高海拔复杂围岩公路隧道温度场特征与结构性能研究

论文摘要

鉴于复杂地质条件下高海拔地区特长公路隧道温度场特征及结构性能研究不足的现状,论文依托青藏高原东部青沙山公路隧道工程,通过对结构受力和温度场的大规模现场测试、基于有限元理论的数值模拟及理论分析等手段对高海拔地区公路隧道力学性状进行了系统研究,为依托工程设计施工及防冻保温提供了有效指导。1.针对依托工程特点,开展了大规模的围岩位移和结构受力性状现场测试。分析了围岩位移特性,根据围岩位移进行反分析得出了后续数值模拟所需参数。结构受力性状测试表明:隧道洞口段受冻胀力作用,其峰值位置在边墙底部与仰拱相交处,隧道洞口段边墙和仰拱支护应加强,隧道运营期间冻胀力有增加趋势;依托工程最冷月份平均气温为-11.2℃,规范规定低于-15℃时应考虑冻胀力的结论值得商榷。2.鉴于高海拔地区隧道温度场特征研究的不足,开展了系统的环境温度与地温场测试与分析。得出了环境温度变化规律及温度场数值模拟的荷载条件。地温场测试表明:隧道洞口附近与洞内地温梯度不同,地温场受环境温度、自然风、地质条件和地下水的影响较大;洞内地温随着围岩深度的加深而增加;围岩内隧道径向存在某一比较稳定的温度边界条件,隧道内初始温度场也为某一固定值,可作为温度场数值模拟的初始边界条件;隧道运营期间,因“活塞”效应风速增大,冷能入侵加剧,洞内环境温度下降,洞内地温下降。3.基于温度场测试成果,将隧道内环境实测温度作为载荷施加到隧道二衬混凝土表面,采用非稳态带相变的热传导有限元方法对温度场进行数值模拟,对隧道一般埋深横断面和隧道纵向进行有、无保温隔热层的数值分析,确定了隧道内保温隔热层厚度和沿隧道纵向铺设长度,推荐了外贴式防冻保温结构型式。采用温度-应力耦合有限元模型计算了50a冻螎循环下洞口段冻胀力,并与弹性力学公式和测试结果进行了对比分析。4.根据依托工程复杂地质条件特点,建立了有效的数值计算模型,着重研究了力学参数敏感性、断层破碎带隧道稳定性、偏压条件下进洞施工方法的合理性、洞口段长管棚预支护力学性状、滑动面与隧道轴线大角度相交时隧道开挖对含抗滑桩边坡稳定性影响。5.提出了简捷适用的支护强度发挥度概念,根据系统的围岩压力测试成果,采用研编荷载结构模型程序对依托工程长期安全性和支护强度发挥度进行了分析。结果表明:实测围岩压力作用下结构处于安全状态,VI级围岩测试断面最合理,V级围岩测试断面最不合理;冻胀力作用下,VI、V级围岩测试断面安全系数最小值满足规范要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 隧道结构计算模型
• 1.2.2 隧道结构解析计算方法研究
• 1.2.3 隧道结构数值计算方法研究
• 1.2.4 隧道结构工程性状实测
• 1.3 依托工程背景
• 1.3.1 工程地质水文地质条件
• 1.3.2 围岩概况
• 1.3.3 支护设计与施工方法
• 1.3.4 依托工程基本特点
• 1.4 论文研究内容与方法
• 1.4.1 结构受力性状现场测试
• 1.4.2 温度场测试与数值模拟研究
• 1.4.3 结构受力性状数值模拟研究
• 第二章 位移监控量测与信息反馈
• 2.1 量测数据处理方法
• 2.2 拱顶沉降及周边收敛量测数据分析
• 2.2.1 VI 级围岩断面测试结果分析
• 2.2.2 V 级围岩断面测试结果分析
• 2.2.3 IV 级围岩断面测试结果分析
• 2.2.4 III 级围岩断面测试结果分析
• 2.2.5 II 级围岩断面测试结果分析
• 2.3 量测位移的信息反馈
• 2.3.1 预测拱顶沉降及周边收敛最大值
• 2.3.2 量测位移值与允许位移值对比
• 2.3.3 位移变化速率及位移时间曲线形态分析
• 2.3.4 支护参数动态调整
• 2.4 隧道位移反分析
• 2.5 小结
• 第三章 结构受力性状现场测试与分析
• 3.1 测试方案
• 3.1.1 主要测试元件及工作原理
• 3.1.2 测试内容与方法
• 3.1.3 数据采集与整理
• 3.2 测试结果及分析
• 3.2.1 III 级围岩断面测试结果分析
• 3.2.2 IV 级围岩断面测试结果分析
• 3.2.3 V 级围岩断面测试结果分析
• 3.2.4 VI 级围岩断面测试结果分析
• 3.3 各测试断面综合对比分析
• 3.4 小结
• 第四章 温度场现场测试与分析
• 4.1 测试方案
• 4.1.1 温度测试元件与仪器
• 4.1.2 测试断面及测点布置
• 4.2 隧道环境温度测试与分析
• 4.2.1 隧道外部环境测试与分析
• 4.2.2 隧道内环境温度测试与分析
• 4.2.3 隧道纵向环境温度分析
• 4.3 隧道围岩温度测试与分析
• 4.3.1 围岩温度测试元件编号与埋深关系
• 4.3.2 隧道内各断面围岩温度随时间变化分析
• 4.3.3 纵向围岩温度分析
• 4.3.4 径向围岩温度分析
• 4.4 运营期温度场测试与分析
• 4.5 小结
• 第五章 温度场数值模拟研究
• 5.1 温度荷载的确定
• 5.2 热力学参数的确定
• 5.2.1 混凝土热力学参数
• 5.2.2 围岩导热系数的测定
• 5.2.3 围岩热力学参数
• 5.3 温度场计算模型
• 5.4 隧道温度场数值模拟
• 5.4.1 隧道进口段温度场数值模拟
• 5.4.2 隧道纵向温度场模拟
• 5.4.3 隧道防冻保温长度的确定
• 5.5 温度－应力耦合数值模拟
• 5.5.1 冻胀力弹性力学计算
• 5.5.2 温度－应力耦合计算模型
• 5.5.3 耦合计算结果及分析
• 5.6 防冻保温材料类型及其结构型式
• 5.6.1 防冻保温材料类型
• 5.6.2 防冻保温结构型式
• 5.7 小结
• 第六章 断层破碎带隧道力学性状分析
• 6.1 参数敏感性分析
• 6.1.1 参数敏感性分析方法
• 6.1.2 基准参数集
• 6.1.3 各参数对变形影响敏感性分析
• 6.1.4 各参数对围岩塑性区影响敏感性分析
• 6.2 青沙山公路隧道断层破碎带围岩稳定性分析
• 6.2.1 软弱夹层对隧道稳定性影响分析
• 6.2.2 断层破碎带隧道稳定性三维分析
• 6.3 小结
• 第七章 洞口段力学性状分析
• 7.1 偏压条件下隧道进洞数值模拟
• 7.2 洞口段长管棚预支护力学性状分析
• 7.2.1 支护结构设计参数
• 7.2.2 注浆参数设计
• 7.2.3 材料力学指标
• 7.2.4 施工过程模拟
• 7.3 基于强度折减有限元法隧道开挖对含抗滑桩边坡稳定性分析
• 7.3.1 抗剪强度折减技术原理及模型
• 7.3.2 计算结果及分析
• 7.4 小结
• 第八章 隧道结构长期安全性分析
• 8.1 荷载结构模型原理
• 8.1.1 基本未知量与基本方程
• 8.1.2 单元刚度矩阵的计算
• 8.1.3 地层反力作用模式
• 8.2 计算模型与工况
• 8.3 计算结果及分析
• 8.3.1 设计工况验算分析
• 8.3.2 实测支护强度发挥度分析
• 8.3.3 考虑冻胀力的隧道结构长期安全性分析
• 8.4 小结
• 结论与建议
• 参考文献
• 现场测试照片
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢