谢家梁隧道施工数值模拟与二衬安全性分析

摘要

本文以桃巴高速LJ15合同段内的谢家梁隧道为工程背景，针对其隧道施工及二次衬砌的安全性，利用有限元分析软件ANSYS对其进行数值模拟，提出合理的优化建议。主要从隧道开挖方法、开挖进尺以及台阶长度三个方面入手，对其进行优化，从而为隧道开挖过程的顺利进行提供理论指导。然后利用安全系数的概念，并在模拟中考虑荷载释放，研究二次衬砌的受力特性，并分析其安全性。最后通过对现场监控量测的数据进行分析，结合数值模拟确定隧道施工与二衬衬砌的安全性。　　对于隧道开挖过程中，本文主要从隧道围岩的位移、围岩等效应力以及围岩强度发挥系数SMF等方面入手，对隧道围岩的稳定性进行分析。其中围岩强度发挥系数SMF是基于Mahr-Coulomb强度理论，利用其临界破坏条件得出的。当SMF=1时，即表明岩体到达其极限状态，将进入塑性阶段。　　通过对谢家梁隧道Ⅴ级围岩段的施工以及二次衬砌的数值模拟，本文得出结论如下所示:　　(1)两台阶施工与三台阶施工目标断面围岩拱顶沉降、隧道周边围岩位移、应力、围岩强度发挥系数SMF等都较为接近，谢家梁隧道Ⅴ级围岩段采用两台阶法施工。　　(2)在隧道不同循环开挖进尺下比较目标断面拱顶沉降、隧道周边围岩位移、应力、围岩强度发挥系数SMF等，谢家梁隧道Ⅴ级围岩段台阶法施工开挖进尺采用2.5m。　　(3)通过对隧道不同台阶长度的比选，仍旧主要考虑其目标断面拱顶沉降、隧道周边围岩位移、应力、围岩强度发挥系数SMF等方面的差异，谢家梁隧道Ⅴ级围岩段采用台阶长度为5m。　　(4)通过ANSYS对其二次衬砌进行二维施工数值模拟，提取其轴力、弯矩，并利用安全系数对其进行受力分析，从受力角度确定其安全性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究状况

1．2．1 隧道施工数值模拟研究状况

1．2．2 二次衬砌安全性研究状况

1．3 本文研究的主要内容及方法

2 谢家梁隧道工程概况

2．1 工程概况

2．2 地质条件简述

2．2．1 地形地貌

2．2．2 气象水文及水文地质条件

2．2．3 地质构造和地震

2．3 隧道设计简要说明

2．3．1 隧道设计技术标准

2．3．2 洞身衬砌结构支护参数

2．3．3 抗震设计

2．3．4 防排水设计

2．3．5 超前地质预报

3 计算基本理论概述

3．1 隧道围岩稳定理论概述

3．1．1 隧道施工围岩力学特性

3．1．2 弹塑性模型屈服准则

3．1．3 加工硬化定律

3．1．4 流动法则

3．1．5 围岩破坏判定

3．2 二次衬砌安全系数

3．3 隧道允许洞周相对位移与二衬混凝土应力

3．3．1 基准值

3．3．2 管理等级

3．4 释放荷载计算

3．4．1 初始地应力的确定

3．4．2 释放荷载的计算

4 谢家梁V级围岩段施工数值模拟

4．1 概述

4．2 隧道开挖工法优化选择

4．2．1 计算结果

4．2．2 数据分析

4．3 隧道开挖进尺优化选择

4．3．1 计算结果

4．3．2 数据分析

4．4 隧道开挖台阶长度优化选择

4．4．1 计算结果

4．4．2 数据分析

4．5 本章小节

5 谢家梁V级围岩段二衬安全性分析

5．1 概述

5．2 二衬受力影响分析

5．3 二次衬砌主要病害及处理措施

5．3．1 衬砌病害

5．3．2 衬砌病害治理措施

5．4 二次衬砌安全性数值模拟分析

5．4．1 模型简介

5．4．2 数据分析

5．5 本章小结

6 谢家梁隧道监控量测

6．1 概述

6．2 监控量测数据分析

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果