并行隧道施工相互影响分析及应用研究

论文摘要

并行隧道作为一种经济有效的隧道结构形式,在实际工程中被广泛地采纳,尤其在城市轨道交通的地铁建设中十分常见。由于并行隧道施工的相互影响是个十分复杂的问题,不仅影响因素很多,而且各个影响因素之间又存在非常复杂的互制行为,因此,目前迫切需要针对并行隧道施工的相互影响进行系统而全面的研究。本文在前人研究的基础上,提出了求解半无限弹性平面内双孔圆形断面隧道开挖问题的理论方法,并且,利用数值计算方法对双孔并行隧道施工的相互影响程度和规律进行了系统研究。主要研究成果和结论如下:1、在参考大量文献的基础上,从不同的角度即并行隧道间距的确定原则、并行隧道施工的围岩稳定分析、并行隧道施工的相互影响因素以及双孔并行隧道施工产生的地表沉降详细地分析了并行隧道施工所表现出的特性。并且,重点针对国内外多个双孔并行盾构隧道工程中现场量测得到的41个地表沉降分布曲线进行分析,归纳总结了盾构法施工的双孔并行圆形隧道开挖产生的地表沉降分布特点。2、提出了求解半无限弹性平面双孔并行隧道开挖问题的复变函数与交替法理论计算方法,并且通过计算机编程,顺利实现了该求解过程,得到了双孔隧道开挖后围岩的应力和位移解,并且通过工程实例分析进行了验证。3、利用理论计算方法,分析了在不同隧道间距以及不同埋深的情况下,双孔并行圆形隧道开挖后产生的地表位移以及中间岩柱体上的垂直应力分布。同时,将理论计算结果与单孔隧道计算结果的叠加值进行比较,最终得出了反映两种方法计算结果差异的关系曲线图,通过这些曲线图,可以对双孔并行隧道施工的相互影响程度进行直接的判断。4、针对双孔并行隧道施工由于相互影响产生的与单洞开挖不同的断面变形情况,提出了适合于小间距双孔并行隧道的断面收敛模式,并且推导出与该隧道断面收敛边界条件相对应的极坐标下的函数表达式。此外,利用数值计算,通过工程实例分析对该收敛模式的可靠性进行了验证。5、结合双孔并行隧道施工的实际情况,建立数值模型,通过50种不同的计算工况,考虑了影响双孔并行隧道施工相互影响程度的三个主要因素即:双孔隧道的间距、围岩条件以及埋深,重点分析了在不同因素影响下,双孔并行隧道施工由于相互影响,其衬砌结构所表现出的不同内力分布特征。6、提出了隧道衬砌安全性评价方法,并且成功地运用到并行多孔隧道施工的实际工程中,针对后续隧道开挖对先建的相邻隧道结构安全性影响进行了有效的评价。7、结合湖南省常吉高速公路湘西段水平层状岩体下双孔并行隧道的现场量测情况,通过数值计算,研究了不同间距及围岩互层类型对水平互层岩体下并行隧道施工力学性能的影响,并且提出了中间岩柱的稳定性评价方法,最终将计算结果直接用于指导实际工程施工,取得了满意的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 并行隧道的国内外研究现状
• 1.2.1 理论分析研究
• 1.2.2 数值分析研究
• 1.2.3 试验研究
• 1.2.4 现场测试与施工方法研究
• 1.3 课题来源及研究的意义
• 1.4 本论文的主要研究方法及内容
• 第二章 并行隧道施工特性分析
• 2.1 并行隧道间距的确定原则
• 2.2 并行隧道施工的围岩稳定分析
• 2.2.1 破坏作用机理
• 2.2.2 中间岩柱体失稳过程
• 2.3 并行隧道施工相互影响因素
• 2.3.1 隧道间距
• 2.3.2 隧道埋深
• 2.3.3 围岩级别
• 2.3.4 隧道支护类型
• 2.4 双孔并行隧道施工产生的地表沉降
• 2.4.1 双孔并行隧道施工地表沉降的预测方法
• 2.4.2 双孔并行隧道施工地表沉降的现场监测资料
• 2.4.3 双孔并行隧道施工地表沉降分布特点
• 2.5 本章小结
• 第三章 半无限平面双孔并行隧道开挖弹性问题解析解
• 3.1 引言
• 3.2 平面问题的复变函数法原理
• 3.2.1 应力函数的复变函数表示
• 3.2.2 应力和位移的复变函数表示
• 3.2.3 边界条件的复变函数表示
• 3.2.4 保角变换与曲线坐标
• 3.3 Schwarz交替法的基本原理
• 3.4 半无限弹性平面双孔并行圆形断面隧道开挖的解析解
• 3.4.1 问题的描述
• 3.4.2 半无限弹性平面存在洞1的解
• 3.4.3 洞2周边附加面力的确定
• 3.4.4 在均布径向应力及反面力作用下只存在洞2的解
• 3.4.5 应力场和位移场的求解
• 3.4.6 求解半无限弹性平面双孔并行隧道开挖问题的实现
• 3.5 计算精度的讨论
• 3.5.1 附加面力的逼近精度
• 3.5.2 迭代计算的精度分析
• 3.5.3 洞周位移的分析
• 3.5.4 理论与数值计算方法的比较
• 3.6 工程实例分析
• 3.7 双洞开挖影响因素分析
• 3.7.1 考虑不同洞室间距的影响
• 3.7.2 考虑不同洞室埋深的影响
• 3.8 本章小结
• 第四章 双孔并行隧道施工断面收敛模式研究
• 4.1 引言
• 4.2 单孔隧道开挖的断面收敛模式
• 4.3 双孔隧道开挖的断面收敛模式
• 4.4 工程实例分析
• 4.4.1 数值模型的建立
• 4.4.2 隧道开挖效应的模拟
• 4.4.3 计算结果与实测数据的比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 双孔并行隧道施工相互影响的数值计算分析
• 5.1 引言
• 5.2 有限差分法FLAC软件基本原理介绍
• 5.2.1 增量弹性法则
• 5.2.2 屈服函数和势函数
• 5.2.3 塑性修正
• 5.3 双孔并行隧道施工的数值模拟
• 5.3.1 数值模型的建立
• 5.3.2 计算参数的选取
• 5.3.3 隧道施工过程模拟的FLAC实现
• 5.3.4 模拟的开挖顺序
• 5.4 数值模拟结果分析
• 5.4.1 考虑不同围岩条件的影响
• 5.4.2 考虑隧道不同埋深的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 并行多隧道开挖对相邻隧道衬砌安全性影响分析
• 6.1 引言
• 6.2 工程概况
• 6.3 乌鞘岭隧道F7断层带施工进度分析
• 6.4 现场量测分析
• 6.4.1 施工第二阶段选取的典型断面
• 6.4.2 施工第三阶段选取的典型断面
• 6.4.3 施工第四阶段选取的典型断面
• 6.5 并行多孔隧道开挖的数值模拟
• 6.5.1 数值模型的建立
• 6.5.2 计算参数的选取
• 6.5.3 模拟的开挖顺序
• 6.5.4 隧道衬砌的安全性评价
• 6.6 数值计算结果分析
• 6.6.1 工况一（正洞先于迂回导坑施工）
• 6.6.2 工况二（迂回导坑先于正洞施工）
• 6.6.3 工况三（三孔隧道施工）
• 6.7 本章小结
• 第七章 层状岩体并行隧道施工相互影响分析
• 7.1 引言
• 7.2 工程概况
• 7.3 现场实测情况及分析
• 7.3.1 现场监控量测内容
• 7.3.2 现场监控量测方法
• 7.3.3 量测断面布置及测点埋设
• 7.3.4 现场监控量测数据采集频率的选择
• 7.3.5 现场监控量测数据处理和分析
• 7.3.6 数值模拟分析
• 7.4 水平层状岩体下并行隧道施工的数值模拟
• 7.4.1 数值模型的建立
• 7.4.2 计算参数的选取
• 7.4.3 模拟的开挖顺序
• 7.5 并行隧道施工的特征分析
• 7.5.1 塑性区分析
• 7.5.2 位移分析
• 7.5.3 中间岩柱垂直应力分析
• 7.5.4 不同围岩条件对中间岩柱垂直应力分布影响
• 7.5.5 中间岩柱稳定性分析
• 7.5.6 层面存在的影响分析
• 7.5.7 支护结构安全性分析
• 7.6 工程应用
• 7.7 本章小结
• 第八章 结论和展望
• 8.1 主要研究成果和结论
• 8.2 主要创新点
• 8.3 进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要的研究成果