公路隧道二次衬砌承载能力与优化设计研究

论文摘要

目前国内隧道多采用新奥法设计与施工,与其对应的复合式衬砌是由初期支护、防水层和二次衬砌所组成,且严格要求二次衬砌必须在围岩和初期支护变形基本稳定后才开始施工。对于初期支护的设计,业界现在已达成比较一致的看法,换句话说,在相同的开挖断面、相似的地质条件下初期支护设计都是大同小异的。但对于二次衬砌的厚度、是否需要配筋的看法则有很大的不同。而二次衬砌直接关系到开挖断面的大小和工程造价。本文通过现场试验并结合数值模拟研究的方法,对围岩压力和接触压力的分布规律以及二次衬砌安全性评价和优化设计作了初探。主要结论及成果如下：1、基于现场实测应力数据,对Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级深埋段和Ⅴ级浅埋段围岩压力和接触压力分别进行统计分析,得到围岩压力和接触压力的分布规律以及二次衬砌分担围岩压力比例；2、通过对比Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级深埋段现场实测围岩压力与经典围岩理论计算结果,得到对应围岩级别围岩压力分别适合采用普氏理论、太沙基理论以及隧规理论计算比较符合实测情况。3、通过有限元数值模拟方法,研究了不同侧压力系数和衬砌厚度对隧道变形和内力的影响,对二次衬砌安全性进行了评价并得出了二次衬砌的最小安全厚度；4、以工程造价为目标函数,采用内部罚函数法建立数学模型,以结构强度和配筋率为约束条件,对二次衬砌的厚度和配筋进行优化分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国、内外对二次衬砌研究历史和现状
• 1.3 单层衬砌研究历史和现状
• 1.3.1 单层衬砌应用现状
• 1.3.2 单层衬砌结构形式研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容和方法
• 第2章 支护结构作用和二次衬砌功能分析
• 2.1 复合式衬砌支护对象分析
• 2.1.1 松弛压力及其计算方法
• 2.1.2 形变压力及其计算方法
• 2.2 围岩与初期支护、二次衬砌的相互关系
• 2.2.1 围岩与初期支护的作用关系及特点
• 2.2.2 初期支护与二次衬砌的作用关系和特点
• 2.3 二次衬砌受力及稳定性影响因素
• 2.3.1 地质因素
• 2.3.2 人为因素
• 2.4 二次衬砌功能研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 实测二次衬砌分担压力比例分析
• 3.1 工程概况
• 3.1.1 铜锣山隧道水文地质情况
• 3.1.2 明月山隧道水文地质情况
• 3.1.3 洞身结构设计
• 3.2 围岩压力分配比例关系问题的概述
• 3.3 统计方案的确定
• 3.3.1 统计假定
• 3.3.2 统计项目的确定
• 3.4 量测数据的回归分析理论
• 3.4.1 一元线性回归
• 3.4.2 对数形式一元线性回归
• 3.4.3 指数形式一元线性回归
• 3.4.4 一般非线性函数回归分析
• 3.5 实测围岩压力分析
• 3.5.1 Ⅲ级围岩实测围岩压力统计分析
• 3.5.2 Ⅳ级围岩实测围岩压力统计分析
• 3.5.3 Ⅴ级围岩实测围岩压力统计分析
• 3.6 实测层间接触压力与二次衬砌分担压力比例分析
• 3.6.1 Ⅲ级围岩实测接触压力与二次衬砌分担压力比例统计分析
• 3.6.2 Ⅳ级围岩实测接触压力与二次衬砌分担压力比例统计分析
• 3.6.3 Ⅴ级围岩实测接触压力与二次衬砌分担压力比例统计分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 二次衬砌安全性数值模拟分析
• 4.1 数值模拟基本原理与典型断面的选择
• 4.1.1 计算假定
• 4.1.2 数值模拟典型断面的确定
• 4.1.3 计算参数的确定
• 4.2 支护结构稳定性评价方法
• 4.2.1 隧道稳定性的定义
• 4.2.2 支护结构施作后隧道极限状态的确定
• 4.2.3 安全系数计算
• 4.2.4 钢筋混凝土结构配筋计算
• 4.3 二次衬砌安全性分析
• 4.3.1 Ⅲ级围岩深埋段计算结果分析
• 4.3.2 Ⅳ级围岩深埋段计算结果分析
• 4.3.3 Ⅴ级围岩深埋段计算结果分析
• 4.3.4 Ⅴ级围岩浅埋段计算结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 二次衬砌设计优化
• 5.1 二次衬砌厚度对结构安全性的影响
• 5.1.1 Ⅲ级围岩深埋段二次衬砌厚度对结构安全性的影响
• 5.1.2 Ⅳ级围岩深埋段二次衬砌厚度对结构安全性的影响
• 5.1.3 Ⅴ级围岩深埋段二次衬砌厚度对结构安全性的影响
• 5.1.4 Ⅴ级围岩浅埋段二次衬砌厚度对结构安全性的影响
• 5.2 二次衬砌综合造价优化设计
• 5.2.1 理论模型
• 5.2.3 优化设计的目标函数
• 5.2.4 约束条件
• 5.2.5 求解过程
• 5.2.6 工程实例分析
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目