大跨浅埋隧道施工时空效应研究

论文摘要

随着现代交通的迅速发展,隧道修建数量日益增多,我国是多山脉国家,尤其是西部地区,在隧道的设计和施工中,软弱围岩频频出现,流变特性是软弱围岩固有的属性,由于流变现象的普遍存在,人们已经开始意识到流变现象给工程带来的影响,因此如果把围岩的流变特性考虑进去,必然更符合实际情况,具有很重要的现实意义。本文就大跨浅埋软弱围岩隧道施工过程中的时空效应进行了初步探讨,得到了一些有益结论:首先介绍了流变模型理论,总结了元件模型的特点。其次分析了连续介质拉格朗日分析方法FLAC3d的基本特点与求解思想,并介绍了伯克斯粘塑性模型的有限差分形式和FLAC3d解决流变问题的方法。最后以家乡沟隧道为工程背景,选用理想弹塑性模型,模拟了隧道开挖面的空间效应,研究了开挖过程对围岩变形的影响。对于大跨浅埋软弱围岩隧道,在地表为水平的条件下,采用上下台阶法施工,掌子面起到了虚拟支撑作用,其影响范围为距掌子面两倍洞径范围内,拱顶下沉主要受上台阶开挖的影响,下台阶的开挖使得墙腰部位水平位移增加较快,对拱顶下沉影响不大,随着开挖面距离增加,空间效应逐渐减弱,围岩变形逐渐趋于稳定。对于软弱围岩隧道而言,由于围岩表现出明显的时间效应,而隧道的力学响应又与其施工过程密切相关,因此本文又选用了广义开尔文体模型,对大跨浅埋隧道施工过程中围岩的流变特性进行了计算分析。计算结果表明:掌子面附近是空间效应和时间效应的耦合作用,其中空间效应占主导作用,在空间效应之外,岩体流变属性得以发挥,围岩变形也会持续增加,无论是地表沉降、拱顶下沉或墙腰水平位移都随时间不断增加,并且在开挖初期增加较快,一个月后逐渐变缓。与弹塑性结果相比,考虑时间效应后,围岩变形增大很多,说明了在软弱围岩隧道施工过程中考虑岩体流变特性的必要性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 流变理论
• 1.2.2 地下结构计算方法研究
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 流变模型理论
• 2.1 岩石流变力学特性
• 2.2 岩石蠕变过程分析
• 2.2.1 蠕变三阶段变形特征分析
• 2.3 流变模型
• 2.3.1 经验法
• 2.3.2 模型法
• 2.4 粘弹性模型简介
• 2.4.1 Maxwell体
• 2.4.2 Kelvin体
• 2.4.3 H-K体
• 2.4.4 Burgers体
• 2.4.5 模型小结
• 2.5 三维线性粘弹性体本构方程
• 2.5.1 应力状态的分解
• 2.5.2 三维线性粘弹性体本构方程
• 第3章 岩体流变行为的拉格朗日分析方法
• 3.1 三维快速拉格朗日法的基本原理
• 3.1.1 连续介质拉格朗日分析方法的基本特点
• 3.1.2 三维快速拉格朗日分析的数值方法
• 3.1.3 主要计算步骤
• 3d与有限元法的比较'>3.1.4 FLAC^3d与有限元法的比较
• 3d静力计算与流变计算比较'>3.1.5 FLAC^3d静力计算与流变计算比较
• 3.2 有限差分法表示的流变本构模型
• 3.2.1 模型简介
• 3.2.2 The Burger-creep粘塑性模型（Cvisc）
• 3d求解流变问题'>3.3 Flac^3d求解流变问题
• 3.3.1 简介
• 3d的蠕变时间步长'>3.3.2 FLAC^3d的蠕变时间步长
• 3.3.3 蠕变模型的指令输入
• 3.4 隧道围岩流变性分析
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 流变问题的一般解法
• 3.4.3 圆形隧道围岩流变性分析
• 3.4.4 考虑空间效应的隧道围岩流变性分析
• 第4章 隧道施工时空效应研究
• 4.1 概述
• 4.2 时空效应理解
• 4.2.1 开挖面空间效应
• 4.2.2 时间效应
• 4.3 数值分析基本理论
• 4.3.1 围岩力学模型
• 4.3.2 地应力场的模拟
• 4.3.3 边界条件
• 4.3.4 支护加固措施的模拟
• 4.4 三维弹塑性数值分析
• 4.4.1 工程概况
• 4.4.2 计算模型
• 4.4.3 计算参数
• 4.4.4 施工过程模拟
• 4.4.5 计算结果与分析
• 4.5 三维粘弹塑性数值分析
• 4.5.1 蠕变本构模型选取
• 4.5.2 蠕变相关参数的确定
• 4.5.3 施工过程划分和工期安排
• 4.5.4 计算结果与分析
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 存在的问题及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文