大跨度半明半暗连拱隧道施工技术与力学特性研究

摘要

目前，在我国高等级公路及市政道路的修建中，连拱隧道方案越来越多地被应用到特殊的地形、地质地区，取得了良好的技术效果和经济效益。由于连拱隧道跨度大，当线路中线与地形等高线斜交，且地形高差较大时，为了避免一侧进洞切方边坡过高、一侧隧道覆盖层不足的情况，半明半暗隧道结构应运而生。但作为一种新型隧道结构，其设计、施工等方面的研究还不多，因此对半明半暗连拱隧道施工力学特征进行有针对性的研究显得十分必要。 本文以金鹗隧道为依托，采用数值模拟与现场量测相结合的方法，对其施工力学行为特征进行了深入的探讨。主要完成了以下几个方面的工作： 1.采用有限差分法，对半明半暗连拱隧道的两种施工方案(先明后暗法，先暗后明法)进行二维动态模拟，通过对其应力场、位移场的比较分析，得出两种方案没有本质区别的结论。 2.建立三维数值模型，对实际采取的先暗后明施工方案进行模拟，并对各施工阶段围岩应力场、位移场及支护结构受力特征进行分析，提出了施工过程中的关键步骤和支护结构的重要部位及相应的处理措施。 3.利用现场量测方法，对地表下沉、洞内收敛、拱顶下沉、初期支护及二次衬砌的应力进行跟踪监测和分析，总结其相关变化规律。 4.将数值计算结果与现场量测结果进行对比分析，结果表明两者的规律性基本一直，验证了计算结果的可信性。 金鹗隧道已于2007年6月竣工，本文的研究成果对隧道施工起到了关键的指导作用，并取得显著的经济效益，同时，可为类似工程提供参考。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.2.1设计与施工

1.2.2数值模拟

1.2.3模型试验

1.2.4综合方法

1.3本论文研究的主要内容和方法

1.4 工程概况

1.4.1工程地质条件

1.4.2设计概况

第二章隧道二维施工动态模拟与施工方案比选

2.1有限差分法(FDM)及基础理论

2.1.1 FLAC程序基本原理简介

2.1.2有限差分方程的推导

2.1.3运动方程和位移计算

2.1.4应变、应力的求解

2.1.5 Drucker-Prager屈服准则

2.2半明半暗连拱隧道平面模型的建立

2.2.1计算范围

2.2.2单元类型及本构关系

2.2.3初始应力场

2.2.4计算参数的选取

2.2.5计算工况

2.3计算结果与分析

2.3.1应力场分析

2.3.2位移场分析

2.3.3两种施工方案对比分析

2.4本章小节

第三章隧道三维施工动态模拟

3.1计算方法与计算模型

3.1.1计算模型及模拟过程

3.1.2单元类型的选取

3.1.3计算参数

3.2围岩应力分析

3.3围岩位移分析

3.3.1地层位移

3.3.2右侧暗洞拱顶下沉

3.3.3右侧暗洞围岩收敛分析

3.3.4地表沉降

3.4塑性区分析

3.5锚杆轴力分析

3.6初期支护内力分析

3.7二次衬砌的应力分析

3.8本章小结

第四章隧道施工量测及数据分析

4.1现场监测内容

4.1.1断面的选择

4.1.2测试内容

4.1.3元件及埋设点的布置

4.1.4数据采集

4.1.5数据处理

4.2拱顶下沉、围岩收敛及地表下沉分析

4.3围岩压力分析

4.4初期支护内力分析

4.5二次衬砌的内力分析

4.5.1右侧暗洞

4.5.2左侧明洞

4.6计算结果与量测结果对比分析

4.6.1初期支护内力比较

4.6.2二次衬砌内力比较

4.6.3拱顶下沉、围岩收敛及地表下沉比较分析

4.7本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文及科研情况