非对称连拱隧道动态施工力学模拟研究

论文题目: 非对称连拱隧道动态施工力学模拟研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 桥梁与隧道工程

作者: 陈秋南

导师: 张永兴,刘新荣

关键词: 非对称连拱隧道,重力相似模拟试验,动态施工力学,智能分析,位移反分析,开挖面积等效,数值模拟,参数优化

文献来源: 重庆大学

发表年度: 2005

论文摘要: 二十世纪九十年代以来,随着我国高等级公路的飞速发展,公路隧道数量日益增多。在山区狭窄地带隧道与洞外接线,隧道净距执行规范要求的15m～30m及以上距离非常困难,尤其桥隧相连、城市隧道互通工程更是如此。连拱隧道正是在接线困难时出现的一种特殊结构型式,而非对称连拱隧道更是特殊条件下的一种特殊结构形式的隧道。本文围绕拟设计的公路非对称连拱隧道,进行动态施工力学模拟研究,主要包括以下内容。 (1) 根据相似理论,构建拟设计的非对称连拱隧道原型与模型的相似比,确定相似材料的配合比。通过重力相似模拟试验,研究非对称连拱隧道开挖过程中两个洞室各关键点的力学规律;试验结果表明,采用中导洞+左右洞上下台阶开挖方法以及相关支护措施,非对称连拱隧道两洞室的围岩径向位移、围岩应力、地中位移和支护结构内力呈不对称分布,左右洞的先后施工会产生相互影响;中墙受力比较复杂,左右两侧受力呈不对称分布,上下两端出现应力集中现象。 (2) 基于非对称连拱隧道典型断面的径向位移和围岩地中位移试验测试结果,分别采用灰色系统模型、神经网络多步滚动预测法和支持向量机算法对隧道拱顶下沉量和地中位移进行预测预报。分析比较三种预测方法的优缺点,结果表明在学习样本比较少的情况下支持向量机的收敛速度和预测精度高,完全可以用来隧道围岩变形,指导隧道设计和施工。 (3) 分析基本遗传算法优化方法的优缺点,基于改进浮点编码遗传算法进行了非对称连拱隧道弹塑性位移反演围岩参数(弹性模量、泊松比、抗剪强度),并将该方法与基本遗传算法(SGA)反演结果进行了对比,还对改进浮点编码遗传算法的抗噪声能力进行了检测,结果显示改进浮点编码遗传算法抗噪声能力强。 (4) 通过数值模拟分析,比较非对称连拱隧道的两种开挖方法(中导洞+左右洞上下台阶法、中导洞+右左洞上下台阶法)洞室各关键点的位移和应力分布特点,优化该隧道型式的开挖工序。将优化后的非对称连拱隧道开挖工序的试验结果与数值模拟结果进行比较,显示该开挖工序是合理可行的。建立了与非对称连拱隧道开挖面积等效的对称连拱隧道的数值分析模型,比较该两种隧道模型在开挖中左洞各关键点的力学规律,分析产生异同结果的原因。在非对称连拱隧道左单洞开挖、两洞开挖和开挖面积等效的对称连拱隧道两洞开挖后,分析比较了三种情况下左洞各关键点的位移和应力分布规律。 (5) 在三维数值模拟中,分析了两种工况时非对称连拱隧道各研究断面围岩各特征点围岩位移、地表沉降与离工作面距离的关系。

论文目录:

中文摘要

图表目录

1 绪论

1.1 研究目的和意义

1.1.1 问题的提出

1.1.2 本课题的研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 隧道的设计施工理论

1.2.2 非对称连拱隧道的监控量测及围岩变形预测

1.2.3 隧道围岩参数的辨识方法

1.2.4 非对称连拱隧道动态施工力学研究

1.2.5 非对称连拱隧道地表沉降模型参数优化及挡墙土压力研究

1.3 主要研究内容和技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

2 非对称连拱隧道重力相似模拟试验

2.1 工程概况

2.1.1 工程地质概况

2.1.2 非对称连拱隧道结构

2.1.3 非对称连拱隧道施工设计

2.2 非对称连拱隧道重力相似模拟试验

2.2.1 模型相似关系的建立

2.2.2 相似模拟试验设计

2.2.3 相似模拟试验装置

2.2.4 重力相似模拟试验的有关测试项目

2.3 非对称连拱隧道重力相似模拟试验结果分析

2.3.1 隧道锚杆应力

2.3.2 隧道洞周径向位移

2.3.3 隧道地中相对位移

2.3.4 隧道围岩与喷层之间的接触应力

2.3.5 隧道等效钢支撑应力

2.3.6 隧道中墙应力

2.3.7 隧道洞口地表沉降

2.4 左右洞先后开挖的相互影响

2.4.1 中导洞、左右洞开挖对地中位移的影响

2.4.2 左右洞开挖对围岩与初期喷层的接触应力的影响

2.5 本章小结

3 非对称连拱隧道围岩变形预测

3.1 概述

3.1.1 初期变位速率与最终变形量的关系

3.1.2 隧道围岩的容许变形量

3.2 灰色系统模型预测隧道围岩变形

3.3 神经网络多步滚动法预测隧道围岩变形

3.3.1 神经网络多步滚动预测法的基本原理

3.3.2 神经网络多步滚动预测法样本采样

3.4 基于支持向量机算法预测隧道围岩变形

3.4.1 支持向量回归模型

3.4.2 ε-insensitive损失函数下的支持向量回归

3.4.3 Huber损失函数下的支持向量回归

3.4.4 最小平方支持向量回归

3.4.5 v-SVR

3.5 非对称连拱隧道围岩变形预测结果之比较

3.5.1 模型试验的拱顶下沉量预测结果之比较

3.5.2 模型试验地中相对位移预测结果之比较

3.6 本章小结

4 非对称连拱隧道围岩参数智能辨识

4.1 概述

4.2 基本遗传算法理论

4.2.1 简本遗传算法简介

4.2.2 基本遗传算法基本步骤

4.2.3 基本遗传算法的特点

4.3 基于改进浮点编码遗传算法的弹塑性位移反分析

4.3.1 隧道初始地应力

4.3.2 弹塑性位移反分析的位移测点布置

4.3.3 基于改进浮点编码遗传算法的围岩参数反分析

4.4 本章小结

5 非对称连拱隧道动态施工力学的数值模拟研究

5.1 隧道动态施工力学基本理论

5.1.1 隧道施工力学基本概念

5.1.2 隧道施工力学基本原理

5.2 非对称连拱隧道动态施工力学二维数值模拟

5.2.1 二维数值模拟基本概况

5.2.2 非对称连拱隧道施工工序优化

5.2.3 非对称连拱隧道重力相似模型试验与数值模拟结果对比

5.2.4 开挖面积等效的对称连拱隧道二维数值模拟分析

5.2.5 几种典型连拱隧道二维数值模拟分析比较

5.3 非对称连拱隧道动态施工力学三维数值模拟

5.3.1 非对称连拱隧道施工力学三维数值分析模型建立

5.3.2 非对称连拱隧道施工力学三维数值模拟结果分析

5.4 本章小结

6 非对称连拱隧道地表沉降模型参数优化及挡墙土压力研究

6.1 地表沉降模型的建立

6.2 基于加速混合遗传算法优化地表沉降模型参数

6.2.1 加速混合遗传算法构建

6.2.2 基于加速混合遗传算法优化地表沉降模型参数

6.3 考虑中间主应力的隧道洞口挡墙土压力研究

6.3.1 概述

6.3.2 双剪强度理论参数φ_t、C_t的推导

6.3.3 基于双剪强度理论的挡墙土压力分析

6.4 本章小结

7 结论和建议

7.1 主要研究成果及结论

7.2 后续研究工作的建议

致谢

参考文献

附录

1. 作者在攻读博士学位期间发表的论文

2. 作者在攻读博士学位期间主持及参加的科研项目

独创性声明

学位论文版权使用授权书

发布时间: 2005-11-07

参考文献

[1].连拱隧道分步开挖围岩压力演化特征及偏态效应分析[D]. 李春柳.燕山大学2016
[2].城市无中隔墙连拱隧道暗挖施工对地表建筑物的影响研究[D]. 艾心荧.武汉大学2013
[3].连拱隧道施工动态仿真与信息化管理研究[D]. 冯守中.天津大学2004
[4].连拱隧道施工力学行为研究[D]. 林刚.西南交通大学2005
[5].高速公路连拱隧道施工时空效应及动态三维反馈分析[D]. 吴祥松.同济大学2007
[6].连拱隧道围岩压力计算方法与动态施工力学行为研究[D]. 朱正国.北京交通大学2008
[7].软弱围岩浅埋偏压连拱隧道力学效应研究[D]. 蔡来炳.同济大学2008
[8].大跨扁平连拱隧道施工时空效应与二次衬砌最佳支护时机研究[D]. 吴梦军.重庆大学2011
[9].连拱隧道渗漏水病害机理与防治技术研究[D]. 石建勋.重庆大学2012
[10].超浅埋大跨度连拱隧道围岩受力分析及工程应用研究[D]. 李新志.山东大学2013

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