松散破碎围岩浅埋隧道施工技术研究及其动态力学行为的三维有限元分析

摘要

本文以云万高速公路韩婆垭隧道为背景，在系统地分析和总结韩婆垭隧道及国内外松散破碎围岩隧道施工经验的基础上，提出了安全通过松散破碎段地层的浅埋隧道施工技术，指出必须从松散破碎围岩结构松散、粘结力差，开挖后松动早、来压快，易塌方的特点入手，对其早支护、短进尺、早封闭、加强支护，同时结合其它辅助手段综合应用，取长补短，才能安全通过松散破碎带。 对韩婆垭隧道松散破碎围岩段采用所提出的密排小导管预加固技术措施后的施工过程，进行了三维弹塑性有限元数值模拟。根据数值计算结果，分析了地表下沉、拱顶下沉、水平收敛、初期支护喷射混凝土的应力及锚杆的轴力随施工过程的变化规律，得到了一些初步的有意义的结论。用这些初步的结论指导施工，顺利通过了韩婆垭隧道的松散破碎浅埋段。 为了检验所采取的针对松散破碎围岩隧道浅埋段的施工技术的有效性及有限元计算结果的合理性，在松散破碎围岩段隧道的施工过程中进行多个项目的施工监控量测，如地表沉降、拱顶下沉、隧道断面收敛、初期支护喷射混凝土的应力及初期支护与二次衬砌之问的接触应力等，并分析了围岩变形、支护结构受力随施工步骤的变化规律，且将其与计算结果进行比较，发现计算结果与现场量测结果较为一致。 研究结果表明，对于埋深不大的松散破碎围岩段隧道施工时，应该采取将较强的预支护手段、采用短台阶法开挖并减小循环进尺以及及时封闭仰拱结合起来才能起到良好的施工效果。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2工程概况

1.2.1自然地理

1.2.2地质构造

1.2.3水文地质

1.2.4严重不良地质段

1.3研究意义

1.4国内外研究现状

1.4.1破碎围岩的定义和力学属性

1.4.2破碎地层隧道预加固技术的研究现状

1.4.3支护理论的研究现状

1.5采取的技术路线及本文主要研究内容

1.5.1本研究拟采取的技术路线

1.5.2本文主要研究内容

第二章松散破碎围岩地段浅埋隧道施工技术研究

2.1引言

2.2工程概况

2.2.1工程简介

2.2.2工程地质、水文地质情况

2.3破碎地层的分类及工程特性

2.4松散破碎带隧道施工对策的确定

2.4.1松散破碎围岩隧道施工常用对策

2.4.2韩婆垭隧道浅埋松散破碎围岩的工程特点

2.4.3韩婆垭隧道浅埋松散破碎带预加固方案的确定

2.5韩婆垭隧道浅埋松散破碎带预加固技术

2.5.1密排小导管注浆预支护技术参数

2.5.2密排小导管注浆预支护施工

2.6隧道开挖及支护

2.6.1土方开挖

2.6.2初期支护

2.6.3二次衬砌

2.6.4施工效果

2.7本章小结

第三章地下结构有限元分析的基本原理

3.1概述

3.2有限元分析的基本过程

3.3非线性问题的求解方法

3.3.1Newton-Raphson迭代法

3.3.2增量迭代法

3.4收敛准则

3.5本构模型和屈服准则

3.5.1岩土材料本构模型

3.5.2屈服准则

3.6等参单元

3.6.1计算模型采用的单元

3.6.2单元刚度矩阵的形成

3.7隧道开挖的三维空间效应

3.8开挖模拟计算模型的选取

3.9 3D-σ软件简介

3.9.1概述

3.9.2 3D-σ使用简介

3.10本章小结

第四章韩婆垭隧道松散破碎浅埋段开挖三维有限元分析

4.1引言

4.2计算模型

4.2.1模型尺寸及参数的选取

4.2.2施工方案的计算模拟

4.3计算结果分析

4.3.1围岩变形分析

4.3.2初期支护受力分析

4.4本章小结

第五章现场量测分析

5.1传感器工作原理

5.1.1应力计和应变计原理

5.1.2钢弦式压力盒工作原理

5.2现场测试试验

5.2.1量测目的

5.2.2量测项目及采用的传感器

5.2.3监控量测的一般程序

5.2.4监控量测方法

5.3现场量测结果及分析

5.3.1地表沉降分析

5.3.2拱顶下沉分析

5.3.3断面收敛分析

5.3.4喷混凝土应力分析

5.3.5初期支护与二次衬砌之间接触应力分析

5.4本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

本人参加技术工作简历