深埋超大规模地下铁路车站结构方案及关键支护参数优化研究

论文摘要

本文以新建京张城际铁路八达岭地下车站为依托,对超大断面复杂结构体系地下车站的四个结构方案,即三连拱结构方案、三洞侧式站台结构方案、两洞侧式站台结构方案和单拱超大跨结构方案,及其关键支护参数的优化进行了系统的研究。首先,基于岩体结构调查、地应力水压致裂法原位测试、钻孔抽水试验和岩石力学性质实验室试验,查清了岩体的工程地质特征,并确定了车站围岩分级：(1)主要岩体中的优势结构面与车站轴线大角度相交,该组结构面倾角很陡,近乎垂直,开挖过程中对围岩的稳定性较为有利；(2)岩石的弹性模量E为53.73GPa,内摩擦角φ为58.5。,粘聚力c为12.83MPa,泊松比v为0.29；(3)岩体中的初始应力以水平构造应力为主,最大水平主应力与垂直应力的比值为1.44～2.16；最大水平主应力方向为NE31。,与车站轴线小角度相交；(4)岩体中裂隙水的渗透系数为0.014m/d,单位涌水量为0.0809m3/d.·m；(5)车站顶拱及以上10余米高度范围和仰拱部位的二长花岗岩为Ⅲ级围岩,车站被开挖部分和仰拱以下的二长花岗岩为Ⅳ级围岩；正长岩脉为Ⅳ级围岩。第二,基于围岩分级和Z.T.Bieniawski公式确定了数值分析计算参数。第三,基于大型非线性有限元软件ABAQUS,对四个车站结构方案施工过程中的围岩与支护结构应力和变形进行了系统深入的分析与研究。第四,基于车站围岩的岩体结构特征和数值计算结果,确定了优化车站结构的关键支护参数,即锚杆长度为4m,初支喷射混凝土厚度为30cm。最后,在车站结构体系施工力学行为研究的基础上,结合参数和非参数的Spearman优化分析,确定了车站的最优结构方案,即三洞侧式站台结构方案：(1)三洞的开挖面积分别为：两边洞上台阶130.570 m2,两边洞中台阶111.594 m2,两边洞下台阶86.580m2,中洞上台阶63.764 m2,中洞下台阶74.803m2；(2)三洞的开挖高度分别为：两边洞上台阶9.279m,两边洞中台阶6.323m,两边洞下台阶5.687m,中洞上台阶6.205m,中洞下台阶5.875m；(3)三个洞的净距,即中间岩柱的宽度为10.2m。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.1.1 课题背景与研究意义
• 1.1.2 国内外类似工程概况
• 1.2 国内外相关研究现状综述
• 1.2.1 岩石（体）类工程材料本构模型研究
• 1.2.2 现场原位试验方面的研究
• 1.2.3 模型试验研究进展
• 1.2.4 数值仿真研究进展
• 1.3 论文的研究内容
• 1.3.1 现场原位地应力测试
• 1.3.2 现场原位抽水试验
• 1.3.3 岩石物理力学试验
• 1.3.4 超大规模复杂地下结构体系围岩稳定性及失稳机理
• 1.3.5 地下车站方案优化及施工力学行为三维数值模拟
• 1.4 研究方法和技术路线
• 1.4.1 主要研究方法
• 1.4.2 研究技术路线
• 参考文献
• 第2章 地下车站设计方案
• 2.1 工程概况
• 2.2 地下车站设计方案
• 2.3 车站设计参数
• 第3章 工程地质特征及围岩分级研究
• 3.1 区域地质背景
• 3.1.1 地层岩性
• 3.1.2 水文地质特征
• 3.1.3 现场物探
• 3.1.4 现场钻探
• 3.2 岩体结构特征研究
• 3.2.1 岩体结构特征的地表调查
• 3.2.2 地质钻孔调查
• 3.2.3 主要结构面的特征形态及与车站开挖轮廓几何关系
• 3.3 岩石物理力学性质试验研究
• 3.3.1 岩石密度试验
• 3.3.2 岩石单轴压缩及变形试验
• 3.3.3 岩石劈裂试验
• 3.3.4 岩石三轴压缩及变形试验
• 3.3.5 岩石三轴试验破坏特征分析
• 3.3.6 岩石物理参数与围压的关系
• 3.4 岩体初始应力的水压至裂法现场测量研究
• 3.4.1 水压致裂地应力测最原理
• 3.4.2 测量设备
• 3.4.2.1 测量系统特点
• 3.4.2.2 技术性能
• 3.4.3 水压致裂法的现场测试程序
• 3.4.4 印模定向试验方法
• 3.4.5 水压致裂地应力测试结果
• 3.4.5.1 钻孔地应力测试结果
• 3.4.5.2 印模测试结果
• 3.4.6 地应力测量钻孔的测试结果分析
• 3.4.7 工程区测量结果综合分析
• 3.4.7.1 工程区实测地应力值的大小
• 3.4.7.2 工程区地应力场分布的一般规律
• 3.4.7.3 工程区地应力场与地质构造的关系
• 3.5 地下水抽水试验研究
• 3.5.1 抽水试验
• 3.5.2 抽水试验任务
• 3.5.3 抽水试验要求
• 3.5.4 抽水试验设计与参数计算
• 3.6 围岩分级研究
• 3.6.1 岩石RQD指标值
• 3.6.2 围岩RMR值
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第4章 隧道围岩应力和变形计算理论
• 4.1 引言
• 4.2 隧道施工过程的力学特性
• 4.2.1 基本假定
• 4.2.2 弹塑性本构关系
• 4.2.3 岩体塑性屈服准则
• 4.3 基于简化假定的隧道开挖影响范围的弹性力学解
• 4.4 隧道围岩稳定性判据
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第5章 地下车站开挖方案优化与三维数值仿真研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算采用本构模型
• 5.3 计算基本假定
• 5.3.1 连续、均质、各向同性
• 5.3.2 锚杆和初衬在开挖后立即安置
• 5.4 非参数的优化分析概念
• 5.4.1 拉丁超立方优化基本原理
• 5.4.2 Spearman秩相关系数灵敏度分析方法
• 5.5 计算模型的建立
• 5.5.1 地下车站特点
• 5.5.2 初始地应力场平衡的二次开发实现
• 5.5.3 计算参数及边界条件
• 5.5.4 支护参数的优化比选
• 5.5.5 采用的开挖支护方法
• 5.6 三维数值计算结果与分析
• 5.6.1 位移分析
• 5.6.2 应力分析
• 5.6.3 塑性区分析
• 5.6.4 支护分析
• 5.6.4.1 锚杆轴力
• 5.6.4.2 初衬应力
• 5.6.4.3 二衬应力
• 5.7 开挖方案非参数优化分析
• 5.8 本章小结
• 参考文献
• 第6章 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 今后研究工作
• 攻读博士学位期间参与的科研项目于论文发表情况
• 参与科研项目情况
• 论文发表情况
• 学位论文数据集