大断面黄土隧道的扁平率及复合式衬砌受力研究

摘要

隧道和地下工程的开挖是一个在时间和空间上不断变化的过程，而且施工难度大，造价高。近年来，随着我国经济的快速增长，城市地面公路的交通运输能力已远远不能满足人们的出行要求，交通拥堵现象是一个亟待解决的问题。地上发展已经饱和，需将眼光转向地下，公路隧道等轨道交通的兴盛为解决此问题提供了有力手段。再者，城市的快速发展对公路等级提出了更高的要求，前期城市基础建设投入的不足、超前意识的缺乏严重制约着城市的进一步发展，因此，眼光要长远，不能用静止的观点规划城市建设，重复投资是一种浪费，修建大跨度公路隧道体现了时代的要求。
　　 本文以兰州北环路九州隧道为依托，利用有限元分析软件MIDAS-GTS，建立弹塑性模型。首先研究大断面隧道不同围岩级别下，既能保持横断面受力稳定，又能节约工程造价的最优扁平率，其次分析复合式衬砌结构的受力特性。研究思想及得出的结论如下:
　　 (1)在研究最优扁平率时，鉴于九州隧道开挖时穿越了不同的地质层，取代表性的三组围岩及三组扁平率，组合出九种不同的围岩、断面;取断面上的标志点:拱顶、左右拱肩、左右拱角，将标志点的锚杆轴力、喷混轴力、喷混弯矩、衬砌位移作为评价指标，来评价围岩、扁平率组合下，既能维持断面受力稳定，又能节约经济的最优断面。分析发现，Ⅲ类围岩，0.588的扁平率;及Ⅳ、V类围岩中0.625的扁平率是满足上述要求的最优断面。
　　 (2)在研究复合式衬砌的力学特性时，根据《公路隧道设计规范》，九州隧道Ⅳ类围岩段中二次衬砌是承受荷载，为研究二次衬砌对结构整体稳定起到了怎样的有利作用;增加衬砌厚度是否就一定能保证结构稳定等问题，选取九州隧道Ⅳ类围岩段进行分析，取4组不同的二衬厚度:30cm、40cm、50cm，60cm、70cm，来研究二衬厚度变化引起结构整体受力的变化情况，仍然以标志点作为考察点，“窥一叶而知秋”。研究结果发现，衬砌的强度安全系数并非单纯的随着衬砌厚度的增加而增加，当厚度过大时，反而会按抗拉强度控制承载，由于混凝土的抗拉强度远远小于抗压强度，这种做法既不经济也不安全。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 大断面公路隧道研究现状综述

1．2．1 大断面公路隧道的发展史

1．2．2 大断面公路隧道设计现状

1．2．3 大断面公路隧道施工工法现状

1．2．4 大断面公路隧道数值分析方法现状

1．3 本文研究的主要内容和方法

第2章 隧道的围岩压力及其计算方法

2．1 隧道的围岩压力

2．2 围岩压力的计算方法

2．2．1 深埋隧道围岩压力的确定

2．2．2 浅埋隧道围岩压力的确定

2．2．3 偏压隧道围岩压力的确定

第3章 隧道结构计算的理论与方法

3．1 荷载—结构模式

3．2 围岩-支护共同作用的计算模式

3．3 经验类比模式

3．4 隧道衬砌上的荷载类型及其组合

第4章 地下结构的有限元与MIDAS-GTS软件介绍

4．1 有限单元法的基本思想

4．2 隧道围岩弹塑性有限元法

4．2．1 岩土材料弹塑性本构关系

4．2．2 隧道围岩弹塑性有限元静力分析的方法和步骤

4．3 MIDAS／GTS(岩土和隧道结构专用分析系统)简介

4．3．1 简介

4．3．2 适用范围

4．3．3 特点

第5章 大断面黄土隧道扁平率研究

5．1 依托工程概况

5．1．1 依托工程的地质条件及地形地貌

5．1．2 隧道设计概况

5．1．3 隧道各级围岩的施工方法

5．2 数值模型的建立

5．2．1 计算模型及参数

5．2．2 模拟施工阶段

5．2．3 结果分析

5．2．4 得出的结论

第6章 大断面黄土隧道复合式衬砌力学特性研究

6．1 问题所在及研究方针

6．2 建立数值模型

6．2．1 模型参数

6．2．2 模拟过程

6．2．3 得出的结论

6．2．4 安全系数的计算

结论与建议

结论

建议

参考文献

致谢

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