浅埋偏压连拱隧道施工方案比选及结构优化

浅埋偏压连拱隧道施工方案比选及结构优化

论文摘要

随着我国高速公路建设的迅猛发展,连拱隧道作为一种特殊的隧道结构形式越来越被广泛采用,受地形和选线影响连拱隧道大多存在浅埋偏压问题,加之连拱隧道自身结构复杂,结构受力状态受施工工序影响较大,因此有必要对浅埋偏压连拱隧道不同施工过程进行数值分析,以确定合理的施工方法及结构形式。本文采用数值模拟方法,对5种不同地面倾角和4种不同埋深的连拱隧道的初期支护、中隔墙、二次衬砌的最终及最大大、小主应力和位移进行了详细的研究。通过对数值模拟结果对比分析,可以看到:浅埋偏压连拱隧道地面倾角对结构受力及稳定性的影响大于埋深对其影响;地面倾角小于25°时,先开挖隧道深埋侧的施工工序较为合理;地面倾角大于25°时,施工中通过中隔墙回填及监控量测等手段,如能确保中隔墙的稳定性则先开挖隧道深埋侧的施工工序较为合理,如不能确保,先开挖隧道浅埋侧的施工工序较为合理等一些结论。在浅埋偏压连拱隧道数值模拟结果的基础上,文章对偏压双连拱隧道的中隔墙及二次衬砌等结构进行了结构优化研究。研究结果表明:“板墙一体式”中隔墙对于减小中隔墙底板应力集中,减小中隔墙大、小主应力及二次衬砌大主应力效果较为明显;对于偏压采用非对称二次衬砌结构完全可行,后开挖侧洞室的二次衬砌厚度可以减少25%到35%左右。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 前言
  • 1.2 国内外发展研究现状
  • 1.2.1 国外发展现状
  • 1.2.2 国内发展现状
  • 1.2.3 连拱隧道的研究现状
  • 1.3 连拱隧道有待解决的问题
  • 1.4 偏压现象产生的机理
  • 1.4.1 地形偏压产生机理
  • 1.4.2 构造偏压产生机理
  • 1.4.3 施工偏压产生机理
  • 1.5 本文研究的主要目的、内容及方法
  • 1.5.1 研究目的
  • 1.5.2 研究内容
  • 1.5.3 研究方法
  • 第二章 隧道数值模拟理论及模拟情况
  • 2.1 ANSYS 程序简介
  • 2.2 平面问题的有限元分析
  • 2.2.1 结构离散
  • 2.2.2 单元分析
  • 2.2.3 整体分析
  • 2.2.4 载荷及约束处理
  • 2.3 隧道数值模拟理论概述
  • 2.3.1 计算模型的选取
  • 2.3.2 岩土材料的本构关系
  • 2.3.3 隧道开挖卸载的模拟
  • 2.3.4 隧道施工过程的模拟
  • 2.4 隧道数值模拟的ANSYS 实现
  • 2.4.1 模型的建立
  • 2.4.2 边界条件和初始地应力的模拟
  • 2.4.3 隧道开挖与支护的模拟
  • 2.4.4 连续施工的模拟
  • 2.4.5 锚杆和钢拱架的模拟
  • 2.4.6 开挖爆破的模拟
  • 2.4.7 模拟结果分析
  • 第三章 偏压连拱隧道数值模拟
  • 3.1 工程背景
  • 3.2 连拱隧道施工方法概述
  • 3.3 偏压连拱隧道数值模拟
  • 3.3.1 计算模型及边界条件
  • 3.3.2 地应力释放的模拟
  • 3.3.3 施工工序的模拟
  • 3.4 数值计算结果分析
  • 3.4.1 初期支护应力及位移分析
  • 3.4.2 中隔墙应力分析
  • 3.4.3 二次衬砌应力分析
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 偏压连拱隧道结构局部优化
  • 4.1 连拱隧道结构断面形式
  • 4.1.1 国内状况
  • 4.1.2 日本状况
  • 4.1.3 连拱隧道支护存在的问题
  • 4.2 偏压连拱隧道断面优化
  • 4.2.1 中隔墙结构断面优化
  • 4.2.2 二次衬砌结构断面优化
  • 4.3 优化后中隔墙结构数值模拟
  • 4.3.1 计算模型及边界条件
  • 4.3.2 地应力释放的模拟
  • 4.3.3 施工工序的模拟
  • 4.4 优化后中隔墙数值模拟结果分析
  • 4.4.1 中隔墙应力分析
  • 4.4.2 二次衬砌应力分析
  • 4.5 优化后二次衬砌结构数值模拟
  • 4.5.1 计算模型及边界条件
  • 4.5.2 地应力释放的模拟
  • 4.5.3 施工工序的模拟
  • 4.6 优化后二次衬砌结构数值模拟结果分析
  • 4.7 本章小结
  • 第五章 结论与建议
  • 5.1 结论
  • 5.2 建议
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
  • 致谢
  • 相关论文文献

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