小净距隧道的施工监控量测和围岩稳定性的数值模拟研究

论文摘要

本文以九岭小净距隧道施工进行的监控量测设计及实施为基础,获取施工过程中的现场量测信息;根据这些量测信息,依照各种经验或理论建立的准则进行围岩动态和隧道围岩—支护体系的稳定性判断,确认(调整)合理的支护时机和支护参数。本文依托九岭隧道的设计及施工,建立小净距隧道的平面计算模型,对小净距隧道进行开挖支护数值模拟计算,并着重对其位移场、应力场、喷射混凝土初期支护、锚杆轴力进行数值分析;利用三维有限元模型模拟现场所量测隧道随施工步的围岩应力、支护受力和拱顶沉降的变化特征。本文主要进行了以下工作:(1)简述了九岭小净距隧道的工程概况。(2)介绍了目前小净距隧道施工中常使用的施工方法:新奥法,并对新奥法基本原理以及新奥法的一般原理着重进行了阐述,然后针对不同的围岩环境提出了相应的初期支护顺序,最后从促使围岩成为承载结构的角度来分析锚杆的、喷射混凝土的协调作用。(3)根据依托工程的现场量测信息,通过初期支护阶段各项物理量的量测值与允许值的比较结果来对九岭小净距隧道围岩—支护系统的稳定性进行分析和判断,结果表明:隧道围岩是稳定的,支护、衬砌效果是可靠的。(4)通过对小净距隧道进行开挖支护数值模拟计算,并着重对其位移场、应力场、喷射混凝土初期支护、锚杆轴力进行数值分析,分析结果表明:该工程在施工时,变形主要集中在拱顶与仰拱底部,应力变化最明显在拱顶、拱腰和拱脚处,故应根据开挖的情况对其进行监测工作,初期支护时,喷射混凝土的最大弯矩值以及支护锚杆的最大轴力值都出现在隧道拱脚处,因而在初期支护完成后,仰拱及二次衬砌要紧跟施作,改善其受力和变形情况,维持隧道的稳定。(5)根据现场具体地形条件和地质条件,利用MIDAS GTS有限元软件建模进行三维有限元数值模拟,对小净距隧道洞口段施工过程中的围岩应力、洞周位移、支护受力等进行分析,来判定现场施工的安全性和以及开挖方案的合理性。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 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要的研究目标和研究内容
• 1.3.1 本文研究目标
• 1.3.2 本文主要的研究内容
• 1.4 依托工程概况
• 1.4.1 工程概况
• 1.4.2 工程地质与水文地质
• 第2章 小净距隧道新奥法施工
• 2.1 隧道工程特点
• 2.1.1 隧道工程支护结构的构成特点
• 2.1.2 围岩压力类型的相互转化
• 2.1.3 围岩力学性质与地应力
• 2.1.4 隧道设计与施工一体化
• 2.2 新奥法的原理与支护设计
• 2.2.1 新奥法的基本原理
• 2.2.2 新奥法的发展过程
• 2.2.3 隧道工程新奥法支护的一般原理
• 第3章 现场监控量测及信息处理
• 3.1 监控量测机理
• 3.1.1 量测目的及意义
• 3.1.2 量测项目
• 1) 必测项目
• 2) 选测项目
• 3.1.3 小净距隧道量测技术特点
• 3.1.4 量测数据分析原理
• 3.1.5 围岩稳定性的判据
• 3.2 现场信息处理及反馈
• 3.2.1 洞内观察
• 3.2.2 拱顶下沉和净空收敛
• 3.2.3 初期支护与围岩间压力
• 3.2.4 锚杆轴力量测
• 3.3 本章小结
• 第4章 平面有限元数值模拟
• 4.1 问题的提出
• 4.2 建模考虑
• 4.2.1 围岩的力学模型
• 4.2.2 地应力场的模拟
• 4.3 计算模型
• 4.3.1 计算模型建立和单元划分
• 4.3.2 模拟单元的选择
• 4.3.3 开挖模拟
• 4.4 数值模拟结果分析
• 4.4.1 位移场分析
• 4.4.2 围岩应力场分析
• 4.4.3 喷射混凝土初期支护受力分析
• 4.4.4 锚杆轴力受力分析
• 第5章 隧道三维数值模拟
• 5.1 问题的提出
• 5.2 建模考虑
• 5.2.1 模型的建立
• 5.2.2 开挖模拟
• 5.3 数值模拟结果分析
• 5.3.1 围岩位移场分析
• 5.3.2 研究面主应力分析
• 5.3.3 拱顶位移
• 5.3.4 喷射混凝土初期支护受力分析
• 5.3.5 锚杆轴力分析
• 5.3.6 计算结果与现场测试结果的比较
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文