纱帽山隧道开挖过程围岩应力变形数值模拟研究

论文摘要

隧道是一项隐蔽工程,其设计和施工面向的对象是岩土体。隧道的开挖过程是一个在时间和空间上不断变化的过程,在这个动态过程中,洞室围岩发生变形和应力重分布,对开挖过程进行数值模拟,分析围岩的应力重分布与其变形情况是与隧道施工和运营密切联系的一项重要研究内容。本文以纱帽山右线隧道为工程背景,整理分析监测数据基础上,采用大型通用有限元软件ADINA,建立三维、二维有限元模型,以“生”、“死”单元模拟隧道开挖支护过程。对于三维模型,分析隧道开挖过程中的应力分布与位移场变化情况,并以数值模拟方式确定锚杆布设的参数;二维模型,分析适用于Ⅴ级围岩的开挖方法,在此基础上,模拟由省交通勘察设计院针对左导洞先行开挖编制的施工工序,以及适用于Ⅴ级围岩的两种开挖方法,分析其对地表变形、拱顶下沉、洞内水平收敛以及开挖后应力分布的影响,再将三种开挖方法进行对比分析,得出一些有价值的规律,为日后同类工程设计、施工提供借鉴和参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 岩体的基本力学属性研究现状
• 1.2.2 理论分析研究
• 1.2.3 模拟分析研究
• 1.2.4 现场试验
• 1.3 本文研究的主要内容，方法及目的
• 2 纱帽山右线隧道工程概况及变形监测
• 2.1 工程概述
• 2.1.1 纱帽山隧道自然地理条件
• 2.1.2 区域地质概况
• 2.1.3 工程地质条件
• 2.2 设计概况
• 2.2.1 隧道围岩分级
• 2.2.2 隧道内轮廓
• 2.2.3 隧道主要支护衬砌参数
• 2.3 隧道变形监测研究
• 2.3.1 新奥法要点分析
• 2.3.2 隧道围岩位移监测手段
• 2.3.3 初期支护监测结果异常的处理
• 2.3.4 纱帽山右线隧道拱顶下沉和周边收敛典型断面监测
• 2.3.5 二次衬砌合理施作时间分析
• 2.4 本章小结
• 3 隧道开挖过程的三维弹塑性有限元分析
• 3.1 ADINA 软件介绍
• 3.2 隧道开挖三维有限元模拟
• 3.2.1 有限元几何模型的建立
• 3.2.2 有限元模型的本构关系
• 3.2.3 边界条件的确定
• 3.2.4 材料参数的确定
• 3.2.5 单元组的选取及网格划分
• 3.2.6 初始应力场的施加
• 3.2.7 单元生死的设置
• 3.3 Ⅲ级围岩三维模拟结果分析
• 3.3.1 模拟值与实测值对比
• 3.3.2 应力位移场分析
• 3.4 锚杆参数数值模拟分析
• 3.4.1 弹塑性理论的锚杆支护作用机理
• 3.4.2 锚杆长度分析
• 3.4.3 锚杆布设间距分析
• 3.5 本章小结
• 4 Ⅴ级围岩开挖方法研究
• 4.1 Ⅴ级围岩常用开挖方法对比
• 4.2 深埋和浅埋隧道的确定
• 4.3 针对左导洞先行开挖编制施工工序数值模拟分析
• 4.3.1 有限元模型的建立与参数的选取
• 4.3.2 数值模拟开挖步骤
• 4.3.3 模拟结果分析
• 4.4 台阶分部开挖法数值模拟分析
• 4.5 上下台阶留核心土法数值模拟分析
• 4.6 三种开挖方法对比分析
• 4.6.1 隧道收敛对比分析
• 4.6.2 地表变形对比分析
• 4.7 小结
• 5 结论
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文