隧道逃生用波纹钢管力学性能分析及应用研究

摘要

大断面隧道主要是指隧道开挖面积在100～140m2，因为隧道在开挖过程中跨度较大，形状偏于扁平，在施工过程中表现出独有的力学特点，主要表现是隧道在开挖过程中应力集中程度大，是普通隧道的1.5～2倍[1];隧道底脚处应力集中过大，要求围岩能有较高的地基承载力;拱顶在施工过程中容易发生坍塌;由于开挖跨度大，围岩塌落高度大，要求上覆围岩成拱厚度较大，浅埋条件下无法形成承载拱，将会导致很大的围岩松动压力[2]。综上所述，在进行大断面隧道施工过程中，极易产生隧道坍塌现象。就目前国内外大断面隧道施工情况看，主要采用新奥法施工，其对围岩扰动较小，施工较为安全。
　　(1)从隧道施工情况上来看，隧道塌方仍然是阻碍隧道安全施工的重要影响因素，隧道施工塌方是公路、铁路、城市地铁工程建设的重大风险之一，由此引发的重特大伤亡事故屡见报端。随着交通基础设施建设规模的加大，此类事故发生的频率逐年增加，隧道塌方风险威胁越发严重，据不完全统计，关门塌方约占1/3以上。根据国家有关部门下发《隧道施工安全九条规定》的要求，隧道施工必须设置逃生通道，当前我国部分施工现场采用直径为0.8m厚度为6～10mm的圆管作为逃生管道，由于在实际使用过程中存在诸多弊端，本文主要介绍使用波纹钢管作为逃生管道的力学性能及推广应用研究，希望能够完善我国的隧道逃生管道施工技术，为隧道施工提供安全保障。
　　(2)本文通过对波纹钢管做动态冲击模拟以及静态有限元对比分析，收集国内外有关岩石冲击压力研究。根据Hertz接触力学理论，考虑钢材结构的弹塑性特性，推导材料塑性的接触压力计算公式。
　　(3)根据目前国内采用隧道逃生管道使用情况，结合隧道逃生圆管在隧道施工过程中的经验及实践，分析总结出适合我国隧道逃生使用波纹钢管的施工工艺，并且编写了相应的施工指南。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．1．1 我国隧道发展情况

1．1．2 隧道塌方成为隧道施工中威胁人员、设备安全的主要因素

1．1．3 隧道关门塌方的逃生方法及面临的问题

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状及发展动态

1．3 研究目的意义及实用价值

1．4 主要研究内容与方法

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 主要研究的方法及技术路线

第二章 大断面隧道塌方波纹钢管使用研究

2．1 大断面隧道塌方研究背景

2．2 隧道“关门”塌方成因

2．3 隧道塌方机理及过程

2．3．1 隧道塌方机理

2．3．2 隧道塌方的过程

2．4 波纹钢管使用位置布设

2．4．1 我国隧道逃生管道选择

2．4．2 隧道逃生管道布设位置

2．5 本章小结

第三章 隧道逃生波纹钢管动态有限元模拟分析

3．1 动态有限元理论

3．2 有限元模拟分析

3．2．1 创建模型

3．2．2 单元类型及参数选取

3．2．3 网格划分

3．2．4 边界条件

3．2．5 基本假定

3．2．6 荷载条件

3．2．7 有限元方法的耦合应用

3．3 动态有限元模型分析结果

3．3．1 不同厚度有垫层波纹钢管撞击有限元分析

3．3．2 不同厚度梁架空模型波纹钢管撞击有限元分析

3．3．3 不同厚度有垫层圆管撞击有限元分析

3．3．4 不同厚度梁架空模型圆管撞击有限元分析

3．4 不同工况条件下逃生管道有限元模拟对比分析

3．4．1 有限元动态模拟结果对比分析

3．4．2 有限元动静态模拟结果对比分析

3．5 本章小结

第四章 大断面隧道塌方逃生管道落石冲击力计算

4．1 冲击力计算模型以及公式研究

4．1．1 冲量-动量模型

4．1．2 落石冲击力计算公式研究

4．2 Hertz接触力学

4．3 Hertz接触应力的弹塑性修正

4．4 落石对逃生管道的非弹性冲击

4．5 算例及分析

4．6 理论计算结果与仿真结果对比分析

4．7 本章小结

第五章 波纹钢管逃生管道施工技术指南

5．1 隧道逃生管道选择

5．2 材料与设备

5．2．1 材料

5．2．2 设备

5．3 施工工艺

5．3．1 施工工艺流程

5．4 施工关键技术及要求

5．4．1 施工控制技术

5．4．2 施工准备

5．5 隧道逃生管道的安装原则

5．6 本章小结

第六章 主要结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

致谢

参考文献

硕士阶段发表的论文以及学术成果