浅埋偏压隧道洞口段施工力学效应研究

摘要

我国地大物博，西南地区崇山峻岭，贵州地处云贵高原，地形地貌各异，地质情况复杂，有喀斯特地貌、断层等情况。我国国力的提升，科技创新的进步，我国对公路事业发展的脚步逐渐加快，截止2018年底，我国公路总里程共484.65万km，公路隧道17738处，公路隧道总里程共计1723.61万m。本文依托工程分析了浅埋偏压隧道洞口处的施工力学效应，隧道进、出口段的建设通常处在浅埋偏压地段，隧道覆盖层厚度比较薄，并由于地表倾斜形成偏压现象，为了解围岩、隧道支护结构等在开挖中的受力特性，及其规律，特此分析研究。依托工程隧道采用台阶法进行施工，并应用有限元软件ANSYS模拟洞口段的开挖，分析围岩及隧道支护结构的变形规律及力学效应，并对隧道支护结构的参数进行了优化分析研究，主要内容如下： (1)对实际监控量测的原始数据进行处理分析，并基于分数阶拓展算子GM(1,1)灰色预测模型，应用MATLAB计算分析该模型，对原始数据处理分析，通过误差检验公式对模拟值和实际值进行对比，分析隧道位移变化的情况，可有效指导施工； (2)依托实际工程，对其建立浅埋偏压隧道洞口段采用台阶法施工的开挖支护有限元分析三维模型，并从模型中提取围岩的周边的节点，计算分析围岩的抗剪安全系数。分析围岩的应力及塑性区变化规律。 (3)对锚杆、支护结构及其管棚进行受力分析，从锚杆和支护结构受力这状态判断隧道偏压影响，此外还可分析管棚的水平位移来判断偏压作用的影响。 (4)通过改变喷射混凝土的厚度和钢拱架的几何截面尺寸，建立多个试验模型方案，分析研究支护结构对围岩的变形控制的效果，可以为施工提供相应的依据。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展动态

1.2.1 隧道围岩压力的研究现状

1.2.2 隧道洞口段施工力学效应研究现状

1.2.3 存在问题和发展动态

1.3 本文主要研究内容

第二章 隧道偏压的成因及围岩压力计算

2.1 隧道偏压的判定

2.1.1 规范推荐法

2.1.2 普氏理论法

2.2 隧道偏压形成原因及类型

2.2.1 地形因素

2.2.2 地质因素

2.2.3 施工因素

2.3 隧道偏压的影响因素

2.3.1 地形因素

2.3.2 围岩的完整性

2.3.3 结构面的特性

2.3.4 地下水的影响

2.3.5 人为因素

2.4 偏压下地应力分布特征

2.5 偏压隧道围岩压力计算

2.5.1 地形引起的隧道偏压

2.5.2 地质构造引起的隧道偏压

2.6 本章小结

第三章 浅埋偏压隧道洞口段监控量测成果分析

3.1 依托工程概况

3.1.1 依托工程地质条件

3.1.2 依托工程水文地质条件

3.2 监控量测意义及内容

3.2.1 监控目的和意义

3.2.2 监控量测的内容

3.3 依托工程监控量测成果分析

3.3.1 拱顶沉降分析

3.3.2 周边收敛

3.4 基于分数阶拓展算子GM(1,1)数据处理与分析

3.4.1 分数阶拓展算子GM(1,1)理论

3.4.2 数据处理及分析

3.5 依托工程分析指标

3.5.1 偏压系数

3.5.2 围岩抗剪安全系数

3.5.3 衬砌结构安全系数

3.6 本章小结

第四章 浅埋偏压隧道洞口段施工力学效应有限元模拟分析

4.1 有限元方法基本原理

4.2 有限元软件简介

4.2.1 SHELL63单元及其特性

4.2.2 SOLID45单元及其特性

4.3 模型计算单元及基本假定

4.4 模型基本参数

4.5 岩土体本构关系

4.6 有限元模拟流程图

4.7 本章小结

第五章 浅埋偏压隧道洞口段施工力学效应分析

5.1 围岩力学结果分析

5.2 初期支护结构内力结果分析

5.2.1 喷射混凝土与钢拱架支护结构受力分析

5.2.2 锚杆内力分析

5.3 位移结果分析

5.3.1 围岩位移分析

5.3.2 喷射混凝土与钢拱架支护结构位移分析

5.3.3 管棚位移分析

5.4 本章小结

第六章 浅埋偏压隧道支护参数优化的研究

6.1 喷射混凝土厚度优化分析

6.2 钢拱架支护结构优化分析

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

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