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共和隧道施工围岩稳定性及衬砌可靠度研究

作　者: 范为华
导　师: 姜德义
学　校: 重庆大学
专　业: 工程力学
关键词: 共和隧道大变形岩石力学性质饱水软化可靠度
分类号: U451.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 180次
引　用: 2次
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内容摘要

共和隧道地质条件十分复杂,隧道施工过程中遇到了围岩破坏属于软质岩大变形。针对这一病害特点,为了弄清其病害机理,设计合理的初期支护方式,本文主要做了以下几个方面的研究工作:①对隧道围岩稳定性研究方法、监控量测及可靠度的研究现状进行分析和总结,给出本文的主要研究内容和技术路线;②对共和隧道围岩的力学性质进行了试验研究,完成了围岩的单、三轴试验,获得了共和隧道页岩的基本力学参数;通过饱水软化试验建立了岩石力学参数与饱水时间的软化相关模型;最后通过蠕变试验,建立了蠕变本构关系的相关模型,并得出其不同恒压下本构方程的相关参数;③应用有限元数值计算方法对隧道开裂段施工全过程进行了研究,分析了隧道围岩应力演化过程、隧道围岩可能的破坏模式、隧道埋深对隧道变形的影响以及隧道锚杆支护结构的受力情况等问题;④简要介绍隧道新奥法施工,通过现场量测和试验研究,得到共和隧道试验段在隧道开挖期间围岩周边收敛情况、锚杆轴力、接触应力及工字钢应力变化规律;结合数值模拟,给出合理的共和隧道大变形段支护方案;⑤应用结构可靠性分析的基本原理和方法,建立隧道初期支护可靠度分析的极限状态方程,选用蒙特卡罗计算方法,运用ANSYS程序提供的PDS技术(Probabilistic Design System)进行抽样计算,对隧道整体初期支护的可靠度进行分析和评价。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-18
  1.1 问题提出  9
  1.2 研究的目的和意义  9-10
  1.3 国内外研究现状及评述  10-16
    1.3.1 隧道围岩稳定性  10-12
    1.3.2 围岩大变形机制  12-13
    1.3.3 围岩本构关系分析的理论研究  13-14
    1.3.4 围岩支护理论  14-15
    1.3.5 围岩变形的监控量测  15
    1.3.6 可靠度研究现状  15-16
  1.4 本文的主要工作  16-18
    1.4.1 研究内容和目标  16-17
    1.4.2 研究方案和技术路线  17-18
2 共和隧道主要工程地质条件  18-24
  2.1 共和隧道工程概述  18
  2.2 共和隧道场地工程地质条件  18-20
    2.2.1 共和隧道自然地理  18-19
    2.2.2 共和隧道隧质区地质构造  19
    2.2.3 共和隧道水文地质条件  19-20
  2.3 场地围岩等级及洞身段地质评价  20-22
    2.3.1 隧道围岩分级  20
    2.3.2 隧道洞身段工程地质评价  20-22
  2.4 共和隧道存在的地质隐患及隐患分析  22-23
    2.4.1 隧道瓦斯  22
    2.4.2 隧道围岩开挖变形  22
    2.4.3 共和隧道地质隐患分析  22-23
  2.5 施工中遇到的工程问题  23
  2.6 本章小结  23-24
3 隧道围岩力学特性实验研究  24-38
  3.1 岩石力学特性试验方法介绍  24-26
    3.1.1 实验室常规试验法  24-25
    3.1.2 室内声波探测法  25-26
    3.1.3 室内蠕变实验  26
  3.2 共和隧道页岩实验结果  26-30
    3.2.1 室内常规试验结果  26-28
    3.2.2 饱和水试样声波探测实验数据  28-29
    3.2.3 页岩流变特性研究实验数据  29-30
  3.3 共和隧道页岩试验数据分析  30-36
    3.3.1 基本岩石力学参数与围压的相关模型  30-31
    3.3.2 浸水时间与岩石力学参数的相关模型  31-33
    3.3.3 共和隧道页岩流变特性的相关模型  33-36
  3.4 本章小结  36-38
4 共和隧道稳定性分析及支护措施研究  38-74
  4.1 隧道支护理论研究  38-48
    4.1.1 地下洞室开挖后围岩应力分析  38-40
    4.1.2 围岩大变形支护原理  40-42
    4.1.3 围岩支护抗力计算  42-44
    4.1.4 围岩与支护结构的作用机理分析  44-46
    4.1.5 新奥法隧道支护理论  46-48
  4.2 基于ANSYS 的围岩稳定性数值模拟研究  48-57
    4.2.1 ANSYS 有限元软件简介  48
    4.2.2 有限元计算简化过程  48-49
    4.2.3 有限元模拟过程  49-52
    4.2.4 隧道模拟结果分析  52-55
    4.2.5 埋深对隧道变形的影响分析  55-56
    4.2.6 隧道锚杆支护结构受力分析  56-57
  4.3 共和隧道围岩大变形支护措施  57-65
    4.3.1 隧道围岩支护原则  57-58
    4.3.2 隧道衬砌及支护措施预设计  58-61
    4.3.3 隧道围岩松动圈探测  61-64
    4.3.4 隧道施工阶段围岩支护措施  64-65
  4.4 共和隧道现场监控量测  65-73
    4.4.1 监控量测方案  66-69
    4.4.2 监控量测成果分析  69-73
  4.5 小结  73-74
5 隧道围岩衬砌结构长期可靠性研究  74-89
  5.1 可靠性分析的基本原理  74-77
    5.1.1 结构极限状态与功能函数  75-76
    5.1.2 失效概率与结构可靠度  76-77
    5.1.3 结构可靠指标  77
  5.2 结构可靠度分析的方法  77-79
    5.2.1 中心点法  77-78
    5.2.2 演算点法（JC 法）  78
    5.2.3 随机有限元法  78-79
  5.3 Mento Carlo 法  79-81
    5.3.1 Mento Carlo 法基本原理  79-80
    5.3.2 随机参数的产生  80
    5.3.3 随机变量的抽取  80-81
  5.4 衬砌结构可靠度分析中极限状态方程的建立  81-83
    5.4.1 混凝土和砌体偏压构件的极限承载力  81-82
    5.4.2 整体式衬砌极限状态设计式的建立  82-83
  5.6 蒙特卡洛法结果分析  83-88
    5.6.1 随机输入参数的分布函数图  83-84
    5.6.2 统计分析  84-88
  5.7 小结  88-89
6 结论及展望  89-91
  6.1 主要结论  89-90
  6.2 展望  90-91
致谢  91-92
参考文献  92-96
附录  96
  A. 作者学习期间发表的论文  96
  B. 作者学习期间参加的科研项目  96

共和隧道施工围岩稳定性及衬砌可靠度研究

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