隧道洞口段施工弹塑性数值模拟及变形监测的数据分析
【摘要】：
本文首先系统论述了国内外有限元数值模拟及监控量测技术在公路隧道建设中的应用，并对目前广泛采用的新奥法加以详细概述。针对隧道洞口段围岩埋深浅、稳定性差、地质构造条件复杂等特点，对隧道洞口进洞施工进行二维弹塑性数值模拟研究，采用平面应变模型，在“反转应力释放法”的基础上，结合ANSYS软件以载荷步模拟隧道连续施工的特点、以“生”、“死”单元法模拟隧道开挖过程，同时考虑地应力的逐步释放，并对隧道围岩的位移场及应力场作了分析，得到了隧道洞口浅埋段采用上下台阶法施工时围岩的受力变形规律。根据隧道施工过程中现场监控量测的数据，对隧道洞口段围岩的变形及其稳定性进行详细分析，通过对实测数据的统计整理，得到了隧道洞口段施工时地表沉降、拱顶沉降、洞内水平收敛随时间变化的规律，并在回归分析的基础上对围岩的稳定性加以判定，同时为二次衬砌的施作时间提供判据。为了更深入地了解与掌握围岩随隧道开挖的变形情况，将数值模拟的结果与实测数据的分析结果相对比，一些共同的规律得到了验证。
目前，隧道建设在公路、铁路建设中占有很重要的地位，而隧道洞口浅埋段的开挖施工更是隧道建设施工的一个关键环节，本文在现场监测结果的基础上对隧道洞口段施工进行数值模拟，对隧道的设计施工无疑具有指导意义，并可为日后类似工程的设计、施工及研究提供有益的借鉴与参考。
【关键词】：公路隧道 隧道洞口 弹塑性数值模拟 上下台阶法 现场监测 围岩变形 回归分析 【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：U455
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2007.072644
【目录】：
- 摘要3-4
- Abstract4-8
- 第一章 绪论8-15
- 1.1 课题研究的意义8-9
- 1.2 隧道工程研究现状9-13
- 1.3 本文的研究工作13-15
- 第二章 隧道施工新奥法概述及冠山隧道工程概况15-27
- 2.1 新奥法概述15-20
- 2.1.1 新奥法施工特点15-16
- 2.1.2 新奥法理论要点及施工要点16-18
- 2.1.3 新奥法的主要支护手段和施工顺序18-19
- 2.1.4 新奥法适用范围19-20
- 2.1.5 新奥法的缺点20
- 2.2 冠山隧道工程概况20-27
- 2.2.1 工程地质及水文地质概况20-21
- 2.2.2 隧道设计概况21-22
- 2.2.3 施工条件22-24
- 2.2.4 隧道不同围岩段的开挖与支护方法24-27
- 第三章 冠山隧道洞口浅埋段开挖过程的数值模拟27-58
- 3.1 概述27-28
- 3.2 ANSYS单元介绍28-38
- 3.2.1 Link1 2-D Spar单元28-31
- 3.2.2 Beam3 2-D Elastic Beam单元31-34
- 3.2.3 Plane42 2-D Structural Solid单元34-38
- 3.3 隧道施工过程数值模拟方法38-44
- 3.3.1 开挖(卸荷)的模拟38-40
- 3.3.2 施工过程的模拟40-44
- 3.4 隧道施工过程模拟的ANSYS实现44-46
- 3.4.1 初始地应力的模拟44
- 3.4.2 开挖和支护过程的模拟44-45
- 3.4.3 连续施工的模拟45-46
- 3.4.4 地应力逐步释放的模拟46
- 3.5 冠山隧道洞口段上下台阶法施工的数值模拟46-58
- 3.5.1 冠山隧道施工过程数值模拟的计算模型46-48
- 3.5.2 开挖过程的模拟计算48
- 3.5.3 计算结果分析48-58
- 第四章 冠山隧道施工监测与数值模拟结果对比分析58-82
- 4.1 监控量测的意义及冠山隧道施工监测概况58-65
- 4.1.1 监控量测在新奥法设计施工中的意义和作用58-59
- 4.1.2 隧道监测反馈分析59-63
- 4.1.3 冠山隧道围岩位移监测项目及其监测频率与结束标准63-65
- 4.2 冠山隧道施工变形监测数据的处理分析65-78
- 4.2.1 地表下沉65-68
- 4.2.2 水平收敛68-74
- 4.2.3 拱顶下沉74-78
- 4.3 现场监控量测结果与数值模拟结果对比78-82
- 4.3.1 地表沉降79-80
- 4.3.2 拱顶沉降80-81
- 4.3.3 水平收敛81-82
- 第五章 结论与展望82-84
- 5.1 结论82
- 5.2 展望82-84
- 参考文献84-90
- 致谢90
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