软弱围岩隧道动态施工设计与施工方法研究

摘要

隧道及地下工程的特点是水文地质环境复杂，不确定性因素很多，使得套用地面结构的设计理念和模型设计隧道结构物具有很大局限性，而由工程类比法确定其设计参数时又有一定的盲目性。动态设计方法就是在此背景下发展起来的一种隧道工程设计方法。目前，从总体上来说，动态设计仍然处于发展和逐渐成熟阶段，其理论和实用技术的研究仍要进一步深入。本文将主要针对隧道动态设计的理论、方法以及其实用技术进行研究，具体的研究内容有： (1)对动态设计方法和实用技术的一些关键问题进行了研究，包括信息采集和处理、监测技术规划设计、工程类比数据库计算机实现、围岩分类等等，并提出建议和意见。 (2)采用数理统计、时间序列分析和灰色理论模型对量测位移信息建立了预测分析模型。在量测信息的回归分析中，采用了最小二乘迭代法进行曲线拟合：时间序列分析主要采用了自回归模型AR(n)；在灰色预测分析中采用了工程中最常用的GM(1，1)模型。 (3)应用灰色关联分析方法，将待分类的围岩稳定指标和分类标准指标组成参考数列和比较数列，建立了围岩稳定性分类的灰色理论模型。在此理论基础上编制的围岩稳定分类程序，并采用某公路隧道的围岩指标进行对比分析，评定结果与现场基本吻合。 (4)以实际工程实例对隧道的动态施工设计进行了应用，并得到了很好的效果和可观的效益。由于隧道工程具有水文地质环境复杂，不确定性影响因素多的特点，采用动态设计与施工是必要的和可行的。而且，又由于工程环境和施工的复杂性，加之拟合函数本身固有的某些缺陷，对于离散性很大的数据进行曲线拟合时，误差很大，精度不高，本文采用了分段拟合，在一定程度上可以减少误差，提高曲线拟和精度。 (5)现场监测可以保证工程建设的顺利进行，同时也为工程施工积累经验，是完善工程设计和施工管理的一种有效手段。本章以健身坡隧道现场监控数据和支护设计参数为背景，通过对监控信息处理与分析、稳定性评价并反馈于设计，对信息化设计与施工流程进行了模拟。应用过程表明，它是必要的、可行的。 (6)用数值方法模拟了全断面、正台阶和CD法的施工的动态施工过程。通过分析可知：在偏压较大的情况下要优先采用CD法进行施工，且施工时先施工偏压较大的一侧。其次选择台阶法，对全断面法则要谨慎采用。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1隧道工程的发展趋势

1.1.1系统科学的应用

1.1.2地下工程的新技术与新工艺的发展

1.1.3岩石力学

1.1.4管理风险

1.1.5施工管理

1.2我国公路隧道的发展现状

1.2.1公路隧道的特点

1.2.2公路隧道的发展现状

1.3新奥法理论及其监测监控概述

1.3.1新奥法理论概述

1.3.2新奥法的监测监控概述

1.4隧道设计方法概述

1.4.1设计方法概述

1.4.2动态设计的发展和国内外现状

1.4.3动态设计在隧道及地下工程中的应用

1.4.4动态设计在公路隧道中的主要应用

1.5问题的提出

1.6本文的主要工作

第二章隧道工程动态设计的基本原理和方法

2.1动态设计的原理

2.1.1动态设计的基本原理

2.1.2动态设计主要内容

2.1.3动态设计流程图

2.2动态设计的主要方法

2.2.1工程类比法

2.2.2专家系统法

2.2.3模糊数学方法

2.2.4灰色系统理论

第三章工程信息及处理技术

3.1施工信息在隧道动态设计中的作用

3.2工程地质和水文地质信息采集技术

3.3围岩分类技术

3.4工程监测信息采集内容

3.5信息处理技术

3.5.1原始量测数据整理

3.5 2数据分析

3 6信息反馈技术

3.6.1理论反馈法

3.6.2经验反馈法

第四章模糊数学和灰色系统理论在动态设计中的应用

4.1概述

4.2模糊综合评判法

4.2 1模糊综合评判的基本程序

4.2.2模糊映射集和权系数的确定方法

4.3灰色关联分析法

4.4灰色关联分析在围岩稳定性分类中的应用

4.5模糊综合评判与灰色系统理论在施工方案评价中的应用

4.5.1模糊综合评判在施工方案评价中的应用

4.5.2灰色系统理论在支护方案优选中的应用

4.6小结

第五章动态设计在隧道施工中的应用

5.1某公路隧道工程概况概述

5.2监控量测的内容

5.3监控量测实施方案

5.3.1地质素描、地质、支护状况观察

5.3.2隧道周边位移的量测

5.3.3隧道拱顶下沉量测

5.3.4锚杆内力及拉拔力量测

5.3.4地表下沉量测

5.3.6围岩体内位移量测

5.3.7围岩压力及两层支护间压力测试

5.3.8钢支撑内力及外力

5.3.9二次衬砌内应力、表面应力和裂缝量测

5.3.10地质超前预报

5.4监控信息处理与反馈

5.4.1地表下沉

5.4.2收敛变形

5.4.3拱顶位移

5.4.4钢支撑内力

5.4.5锚杆内力量测结果

5.5支护设计的变更

5.6小结

第六章浅埋暗挖偏压隧道施工动态数值分析

6.1隧道卸荷开挖模拟的理论与方法

6.1.1隧道开挖卸荷的模拟

6.1.2隧道施工过程的模拟

6.2隧道模拟过程的FLAC2D模型实现

6.2.1模拟方案组合

6.2.2模型的建立与计算参数的选取

6.3无支护情况下隧道变形分析

6.4不同施工方法下隧道的受力与变形分析

6.4.1全断面开挖法的受力变形分析

6.4.2上台阶开挖法的受力变形分析

6.4.3 CD开挖法的受力变形分析

6.4.4几种施工方法的比较

6.5本章小节

第七章结论及展望

7.1主要结论

7.2展望

参考文献

致 谢

攻读学位期间主要的研究成果