公路隧道开挖过程的数值模拟分析及研究

论文摘要

本文在论述当前隧道结构稳定性研究现状的基础上,从隧道围岩压力入手,介绍了围岩的初始应力状态以及围岩松动压力的确定方法;通过对支护结构与围岩相互作用的力学分析,建立了围岩与支护结构平衡状态。阐述了隧道结构数值计算方法及有限元数值分析过程,分析了ANSYS在模拟隧道开挖过程中的应用和实现。结合安徽六潜高速公路磨子潭III号隧道,应用有限元软件ANSYS建立了隧道计算模型,采用弹塑性方法及Mohr-Coulomb屈服准则,对该隧道ZK58+210断面分步开挖和支护进行模拟,得到了各个开挖阶段的位移、应力图、支护结构内力图以及开挖前和开挖后隧道围岩与支护结构的位移、应力变化规律。工程实例数值分析表明,计算结果与实测结果相近,表明了本文选用的方法和模型的合理性,平面应变和梁单元组成的组合结构模型及各种参数可以较好的反映隧道开挖和支护的受力和变形性能。同时,提出了磨子潭隧道的施工技术方案和施工中的注意事项,也为整个隧道的安全、顺利施工提供了理论依据,也可作为类似隧道设计施工的参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 隧道围岩及支护结构稳定性分析的研究背景
• 1.3 地下结构设计方法简述
• 1.4 本文的主要工作
• 1.5 本文的研究方法和技术路线
• 第二章 隧道围岩压力及结构稳定性概述
• 2.1 围岩压力
• 2.1.1 初始应力场的分类
• 2.1.2 选用初始应力场的原则和规律
• 2.1.3 围岩压力与分类
• 2.1.4 围岩松动压力的形成和确定方法
• 2.2 围岩与支护结构共同作用的力学分析
• 2.2.1 支护阻力对隧道周边应力分布的影响
• 2.2.2 支护阻力与洞壁相对径向位移关系
• 2.2.3 支护结构的支护特性曲线
• 2.3 围岩与支护结构平衡状态的建立
• 第三章 隧道开挖过程中的数值模拟方法分析
• 3.1 隧道开挖过程数值模拟方法
• 3.1.1 隧道结构数值计算法简述
• 3.1.2 开挖卸荷的基本思想
• 3.1.3 有限元分析的基本问题
• 3.2 有限元数值分析过程
• 3.2.1 建立模型
• 3.2.2 施加荷载和求解
• 3.2.3 后处理过程
• 3.3 ANSYS 模拟隧道开挖过程的实现
• 3.3.1 施工过程模拟
• 3.3.2 初始地应力模拟
• 3.3.3 开挖与支护过程模拟
• 3.3.4 连续开挖模拟
• 第四章 磨子潭隧道开挖过程的ANSYS 仿真模拟
• 4.1 磨子潭III 号隧道工程概况
• 4.2 开挖方案
• 4.2.1 III 类围岩-上下台阶法
• 4.2.2 IV、V 类围岩-全断面法
• 4.3 初期支护及二次衬砌设计
• 4.4 计算基本假设
• 4.5 计算范围和边界条件
• 4.6 计算参数的选取
• 4.6.1 围岩力学参数
• 4.6.2 支护结构参数
• 4.6.3 荷载释放的分担比例
• 4.7 有限元模型的建立
• 4.8 加载与初始地应力场模拟
• 4.8.1 地层变形模拟
• 4.8.2 开挖前的位移和应力分析
• 4.8.3 上台阶节点力
• 4.8.4 下台阶节点力
• 4.9 开挖过程模拟
• 4.9.1 上、下台阶开挖后的地层变形
• 4.9.2 上台阶开挖过程中的位移和应力分析
• 4.9.3 上台阶初期支护
• 4.9.4 下台阶开挖过程中的位移和应力分析
• 4.9.5 下台阶支护
• 4.9.6 二次衬砌后的位移和应力分析
• 4.9.7 二次衬砌结构的变形和应力分析
• 4.10 计算结果分析
• 4.10.1 开挖与衬砌的位移分析
• 4.10.2 开挖过程的应力分析
• 4.10.3 支护结构的内力值分析
• 4.11 本文计算结果与现场量测数据的分析对比
• 4.12 本章小结
• 结论与建议
• 1 结论
• 2 建议
• 参考文献
• 致谢