有限元法輔助淺埋暗挖輸水隧洞結(jié)構(gòu)設計的研究.pdf

1、在都市內(nèi)采用淺埋暗挖法修建大型的輸水隧洞，工程條件復雜，技術(shù)難度大，有必要進行專門研究。有限元法輔助淺埋暗挖輸水隧洞結(jié)構(gòu)設計，是具有重要現(xiàn)實意義和理論意義的課題。本文以有限元法為手段，研究和淺埋暗挖隧洞結(jié)構(gòu)設計密切相關(guān)的幾個內(nèi)容：淺埋暗挖隧洞的圍巖應力路徑、初期支護的模擬方法、地表沉降評價、對既有結(jié)構(gòu)（橋基、地下通道、管線）的影響等，提出使用有限元法輔助淺埋暗挖隧洞結(jié)構(gòu)設計的基本方案。本文的研究為水利行業(yè)使用有限元法系統(tǒng)地分析淺埋暗挖輸

2、水隧洞提供參考，從而達到推廣有限元法在輔助淺埋暗挖隧洞結(jié)構(gòu)設計領(lǐng)域應用的目的。 研究依托南水北調(diào)中線北京西四環(huán)暗涵工程進行。西四環(huán)暗涵屬于大型輸水工程，采用淺埋暗挖法施工，所在地層軟弱，沿線穿越地下通道、管線、橋基多處，整個工程有相當大的難度，在國內(nèi)尚屬首例。 本文研究以數(shù)值計算為主，結(jié)合理論分析、與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)比較，得到以下主要成果： （1）揭示了施工擾動使隧洞圍巖主應力大小和方向發(fā)生明顯改變的區(qū)域，給出了隧洞

3、圍巖8個典型區(qū)域在施工過程中所經(jīng)歷的復雜加、卸載過程和主應力方向變化規(guī)律。本文研究發(fā)現(xiàn)：人們所廣泛認可的“隧洞開挖本質(zhì)是原始地應力場的卸載”的觀點，對于在軟弱地層中淺埋暗挖的隧洞而言并不確切。提出了在采用有限元輔助隧洞結(jié)構(gòu)設計時，在不同的施工階段，圍巖使用加、卸載參數(shù)的實用方法。 （2）提出了有限元法輔助淺埋暗挖隧洞設計時，采用開挖的同時施加初期支護來模擬及時支護，對支護早期力學參數(shù)進行折減以模擬噴混凝土的滯后，并考慮支護的力學

4、參數(shù)隨齡期變化。論證了用這種方法計算得到的初期支護應力成果，可以為設計經(jīng)濟合理的支護結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。 （3）提出了依據(jù)地表豎向位移有限元計算值評價沉降是否滿足設計控制標準的方法。該方法可供北京地區(qū)第四紀地層中的淺埋暗挖隧洞工程參考。所采用的留有安全裕度的作法可供其它地區(qū)的類似工程借鑒。 （4）研究了隧洞暗挖施工對地下通道、管線和既有橋基的影響。三維有限元方法分析隧道施工對既有通道的影響，可為隧洞設計和評價通道安全狀態(tài)提供更

5、準確的依據(jù)，降低工程成本。提出了分析淺埋隧洞施工對地下管線影響時，根據(jù)管道的剛度和尺寸不同而采取不同的模擬方法。提出了兩個隧洞近接穿越橋基時的有限元輔助設計的計算方案。據(jù)此方案，對隧洞近接穿越鉆孔樁、挖孔樁和沉箱樁進行研究，總結(jié)規(guī)律，為類似的工程和有限元法輔助設計提供參考。 （5）研究了隧洞布置超出水利規(guī)范限制的特殊問題。在隧洞穿越橋基時，兩個隧洞間距過小，遠超出水工隧洞設計規(guī)范的限制，隧洞近接樁基，施工條件非常不利。研究表明，

6、采用適當?shù)氖┕し椒?，施工期隧洞和橋基的安全均可得到保證。這已得到現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的驗證。此研究可為類似工程和有限元法輔助設計提供有價值的參考。 （6）建立了有限元法輔助淺埋暗挖輸水隧洞結(jié)構(gòu)設計的基本方案。該方案輔助設計的大量計算成果的有效性已得到了現(xiàn)場監(jiān)測資料的驗證。采用該方案進行計算分析，可以為淺埋暗挖隧洞結(jié)構(gòu)設計提供更科學的依據(jù)。 本文的研究豐富了在軟基中修建輸水管涵分析理論和方法，對設計和施工具有重要的指導意義。為水利