连拱隧道开挖过程的模型试验研究及其三维数值模拟

摘要

我国在高等级公路的建设中，在特殊地质及地形条件的地区，为获得良好的技术经济效果，大量选择了连拱隧道方案。但我国已建成的连拱隧道的数量较少，缺乏可借鉴的设计施工经验。日本及欧美等公路隧道修建技术发达的国家，连拱隧道出现的历史较我国要长，已有相当的设计施工经验。 本文在综合分析当前连拱隧道发展的基础上，依托地下系在研的重大科研项目《连拱隧道关键技术问题的研究》，以云南省思一小高速公路工程中的南岛河直墙连拱隧道为背景，进行了室内的相似物理模型试验研究。模型试验采用了1：100的大几何比例尺模型，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，实现了在弹性范围内控制各物理力学参数的全相似性。本文根据工程背景的主要地质条件，确定采用水平岩层的岩体结构，模拟导洞和连拱隧道的开挖工况，分别采用8．30无结构衬砌和9．¨预埋结构衬砌两次模型试验。 本文针对和两次试验，详细分析了模型试验所得到的量测数据。同时与模型试验相对应，本文进行了隧道开挖的计算机三维数值模拟，并对计算结果进行了详细地分析。同时，与模型试验的量测结果进行对比验证，表明结果的可信性。通过本文的研究，希望得出了一些有用的结论，为指导连拱隧道设计和施工提出有益的意见。

目录

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第1章 引言

1.1概述

1.2隧道形式的选择

1.3连拱隧道的适用特点

1.4国外连拱隧道工程的发展现状

1.5本文的工程背景

1.6国内外针对连拱隧道主要采用的研究方法

1.6.1理论、经验信息研究

1.6.2模型试验

1.6.3计算机模拟

1.6.4现场原位试验

1.6.5综合方法

1.7本文研究的目的、方法、内容及要求

1.7.1试验的目的

1.7.2本文的研究方法

1.7.3本文的研究内容和要求

1.8拟解决的关键技术及试验的实际应用价值

第2章 模型试验的理论及设计

2.1相似关系的建立

2.1.1相似第一定理

2.1.2相似第二定理(П定理)

2.2试验设计

2.2.1相似条件

2.2.2试验的基本思路

2.2.3试验台架

2.2.4试验材料设计

2.2.5模型的浇筑与养护

2.3开挖方式以及开挖方案设计

2.3.1开挖方式

2.3.2开挖方案设计

2.4量测设备与测点布置

2.4.1数据采集设备

2.4.2应力量测

2.4.3应变量测

2.4.4位移量测

2.4.5量测测点布置

2.5试验历程

第3章 连拱隧道开挖过程的模型试验研究

3.1 8.30无结构连拱隧道模型试验

3.1.1隧道周围围岩压力变化与描述

3.1.2全过程拱顶沉降情况

3.1.3中隔墙应力变化

3.2 9.11预埋结构连拱隧道模型试验

3.2.1隧道周围围岩压力变化与描述

3.2.2全过程拱顶沉降情况

3.2.3中隔墙应力变化

3.2.4衬砌结构的应力变化

3.3数码摄影测量的方法的基本原理及结果

3.3.1数码摄影测量方法的基本原理

3.3.2模型试验中数码摄影测量的结果简析

3.4围岩压力释放率

3.5连拱隧道模型试验的总结与基本结论

3.5.1 8.30无结构直墙连拱隧道模型试验

3.5.2 9.11预埋结构直墙连拱隧道模型试验

3.5.3有关围岩压力的评价

3.6模型试验小结

第4章 以模型试验为对象的三维数值模拟

4.1三维数值模拟的概况

4.1.1数值模拟研究的目的

4.1.2数值分析方法的研究现状

4.2三维数值模型的建立及参数的选取

4.3无结构连拱隧道开挖过程三维数值模拟

4.3.1模型概况

4.3.2数值计算数据与结果收集

4.3.3对应物理模型各测点的位移与应力变化数据收集

4.4预埋结构连拱隧道开挖过程三维数值模拟

4.4.1模型概况

4.4.2数值计算数据与结果收集

4.4.3对应物理模型各测点的位移与应力变化数据收集

4.5三维数值模拟结果分析与小结

4.5.1位移分析

4.5.2围岩应力分析

4.5.3结构内力分析

4.5.4塑性区分析

4.5.5围岩稳定性分析

第5章 结论与展望

5.1模型试验与三维仿真结果的对比

5.2主要结论与建议

5.3进一步要做的工作

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果