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地铁隧道围岩与支护相互作用的时空效应

周陶陶  
【摘要】:隧道工程本身具有造价高、涉及问题复杂等特点,一直以来受到学者们广泛关注。本文将隧道工程按研究对象划分为以下两类:一类是隧洞内部的研究,这类研究对象主要包括在隧道开挖过程中围岩的应力、位移变化和由此产生的支护受力和变形;另一类则是隧道开挖对临近地下构筑物、上部地层中管线和地表建(构)筑物的影响。这两类问题随着地层岩土体物理特性的不同、开挖循环的时空效应的变化而变得复杂。长期以来学者们对隧道时空效应进行分析和研究并取得了非常多的成果,但在实际隧道工程中无论是隧洞内部还是地表仍有事故发生。因此,隧道开挖过程中围岩和支护相互作用的时空效应有待进一步研究。本文采用理论分析、现场监控量测和数值模拟等方法对隧道开挖过程中围岩和支护相互作用的时空效应进行了分析研究,主要工作如下: 1)进行理论分析,阐述约束收敛法的基本原理。在三维空间中,由于目标断面掌子面的存在,围岩受到掌子面提供的虚拟力的作用,在即使忽略围岩蠕变影响的情况下,应力和位移也未完全释放。随着开挖面的推进,掌子面提供的虚拟力逐渐消失,围岩应力位移得到进一步释放,然而在这一过程中伴随着支护的架设和开始发挥作用,使得围岩和支护达到一个新的平衡状态。本文将掌子面提供的虚拟力作为联系环节,利用虚拟力与围岩和衬砌应力位移之间的关系编制matlab程序,通过计算程序绘制特性曲线和衬砌安全因子来分析研究隧道开挖的时空效应,并通过改变关键参数(开挖进尺、开挖循环时间、隧道半径和围岩力学参数)的取值来对隧道开挖的时空效应进行一个综合探讨。 2)理论分析的研究对象为圆形隧道,而且将三维问题简化为平面去计算。对于三维空间中其他形状如马蹄形隧道,用理论计算的方法得到它精确的解析解比较困难。本文第二个方面是依托重庆市轨道交通六号线二期工程金山寺至嘉陵江南桥头区间隧道开挖这一工程,对实际工程围岩和支护相互作用力、围岩和支护变形及地表沉降进行监控量测,同时采用数值模拟的方法对其进行分析研究,借助有限元软件abaqus强大的非线性分析能力,模拟实际隧道某区间段的开挖过程来研究这一过程中围岩应力位移发展状况、支护受力变形情况和上部地表建筑沉降情况,对比分析监控量测的数据与理论分析和数值模拟结果,进而得到隧道开挖围岩应力位移、支护受力特性和地表建筑沉降的变化规律。


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