隧道施工过程数值仿真及支护参数优化研究

摘要

随着隧道工程在我国的广泛建设，隧道施工中暴露出支护参数确定难、初期支护与二次衬砌施作时机选择难等问题。本文以广深港高速铁路大岭山隧道为研究对象，针对隧道施工过程中的支护时机及支护参数优化问题进行了系统的研究。主要研究内容如下： （1）隧道施工过程有限元数值模拟。结合岩土材料的非线性特性，阐述了隧道施工过程计算理论及数值模拟方法。根据有限元建模理论，通过对物理力学参数、计算范围、边界条件、单元类型、材料本构关系及初始地应力的确定，建立了隧道平面几何模型； （2）隧道支护时机优化的研究。阐述了隧洞围岩变形破坏机理及围岩与支护体相互作用的机理，说明了进行支护时机选择的必要性，根据最佳支护时机的物理意义确定了最佳支护时间和最佳支护时段。运用ADINA有限元软件对隧道典型断面的施工过程进行模拟，得出围岩和支护体系在不同围岩释放荷载比例下不同支护时机的力学分布规律及围岩的塑性变形、位移场分布规律，判定了最佳支护时段； （3）隧道衬砌支护强度优化的研究。制定了5个方案对一衬及二衬的混凝土强度进行优化，通过对初次支护、二次衬砌的力学分析，得出合理支护时间下一衬、二衬的混凝土强度优化方案。通过比较合理支护时机时围岩和支护体系的受力分析，确定了最佳支护时间。 研究结果表明：支护越早，衬砌和锚杆承担的荷载越大，围岩的塑性变形和塑性区范围越小。及时施作二次衬砌，可以显著地控制和改善围岩的应力状态。合理的支护时机有利于最大程度的发挥围岩自承载能力，充分调动支护体系的作用，使二次支护系统的抗力降为最低的同时保证支护材料的使用最为合理。研究成果将对同类条件下隧道的施工和设计具有指导意义。

目录

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第一章绪论

1.1引言

1.2隧道支护结构的类型

1.3合理支护时机的提出

1.4支护时机的研究和应用

1.5论文研究内容及技术路线

1.5.1研究内容

1.5.2技术路线

第二章隧道施工过程数值模拟理论及方法

2.1引言

2.2隧道施工过程数值模拟理论

2.2.1开挖(卸荷)模拟

2.2.2施工过程的模拟

2.3隧道工程中常用数值模拟方法

2.4有限元的基本理论

2.4.1有限元的理论基础

2.4.2有限元求解法的基本步骤

2.5 ADINA有限元软件

2.5.1 ADINA处理岩土问题的优势

2.5.2 ADINA单元生死算法

2.6本章小结

第三章 隧道施工过程模拟的有限元模型建立

3.1引言

3.2隧道施工方法

3.2.1全断面法

3.2.2台阶法

3.2.3分部开挖法

3.2.4其它施工方法

3.3工程概况

3.3.1工程地质特征

3.3.2水文地质特征

3.3.3地层岩性

3.3.4施工方案

3.4大岭山隧道工程的有限元模型

3.4.1设计断面和参数选取

3.4.2计算范围的选取

3.4.3边界条件的确定

3.4.4单元类型的选择

3.4.5材料的选取

3.4.6初始地应力

3.5隧道开挖与支护过程的模拟

3.6本章小结

第四章隧道支护时机优化研究

4.1引言

4.2围岩变形的力学机理和支护作用原理

4.2.1围岩变形的力学机理分析

4.2.2围岩与支护结构相互作用原理

4.3支护时机的概念及物理意义

4.3.1支护时机的概念

4.3.2支护时机的物理意义

4.4最佳支护时间和最佳支护时段的确定

4.5计算方案

4.6支护时机优化分析

4.6.1围岩塑性区分析

4.6.2隧道周边位移变化规律分析

4.6.3应力场变化规律分析

4.6.4锚杆受力分析

4.6.5结果优化分析

4.7本章小结

第五章 隧道衬砌混凝土强度优化研究

5.1引言

5.2衬砌支护强度优化分析

5.2.1参数选取

5.2.2隧道支护设计方案

5.2.3各方案一衬、二衬的应力分析

5.2.4优化结果分析

5.3最佳支护时间结果分析

5.3.1围岩应力场及位移场分析

5.3.2锚杆受力分析

5.4小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文、参与科研项目及奖励情况