地铁车站浅埋暗挖大跨度隧道拆撑施工数值模拟研究

摘要

地铁车站浅埋暗挖大跨隧道的主要施工技术虽然已经比较成熟，但是对各种施工技术施工过程中的力学机理探讨，仍处于较低水平，各种施工方法由于没有可靠的理论支持，在施工和设计上不能得到更深层次优化和提高；一些新的施工方法和施工技术没有得到力学层面上的证明和解释。 为了迎接2010年亚运会的召开，广州城市轨道交通建设目前正处于前所未有的高潮时期。广州地铁区庄站位于环市东路和农林下路交叉路口处，为五号线和六号线的换乘站，采用浅埋暗挖法施工。为了深入系统地研究该工程设计与施工过程中所面临的一系列技术难题，以期取得浅埋暗挖三拱大跨地铁车站配套设计与施工技术，并将研究成果直接应用指导于该工程的施工全过程，并对浅埋暗挖大跨地铁车站施工综合技术进行总结和提升，为今后类似工程拓宽思路，提供可资借鉴的实例。广州地铁总公司提出了“地铁大跨度（三连拱）暗挖车站设计与施工技术研究”研究课题，本论文研究是该课题的研究内容之一。 采用浅埋暗挖法修建的大跨复合式衬砌隧道结构，初期支护受力较为不利的工况是分段拆除初期支护的临时支护结构、修筑二衬的过程。本论文研究以广州地铁区庄站六号线车站南端双层结构隧道为例，采用“荷载-结构”计算模型，使用大型通用有限元软件ANSYS，利用增量法，通过三维数值模拟跟踪，研究初期支护的临时支护结构拆除过程中初期支护结构内力变化及初期支护、二次衬砌内力转换规律：确定合理的临时初期支护纵向拆除方法，为工程实践提供理论指导；通过分析广州地铁区庄站隧道衬砌结构安全系数，确定浅埋暗挖大跨隧道各施工阶段的安全状态；并按随机有限元的基本原理，利用蒙特卡罗方法对车站隧道衬砌的可靠度进行了分析，并将安全系数与可靠指标进行比较。本研究内容对浅埋暗挖大跨隧道的设计与施工均具有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2浅埋暗挖大跨隧道的研究动态及发展趋势

1.2.1大跨隧道的定义及其力学特性

1.2.2国内外浅埋暗挖大跨隧道工程实例

1.2.3国内外大跨隧道的研究现状

1.3主要研究内容

第二章隧道覆土压力荷载确定方法研究及衬砌结构强度检算方法

2.1概述

2.2常用的地层压力理论和公式

2.2.1应力传递原理计算隧道荷载

2.2.2太沙基(Terzaghi)理论计算隧道荷载

2.2.3普氏理论计算隧道荷载

2.2.4谢家烋公式

2.2.5比尔鲍曼公式

2.3以上各种荷载计算公式的比较及存在的问题

2.4隧道地层荷载计算表达式

2.5衬砌结构强度检算方法

2.5.1容许应力法

2.5.2破损阶段法

2.5.3极限状态法

2.6本章小结

第三章隧道荷载结构法计算原理及模拟技术

3.1概述

3.2荷载结构法计算原理

3.2.1基本未知量与基本方程

3.2.2单元刚度矩阵

3.2.3地层抗力的作用模式

3.3有限元数值分析过程

3.4 ANSYS有限元程序简介

3.4.1 ANSYS的基本特征

3.4.2通用有限元分析软件ANSYS的特点

3.4.3浅埋暗挖大跨隧道施作过程ANSYS模拟技术

3.4.4增量有限元法

3.5地铁车站拆撑二衬施作过程模拟ANSYS中的实现

3.5.1临时支撑拆除与二次衬砌施作的实现

3.5.2连续拆撑与施作的实现

3.6本章小结

第四章 广州地铁区庄站临时初期支护拆除及二次衬砌施工三维数值模拟分析

4.1工程概况

4.2数值模拟三维模型建立

4.2.1计算模型假定

4.2.2计算模型及物理力学参数的选取

4.2 ANSYS计算分析结果汇总

4.2.1步序1：中洞仰拱二次衬砌施作完毕

4.2.2步序2：钢管柱施作

4.2.3步序3：中洞拱顶顶粱施作

4.2.4步序4：中洞拱顶二次衬砌合拢

4.2.5步序5：中洞中板及中纵梁施作

4.2.6步序6：侧洞仰拱二次衬砌施作

4.2.7步序7：左侧洞二次衬砌及楼板施作

4.2.8步序8：右侧洞二次衬砌及中板施作

4.2.9步序9：侧洞拱顶二次衬砌施作

4.3计算结果分析

4.3.1位移分布特征

4.3.2内力分布特征

第五章结构可靠度分析基本理论

5.1结构可靠度分析基本原理

5.1.1结构的可靠度

5.1.2结构功能函数的R-S模型

5.2可靠指标的计算方法

5.2.1中心点法

5.2.2非正态变量的等效正态化(JC法)

5.2.3分位值法

5.2.4蒙特卡罗法

5.2.5响应面法

第六章 隧道衬砌结构安全系数与可靠度的对比分析

6.1隧道衬砌结构安全系数复核

6.1.1截面强度检算方法

6.1.2衬砌结构安全度检算

6.2隧道衬砌结构可靠指标分析

6.2.1极限状态方程

6.2.2大跨隧道衬砌结构可靠指标在ANSYS上的实现

6.3安全系数与可靠指标的关系

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢