淺埋偏壓隧道圍巖壓力與開挖進(jìn)尺優(yōu)化的極限分析方法.pdf

1、我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的高速發(fā)展，大力促進(jìn)了隧道工程的廣泛應(yīng)用，受地質(zhì)地形、線路走向等條件的限制，不可避免地出現(xiàn)越來(lái)越多的淺埋偏壓隧道。有別于常規(guī)隧道，偏壓隧道結(jié)構(gòu)受力更為復(fù)雜，施工難度更大。如何準(zhǔn)確確定其圍巖壓力和破壞機(jī)制是施工和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵問(wèn)題。而目前關(guān)于該問(wèn)題的研究，大多是基于剛性體的靜力平衡法和基于有限元的數(shù)值分析法，存在假設(shè)過(guò)多、計(jì)算效率低等缺陷，結(jié)果往往難以令人滿意。為此，本文依托山西省交通廳科技項(xiàng)目——《偏壓隧道設(shè)計(jì)和施工

2、方法研究》，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)和理論推導(dǎo)相結(jié)合的方法，針對(duì)淺埋偏壓隧道圍巖壓力和開挖進(jìn)尺優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了具體系統(tǒng)的研究。論文主要完成了以下研究?jī)?nèi)容:
　　 (1)基于有限元理論，建立數(shù)值分析模型，研究了不同偏壓角度、埋深、圍巖級(jí)別、結(jié)構(gòu)類型等影響因素下隧道圍巖塑性區(qū)、襯砌內(nèi)力的變化、發(fā)展規(guī)律和分布狀態(tài)，探明了偏壓等因素對(duì)隧道洞室穩(wěn)定性的影響程度及結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律，認(rèn)為:埋深較淺時(shí)，隨著偏壓角度的增加，洞室圍巖將產(chǎn)生明顯的拉應(yīng)力

3、區(qū)或塑性區(qū)，穩(wěn)定程度逐漸減弱;襯砌結(jié)構(gòu)受力呈顯著的非對(duì)稱分布，應(yīng)力集中區(qū)域加大，結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生局部破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)體系失效。
　　 (2)通過(guò)典型地形偏壓隧道的室內(nèi)模型試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了不同偏壓條件下，單洞和小凈距淺埋隧道施工階段圍巖壓力和襯砌受力動(dòng)態(tài)分布形式及變形規(guī)律，分別得到了淺埋偏壓?jiǎn)味春托￠g距隧道的破壞模式。試驗(yàn)結(jié)果表明:圍巖壓力的發(fā)展受施工開挖進(jìn)尺影響較大，存在明顯的時(shí)空效用特征，其分布形態(tài)亦較“規(guī)范法”計(jì)算結(jié)果更為不

4、利，即非對(duì)稱性更為顯著。同時(shí)，洞室圍巖的破壞形態(tài)，單洞時(shí)為貫穿地表的倒錐形體，小凈距時(shí)為以中間巖柱為軸的貫穿地表的并列兩倒錐形組合體。
　　 (3)結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果，建立了淺埋偏壓?jiǎn)味春托艟嗨淼赖奈锢砥茐哪Ｊ剑诨瑒?dòng)塊體極限分析理論和相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，構(gòu)建了與之相對(duì)應(yīng)的機(jī)動(dòng)容許位移速度場(chǎng)，并分析完成了各滑塊和滑塊間斷線上的速度遞推關(guān)系，最后，根據(jù)虛功率原理，推導(dǎo)了單洞和小凈距淺埋偏壓隧道的圍巖壓力上限法計(jì)算公式。
　

5、　 (4)基于Janssen筒倉(cāng)理論和Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，構(gòu)建了隧道掌子面破壞極限分析模型，引入開挖進(jìn)尺變量，進(jìn)一步推導(dǎo)得到了淺埋偏壓隧道開挖進(jìn)尺優(yōu)化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并根據(jù)優(yōu)化理論，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和基于“二分法”的優(yōu)化算法。
　　 (5)根據(jù)研究成果，采用FORTRAN語(yǔ)言和基于Obect Pascal語(yǔ)言的delphi7平臺(tái)聯(lián)合編制了計(jì)算程序和界面，實(shí)現(xiàn)了淺埋偏壓?jiǎn)味春托￠g距隧道圍巖壓力及其開挖進(jìn)尺優(yōu)化問(wèn)題