青岛地铁区间隧道衬砌设计参数优化

论文摘要

青岛是座优美的海滨城市,经济飞速发展,可经济发展的同时也带来了青岛市日趋严峻的交通问题,这也迫切要求青岛市修建地铁来缓解交通压力。而青岛市特殊的花岗岩地质条件,决定了地铁工程没有现成的经验可以参照,也没有相应的规范可以遵循。这就要求在确保安全的前提下,利用青岛自身的围岩参数,找到一个科学的、合理的隧道衬砌参数,对后期青岛地铁的建设具有重大的指导意义!隧道的衬砌结构形式对于节省工程投资、提高工程施工和运营管理的经济效益,有着十分重要的工程实际意义,因而一直是大家关注和研究的重点。近几年,郑颖人、胡文清、张黎明等人开始将强度折减法应用于隧道工程,并提出隧道的安全系数的概念,来评价地下隧道围岩稳定性。这也给隧道的衬砌参数研究提供了一个很好的方法,可以通过安全系数对隧道的支护参数提出改进建议。本文主要针对现有规范对青岛地铁暗挖隧道衬砌设计不尽适应的问题,利用青岛地铁水清沟试验段的地质和设计资料,采用郑颖人院士的强度折减安全系数计算理论,进行了以下几个方面的研究:(1)不同支护型式与不同应力释放率下的围岩整体安全系数的计算分析。(2)不同开挖顺序与不同喷层厚度下支护重点部位的安全系数的计算分析。(3)不同的二衬厚度下衬砌关键部位的安全系数的计算分析。论文的创新之处在于提出了青岛地铁衬砌优化设计的研究方法,得到下面一些重要结论。为后一步衬砌设计参数优化打下了坚实的理论基础,明确了研究思路。(1)运用有限元强度折减法求解不同支护条件下的围岩整体安全系数,进行分析发现:喷射混凝土和锚喷支护的支护作用明显,锚杆在支护过程中虽也起到了一定的作用,但是支护效果不明显,对结构的稳定性作用不大,建议施工中可以考虑取消或部分取消锚杆,不仅能节省造价,还能缩短工期。(2)围岩应力释放率对围岩安全系数有较大的影响,且随着支护前应力释放率的提高,洞室围岩的安全系数在不断地减小,且变化量比较明显。并据此确定合理的支护时间。( 3 )通过数值模拟提出将15cm~20cm作为青岛地区隧道二衬施工的最小参考厚度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景、目的和意义
• 1.1.1 研究的背景
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 隧洞支护结构理论的发展与现状
• 1.2.1 古典压力理论阶段
• 1.2.2 松散体理论阶段
• 1.2.3 现代支护理论
• 1.3 地下隧道支护结构的计算方法
• 1.3.1 荷载结构法
• 1.3.2 地层结构法
• 1.4 本课题研究的内容及目标
• 1.5 本章小结
• 第2章 有限元强度折减法原理和屈服准则的选用
• 2.1 有限元法基本原理及ANSYS 简介
• 2.1.1 有限元法基本原理
• 2.1.2 非线性有线元程序ANSYS 简介
• 2.2 强度折减法的基本原理
• 2.3 有限元强度折减法的优点
• 2.4 屈服准则的影响和选用
• 2.4.1 Mohr‐Coulomb 准则与Drucker‐Prager 准则的关系
• 2.4.2 摩尔‐库仑等面积圆D‐P 准则
• 2.5 本章小结
• 第3章 地下隧道破坏的判据及安全系数定义
• 3.1 有限元法中隧道破坏的判据
• 3.1.1 隧道破坏的特征
• 3.1.2 隧道失稳在有限元计算中的具体表现
• 3.2 地下隧道安全系数的定义
• 3.2.1 传统极限平衡方法关于稳定安全系数的定义
• 3.2.2 有限元强度折减法关于稳定安全系数的定义
• 3.3 本章小结
• 第4章 锚喷支护的隧道围岩和衬砌稳定性分析
• 4.1 概述
• 4.2 工程实例概况
• 4.3 计算模型、边界条件及参数选取
• 4.4 有限元建模过程
• 4.5 有限元强度折减法计算过程
• 4.6 数值模拟结果分析
• 4.6.1 不同支护方式下的围岩安全系数
• 4.6.2 不同开挖方式的比较
• 4.6.3 不同应力释放率的围岩安全系数
• 4.6.4 不同喷层厚度下的衬砌结构强度
• 4.7 本章小结
• 第5章 复合衬砌的隧道衬砌结构稳定性分析
• 5.1 概述
• 5.2 计算模型、材料参数及边界条件
• 5.3 数值模拟结果分析
• 5.3.1 变形及内力分析
• 5.3.2 衬砌强度安全系数计算
• 5.3.3 不同复合衬砌下隧道围岩整体的安全系数
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文及科研工作
• 致谢