公路隧道结构设计方法及开挖方案的优化

摘要

随着国家对公路建设投资的增加，高等级公路发展迅速，公路隧道建设规模也越来越大，数量越来越多，其工程造价在整个公路工程建设中所占的比重也越来越大。如何充分利用现有设计理论及实践经验，如何以最经济的方式建造出安全、合理的隧道是广大科技工作者和工程界人士所关心的问题。 本文依托广东省交通厅重点研究项目“双洞八车道公路隧道建设关键技术研究”，以京珠高速龙头山扁平特大断面公路隧道为研究对象。基于现行的隧道结构设计规范，结合现代优化技术手法，在“同济曙光数值计算平台”上实现了隧道优化程序模块的研制。并在文章的最后，对龙头山隧道的开挖方案进行比较，得出一系列相关结论。 首先推导了五心圆断面隧道的面积计算公式和轮廓确定方法，并利用现代优化算法——遗传算法，结合现行隧道结构设计规范，在保证隧道结构安全的前提下，建立了以单断面及隧道全长全断面的工程造价为目标函数的隧道结构优化模型，选取几个对隧道造价最为重要的因素作为优化变量，并将该优化模型在同济曙光数值平台上实现。 其次，以龙头山隧道为例，对隧道的各个地质断面分别进行单一断面的优化计算，得出最合理的断面形式，并将优化的结果与现有设计进行比较，指出现有设计的不足。将整个龙头山隧道作为一个整体，假定整条隧道的内轮廓不变，以隧道总造价作为目标函数，进行隧道的整体优化，将该优化结果与现有设计进行比较，指出现有设计的不足并分析原因。 最后采用施工动态分析有限元软件同济曙光GeoFBA，采用地层结构法，对V级围岩条件下隧道断面进行优化分析，得出合理的施工步骤与开挖方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2国内外研究历史及现状

1.2.1结构优化的历史

1.2.2地下结构优化的现状及发展

1.3存在的问题及解决方案

1.4本文的研究思路、研究内容及创新点

1.4.1研究思路

1.4.2研究内容

1.4.3创新点

第2章隧道的自动建模及后处理

2.1引言

2.2隧道几何模型的建立

2.2.1隧道内轮廓的确定

2.2.2隧道二衬外轮廓的确定

2.2.3隧道初衬外轮廓的确定

2.3隧道计算模型的建立

2.3.1两种计算模型简介

2.3.2二衬等厚度计算模型的建立

2.3.3二衬不等厚度计算模型的建立

2.4隧道计算结果的后处理

2.4.1隧道的配筋计算

2.4.2隧道的变形计算

2.4.3隧道的断面造价的计算

第3章优化算法及优化过程的实现

3.1引言

3.2优化算法

3.2.1遗传算法概述

3.2.2遗传算法的基本流程

3.2.3遗传算法中相关算子策略的选择

3.2.4复合算法

3.3单个断面优化的实现

3.3.1设计变量

3.3.2目标函数

3.3.3约束条件

3.4隧道全长全断面优化的实现

3.4.1设计变量

3.4.2目标函数

3.4.3约束条件

第4章隧道结构的优化设计实例

4.1引言

4.2工程概况及计算参数的确定

4.2.1工程概况

4.2.2计算参数的确定

4.3单隧道断面优化算例

4.3.1基于衬砌等厚度模型的单隧道断面优化算例

4.3.2基于衬砌不等厚度模型的单隧道断面优化算例

4.4全长全断面优化的算例

4.5优化结果汇总

第5章隧道开挖方案优选实例

5.1引言

5.2工程概况及数值计算

5.2.1工程概况

5.2.2模型概述

5.2.3隧道施工方法的动态数值模拟

5.3计算结果和分析

第6章结论及建议

6.1研究结论

6.2存在的问题及进一步的工作方向

致谢

参考文献

人个简历 在读期间发表的学术论文与研究成果