公路隧道开挖尺寸与支护措施优化研究

摘要

随着我国经济的迅速发展，公路隧道工程越来越多，隧道的形式、地质、水文、环境等条件的复杂多变，出现了风险事故更加多样，安全问题越发突出的情况，同时，在隧道的开挖施工及支护问题上，虽然依照新奥法，但施工过程中开挖的尺寸、支护的措施存在着不合理、不安全、不经济等问题。合理的施工开挖尺寸的确定和支护手段的优化是目前隧道工程施工急需研究的一个方面。
　　本文以两车道四级围岩的公路隧道为研究对象，运用ANSYS有限元软件来模拟分析，计算出不同施工设计参数时的应力位移变化，分析围岩轴力弯矩、弹性抗力区、脱离区、应力应变关系等，对隧道开挖设计参数不同时的稳定性以及确定开挖尺寸时的有效支护问题进行了研究分析。主要工作如下:
　　①运用弹塑性理论，研究分析了隧道初始地应力状态、开挖后的受力状态以及支护后的内力变化规律，对模型建立的几个影响因素进行了总结分析，确立了数值模拟参数的选取;
　　②通过对隧道的开挖模拟，分析结构的应力位移变化情况，确定不同开挖尺寸时的结构稳定性系数，进而来确定一种合理的开挖尺寸设计;
　　③运用ANSYS有限元分析软件，对工程施工进行精确适用的数值模拟分析，采用D-P理论，分析台阶法开挖时，不同的上台阶开挖高度情况下的结构稳定性及应力应变位移，通过对隧道抗力区、脱离区的分析，优化比选出较为合理的开挖设计;
　　④对上台阶开挖高度为4m的开挖方案进行分析，根据围岩压力状态和抗力区、脱离区范围，对脱离区进行局部支护，施加一个支护抗力，通过改变支护抗力、泊松比、弹性模量的大小，计算不同情况下的安全系数，对围岩的支护要求进行合理的区间分析，得出较为安全的支护设计，改善围岩的应力情况。为隧道施工提供更好的设计依据和技术支持，保证工程的安全顺利进行。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出及研究的意义

1．2 国内外隧道开挖与支护研究现状

1．2．1 隧道开挖与支护方法研究现状

1．2．2 隧道开挖与支护数值分析现状

1．3 本文研究的主要方法以及内容

第2章 隧道开挖的力学特性和参数选取

2．1 有限元法概述

2．2 隧道开挖引起的围岩应力变化

2．2．1 围岩的天然应力状态

2．2．2 围岩开挖应力重分布状态

2．2．3 支护后围岩的应力状态

2．3 岩土材料特性和本构模型的选取

2．3．1 岩土体的材料特性

2．3．2 本构模型的选取

2．4 隧道工程数值模拟的影响因素

2．4．1 摩擦系数稳定性的影响

2．4．2 衬砌厚度对稳定性的影响

2．4．3 侧压力系数对稳定性的影响

2．4．4 开挖尺寸的影响

2．5 围岩分级和参数的选取

2．5．1 公路隧道围岩分级情况

2．5．2 本文物理力学参数的选取

2．6 本章小结

第三章 隧道不同开挖尺寸的数值分析

3．1 隧道开挖尺寸的确定方法

3．2 建立模型

3．2．1 模型单元类型的选择

3．2．2 边界条件

3．2．3 模型的建立

3．2．4 模型基本假定

3．3 弹性抗力的确定

3．4 不同开挖尺寸的模拟分析

3．3．1 围岩位移的数值分析

3．3．2 围岩应力的数值分析

3．3．3 围岩的内力分析

3．3．4 围岩结构偏心距

3．3．5 围岩内力的计算

3．4 本章小结

第四章 隧道支护优化分析

4．1 支护设计和数值模拟参数的确定

4．2 结构截面抗压抗拉安全系数

4．3 不同支护设计的计算分析

4．3．1 泊松比为0．30时的内力计算

4．3．2 泊松比为0．35时的内力计算

4．3．3 弹性模量为1．5GPa时的内力计算

4．3．4 弹性模量为6GPa时的内力计算

4．3．5 泊松比为0．30，弹性模量为6GPa时的内力计算

4．3．6 泊松比为0．35，弹性模量为1．5GPa时的内力计算

4．4 支护抗力优化确定

4．4 本章小结

第五章 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果