太佳高速西庄隧道围岩稳定性分析与施工动态模拟

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1、西安科技大学硕士学位论文施工过程和运行期间的力学性状是修建此类隧道的必须。但从目前掌握的资料看，铁路车站连拱隧道设计和施工技术应该说已比较成熟，公路连拱隧道的工程实例则相对较少，可供借鉴的施工经验教少，我国尚缺乏有关公路连拱隧道设计与施工的规程、规范。近年来，随着连拱隧道工程实例的增多，虽取得了一些经验，但还没有形成一套完整的设计与施工方法以及相应的配套技术。有关隧道断面形状的优化、施工方法的确定尤其是大型机械化施工方法的选择以及中墙顶防排水的处理仍处于探索、积累经验的阶段。为了全面了解和掌握双连拱隧道的施工特点，采用数值分析方法动态模拟施工全

2、过程中围岩和支护结构的应力、应变规律，从理论高度解释和认识连拱隧道的变形规律和工程特点，就显得非常重要。为获得有关连拱隧道施工过程中围岩——支护体系的力学性状，如拱顶下沉、地表沉降、水平收敛、围岩与支护结构的受力及破坏情况等可以用来评定隧道围岩稳定和支护体系安全性的重要资料和数据，有必要对连拱隧道的开挖和支护过程进行研究，认识连拱隧道在施工过程中围岩的应力、应变分布规律以及位移表现特点，研究连拱隧道施工过程中中隔墙、初期支护、二次衬砌的受力性状，从而为连拱隧道的[5][6]设计和施工提供科学依据和技术指导。数值分析方法不仅可以解释、分析现场观测

3、到的复杂现象，弥补现场监测测点布置及观测内容有限等方面的不足，而且还可以模拟实际工程中的不良工况，对于揭示连拱隧道内在力学机理，丰富和完善其设计理论起到积极的作用。1.2研究目的、意义连拱隧道是在日本从1974年在伊祖隧道首次采用，我国也于20世纪90年代开始陆续采用。与此同时，自1972年8月在美国芝加哥召开第一次“快速掘进与隧道工程”会议以来，国际上先后开过8次有关的国际学术会议，每次会议都对隧道施工超前地质预报问题予以极大的重视。国外的日、德等发达国家都在这方面做过大量的工作和研究，例如日本在20世纪青函隧道施工过程中使用了超前导坑202

4、m孔深的水平超前钻探及声[7][8]波探测技术预报地质构造、断层位置等。连拱隧道具有接线难度小，占地面积小，环境保护好等优点，同时兼有埋深较浅、地质条件较差等缺点，一般在浅埋的中短距离隧道设计中被较多地采用。在连拱隧道的开挖过程中，隧道围岩发生卸荷回弹和应力重分布，若围岩应力变化大或者岩体强度低以致不足以适应这种应力重分布，隧道围岩就会丧失其稳定性，如果不及时加固或未保证加固质量，都会引起隧道围岩的变形破坏，对隧道的施工和运营造成危害，连拱隧道更因地质条件差而存在着隧道围岩失稳变形破坏的隐患。鉴于此，本文以太佳高速公路西庄隧道项目为依托，通过对

5、隧道围岩分级及稳定性评价，指导设计和施工过程中不同地段不同类别围岩的支护加固类型；通过对隧道施工过程的数值模拟，指出隧道施工过程中围岩应力强度相对薄弱部位，预测和预防围岩的21绪论局部失稳破坏和累进式破坏，以确保围岩稳定性达到高速公路工程对隧道围岩的具体要求。同时得出一套适合现代信息化施工的隧道围岩稳定性研究方法，从而为隧道围岩稳定性分析适合现代信息化的施工贡献力量，将ANSYS应用于隧道工程围岩稳定性分析中做些基础性的工作，为后来者提供借鉴。1.3研究现状和存在问题1.3.1国内外的研究现状及发展动态用于隧道开挖、支护过程的数值分析方法一般有

6、有限单元法(FEM)、边界元法(BEM)和有限元——边界元耦合法(FEBEM)。有限元法的模拟能力强，可以考虑岩土介质的非均质性、各向异性、非连续性和材料与几何非线性等等，且能适用于各种实际的边界条件。有限元法的缺点是需要将整个物理系统离散成有限自由度的计算模型，并进行分片插值，数据量大，耗时长，而且受计算机内存的限制。边界元的优越性在于：基本未知量只在所关心问题的边界上，如对隧洞计算时，它只需对分析对象的边界(此处指沿洞周界面)作离散，而外围的无限域则视为无边界。有利于模拟和分析区域很大(趋于∞的无界域)、而隧道界面边界却又相对较小的隧洞和地

7、下结构。其次，边界元法对应力和位移解的精度很高。与有限元法相比，边界元的最大缺点则是要求分析区域的几何、物[9][10]理连续。有限元——边界元祸合法使上述两种方法互为补充，取长补短，实践证明可以收到很好的计算效果。在隧道结构计算时，主要关心的区域通常只局限于隧道附近，可用有限元法模拟；而对外部无界区域可用边界元按均质、线弹性体模拟即可，这样对衬砌结构的计算可以有很好的计算精度。现实中，随着计算机的普遍使用及其性能的不断提高，[11]有限元法成为发展最快的数值方法，多数的大型CAE软件都是基于有限元法编制的。对于连拱隧道的理论计算，有人已作了一

8、些工作。如：（1）铁道部第二勘测设计院用同济大学编制的平面杆系结构有限元程序ARCZ分析金竹桥隧道。根据直接刚度法原理，将结构简化为若干直杆组成的杆系