岩体隧道台阶法施工过程模拟分析研究--《山东建筑大学》2011年硕士论文
岩体隧道台阶法施工过程模拟分析研究
【摘要】：本文依托福建省南平市棋盘石隧道设计与施工,结合当前国内外对隧道施工方法的研究现状,应用有限元软件ANSYS,对棋盘石隧道的施工进行了数值模拟,分析研究了棋盘石隧道在不同围岩类别、不同施工方式、不同施工阶段隧道围岩的稳定性和支护结构的内力、位移特征和变化规律。
论文首先利用有限元分析软件ANSYS,采用平面4节点实体线性单元模拟围岩,Beam3单元模拟喷射混凝土,杆单元模拟锚杆,Beam3单元模拟二次衬砌,选取Drucker-Prager屈服准则模拟围岩,建立了棋盘石隧道在不同围岩,不同施工方式,不同施工阶段的平面(应变)有限元计算模型。同时,采用隧道开挖卸载的方法—“反转应力逐步释放法”,利用杀死和激活单元来模拟隧道开挖和支护过程。
论文考虑了岩体的自重应力,忽略其构造应力,模拟计算了不同围岩、不同施工方式、不同阶段条件下的隧道围岩应力和支护结构内力。结果表明：隧道拱腰处,有最大弯矩、剪力和轴力。
(1)无论采取哪种施工方式,一般在拱腰处出现较大应力和内力；在拱顶处有较大竖向位移；随着围岩级别的增大,同一位置隧道围岩的位移变形呈增大趋势。
(2)对三级围岩,采用三台阶法和上下台阶法开挖时围岩应力较均匀,内力也较均匀；三种开挖方式对位移的影响不大；
(3)对四级围岩,采用三台阶法开挖时,围岩和一次衬砌应力较均匀,围岩变形较小；
(4)对五级围岩,采用三台阶法和上下台阶法开挖后,围岩应力和一次衬砌内力相对比较均匀,围岩变形相对较小。
(5)对同一种开挖方式不同级围岩条件下,围岩变形随着围岩条件的改善,变形减小
尽管运用数值计算求解岩土工程问题已经为成为工程设计和施工中稳定性分析的主要依据,但是由于地下有太多的未知数,要确保隧道施工和运营安全,必须加强施工中的信息反馈,并利用反馈的信息对隧道施工进行调整。
【关键词】：
【学位授予单位】：山东建筑大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：U455.4【目录】：
ABSTRACT5-10
第一章 绪论10-16
1.1 隧道工程简介10-11
1.2 国内外研究现状11-14
1.2.1 新奥法理论11-12
1.2.2 施工方法研究现状12-13
1.2.3 数值模拟研究现状13-14
1.4 项目研究的目的与意义14-15
1.5 本文研究的主要内容15-16
第二章 岩体隧道的施工支护方法16-22
2.1 围岩分级16
2.2 岩体隧道施工方法综述16-19
2.2.1 隧道开挖方法分类16-19
2.3 岩体隧道台阶法施工过程19-22
2.3.1 三台阶临时仰拱法19-20
2.3.2 三台阶七步开挖法20-22
第三章 "棋盘石"隧道工程概况22-30
3.1 隧道概况22
3.2 自然地理概况22-23
3.3 隧道工程地质条件23-24
3.3.1 地层岩性23
3.3.2 地质构造23
3.3.3 不良地质与特殊岩土23-24
3.4 水文地质特征24-25
3.5 隧道工程施工方案25
3.5.1 隧道建筑限界及衬砌内轮廓25
3.5.2 隧道衬砌结构设计25
3.6 隧道工程施工25-29
3.6.1 施工方法25-26
3.6.2 隧道变形测量26-29
3.7 本章小结29-30
第四章 隧道有限元计算模型的建立30-44
4.1 有限元的理论基础30-32
4.2 有限元的分析过程32-33
4.3 弹塑性问题的增量有限元理论33-34
4.4 棋盘石隧道台阶法施工的有限元计算模型34-37
4.4.1 单元的选择34-35
4.4.2 计算参数的选择35
4.4.3 物理方程的选择35-36
4.4.4 边界条件36
4.4.5 初始地应力的模拟36
4.4.6 开挖和支护过程的模拟36-37
4.5 棋盘石隧道开挖模拟37-42
4.5.1 模型的建立37-38
4.5.2 围岩受力分析38-39
4.5.3 一次衬砌内力分析39-41
4.5.4 位移分析41-42
4.6 本章小结42-44
第五章 隧道施工中的应力分析44-73
5.1 隧道围岩受力分析44-49
5.1.1 初始地应力44
5.1.2 隧道开挖后应力分析44-46
5.1.3 隧道支护后应力分析46-49
5.2 棋盘石隧道围岩应力的有限元计算49-54
5.2.1 三级围岩应力计算49-52
5.2.2 四级围岩应力计算52-53
5.2.3 五级围岩应力计算53-54
5.3 隧道初期支护后受力分析54-56
5.3.1 三级围岩初期支护后内力计算55
5.3.2 四级围岩初期支护后内力计算55-56
5.3.3 五级围岩初期支护后内力计算56
5.4 围岩与一次衬砌受力计算结果分析56-72
5.4.1 不同隧道开挖方式对同级围岩受力的影响57-61
5.4.2 不同隧道开挖方式对同级围岩一次衬砌受力的影响61-65
5.4.3 同种隧道开挖方式对不同级围岩受力的影响65-68
5.4.4 同种隧道开挖方式对不同级围岩一次衬砌受力的影响68-72
5.5 本章小结72-73
第六章 隧道施工中的围岩位移分析73-84
6.1 位移的稳定性判断依据73-74
6.2 隧道围岩变形的有限元计算74-76
6.2.1 三级围岩位移计算74-75
6.2.2 四级围岩位移计算75-76
6.2.3 五级围岩位移计算76
6.3 围岩变形的计算结果分析76-82
6.3.1 同级围岩不同开挖方式开挖的围岩变形76-79
6.3.2 不同级围岩同种开挖方式开挖的围岩变形79-82
6.4 本章小结82-84
第七章 总结与展望84-85
7.1 主要结论84
7.2 论文的不足及存在的问题84-85
参考文献85-88
攻读硕士期间发表的论文88
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