五级围岩应力计算
• 4.3 隧道二次衬砌受力分析
• 4.3.1 三级围岩二衬内力计算
• 4.3.2 四级围岩二衬内力计算
• 4.3.3 五级围岩二衬内力计算
• 4.4 围岩与二次衬砌受力计算结果分析
• 4.4.1 隧道开挖方式对围岩受力的影响
• 4.4.2 设置仰拱对围岩应力的影响
• 4.4.3 设置仰拱对二次衬砌受力的影响
• 4.5 小结
• 第5章 隧道施工中的位移分析
• 5.1 基于位移的稳定性判据
• 5.2 大川隧道围岩变形的有限元计算
• 5.2.1 三级围岩位移计算
• 5.2.2 四级围岩位移计算
• 5.2.3 五级围岩位移计算
• 5.3 隧道二次衬砌变形分析
• 5.3.1 三级围岩二衬的变形
• 5.3.2 四级围岩二衬的变形
• 5.3.3 五级围岩二衬的变形
• 5.4 围岩与二次衬砌变形的计算结果分析
• 5.4.1 隧道开挖方式对围岩变形的影响
• 5.4.2 设置仰拱对围岩变形的影响
• 5.4.3 设置仰拱对二次衬砌变形的影响
• 5.5 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 论文的不足及存在的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间参加科研与发表的论文