连拱隧道围岩变形规律研究

论文摘要

近年来我国高速公路处于快速发展时期。在我国中西部山岭地区由于受地形和地质条件限制,许多越山公路选用了连拱隧道。连拱隧道由于跨度较大、结构复杂,其稳定性是目前研究的热点问题,尤其是围岩变形规律及允许变形值等问题亟待解决。本文采用室内相似材料模拟实验、现场监测与综合分析、有限元分析及数值拟合分析等方法,研究连拱隧道由于开挖影响而引起的围岩水平位移和拱顶沉降等变形规律,建立了围岩变形的预测模型,推导出围岩水平位移和拱顶沉降等预测公式,并将其应用到类似条件的连拱隧道的工程设计、施工、安全管理及变形监测等工作中,直接指导连拱隧道工程建设。通过对连拱隧道变形监测数据的综合分析、实验研究和有限元理论分析,得到围岩位移变化的基本规律:在隧道宽度一定的条件下,围岩类型是引起位移值变化的主要因素,Ⅱ类围岩比Ⅲ类围岩引起的位移量大;施工方法不同,围岩位移的大小和分布不同,中导洞法施工引起的位移量最小,三导洞法引起的位移量较大;施工过程引起的最大径向位移发生在拱顶部分,其次为腰部和边墙,中墙处位移最小,所以在实际施工中应加强拱顶位移的监测与控制。在对连拱隧道大量监测数据及室内实验数据进行数值分析和统计分析的基础上,结合有限元理论的动态位移分析方法,分析得到连拱隧道Ⅱ类、Ⅲ类围岩条件下拱顶沉降和水平位移的允许变形值;并且,对类似条件连拱隧道施工过程的围岩位移进行了预测,结果令人满意。采用相似材料模拟实验方法成功地模拟了三导洞、双导洞和中导洞拓展法施工引起的Ⅱ类、Ⅲ类围岩位移变化情况,对位移的大小和分布规律进行比较分析后得到:中导洞拓展法施工引起的围岩位移小且施工方法简单,该施工方法是一种值得推荐的新方法。这样,为目前我国在Ⅱ类围岩中修建连拱隧道采用的方法增加了比选方案。通过有限元数值分析研究和变形监测得到:连拱隧道在整个施工过程中,出现4个较大变形量的集中区域,即边墙底部变形区、中墙底部变形区、中墙顶部变形区及左右两洞的边墙部位变形区。这4个集中变形区的围岩变形对整个隧道的稳定有着重大影响,必须加强监测并采取控制措施限制其变形量。设计并开发了连拱隧道变形监测数据处理与变形预测软件(BTDMCS),并已应用于实际工程,对施工过程进行实时动态数据处理与变形预测,能够为连拱隧道安全施工提供科学的辅助决策依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的研究背景及意义
• 1.2 连拱隧道围岩变形国内外研究现状
• 1.2.1 连拱隧道变形相似材料模拟实验及围岩稳定性研究
• 1.2.2 连拱隧道变形施工过程数值分析
• 1.2.3 连拱隧道变形现场监测
• 1.2.4 国内外隧道施工围岩位移控制标准研究
• 1.3 论文研究内容
• 1.3.1 连拱隧道围岩变形相似材料模拟实验及位移变化规律研究
• 1.3.2 连拱隧道围岩位移监测及数值处理分析研究
• 1.3.3 连拱隧道施工过程引起的围岩位移动态有限元数值分析
• 1.3.4 连拱隧道围岩变形预测
• 1.4 论文研究方法
• 1.4.1 室内相似材料模拟实验
• 1.4.2 现场监测及数据处理分析
• 1.4.3 有限元及数值拟合分析
• 第2章 连拱隧道变形相似材料模拟实验研究
• 2.1 小金口连拱隧道工程概况
• 2.1.1 地质特征及围岩性质
• 2.1.2 设计背景概况
• 2.2 实验相似关系
• 2.2.1 相似定理
• 2.2.2 相似关系确定
• 2.2.3 相似材料
• 2.3 连拱隧道变形相似材料模拟实验
• 2.3.1 实验装置
• 2.3.2 实验步骤
• 2.3.3 实验测量系统
• 2.3.4 实验过程
• 2.3.5 实验系列
• 2.4 实验结果与分析
• 2.4.1 洞室周边径向位移分析
• 2.4.2 Ⅱ、Ⅲ类围岩拱顶沉降分析
• 2.4.3 Ⅱ、Ⅲ类围岩水平位移分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 连拱隧道围岩变形监测及数据处理分析
• 3.1 现场变形监测的意义
• 3.2 变形监测的内容、方法与测控布置
• 3.2.1 变形监测内容
• 3.2.2 变形监测断面和测点的布控及监测方法
• 3.2.3 变形监测实验段的选择与测量方案
• 3.3 现场变形监测数据的采集与处理分析
• 3.3.1 现场变形监测数据的采集
• 3.3.2 现场变形监测数据的处理分析
• 3.3.3 隧道围岩位移—时间关系的数值拟合分析方法
• 3.4 小金口连拱隧道围岩位移及规律研究
• 3.4.1 小金口连拱隧道围岩拱顶沉降分析
• 3.4.2 小金口连拱隧道围岩水平位移分析
• 3.4.3 围岩内径向位移分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 连拱隧道施工过程围岩位移有限元数值分析
• 4.1 隧道开挖过程有限元数值分析基本理论和方法
• 4.1.1 反转应力释放法和地应力自动释放法
• 4.1.2 施加虚拟支撑力逐步释放法
• 4.1.3 有限元法数值计算的基本过程
• 4.2 三导洞法开挖过程动态位移数值分析
• 4.2.1 位移场分析
• 4.2.2 围岩拱顶沉降及水平位移分析
• 4.3 中导洞法施工过程动态位移数值分析
• 4.3.1 数值模拟网格的划分
• 4.3.2 位移场分析
• 4.4 隧道围岩变形区有限元数值分析
• 4.4.1 变形区有限元数值分析理论简介
• 4.4.2 隧道周边围岩变形区分布
• 4.5 本章小结
• 第5章 围岩变形预测方法
• 5.1 隧道围岩变形计算的一些基本理论
• 5.1.1 围岩位移计算方法
• 5.1.2 围岩变形范围的确定方法
• 5.2 连拱隧道围岩变形的预测方法
• 5.2.1 连拱隧道拱顶沉降的预测方法
• 5.2.2 连拱隧道水平位移的预测方法
• 5.3 连拱隧道围岩位移预测实例和精度分析
• 5.3.1 邵怀高速公路和宜水高速公路连拱隧道围岩位移预测和验证
• 5.3.2 部分其它隧道实际验证
• 5.3.3 预测精度分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果