淺埋圓形隧道力學(xué)行為理論分析及應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市隧道作為一種快速、安全、快捷、高效、環(huán)保的交通形式，已經(jīng)成為解決城市交通問(wèn)題的首要選擇。在隧道施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，圍巖應(yīng)力和變形分析是隧道設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。深埋隧道的分析可忽略地表邊界和地面荷載的影響，將圍巖視為無(wú)限巖土介質(zhì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深埋隧道已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究并取得卓有成效的成果。城區(qū)隧道工程的顯著特點(diǎn)是埋深淺，圍巖軟弱、地質(zhì)條件差，地表建筑物及地下管線(xiàn)密集。受地表邊界和地面荷

2、載的影響，淺埋隧道的圍巖應(yīng)力和變形分析比深埋隧道更為復(fù)雜和困難。目前，自重應(yīng)力以及外部荷載作用下淺埋圓形隧道力學(xué)行為的理論研究還不充分。為此，本文基于復(fù)變函數(shù)理論，采用共形映射和Fourier級(jí)數(shù)變換的方法開(kāi)展淺埋圓形隧道力學(xué)行為的理論研究，利用數(shù)值模擬和工程實(shí)測(cè)資料對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并將理論研究成果應(yīng)用于工程實(shí)踐。主要研究?jī)?nèi)容及成果包括：
　　①?gòu)臒o(wú)限平面內(nèi)集中作用下的復(fù)變函數(shù)解析解出發(fā)，根據(jù)鏡像法計(jì)算原理，將自重應(yīng)力作用

3、下淺埋圓形隧道理論分析分解為三個(gè)部分進(jìn)行求解。隨后分別推導(dǎo)出隧道開(kāi)挖前自重應(yīng)力在擬建隧道洞周引起的應(yīng)力邊界條件；半無(wú)限平面內(nèi)集中力作用下圍巖應(yīng)力的復(fù)變函數(shù)解及其在隧道洞周引起的應(yīng)力邊界條件；隧道洞周反面力作用下圍巖應(yīng)力的復(fù)變函數(shù)解。基于理論推導(dǎo)結(jié)果，提出圍巖應(yīng)力、位移及屈服接近度的具體計(jì)算流程，利用數(shù)值模擬驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性。明確了理論計(jì)算中Laurent級(jí)數(shù)項(xiàng)目數(shù)取值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，基于收斂性條件提出其確定準(zhǔn)則。分析探討了理論計(jì)

4、算位移誤差產(chǎn)生的原因以及隧道埋深對(duì)計(jì)算精度的影響規(guī)律，提出水平位移計(jì)算誤差的具體處理方法。根據(jù)應(yīng)力釋放理論，利用施加虛擬支撐力的方法提出考慮圍巖應(yīng)力釋放的淺埋圓形隧道復(fù)變函數(shù)解的計(jì)算方法。
　?、诨谧灾貞?yīng)力作用下圓形隧道復(fù)變函數(shù)解，以隧道洞周應(yīng)力邊界條件是否滿(mǎn)足周期性條件出發(fā)，證明了隧道外部任意荷載作用下隧道復(fù)變函數(shù)解的存在性。隨后分別推導(dǎo)出外部豎向集中力、水平集中力作用下淺埋圓形隧道復(fù)變函數(shù)解。由地表應(yīng)力邊界條件首先推導(dǎo)出半無(wú)

5、限平面地表作用集中力時(shí)復(fù)勢(shì)函數(shù)的顯示表達(dá)式，根據(jù)坐標(biāo)變換可得到地面任意線(xiàn)荷載作用下隧道復(fù)變函數(shù)解析解。以理論研究成果為基礎(chǔ)計(jì)算隧道上方作用集中力時(shí)，圍巖應(yīng)力、位移的分布規(guī)律，并將理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬對(duì)比分析。隨后，著重對(duì)比分析地面荷載作用范圍、荷載與隧道偏心距對(duì)圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)范圍的影響。
　?、坳U述了 Schwarz交替法的基本原理，及其用于求解淺埋雙圓孔隧道的計(jì)算流程。分別基于第2章、第3章理論研究成果，給出自重應(yīng)力、

6、外部荷載作用下淺埋雙圓孔隧道的理論計(jì)算流程。明確了坐標(biāo)變換以及Fourier級(jí)數(shù)變換在簡(jiǎn)化隧道洞周應(yīng)力邊界方面的應(yīng)用。探討了理論計(jì)算中迭代次數(shù)對(duì)計(jì)算精度的影響，并給出迭代次數(shù)的確定原則。隨后，著重對(duì)比分析淺埋雙圓孔隧道徑距、夾角對(duì)圍巖應(yīng)力、地層沉降及塑性區(qū)分布的影響。
　?、芨鶕?jù)襯砌變形連續(xù)性條件，將隧道洞周監(jiān)測(cè)位移進(jìn)行連續(xù)化處理并將其展開(kāi)為 Fourier級(jí)數(shù)，通過(guò)保角變換將襯砌映射為單位圓環(huán)。利用襯砌內(nèi)邊界應(yīng)力、位移邊界條件求

7、解出襯砌域內(nèi)復(fù)勢(shì)函數(shù)的顯示表達(dá)式。從圍巖與襯砌交界面面力相等的條件出發(fā)，以襯砌域內(nèi)復(fù)勢(shì)函數(shù)表示圍巖內(nèi)邊界應(yīng)力邊界條件，利用圍巖內(nèi)邊界和地表應(yīng)力邊界條件確定圍巖域內(nèi)復(fù)勢(shì)函數(shù)。由襯砌域內(nèi)復(fù)勢(shì)函數(shù)求出襯砌任一斷面上徑向、法向應(yīng)力，以求出的襯砌應(yīng)力可求出襯砌內(nèi)力分布。分別計(jì)算出不同安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的襯砌壓彎、壓剪承載能力曲線(xiàn)，并據(jù)此定量評(píng)價(jià)既有變形條件下隧道襯砌的安全性及其可能出現(xiàn)的破壞模式。
　?、菀灾貞c市華龍站～重慶西站區(qū)間隧道為依托，將