基于围岩稳定性的小净距隧道支护结构分析

论文摘要

我国地形、地质条件复杂,山岭区所占比重极大,高等级公路建设,铁路的建设中大量遇到隧道工程,由于特殊地质及地形条件的限制,隧道间距一般都难以满足普通技术规范要求,因此需要采用小净距隧道及连拱隧道等特殊结构型式。小净距隧道在很多方面都优于连拱隧道,因此小净距隧道最近几年在工程实际中被大量使用,小净距隧道必需考虑到围岩稳定性,同时在施工和设计中较多关键技术未能解决。诸如主体结构设计参数、爆破影响评价及控制标准、合理施工方法、监控量测体系和监控基准、长期安全性评估等。因此有必要对小净距隧道进行理论上的分析。本文以瑞(昌)赣(州)高速公路九岭隧道的施工建设为依托,采用有限元数值分析方法针对九岭小净距隧道围岩稳定性和支护结构进行了下面几个方面的研究:(1)本文分析了隧道围岩稳定性影响因素,包括了自重应力、构造应力对隧道围岩稳定性的影响。(2)本文从理论上就隧道开挖后的围岩弹塑性应力分布状况、位移分布状况,以及支护后围岩的应力分布和位移进行分析。(3)本文用ANSYS软件模拟隧道在不同的围岩条件下(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩)开挖后选取不同的支护结构(不同喷混厚度、仰拱的设置与否等)时,围岩的应力分布和拱顶沉降,并将模拟数据于实测数据对比分析模拟数据的正确性。(4)本文分析了初期支护和二次衬砌在采用不同的荷载分担比时,围岩的应力分布以及二次衬砌的受力情况。通过以上几个方面的研究得出了在不同围岩条件下小净距隧道的合理支护参数;仰拱的施设将使隧道结构的承载力提高10%左右,仰拱的设置可以改善围岩的受力状态有效减小拉应力,仰拱的设置可使隧道拱顶沉降位移减小40%左右,仰拱的施设可使隧道周边围岩的塑性区深度减小等重要结论。从本质上分析了载荷分担问题产生的根源是围岩载荷释放问题,通过对隧道开挖的对围岩载荷释放问题进行了深入的研究,得出Ⅴ级围岩的恶劣地质条件下要尽早施作二次衬砌,使二次衬砌承担较大的荷载以减小初期柔性支护的变形。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文依托隧道工程概况
• 1.3.1 工程概况
• 1.3.2 工程地质与水文地质
• 1.3.3 隧道支护结构设计概括
• 1.4 主要研究内容与技术路线
• 第2章 隧道围岩稳定性影响因素研究
• 2.1 隧道围岩稳定性影响因素分析
• 2.1.1 地质因素
• 2.1.2 人为因素
• 2.2 自重应力场下的围岩稳定性分析
• 2.3 构造应力条件下的围岩稳定性分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 隧道施工力学研究
• 3.1 隧道开挖后围岩应力分析
• 3.1.1 隧道开挖后的弹性二次应力解
• 3.1.2 隧道开挖后的塑性二次应力解
• 3.2 围岩支护后的应力分析
• 3.3 隧道结构稳定性判别原理
• 第4章 小净距隧道有限元模型计算及分析
• 4.1 有限元的理论基础
• 4.2 有限元的分析过程
• 4.3 有限元计算模型的建立及计算工况
• 4.3.1 ANSYS模拟单元的选择
• 4.3.2 有限元计算模型参数
• 4.3.3 计算模型本构关系
• 4.3.4 边界条件的选择
• 4.3.5 初始地应力的模拟
• 4.3.6 开挖和支护过程的模拟
• 4.4 小净距隧道围岩稳定性与受力特征分析
• 4.4.1 计算模型和工况的确定
• 4.4.2 计算结果分析
• 4.4.2.1 拱顶位移分析
• 4.4.2.2 围岩应力分析
• 4.4.2.3 围岩应变分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 隧道支护结构分析
• 5.1 新奥法及其支护原理
• 5.1.1 新奥法
• 5.1.2 新奥法的支护原理
• 5.2 初期支护的研究
• 5.2.1 锚杆支受力分析
• 5.2.2 喷射混凝土层受力分析
• 5.3 二次衬砌受力分析
• 5.4 仰拱设置的研究
• 5.4.1 仰拱的数值模拟
• 5.4.2 仿真结果与监测数据对比分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 总论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文