大断面连拱隧道中隔墙力学行为及稳定性研究

摘要

随着我国国民经济的快速发展，大断面连拱隧道作为一种新型的结构形式已被广泛采用。但由于其结构失跨比小，跨度大，隧道结构施工过程受力状态远比一般连拱隧道复杂。中隔墙是连拱隧道结构受力的核心构件，拉、压、弯、剪、扭均有，同时左右洞施工对中隔墙影响难以把握，增加了施工变形和稳定的控制，中隔墙的力学行为直接关系到隧道整体结构的稳定性。因此，深入分析研究中隔墙力学行为及变形特征和稳定性影响因素，对大断面连拱隧道的设计和施工具有指导意义。
　　本文依托贵阳遵义中路隧道工程为背景，对目前国内外普遍采用的六种中隔墙形式，在支护参数、中墙宽度、高度、围岩类别均相同的情况下，运用ANSYS12.0建立四个二维平面有限元模型，分析他们各自受力变形规律和结构安全系数。接着对连拱隧道中隔墙的施工过程建立三维空间有限元模型，对连拱隧道开挖时中隔墙的力学行为及变形特性、左右洞的相互影响进行了分析，同时在原有施工步骤上，对中墙一侧、顶部是否回填进行中隔墙稳定性分析。主要研究成果包括:
　　①收集连拱隧道中隔墙断面形式，分析各个断面形式的优缺点和适用条件，为连拱隧道中隔墙断面选择提供参考。
　　②通过对六种中隔墙形式二维模拟，得出各中隔墙施工结束都处于偏压状态，分层直中墙偏压受力最大，且各中隔墙结构都是安全的，整体曲中墙安全系数最大，中空直中墙安全系数最小。
　　③中隔墙在施工过程中一直处于偏压状态，其竖向应力呈台阶式收敛，各施工工序对中墙凹处的竖向应力影响变化幅度最大，底部竖向应力影响变化幅度最小，各截面中墙中心测点变化平缓。
　　④采用中导洞—台阶法开挖时，左洞开挖掌子面影响范围18m，右洞开挖掌子影响范围24m，从而提出软弱围岩大断面连拱隧道中两洞开挖掌子面合理间距为2B（单洞开挖跨度为15m)。
　　⑤采用中导洞—台阶法开挖时，左洞施工对中隔墙应力的影响范围为18m，右洞施工对中隔墙的应力影响范围为27m。
　　⑥在原有施工步骤下，采取在中隔墙顶部回填右侧回填、中隔墙顶部回填右侧不回填和中隔墙顶部不回填右侧不回填3种情况模拟分析中隔墙稳定性影响因素，得出中隔墙顶部右侧均回填有利于中墙稳定。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 理论分析

1．2．2 数值分析

1．2．3 室内相似模型试验

1．2．4 现场试验

1．3 目前存在的主要问题

1．4 本文主要研究内容

第二章 中隔墙类型

2．1 中隔墙结构设计的主要影响因素

2．1．1 隧道的建筑限界

2．1．2 隧道埋深

2．1．3 防排水要求

2．1．4 满足工程地质条件

2．2 中隔墙断面形式

2．2．1 直中墙

2．2．2 曲中墙

2．3 中隔墙结构尺寸的确定

2．4 本章小结

第三章 隧道施工过程数值模拟方法

3．1 弹塑性基本理论

3．1．1 弹塑性增量本构关系

3．1．2 弹塑性问题的增量有限元理论

3．2 隧道开挖卸荷的基本方法

3．3 隧道施工过程模拟的ANSYS实现

3．3．1 初始地应力的模拟

3．3．2 开挖与支护过程的模拟

3．3．3 连续施工的模拟

3．3．4 地应力逐步释放的模拟

3．4 本章小结

第四章 六种中隔墙平面数值分析

4．1 遵义中路隧道工程概况

4．1．1 工程概况

4．1．2 地质概况

4．1．3 衬砌设计概况

4．2 平面有限元模型的建立

4．2．1 计算假定

4．2．2 模型的模拟及边界条件的确定

4．2．3 模型参数选取

4．2．4 连拱隧道结构形式及尺寸

4．2．5 开挖支护模拟

4．3 计算结果分析

4．3．1 中墙应力特性对比

4．3．2 中墙内力安全系数对比

4．4 六种中隔墙平面模型计算结果的比较分析

4．5 本章小结

第五章 遵义中路隧道三维数值分析

5．1 三维有限元模型的建立

5．2 施工过程及工序模拟

5．3 目标面布置

5．4 左右洞施工相互影响空间研究

5．5 连拱隧道中墙力学行为与变形特性研究

5．5．1 中隔墙力学特性分析

5．5．2 中隔墙变形特性分析

5．6 中隔墙稳定性影响因素

5．6．1 受力分析

5．6．2 变形分析

5．7 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和取得的学术成果