小净距公路隧道施工中围岩地应力分析研究

论文摘要

中国地域辽阔,地形复杂,高等级公路建设中大量遇到隧道工程。山岭隧道常常因为地形限制,隧道间距一般都难以满足普通技术规范要求而采用小净距隧道及连拱隧道等特殊结构型式。本文以瑞（金）赣（州）高速公路九岭隧道的施工建设为依托,采用有限元数值分析和现场监测相结合的方法针对九岭小净距隧道施工过程中围岩应力的变化进行了下面几个方面的研究:（1）本文分析了隧道围岩应力的分析方法,包括了岩土的初始应力、开挖后的二次应力、支护后的三次应力以及偏压状态下围岩应力的分析。（2）本文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,采用“反转应力逐步释放法”,利用杀死和激活单元来模拟九岭隧道不同围岩,不同施工方式,不同施工阶段的开挖和支护过程。（3）对九岭隧道深埋情况下Ⅲ级围岩全断面开挖和Ⅳ级围岩台阶开挖两种情况进行模拟;对九岭隧道出洞口Ⅴ级围岩浅埋偏压条件下的YK195断面不同开挖方式进行了模拟。模拟了浅埋偏压条件下单洞采用CRD法开挖时四种不同工序和小净距隧道两种不同开挖方案,并对之比选,采用关键点监测的方法找到偏压小净距隧道开挖过程中应力场的变化规律;对实测数据和数值模拟结果的对比分析。（4）简明阐述了新奥法施工的概念和隧道监测监控的方法和手段。结合九岭隧道监测监控项目,对九岭隧道Ⅳ级和Ⅴ级围岩中的两个断面的实际监测数据进行分析,并通过建立有限元模型求解出数值解,通过数值解和实测数据的对比分析,得到钢弦式传感器可以应用于隧道围岩应力变化的测量,对实际施工具有指导意义的结论。通过以上几个方面的研究,可以得到:（1）拱脚、拱项和中间岩柱是施工中应该给予重点关注的部位;（2）后行隧道开挖过程中,会对先行隧道洞周应力产生影响,影响的程度和围岩的级别以及开挖方式等因素有关,围岩岩质越好、开挖扰动越小,对先行隧道的应力影响越小。（3）偏压小净距隧道开挖时不同工序对围岩应力分布存在影响,左洞及右洞的应力场相互重叠,产生了复杂的应力重分布,由于偏压的存在,隧道围岩最终应力场并不对称,深埋侧隧道附近围岩的应力略大于浅埋侧隧道围岩,就开挖工序上说,宜采用先开挖隧道埋深小的一侧较为有利。（4）采用台阶开挖时,在开挖下台阶并进行支护的前后,围岩的应力发生了较大的变化,当下台阶逐渐远离监测断面,围岩的应力逐渐趋于平稳。（5）二次支护施作后,因为二次衬砌阻碍了围岩和初次衬砌的变形,围岩的应力也发生较大的变化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 小净距隧道的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 小净距隧道建设方面
• 1.2.2 围岩应力分析方面
• 1.3 论文依托隧道工程概况
• 1.3.1 工程概况
• 1.3.2 工程地质与水文地质
• 1.3.3 隧道支护系统设计概括
• 1.4 主要研究内容与技术路线
• 第2章 隧道围岩地应力基本理论
• 2.1 概述
• 2.2 围岩压力
• 2.2.1 岩体初始应力状态
• 2.2.2 围岩压力与分类
• 2.3 隧道开挖后围岩应力分析
• 2.3.1 隧道开挖后的弹性二次应力解
• 2.3.2 隧道开挖后的塑性二次应力解
• 2.3.3 隧道开挖后的粘弹性二次应力解
• 2.4 围岩支护后的应力分析
• 2.5 浅埋偏压小净距隧道围岩压力理论
• 2.5.1 规范法
• 2.5.2 王立忠方法
• 2.5.3 肖明清方法
• 2.6 本章小结
• 第3章 隧道有限元计算模型
• 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 九岭隧道有限元计算模型
• 3.4.1 基本假设
• 3.4.2 单元的选择
• 3.4.3 有限元计算模型参数
• 3.4.4 计算模型本构关系
• 3.4.5 边界条件的选择
• 3.4.6 初始地应力的模拟
• 3.4.7 开挖和支护过程的模拟
• 3.5 本章小结
• 第4章 隧道施工数值模拟分析
• 4.1 Ⅲ级围岩施工方式模拟
• 4.1.1 计算模型和工况的确定
• 4.1.2 开挖过程应力分析
• 4.1.3 开挖过程位移分析
• 4.2 Ⅳ级围岩施工方式模拟
• 4.2.1 计算模型和工况的确定
• 4.2.2 开挖过程应力分析
• 4.2.3 开挖过程位移分析
• 4.3 Ⅴ级围岩浅埋偏压开挖过程模拟
• 4.3.1 计算模型和工况的确定
• 4.3.2 单洞CRD法不同开挖工序下隧道围岩受力分析
• 4.3.3 单洞CRD法不同开挖工序下隧道围岩变形分析
• 4.3.4 支护受力分析
• 4.4 浅埋偏压双洞开挖不同工序时地应力分析
• 4.4.1 模型的建立
• 4.4.2 应力分析
• 4.4.3 位移分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 新奥法施工中隧道围岩应力监测分析
• 5.1 新奥法的原理与支护设计
• 5.1.1 新奥法的基本原理
• 5.1.2 新奥法的发展过程
• 5.1.3 隧道工程新奥法支护的一般原理
• 5.2 监控量测机理
• 5.2.1 量测目的及意义
• 5.2.2 量测项目
• 5.2.3 量测数据分析原理
• 5.3 九岭隧道监测方案
• 5.3.1 九岭隧道监测项目
• 5.3.2 围岩应力监测方案
• 5.4 监测结果及分析
• 5.4.1 Ⅳ级围岩应力分析
• 5.4.2 Ⅴ级围岩应力变化分析
• 5.4.3 浅埋偏压Ⅴ级围岩应力变化分析
• 5.5 本章小结
• 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
• 攻读硕士学位期间发表的论文