【硕士】大川隧道施工数值模拟与围岩稳定性研究【2008】

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内容简介

　　学科专业：结构工程　　授予学位：工学硕士　　学位授予单位：武汉理工大学　　学位年度： 2008年　　本文依托湖北省十堰市十两公路大川隧道设计与施工，结合当前国内外对隧道的研究特点以及拱隧道施工方法的现状，应用有限元软件ANSYS，对大川隧道的施工进行了数值模拟，分析研究了大川隧道的在不同围岩类别、不同施工方式、不同施工阶段隧道围岩的稳定性及和支护结构的内力、应变及位移特征和变化规律。　　论文首先利用有限元分析软件ANSYS，用平面4节点实体线性单元模拟围岩，用Beam3单元模拟喷混凝土，用杆单元模拟锚杆，用Beam3单元模拟二次衬砌，选取Drucker-Prager屈服准则模拟围岩，建立了大川隧道不同围岩，不同施工方式，不同施工阶段的平面(应变)有限元计算模型。同时，简单介绍并采用隧道开挖卸载的方法一“反转应力逐步释放法”，利用杀死和激活单元来模拟隧道开挖和支护过程。　　论文考虑岩体的自重应力，忽略其构造应力，模拟计算了不同围岩、不同施工方式、不同阶段条件下的隧道围岩应力和支护结构内力。结果表明：隧道拱脚处，有最大弯矩和剪力，隧道拱腰线下，有最大轴力。　　对三级围岩，若采用全断面开挖，设置仰拱与否对围岩应力影响不大，但是，设置仰拱可以降低二次衬砌拱脚处的弯矩，还可以降低拱顶处的拉应力；　　若采用台阶开挖，设置仰拱比不设置仰拱的围岩应力小。对四级和五级围岩，设置仰拱环形开挖比设置仰拱台阶开挖的围岩应力小而分布比较均匀；四级围岩若台阶开挖，设置仰拱与否围岩应力变化不大，但是，围岩设置仰拱可以降低二次衬砌拱脚处的内力；五级围岩台阶开挖，设置仰拱可以适当减小隧道围岩拱脚处压应力和等效应力，而且，设置仰拱可以降低二次衬砌拱脚处的弯矩和拱脚处的剪力。　　对大川隧道变形数值模拟表明：无论采用那种施工方式，一般在隧道(围岩、二次衬砌)拱顶处有较大位移。　　三级围岩台阶开挖或全断面开挖设置仰拱与否、四级围岩台阶开挖设置仰拱与否对位移影响不大，但是，设置仰拱可以减少二次衬砌的变形。　　对五级围岩设置仰拱台阶开挖的位移比不设仰拱台阶开挖的位移小，尤其是水平方向位移，而且，设置仰拱可以减少二次衬砌的变形。　　对四级围岩和五级围岩设置仰拱环形开挖比设置仰拱台阶开挖的位移要小。　　尽管运用数值计算求解岩土工程问题已经为成为工程设计和施工中稳定性分析的主要依据，但是由于地下有太多的未知数，要确保隧道施工和运营安全，必须加强施工中的信息反馈，并利用反馈的信息对隧道施工进行调整。　　

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