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隧道穿越倾斜砂卵石围岩施工过程的数值分析

作　者: 任小惠
导　师: 巨建民
学　校: 大连交通大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 砂卵石层地铁隧道数值模拟超前小导管锚杆
分类号: U455.49
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

我国轨道交通系统进入了一个快速发展时期,地铁以其大运量、快速准点、舒适安全、节省土地、减少污染等特点给日常出行、居住和生活带来诸多好处,迅速成为一种现代化的城市交通工具。随着地铁隧道建设的全面展开,各种复杂的地质问题,如穿越溶洞、高强度花岗岩、淤泥质土、砂卵石层等,有的还伴随着地下水位高、水量大,成为人们亟待解决的问题之一。砂卵石层结构松散、分布不均,具有强烈的离散特性。目前人们研究使用盾构法和浅埋暗挖法平穿或全部穿过隧道砂卵石层。对于隧道穿越倾斜砂卵石层的开挖研究还不成熟,甚至没有现成的经验借鉴。论文基于某地铁隧道工程实例,针对隧道穿越倾斜砂卵石开挖过程中围岩的稳定性、预支护措施、开挖方式及隧道穿越倾斜卵石层产生塌方的原因,运用有限元方法进行了研究。论文首先阐述了本次研究所采用的理论与方法,例如围岩材料的本构关系及超前小导管、钢拱架、锚杆和喷射混凝土的作用机理和施工要点。然后建立了隧道穿越倾斜砂卵石层的三维模型,在该模型中钢拱架和锚杆结构采用弹性材料模拟,超前小导管、围岩和喷射混凝土结构采用D—P材料模拟,边界条件采用位移约束边界。应用全断面法模拟了隧道在有和无超前小导管支护两种工况下及在超前小导管作用下,有和无锚杆工况下的开挖过程,最后用上下台阶法模拟了隧道的开挖过程,对比分析了各个工况下隧道围岩产生的位移场、应力场、塑性区及支护结构的受力变化规律。综合各种模拟工况下的隧道开挖过程,分析了隧道穿越倾斜砂卵石层产生塌方的原因。通过本次研究可以得出,超前小导管可以有效控制围岩的应力和塑性区,在隧道开挖过程中起着重要作用。分析了3.5m长锚杆的加固作用,结果证明隧道围岩的应力比无锚杆情况下应力稍小,但变化不大。另外,比较分析了全断面法与台阶法开挖的结果,可以看出,应用全断面法开挖比台阶法开挖引起的围岩的应力稍小。所以建议在此情况下应尽量使用全断面法开挖。这样不但可以减少对围岩的扰动还可以提高施工速度。超前小导管和初期喷射混凝土可以有效减少隧道拱顶处的位移。在砂卵石层和弱风化岩层处首先出现塑性区,这是由于两者的刚度相差比较大引起的。通过模拟可以看出,隧道产生塌方的原因可能是砂卵石层结构松散、分布不均,整体强度及粘聚力低引起的。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-17
  1.1 研究背景和意义  10-11
  1.2 国内外的研究现状  11-13
    1.2.1 砂卵石层开挖方法研究及施工对策  11-12
    1.2.2 隧道产生塌方的类型和研究方法  12-13
    1.2.3 砂卵石层隧道塌方处理方案研究  13
  1.3 研究对象及依托的工程背景  13-15
    1.3.1 工程地质  14-15
    1.3.2 水文地质  15
  1.4 主要研究内容和方法  15-16
  本章小结  16-17
第二章地铁隧道浅埋暗挖法概述  17-25
  2.1 地铁隧道结构的主要设计理论和方法  17-18
  2.2 浅埋地下结构施工方法  18-22
  2.3 浅埋暗挖法的基本原理  22
  2.4 隧道围岩稳定性的影响因素  22-24
    2.4.1 地质因素  22-23
    2.4.2 人为因素  23-24
  本章小结  24-25
第三章地铁隧道有限元模型的建立及支护机理分析  25-38
  3.1 隧道有限元模型的建立  25-34
    3.1.1 计算模型对象  25
    3.1.2 单元类型的选择与应用  25-27
    3.1.3 围岩的本构关系与强度理论  27-32
    3.1.4 模型参数的选取  32
    3.1.5 有限元模型的建立  32-34
  3.2 地铁隧道支护机理分析  34-37
    3.2.1 超前小导管支护作用机理及施工要点  34-36
    3.2.2 锚杆支护作用机理及施工要点  36
    3.2.3 钢拱架的作用机理  36-37
    3.2.4 喷射混凝土作用机理  37
  本章小结  37-38
第四章初期支护在隧道开挖中的作用及其影响  38-64
  4.1 全断面法开挖模拟步骤  38
  4.2 Ⅰ和Ⅱ两种工况随开挖面掘进数值结果的变化规律  38-50
    4.2.1 隧道围岩位移场分析  38-40
    4.2.2 隧道围岩地表沉降分析  40-42
    4.2.3 隧道围岩应力场分析  42-47
    4.2.4 钢拱架受力变化规律  47-49
    4.2.5 塑性区分析  49-50
  4.3 Ⅱ和Ⅲ两种工况随开挖面掘进数值结果的变化规律  50-63
    4.3.1 隧道围岩位移场分析  50
    4.3.2 隧道围岩应力场分析  50-61
    4.3.3 钢拱架受力变化规律  61-63
  本章小结  63-64
第五章开挖工法对隧道围岩及支护稳定性的分析  64-77
  5.1 台阶法开挖模拟步骤  64-65
  5.2 两种开挖工法数值模拟结果变化规律  65-76
    5.2.1 隧道围岩位移场分析  65-67
    5.2.2 隧道围岩应力场分析  67-74
    5.2.3 钢拱架受力变化规律  74-76
  5.3 隧道穿越倾斜砂卵石层围岩塌方原因分析  76
  本章小结  76-77
第六章结论与展望  77-79
  6.1 论文结论  77
  6.2 论文主要创新点  77-78
  6.3 展望  78-79
参考文献  79-83
攻读硕士期间发表的学术论文  83-84
致谢  84

隧道穿越倾斜砂卵石围岩施工过程的数值分析

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