连拱隧道复合衬砌承载能力分析及优化设计

【摘要】： 针对不同围岩、不同埋深、不同跨度、不同施工方法、不同连拱隧道类型复合衬砌参数选取的差异,本文在国内外连拱隧道复合衬砌研究方法和研究成果的基础上,以连拱隧道建设的关键技术研究为背景,并以解决连拱隧道施工过程复合衬砌参数优化为出发点,对Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类三种围岩的深埋、浅埋连拱隧道(共记6种工况)进行承载能力分析和数值模拟;应用结构承载能力法和ANSYS有限元法,对各种典型连拱隧道模型下的连拱隧道初期支护和二次衬砌的承载能力进行了计算分析,研究了改变复合衬砌各构件参数条件对连拱隧道的影响。 本文首先探讨了连拱隧道复合衬砌结构的各种影响因素,建立了6种典型连拱隧道模型。基于连拱隧道实际受力情况,建立深埋、浅埋连拱隧道荷载模型。 然后,由结构承载能力法可得出各种不同埋深、不同围岩下系统锚杆、喷射混凝土、钢拱架和二次衬砌的结构承载能力曲线,进而分析各个复合衬砌构件受力状态和变化规律,并具体计算出6种典型隧道模型复合衬砌承载能力,针对复合衬砌参数进行了调整。 随后采用ANSYS软件,模拟了不同支护参数条件下围岩和支护结构的应力场、位移场,给出了喷射混凝土层不同厚度下的应力变化取值和钢拱架采用不同钢型参数对支护效果的影响取值,并据此对隧道初期支护设计参数提出修正意见。 最后结合ANSYS对连拱隧道二次衬砌结构的受力场分析结果,提取最不利截面的M、N、Q值,建立以工程造价为目标函数、罚函数法(SUMT)进行求解的优化模型,进而对二次衬砌的厚度进行优化。