山区浅埋偏压连拱隧道锚喷支护的优化研究

摘要

连拱隧道是随着我国公路建设的迅速发展而出现的新型大跨度隧道形式。但是由于浅埋、偏压、高跨比小、地质条件和结构受力复杂的特点，对偏压连拱隧道的应用和研究还处在探索和初级阶段，尤其对结构设计和施工过程中的力学特点和规律尚缺乏系统和全面的研究。 本文依托怀新(怀化-新晃)高速公路界牌坳双连拱隧道工程，采用有限元数值分析研究方法和技术手段，对偏压情况下的双连拱隧道结构受力及结构优化进行了探讨。论文介绍了国内外在连拱隧道、隧道结构优化和数值模拟方法等方面的研究现状。结合工程实际，考虑到界牌坳连拱隧道特定的工程地质条件，通过对界牌坳隧道偏压和不偏压两种计算模型有限元数值计算结果进行对比研究，得出了浅埋偏压连拱隧道支护体系的受力和变形特性，提出了改变锚杆长度、角度、喷射混凝土厚度的优化建议。对优化方法进行了探讨，进行了以锚杆轴力求和为目标进行优化的可行性论证。编制了ADPL优化程序，实现了隧道锚杆长度、角度和喷射混凝土厚度的自动优化，得到了更适应偏压荷载的锚喷支护。 最后，文章总结了偏压连拱隧道优化的优化方案和意义，结合界牌坳浅埋偏压连拱隧道有限元模拟分析数据结果，提出了论文中存在的几个问题和自己的建议。 本论文的研究成果是对界牌坳隧道这类偏压连拱隧道进行适应偏压的改进，为以后避免此类隧道由于结构形式不合理而发生的工程事故节约建筑材料有重要意义，也对今后类似隧道工程的设计具有一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章概述

1.1引言

1.2国内外研究现状与水平

1.2.1有限元在隧道工程领域中的应用现状

1.2.2结构优化设计现状

1.3研究内容

1.4研究意义

第二章界牌坳隧道工程背景

2.1工程概况

2.2工程地质与水文地质

2.2.1地形地貌

2.2.2地层岩性

2.2.3隧道场地地质构造

2.2.4地震

2.2.5水文地质条件

2.2.6岩石物理力学性质特征

2.2.7地下气体

2.2.8工程地质评价

2.3隧道设计概况

2.3.1隧道建筑限界及内轮廓设计

2.3.2隧道洞门及明洞设计

2.3.3隧道复合式衬砌结构设计

第三章偏压对界牌坳隧道的影响

3.1隧道偏压产生的原因和机理

3.1.1偏压现象产生机理

3.1.2偏压连拱隧道的判断

3.2隧道偏压效应有限元对比研究

3.2.1隧道开挖的有限元模拟

3.2.2无偏压与偏压隧道开挖数值计算结果分析

3.3优化建议

第四章锚喷支护

4.1锚喷支护的作用及影响因素

4.1.1锚杆支护作用原理

4.1.2锚杆支护效果的影响因素

4.1.3喷射混凝土的主要支护作用

4.1.4影响锚喷混凝土支护效果的主要因数

4.2锚喷支护的设计

4.2.1隧道支护设计基本方法及发展历程

4.2.2工程类比法

4.3锚杆长度角度变化的影响

4.3.1中洞锚杆长度角度变化影响分析

4.3.2左右锚杆长度角度变化影响分析

第五章ANSYS中的优化功能

5.1 CAE方法中的优化技术

5.2 ANSYS优化设计的基本概念

5.2.1优化模块中的三大变量及优化数学模型

5.2.2优化模块中的两种求解模式

5.3 ANSYS的优化方法

5.3.1零阶方法

5.3.2一阶方法

第六章锚喷支护的优化

6.1锚杆的优化

6.1.1锚杆优化的模型

6.1.2原模型的计算

6.1.3中洞锚杆的优化

6.1.4中洞三种优化方法的对比

6.1.5左右洞锚杆的优化结果

6.2喷射混凝土厚度的优化

6.2.1喷射混凝土厚度优化的实现

6.2.2优化结果

6.3本章小结

第七章结论与建议

7.1结论

7.2存在的问题与建议

参考文献

致谢

攻读学位期间的论文发表情况及科研情况