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岩溶地区地铁隧道稳定性的数值模拟分析

作　者: 易介民
导　师: 潘健
学　校: 华南理工大学
专　业: 岩土工程
关键词: 岩溶地铁隧道围岩衬砌管片变化规律数值模拟分析
分类号: U451
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,随着城市地铁建设规模不断加大,在岩溶区修建地铁隧道已不鲜见,岩溶地区隧道稳定性问题也已成为工程建设中的突出问题,要顺利地进行工程建设,就必须解决岩溶对工程的影响及工程诱发的地质灾害问题。因此,研究岩溶区溶洞和土洞对地铁隧道稳定性的影响就显得尤为重要。目前,人们对岩溶区地铁隧道的研究,往往出于某个工程实际的需要,研究也就局限于这一工程的实际情况,对岩溶对地铁隧道稳定性的影响这一课题缺乏系统的研究。本人在阅读和整理国内外学者、专家和工程技术人员在岩溶地铁隧道研究领域的研究成果及文献资料的基础上,论文借助三维有限元软件MIDAS/GTS,建立三维有限元模型,对地铁隧道周边不同直径大小、不同位置的溶洞和土洞对地铁隧道稳定性的影响进行了专门的研究。(1)论文分析了在地铁隧道顶部、侧部存在隐伏土洞以及在隧道底部存在隐伏溶洞时,隧道围岩的变形特征以及衬砌结构的应力变化情况,并与隧道周边无溶洞和土洞时的情况进行比较。结果表明:在地铁隧道周边存在隐伏溶洞或土洞时,会使隧道衬砌结构有整体向溶洞、土洞侧移动的趋势,从而明显地改变了随道周边位移场的分布,同时,会增大衬砌结构上的应力水平和增加衬砌结构上的弯矩内力。(2)改变隧道周边溶洞和土洞的直径、与隧道间的径距,对隧道周边不同位置、不同大小的溶洞和土洞进行数值模拟,得到了不同直径大小、不同洞边距的溶洞、土洞存在的条件下衬砌结构的内力和隧道围岩的变形的变化规律。(3)在数值分析的基础上,对不同大小、不同位置隐伏溶洞和土洞引起隧道位移变化规律的内在机理进行了分析。论文认为:一方面,地铁隧道周边隐伏溶洞或土洞的存在,使隧道溶洞、土洞侧的岩体变形刚度降低,相当于围岩对隧道的约束变弱,隧道有向溶洞、土洞侧移动的趋势,从而使隧道周边位移场的分布发生改变;另一方面,在隧道顶部、底部存在隐伏溶洞或土洞时,相当于增加了隧道的高度,隧道岩土体水平向变形刚度减小,引起隧道水平位移增加,在隧道侧部存在水平隐伏土洞时,相当于增加了隧道的跨度,根据隧道力学理论,此时隧道垂直于跨度方向的位移将增加,而平行于跨度方向的位移将减小。以上两种因素导致隧道周边位移场的分布产生了明显的变化。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-18
  1.1 研究的意义和目的  12-13
    1.1.1 研究的意义  12-13
    1.1.2 研究的目的  13
  1.2 国内外研究现状  13-16
    1.2.1 岩溶隧道工程地质勘查研究  14
    1.2.2 地下结构工程数值分析研究现状与水平  14-16
  1.3 本文的主要研究思路和内容  16-18
    1.3.1 本文的主要研究思路  16
    1.3.2 本文的主要研究内容  16-18
第二章岩溶对地铁隧道的影响  18-33
  2.1 岩溶区溶洞的发育机制分析  18-23
    2.1.1 碳酸盐岩的溶解作用  18
    2.1.2 热液活动的岩溶作用  18-19
    2.1.3 地质构造与溶洞的发育  19-21
    2.1.4 溶洞发育的影响因素  21-23
  2.2 岩溶区土洞的发育机制分析[38]  23-26
    2.2.1 潜蚀作用对土洞发育的影响  23-24
    2.2.2 崩解作用对土洞发育的影响  24-25
    2.2.3 真空吸蚀作用对土洞发育的影响  25-26
  2.3 岩溶区地铁隧道的勘察技术  26-29
    2.3.1 工程地质测绘技术  26-27
    2.3.2 工程地质钻探技术  27
    2.3.3 地球物理勘探技术  27-28
    2.3.4 测试与观测技术  28
    2.3.5 岩溶场地的地质超前预报技术  28-29
  2.4 岩溶对地铁隧道的影响  29-31
    2.4.1 地铁隧道岩溶风险分析  30
    2.4.2 岩溶对地铁隧道的危害  30-31
  2.5 本章小结  31-33
第三章盾构隧道分析的理论基础  33-49
  3.1 盾构隧道衬砌结构计算方法  33-36
    3.1.1 (修正)惯用法  33-34
    3.1.2 多铰圆环法  34-35
    3.1.3 梁——弹簧模型法  35-36
  3.2 有限元法的基本理论  36-41
    3.2.1 屈服条件  37-39
    3.2.2 硬化定律[65]  39
    3.2.3 流动法则[65]  39-40
    3.2.4 加载和卸载准则[65]  40-41
  3.3 有限元仿真分析  41-46
    3.3.1 相邻孔洞相互影响下的围岩应力分析  41
    3.3.2 有限元分析软件简介  41-42
    3.3.3 围岩弹塑性分析所采用的本构关系  42-45
    3.3.4 模拟单元的选择  45-46
  3.4 计算模型与计算参数的选择  46-48
    3.4.1 计算模型的建立  46-48
    3.4.2 计算参数的选择  48
    3.4.3 施工步骤  48
  3.5 本章小结  48-49
第四章顶土洞对地铁隧道稳定性影响的数值分析  49-63
  4.1 顶土洞对圆形隧道的影响  49-53
    4.1.1 实体应力场分析  49-50
    4.1.2 位移场分析  50-51
    4.1.3 衬砌应力场分析  51-52
    4.1.4 衬砌管片纵向弯矩分析  52-53
  4.2 顶土洞与隧道洞边距的变化对圆形隧道的影响  53-57
    4.2.1 地表沉降的分析  53-54
    4.2.2 隧道位移的分析  54-55
    4.2.3 衬砌应力场的分析  55-56
    4.2.4 衬砌管片内力弯矩的分析  56-57
  4.3 顶土洞大小的变化对圆形隧道的影响  57-62
    4.3.1 地表沉降的分析  57-58
    4.3.2 隧道位移的分析  58-60
    4.3.3 衬砌应力场的分析  60-61
    4.3.4 衬砌管片内力弯矩的分析  61-62
  4.4 本章小结  62-63
第五章侧土洞对地铁隧道稳定性影响的数值分析  63-77
  5.1 侧土洞对圆形隧道的影响  63-67
    5.1.1 实体应力场分析  63-64
    5.1.2 位移场分析  64-65
    5.1.3 衬砌应力场分析  65-66
    5.1.4 衬砌管片纵向弯矩分析  66-67
  5.2 侧土洞与隧道洞边距的变化对圆形隧道的影响  67-71
    5.2.1 地表沉降的分析  67
    5.2.2 隧道位移的分析  67-69
    5.2.3 衬砌应力场的分析  69-70
    5.2.4 衬砌管片内力弯矩的分析  70-71
  5.3 侧土洞大小的变化对圆形隧道的影响  71-76
    5.3.1 地表沉降的分析  71-72
    5.3.2 隧道位移的分析  72-74
    5.3.3 衬砌应力场的分析  74-75
    5.3.4 衬砌管片内力弯矩的分析  75-76
  5.4 本章小结  76-77
第六章底溶洞对地铁隧道稳定性影响的数值分析  77-89
  6.1 底溶洞对圆形隧道的影响  77-81
    6.1.1 实体应力场分析  77-78
    6.1.2 位移场分析  78-79
    6.1.3 衬砌应力场分析  79-80
    6.1.4 衬砌管片纵向弯矩的分析  80-81
  6.2 底溶洞与隧道洞边距的变化对圆形隧道的影响  81-85
    6.2.1 地表沉降的分析  81
    6.2.2 隧道位移的分析  81-83
    6.2.3 衬砌应力场的分析  83-84
    6.2.4 衬砌管片内力弯矩的分析  84-85
  6.3 底溶洞大小的变化对圆形隧道的影响  85-88
    6.3.1 地表沉降的分析  85
    6.3.2 隧道位移的分析  85-87
    6.3.3 衬砌应力场的分析  87
    6.3.4 衬砌管片内力弯矩的分析  87-88
  6.4 本章小结  88-89
结论与展望  89-91
  结论  89-90
  展望  90-91
参考文献  91-95
攻读硕士学位期间取得的研究成果  95-96
致谢  96-97
附件  97

岩溶地区地铁隧道稳定性的数值模拟分析

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