（岩土工程专业论文）山区浅埋偏压连拱隧道锚喷支护的优化研究.pdf

摘要 连拱隧道是随着我国公路建设的迅速发展而出现的新型大跨度 隧道形式。但是由于浅埋、偏压、高跨比小、地质条件和结构受力复 杂的特点，对偏压连拱隧道的应用和研究还处在探索和初级阶段，尤 其对结构设计和施工过程中的力学特点和规律尚缺乏系统和全面的 研究。 本文依托怀新( 怀化一新晃) 高速公路界牌坳双连拱隧道工程，采 用有限元数值分析研究方法和技术手段，对偏压情况下的双连拱隧道 结构受力及结构优化进行了探讨。论文介绍了国内外在连拱隧道、隧 道结构优化和数值模拟方法等方面的研究现状。结合工程实际，考虑 到界牌坳连拱隧道特定的工程地质条件，通过对界牌坳隧道偏压和不 偏压两种计算模型有限元数值计算结果进行对比研究，得出了浅埋偏 压连拱隧道支护体系的受力和变形特性，提出了改变锚杆长度、角度、 喷射混凝土厚度的优化建议。对优化方法进行了探讨，进行了以锚杆 轴力求和为目标进行优化的可行性论证。编制了a dp l 优化程序， 实现了隧道锚杆长度、角度和喷射混凝土厚度的自动优化，得到了更 适应偏压荷载的锚喷支护。 最后，文章总结了偏压连拱隧道优化的优化方案和意义，结合界 牌坳浅埋偏压连拱隧道有限元模拟分析数据结果，提出了论文中存在 的几个问题和自己的建议。 本论文的研究成果是对界牌坳隧道这类偏压连拱隧道进行适应 t l t 偏压的改进，为以后避免此类隧道由于结构形式不合理而发生的工程 事故节约建筑材料有重要意义，也对今后类似隧道工程的设计具有一 定的指导意义。 关键词浅埋偏压连拱隧道，结构优化，锚喷支护，数值分析，a n s y s i v a b s t r a c t t h ed o u b l e a r c ht u n n e l i san e wl a r g es p a nt u n n e l i sp r e s e n t e dw i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g hw a yc o n s t r u c t i n gi no u rc o u n t r y h o w e v e r , b e c a u s eo fi t so w nc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha ss h a l l o wd e p t ho fb u r i a l ， u n s y m m e t r i c a lp r e s s u r e ，s m a l lh e i g h t - t o s p a nr a t i o ，c o m p l e x g e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa n ds t r u c t u r a ls t r e s s ，t h ea p p l i c a t i o na n d 咖d yo fd o u b l e a r c h t u n n e lu n d e ru n s y m m e t r i c a lp r e s s u r ei ss t i l la tap r e l i m i n a r i l ys t a g e ，a n d t h i si se s p e c i a l l yt r u ef o rt h es y s t e m a t i cs t u d yo nt h es t r u c t u r a ld e s i g na n d t h em e c h a n i s mo ft h em e c h a n i c a lr e s p o n s ed u r i n gc o n s t r u c t i o n b a s e do nt h ej i e p a i a o d o u b l e a r c ht u n n e l e n g i n e e r i n g o ft h e h u a i x i n ( h u a i h u a - - x i n h u a n g ) h i g h w a y , t h et h e s i sp r i m a r i l ys t u d i e st h e m e c h a n i c s p r o b l e m o ft h e e x c a v a t i n g a n d s u p p o r t i n gd u r i n g t h e d o u b l e a r c ht u n n e lc o n s t r u c t i o na n dt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nb yt h e f i l l i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) c a l c u l a t i o n t h ep r e s e n tr e s e a r c hr e v i e w e d t h ed o u b l e a r c ht u n n e l s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no ft u n n e la n dm e c h a n i c s a n a l y s i sa p p r o a c ha th o m ea n da b r o a d b a s i n g o nt h ea c t u a lc o n d i t i o na n d c o n s i d e r i n gt h es p e c i a lg e o l o g i c a l c o n d i t i o n so fj i e p a i a od o u b l e a r c h t u n n e l ，t h er u l eo fp r e s s i o na n dd i s t o r t i o no ft h ed o u b l e - a r c ht u n n e lu n d e r u n s y m m e t r i c a lp r e s s u r ei sg e t e db yc o n t r a s t i n gs t u d y o fs y m m e t r i c a la n d u n s y m m e t r i c a lp r e s s u r ef e m c a l c u l a t i o nr e s u l t t h ea d v i c eo fc h a n g i n g t h el e n g t ha n da n g l eo ft h ea n c h o r - h o l da n dt h et h i c k n e s so ft h es h o t c r e t e l i n i n go nt h ed e s i g no p t i m i z a t i o ni sp r e s e n t e d 1 1 1 eo p t i m i z a t i o np r o j e c t a r ed i s c u s s e d , a n dt h ef e a s i b i l i t ya r g u m e n t a t i o no ft h eo p t i m i z a t i o n p r o je c ti sp r o c e s s e d i nw h i c ht h eo p t i m i z a t i o ni st h es u mo ft h ea n c h o r a x i a lf o r c e t h e n ，t h e p lo p t i m i z a t i o np r o g r a mi sw r i t t e n ，i nw h i c ht h e l e n g t ha n da n g l eo ft h ea n c h o r - h o l da n dt h et h i c k n e s so ft h es h o t c r e t e l i n i n ga r ea u t o m a t i cc h a n g e d ，a n dt h eb o l t i n ga n ds h o t c r e t el i n i n gw h i c h c a nr e s i s tt h eu n s y m m e t r i c a lp r e s s u r eb e t t e ri sg e t e d f i n a l l y , t h ep r e s e n ts t u d ys u m m a r i z e st h eo p t i m i z a t i o np r o j e c t so f d o u b l e a r c ht u n n e lu n d e ru n s y m m e t r i c a lp r e s s u r ea n di t sm e a n i n g c o m b i n i n g t h er e s u l t so ff e m a n a l y s i so ft h et u n n e l ，s o m ep r o b l e m sa n d s u g g e s t i o n sa r ed i s c u s s e d t h er e s e a r c hi sa b o u th o wt oi m p r o v et h ed o u b l e a r c ht u n n e l v c o n s t r u c t i o nu n d e ru n s y m m e t r i c a lp r e s s u r es u c ha sj i e p a i a oa n di t s r e s i s t i n gu n s y m m e t r i c a lp r e s s u r eb e r i th a st h eg u i d i n gs i g n i f i c a n c et o r e d u c et h ee n g i n e e r i n ga c c i d e n tb e c a u s eo ft h eu n s u i t a b l ed e s i g n ，t h e e c o n o m i z i n g o f t h ec o n s t r u c t i o nm a t e r i a l ，a n dt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n - o ft h es i m i l a rt u n n e le n g i n e e r i n g k e yw o r d ss h a l l o wp a r t i a lp r e s sd o u b l e - a r c ht u n n e l ，s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n ，b o l t i n ga n ds h o t c r e t el i n i n g ，n u m e r i c a la n a l o g u e ，a n s y s v i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：叠衅 日期：丝年上月答日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 硕士学位论文第一章概述 1 1 引言 第一章概述 自改革开放以来，随着国民经济的大发展，我国的公路建设也随之蓬勃发 展，高等级公路隧道也开始逐渐增多。进入二十世纪九十年代以后，我国高等 级公路隧道的建设进入了一个高速发展阶段。截至2 0 0 5 年底，我国已成功修建了 7 5 0 0 座、总延长4 3 0 0 多公里的铁路隧道，隧道数量和总长度均居世界前列。当高速 公路进入山岭时，由于高等级公路线型标准高，为了保证高速公路线型的要求， 缩短路线长度，提高运营效益和行车成本，一般采用隧道的方式穿过，因此隧 道已经成为山区高速公路一个不可缺少的组成部分。 我国是一个多山的国家，近3 4 的国土是丘陵或山地，在山区和丘陵地区的 交通线路建设中，为了满足行车的需要，达到克服高差、缩短里程、改善线形指 标以及保护生态环境等方面的要求，隧道形式的选择和修建日益引起人们的重 视，数量越来越多，规模也越来越大，往往成为整条线路工期和造价的关键工程 ( 或控制工程) 。在山岭重丘区，隧道形式的选择不仅受地形、地质条件的约束， 同时受路线平、纵、横指标以及三方面组合设计的制约。在地形、地质条件允许 的情况下，一般高速公路和一级公路通常设计为上下行分离的两座独立隧道，两 隧道间最小间距应以不受相互施工影响为原则，并依据围岩类别、断面尺寸、施 工方法等因素确定。但在地形陡峻、脊谷相间的“鸡爪 地带，分离式隧道很难 满足公路隧道设计规范【2 】中对左右洞距的要求，不得不采用小净距或连拱隧 道方案。而小净距隧道需要进行围岩的加固处理，施工难度较大，尤其对于类 以下围岩的隧道，将会大幅增加投资。因此，一些较短的隧道( 隧道长度 5 0 0 m ) 选用了连拱结构型式。， 连拱隧道和一般的分离式独立隧道相比，连拱隧道有许多优点，主要表现 为：减少了占地面积，降低征地费用；避免了洞口分幅路基，与洞外线路连接 方便；在傍山或垭口地形利于洞口位置的选择，并可减少隧道长度；可保持路 线线形流畅，且断面造型美观；城市中连拱隧道可以大大减少拆迁，降低工程 费用等。一般高速公路或一级公路5 0 0 m 以下的公路隧道若地质条件允许，选 用连拱方案为宜；5 0 0 - - - 7 5 0 m 的隧道，应结合通风问题同分修方案作比较；而 7 5 0 m 以上的隧道分修双洞为宜 3 1 【4 1 。鉴于上述原因，连拱隧道在近年来得到了 越来越多的应用。 连拱隧道作为一种有效的结构形式，解决了分离式单洞隧道所存在的问题， 对节省总体投资有着重要的意义。特别是在山区修建较短的隧道( 隧道长度一般 硕士学位论文 第一章概述 5 0 0 m ) 中，具有较大的优势。但从全国各地已建成的连拱隧道的情况来看，却 存在工期较长，工序繁多，造价偏高以及工程质量难以保证等问题。一方面连 拱隧道开挖跨度较大，开挖和支护相互交错，施工过程中体系需经多次转换， 围岩应力和衬砌荷载转换十分复杂，施工过程中围岩应力分布，以及衬砌受力 变形状况不明确，增加了隧道施工变形和稳定控制的难度，若结构分析不合理 或施工方法与工艺不当将极有可能造成连拱失败、大面积垮塌；另一方面则是 连拱隧道的力学性质没有得到深入的研究，尤其是中隔墙部分受力相当复杂， 压、弯、剪、扭均有，左右洞施工对中墙的影响难以把握，其复杂的结构型式 给设计和施工带来较大的困难；了解和认识双连拱隧道在施工过程和运行期间 的力学性状是修建此类隧道的必须。 特别是山区浅埋隧道具有一些自身的特点，如：偏压、地质条件复杂、岩 土破碎、岩体力学参数难以确定、自承能力差等，所有现有的相关设计和施工 规范对于山区浅埋隧道的设计和施工存在一定差距。目前国内外有关浅埋双连 拱隧道的研究为数不多，可供借鉴的施工经验较少，相应的施工技术和方法不 完善，没有一套完整、适用的设计与施工方法及其相应的配套技术，其设计和 施工带有很大的盲目性，从而制约了浅埋隧道在山区公路建设中的广泛应用。 而对于双连拱隧道在偏压荷载下的研究更少。为获得有关浅埋偏压双连拱隧道 施工过程中围岩一支护体系的力学性状，有必要对浅埋偏压双连拱隧道的开挖 和支护过程进行研究。为了全面了解和掌握浅埋偏压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过程中围岩和中墙的应力应变规律，从理论 高度解释和认识连拱隧道的变形规律和工程特点。数值分析方法不仅可以解释、 分析现场观测到的复杂现象，弥补现场监测测点布置及观测内容有限等方面的 不足，对于揭示偏压连拱隧道内在力学机理，丰富和完善其设计理论起到积极 作用引。 在目前的双连拱隧道的设计中，偏压隧道这种不对称受压的隧道多采用的 是对称的隧道断面和支护结构。而是否可以采用更适合偏压的不对称的结构使 围岩稳定性更好或者支护结构受力更优值得研究。 1 2 国内外研究现状与水平 1 2 1 有限元在隧道工程领域中的应用现状 自有限元软件出现以来，有限元数值分析越来越普及的应用到工程领域， 研究内容也由弹性分析转向塑性和粘弹性分析，单一分析转向多因数的耦合分 析，由静力分析转向动力学分析。在隧道工程领域，应用有限元进行对隧道进 2 硕士学位论文第一章概述 行围岩弹塑性分析、衬砌受力分析、施工方案优化、支护结构优化、隧道之间 及隧道与其他建筑物之间的相互影响、隧道的地震响应动力分析、隧道爆破震 动的动力分析等方面的研究逐步深入。 1 2 2 结构优化设计现状 人们在结构设计中，总是希望在给定的条件下得到在技术经济上尽量符合 理想的设计方案。为了达到这一目的，传统的办法是采用重复设计法、弹塑性 设计法、重量强度设计法和直接设计法等。其中应用最广泛的是重复设计法。 该方法的设计程序：首先凭借经验和判断拟出初始方案，包括总体布置、材料 选择、结构尺寸和制造( 施工) 工艺等，然后进行结构分析，最后，根据结构分 析的结果检验该方案是否可行，必要时进行几次修改。在这种设计程序中，结 构分析只起到一种校核安全性的作用。显然这种设计方法存在不少问题，一是 反复设计过程繁复冗长、效率很低，二是最终方案一般不是理想的可行方案， 其技术经济合理性受设计者的经验和判断力的影响很大，受初始方案的影响很 大事实上，理想结构的设计或者说优化设计思想一直伴随着人们的生产实践 而不断发展，例如，在我国古代建造的拱式桥梁、利用短梁跨越大河的伸臂式 飞桥、房屋建筑中为了减少每层梁应力而采用的多层重叠横梁都体现了朴素的 结构优化设计思想。在力学分析用于指导工程结构设计之初，伽利略( g a l i l c o ) 就提出了等强度梁的概念，米歇尔( m i c h e l l ) 提出了最小体积的桁架结构( 理想桁 架) 设计问题，这是最初的有理论研究的蕴涵结构优化设计思想的设计方法。但 是，结构优化设计作为一门独立的学科出现，却只是近四十年的事( 从史密特 ( s c h m i t ) 用数学规划解决结构优化设计算起) 。特别是在过去的三十年中，由于 运筹学中数学规划方法的发展、结构分析中有限单元法的发展和电算技术的发 展，结构优化设计在理论、算法和应用方面都取得了显著的成绩，其应用对象 己涉及到航空航天、土木、水利、桥梁、机械、造船、海洋工程等各方面，成 为结构力学中最活跃的研究领域之一。 结构优化设计理论研究已从准则优化方法发展到数学规划方法，从线形规 划问题发展到非线形规划问题，从连续变量优化问题发展到离散变量优化问题 和整数变量问题，从截面尺寸优化问题发展到形状优化问题、拓扑优化问题、 布局优化问题，并由此发展了将不同类型设计变量分开，分级进行优化的分级、 分层优化方法，从单目标优化问题发展到多目标优化问题，从静力优化问题发 展到抗震结构优化问题，从静态优化问题发展到动态优化问题，从确定性优化 问题发展到考虑随机性和模糊性的不确定性优化问题，从单个结构优化问题发 展到系统工程优化问题，其中有些问题，如连续变量、单目标和确定性优化问 题，己经有较好的优化算法和较广泛的工程应用；而其它一些问题，如结构拓 3 硕士学位论文第一章概述 扑优化设计问题、工程系统优化设计问题、基于可靠度的结构优化设计问题等， 仍处于理论研究阶段，解决的工程问题很少。 、 、 特别值得一提的是：计算智能正深刻影响着结构优化设计领域。作为人工 智能和认知科学领域的最新发展，计算智能当前正日益受到重视，一般认为计 算智能包括神经网络( n e u r a l n e t w o r k ) 、模糊系统( f u z z y s y s t e m ) 和进化计算 ( e v o l u t i o nc o m p u t a t i o n ) - - - 个方面。由于这些新的理论和技术可以有效地解决局 部最优解和组合爆炸等困难，因此，计算智能一出现就受到包括结构优化设计 领域在内的科技界、企业界、政府决策机构的高度重视。目前，计算智能在结 构优化设计方面已有一些成功的应用，并在形状和拓扑优化、布局优化、多目 标优化、离散变量和混合变量优化等方面显示出智能方法的优势。甚至有人认 为计算智能将与结构优化设计结合产生一个新的分支：结构智能优化设计。但 目前，这些研究基本还处于理论层次上，离真正的实际工程应用还有一定的距 离。整体上说，结构优化设计应用的广度、深度与效用远远落后于优化理论的 进展，特别是在土木和建筑工程界应用得还不普遍，究其原因主要有： ( 1 ) 理论研究工作与实际设计工作的脱节。一方面理论研究人员过分关注研 究新算法，工程设计人员关心的是适用和实用；另一方面，研究人员在解决工 程问题时，不熟悉具体工程要求或忽略一些工程要求，致使优化结果不为工程 设计人员所接受。 ( 2 ) 由于优化设计问题的传统数学模型的描述能力和求解方法有相当的局 限性，使现有的优化理论和方法在实际应用中受到很大的限制，存在局部最优 解问题和维数灾难问题。 ( 3 ) 对每一类具体结构的设计都必须建立优化数学模型，这给工程技术人员 带来一定的困难，特别是当工程技术人员仅熟悉现有设计方法，不了解优化设 计方法时。目前，工程中大多数结构优化设计问题都是通过委托相关研究人员 进行的。 ( 4 ) 现行设计规范和规程中没有明确规定采用优化设计方法和要求，目前土 木工程界的管理体制和习惯作法也缺乏使人们追求优化设计方案的动力。因此 说，在结构优化设计研究领域迫切需要的是从工程实际问题开始，寻找实用的 优化设计，即采用一种“问题寻求设计一( p r o b l e m - s e e k d e s i g n ) 的方式，而不是 从已有的解出发去寻找适合的工程问题，采用“解寻求模型 ( s o l u t i o n - s e e k m o d e l ) 的方式 7 2 1 。 在隧道工程领域，使用有限元对隧道开挖方案仿真分析，优化开挖方案研 究较多。 ， 中南大学的王伟在不同施工顺序对偏压连拱隧道结构稳定性的影响分析 4 硕士学位论文 第一章概述 一文中采用弹塑性三维有限元数值模拟计算分析的方法，对桐油山隧道在不同 施工顺序情况下，对围岩及支护结构稳定性进行数值模拟，重点对连拱隧道整 体衬砌中的薄弱环节中墙进行了分析。结果表明：不管采用哪一种施工顺 序，中墙均受偏压荷载的作用并向埋深较浅侧倾斜。但是先开挖埋深较深一侧 时，中墙的受力和倾斜均较小，优于采用先开挖埋深较浅一侧的施工顺序。重 庆交通科研设计院的胡学兵在偏压连拱隧道施工方法数值模拟研究一文中 结合云南元磨高速公路上的忠爱桥偏压连拱隧道的设计、施工和地质情况，对 软弱围岩条件下的公路偏压连拱隧道采用左右两洞不同施工顺序时的力学响应 进行了数值模拟，分析了围岩和支护结构在不同施工顺序下的地应力场、位移 场，通过对比分析研究，确定了先施作深埋洞，再施作浅埋洞为公路偏压连拱 隧道最优施工方案，并且二次衬砌在此条件下不仅是“安全储备，它对隧道 的稳定性有重要作用。 而对隧道的结构优化设计领域的研究不够透彻。目前，这方面研究主要集 中在隧道内轮廓线的优化、仰拱的优化、中隔墙形式的优化等( 对偏压连拱隧 道而言，多为中隔墙形式方面的优化研究) 。石家庄铁道学院的高松风在大跨 公路隧道结构受力特性行为分析一文中对采用f o r t a r n 编程对衬砌内轮廓 线边墙与仰拱之间的圆弧半径进行了优化。西南交通大学的郭艳华在公路隧 道内轮廓优化确定方法一文中从计算机编程的角度去研究公路隧道几何形状 的确定。辽宁省交通勘测计院的林立彬在关于连拱隧道中隔墙优化设计施工 的探讨一文中根据连拱隧道中隔墙在施工和运营中的受力特点，通过多方案 对比，分析了中隔墙在施工和运营中几个不利工况的受力状态，总结了连拱隧 道中隔墙设计与施工的优化思路。西安科技大学的曹云钦在偏压连拱隧道衬 砌优化分析一文中采用有限元数值方法对不同衬砌形式下偏压连拱隧道结构 受力及应变特征作了计算分析。结果表明，偏压连拱隧道采用分层曲墙结构有 利有助于改善结构受力状况，减小应力集中及上部位移，降低衬砌开裂渗水的 可能性。这些研究多是针对衬砌的一小部分( 如中墙、仰拱，边墙与仰拱相交 处) 做出几个设计方案，通过有限元模拟，对比分析，择优选用。彭立敏、施 成华、刘小兵( 2 0 0 1 ) 应用拉格朗日乘子法中不等式约束优化问题的基本理论， 在建立隧道钢筋衬砌结构优化计算模型的目标函数基础上，推导了相关计算公 式，并给出了计算过程。优化过程中，作者首先确定隧道内轮廓，接着选定衬 砌厚度( h 从m a x 到m i n 变化) ，在一定的内力条件下，求配筋，接着求出造价， 取出其中最优造价。 1 3 研究内容 5 硕士学位论文 第一章概述 ：j 在我国西部地区，分布着广泛的软岩地层，拟建和在建的软岩双连拱隧道有 1 0 0 多座。为获得软岩双连拱隧道施工过程中围岩和支护体系的力学性状，本文 以上海至瑞丽国道主干线湖南省怀化至新晃高速公路界牌坳隧道建设工程为背 景，结合湖南省交通厅科研项目“山区浅埋隧道设计与施工关键技术研究 ，对 山区浅埋隧道开挖过程展开研究，主要包括以下内容： ( 1 ) 了解浅埋偏压连拱隧道的围岩和衬砌的力学机理，是进行优化设计的 基础。本文通过大型有限元软件a n s y s 对界牌坳隧道进行施工状态下的数值模 拟，研究其围岩和支护结构的力学机理。为了更清楚的了解偏压对连拱隧道的影 响，建立了偏心受压和不偏心受压两种隧道模型进行了对比研究。 ( 2 ) 针对连拱隧道的围岩和支护结构偏压状态下的受力特性，提出相应的 优化方法，并对几种方法进行对比，分析优化方法的优缺点。一 根据上述研究内容，本文共分六章，从章节上具体安排如下： 第一章是绪论，系统阐述了本文的研究背景，及采用数值分析方法动态模拟 软弱围岩浅埋偏压连拱隧道施工全过程的重要性与必要性。主要介绍了国内外连 拱隧道及结构优化的发展及研究现状，隧道及地下工程常用的数值方法，有限元 的发展、研究现状及目前常用的有限元分析软件，并在此基础上提出了本文的主 要研究内容。 第二章是通过资料收集和现场工程地质调查，搞清楚研究区的地形地貌特 征、地层岩性、地质构造和水文地质条件等工程地质条件，针对工程地质条件中 的缺陷和影响隧道围岩稳定性的工程地质问题作出定性评价和定量评价，为隧道 的现场施工提供可靠的地质依据。 i 第三章简要叙述了隧道开挖卸载的基本模拟思想、实现开挖卸载过程的具体 方法、整个隧道施工过程的模拟、卸荷释放荷载计算方法及在a n s y s 软件中的 实现。运用a n s y s 中的杀死和激活技术，对界牌坳隧道偏压和不偏压两种状态 下进行动态数值模拟。比较了在i i 类围岩下，两种荷载情况下围岩应力场、位移 场和应变场以及中墙应力场和位移场的变化规律，提出了适合的结构优化方案。 第四章简要诉述了锚喷支护的作用机理及影响因素，研究了界牌坳隧道各 个位置锚杆的长度角度变化时围岩和支护结构的受力特点。 第五章a n s y s 的优化功能的阐述。 。 第六章运用三种方法对中洞锚杆进行了优化，比较其效果。选取合适的优 化方法，并采用此方法进行左右洞锚杆的优化，最后还进行了中洞喷射混凝土 厚度的优化。 1 4 研究意义 6 硕士学位论文第一章概述 山区高速公路建设，尤其是西部公路建设中，由于西部的地形条件为山区、 丘陵地形，为此，公路建设中出于建设成本考虑，往往采用深切路堑，采用浅 埋隧道较少，但是相对而言，深切路堑存在以下两个突出的问题：( 1 ) 对环境 造成的影响较大，对自然景观造成一定的损害；( 2 ) 深切路堑形成的高边坡容 易造成滑坡地质灾害，往往成为公路运营中的一大隐患。为了克服深切路堑的 弊端，有必要在山区公路建设中，大力推广浅埋隧道的应用。 针对浅埋隧道的研究，多年来，交通、铁道部门均非常重视，也取得了一 些卓有成效的研究成果，特别是对于城市地下交通中的浅埋隧道，现有的设计 与施工技术水平已经达到了很高的水平。但对于山区浅埋隧道具有其自身的特 点，如：偏压、地质条件复杂、岩体破碎、自承能力差等。通过对界牌坳隧道 的数值模拟分析，可以更了解这类隧道围岩和结构的受力和变形特性，可为此 类工程提供借鉴。 现有的相关设计、施工规范对于山区浅埋隧道的设计与施工存在一定差距。 例如，隧道设计规范设计连拱隧道时，常将围岩和支护结构隔离开来，分析结 果不能完全反映施工受偏压荷载过程的实际情况；另外，在浅埋偏压连拱隧道 支护结构设计时采用对称结构，而对称结构在不对称荷载作用下，受力状况不 理想，因而有必要建立隧道围岩及支护结构有限元模型并进行针对偏压荷载的 优化设计。支护结构的优化在提高围岩的稳定性和支护体系的安全性，降低工 程造价方面有有着重大的现实意义和理论意义。针对支护体系的有限于元优化 研究对将来实现隧道设计的自动化有重要意义。 7 硕士学位论文第二章界牌坳隧道工程背景 2 1 工程概况 第二章界牌坳隧道工程背景 界牌坳隧道是上海至瑞丽国道主干线湖南省怀化至新晃高速公路1 3 合同 段上一座双向四车道高速公路连拱短隧道，隧道位于芷江县境内，起始桩号为 k 5 8 + 4 4 0 - - k 5 8 + 8 3 5 ，全长3 9 5 m ，k 5 8 + 4 4 0 k 5 8 + 6 0 0 纵坡为4 ，k 5 8 + 6 0 0 - - , k 5 8 + 8 3 5 纵坡为一5 ，竖曲线半径为l1 0 0 0 m ，竖曲线段纵坡小于4 ，整座隧 道位于直线段上。 4 7 。 4 5 r _ v 。 4 3 r 7 乃。 71 ；勿 4 - 。 3 9 。 j 形 里程桩号鹭； 璺； 乳； 翡 围岩类别 m 村l 型式 s ls 2 s 3 s 2l s l 砌 长度( - ) 1 8 7 7 2 4 05 4【6 图2 - 1 界牌坳隧道设计纵断面图( 据湖南省交通规划勘察设计院) 2 2 工程地质与水文地质 2 2 1 地形地貌 勘察区为低山地貌，地形起伏较大，地面自然坡度约为3 0 - 4 5 。隧道 位于低山下的斜坡上，而且穿越两个山脊。进出口洞门中线与地形线大角度相 交。隧道进出口位于冲沟顶端，出口位于山上斜坡上。山坡上遍布杉树、灌木。 大洪山至洞坪乡的乡级公路通过勘察区。 2 2 2 地层岩性 经平面地质调查、测绘、钻孔揭示，隧道范围内岩石出露、属板溪群五强 溪组。现由新到老分述如下： 第四系全新统( q h ) 8 硕士学位论文第二章界牌坳隧道工程背景 1 ) 种植土：土褐色，松软，主要分布于隧道区层，厚0 0 5 0 m 。 前震旦系板溪群五强溪组( p t b n w ) 图2 - 2 界牌坳隧道地层岩性现场照片 2 ) 硅化砂质板岩：薄中厚层状，裂隙面及层面而受铁锰质浸染呈褐色或 铜黄色。强风化岩，节理裂隙十分发育，岩石十分破碎，山坡上厚度一般为1 5 。 0 2 5 0 m ，冲沟中厚度一般 5 0 m 。表层呈褐黄色，岩质大多较软，厚度一般 5 0 m ，中部呈黄灰色，岩质大多较硬，下部呈褐灰色，岩质较坚硬。弱风化岩， 灰褐色褐灰色，岩质坚硬较坚硬，节理裂隙大多十分发育，间距一般 1 0 c m ， 岩石大多呈碎块状，局部地段节理裂隙极发育，岩石极破碎，厚度大。 表2 - 1 界牌坳隧道导洞地层岩性 里程桩号岩性特征描述 岩质大多较硬，节理裂隙极发育，岩石呈碎石 k 5 8 + 4 4 0 k 5 8 + 5 3 0 强风化硅化板岩 状松散结构，地下水对围岩稳定影响大。 薄中厚层状，岩质较坚硬坚硬，倾角约 4 5 。5 5 。的节理裂隙十分发育，岩体呈碎石状 k 5 8 + 5 3 0 k 5 8 + 7 8 0弱风化硅化板岩 及碎块状的镶嵌结构，且裂隙面及层面受地下 水浸润，呈褐色铜黄色，围岩透水性一般。 岩质相对较软，节理裂隙极发育，岩石呈碎石 k 5 8 + 7 8 0 k 5 8 + 8 3 5 强风化硅化板岩 状松散结构，地下水对围岩稳定影响大。 2 2 3 隧道场地地质构造 根据1 ：2 0 万芷江幅区域地质调查报告和区域地质图及勘察结果分析，隧 道区未发现断层等大的地质构造。根据区域地质调查，岩层产状1 8 0 。z 6 8 。；强 风化岩节理裂隙十分发育，其产状以2 9 0 。z 2 6 。、2 4 0 。z 7 0 。及6 0 。z 6 1 。见多，弱 风化岩倾角约为4 5 。5 5 。节理裂隙发育，且呈交叉状发育。 2 2 4 地震 9 硕士学位论文 第二章界牌坳隧道工程背景 据中国地震动参数区划图( g b l 8 3 0 6 - - 2 0 0 1 ) ，勘察区中硬场地的地震 动反应谱特征周期为0 3 5 s ，地震动峰值加速度 0 0 5 9 ，对应的地震基本烈度为 设计变量即自变量。优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现 的。设计变量的向量表示为： x 2 【耳，屯，j 6 l 硕士学位论文第五章a n s y s 中的优化功能 设计变量服从n 个具有上下限的约束，即 玉薯i( f = 1 ，2 ，1 )( 5 1 ) 其中，n 为设计变量数。 设计变量约束通常被称为边界约束，并且定义了通常所谓的可行设计空间。 a n s y s 优化程序允许定义不超过6 0 个设计变量。 ( 2 ) 状态变量( s v ) 状态变量是用来体现优化的边界条件，即约束设计的数值，是设计变量的 函数。其可能会有上下限，也可能只有单方面的限制，即只有上限或只有下限。 在a n s y s 优化程序中用户可以定义不超过1 0 0 个状态变量。 ，。： ( 3 ) 目标函数( o b j ) 目标函数是最终的优化目的，它必须是设计变量的函数，即改变设计变量 的数值将改变目标函数的数值。在a n s y s 优化程序中，只能设定一个目标函 数，而且只能求其最小值。 设计变量、状态变量和目标函数总称为优化变量。在a n s y s 优化中，这 些变量是由用户定义的参数来指定的。 ( 4 ) 优化数学模型 a n s y s 的优化数学模型可表达为： m i n f = 厂( x )( 5 2 ) 使服从 g , 0 0 磊( i 2 1 , 2 ，一- , m 1 ) ( 5 - 3 ) b 红( 朋( i ：1 ，2 ，一 m 2 ) ( 5 - 4 ) 婴。w a x ) 厩( i - 1 ，2 ，m 3 ) ( 5 - 5 ) 这里：厂v 为目标函数； g i 红，m 为包含设计变量的状态变量，上划线和下划线分别代表约束边界 的上限和下限； 码+ 肌：+ 鸭为有不同上下限值的状态变量约束数。 5 2 2 优化模块中的两种求解模式 硕士学位论文 第五章a n s y s 中的优化功能 a n s y s 优化模块的求解有两种运行模式，一种是在交互方式( g 町i ) 方式 下运行，即已经打开a n s y s 的分析界面后进行分析；另一种是b a t c h 模式，即 批处理方式，无需打开a n s y s 分析界面，后台运行求解。 g u i 方式涉及到两个重要的文件：a n s y s 分析文件和优化控制文件。对于 一个工程问题，a n s y s 分析文件中应该有参数定义、参数化建模、求解、结果 提取、目标函数赋值的一个全过程。优化控制文件包括定义三大变量、优化方 式和优化控制等步骤。由于优化求解是一个不断迭代的过程，a n s y s 分析文件 其实是包涵了一个完整的循环，但是整个优化过程中是要求设计变量不断改变 的，如果每次循环都有一个参数重定义的过程，就会使设计变量不断地恢复初 始值。而正是因为有了优化控制文件，优化过程就只在第一次进行完全的参数 定义工作，在后续循环中，优化控制文件中声明的设计变量定义将被忽略。有 了这样两个文件，只要输入优化控制文件，程序就会自动调用指定的a n s y s 分析文件，完成整个优化过程。整个优化的流程见图5 1 。 5 3a n s y s 的优化方法 a n s y s 提供了两种主要的优化方法一零阶方法和一阶方法。零阶方法是一种 通用的函数逼近优化方法。该种方法的本质是采用最小二乘逼近，求取一个函 数面来拟和解空间，然后再对该函数面求极值。这是一种普遍适用的优化方法， 不容易陷入局部极值点，但优化精度一般不是很高。而一阶方法是针对零阶方 法缺点的改进方法，采用梯度寻优，是一种精确的优化方法，但是用该方法进 行优化，不仅消耗时间长，还可能陷入局部最小点。一般来说，一个比较负责 的优化问题都需要同时采用两种优化方法，先用函数逼近的零阶方法初步求得 最优解的基本位置，然后再采用梯度寻优的一阶方法对最优解的位置进行更精 确的确定。此外，a n s y s 还提供了其他的一些优化工具，如单循环工具，在命 令流中控制实现一次优化过程，得到所要的目标值；随机工具，可作为零阶方 法的先期处理，在一些优化方案实施前，获得一定数量的可行解；扫描工具， 研究某一设计变量的变化对目标函数的影响情况；乘子工具，研究在整个设计 域内，设计变量或设计变量的藕合对目标函数的影响大小；梯度工具，研究在 优化结果处，哪一个设计变量的扰动对目标函数影响最大。 5 3 1 零阶方法 零阶方法( s u b p r o b l e ma p p r o x i m a t i o nm e t h o d ) 只用到因变量( 目标函数和状 态变量) 而不用到它的偏导数。首先，通过最小二乘逼近实现用近似值代替因变 量，然后使用罚函数将约束最小化问题转化为无约束问题。于是用这种近似的 罚函数的方法执行每一循环的最小化直到收敛或终止。对于这种方法每一循环 硕士学位论文 第五章a n s y s 中的优化功能 i初始化设计变量 图5 - 1 优化设计的流程 等价于一个完整的分析循环。在零阶方法中有两个重要的概念：目标函数和状 态变量的逼近方法：白约束的优化问题转换为非约束的优化问题。 ( 1 ) 逼近方法 为了建立目标函数、状态变量函数的显函数表达式，可以采用曲线拟合的 方法形成目标函数及状态变量的近似函数表达式，目标函数与状态变量均可采 用如下形式的拟合曲面方程： 亍 硕士学位论文第五章a n s y s 中的优化功能 一一一 t = + 口j 五+ 气五 ff j ( 5 - 6 ) 为了进行曲面拟合，首先通过定义或随机生成的办法产生k 组设计变量， 通过有限元法求出相应的各组目标函数及状态变量的计算结果。由各组结果得 出总的加权最q , - 乘误差为： r e 2 = 气f 力- t 。) 2 = s ( a o ，o l ，以一) ( 5 7 ) j i l 其中：k 为当前设计变量的组数； r ( j 为由有限元法算出的第，组设计变量对应的丁值； 丁( j ) 为由近似算法得出的第，组设计变量对应的丁值； 西( _ ，为第- j 组设计变量的权，其值可根据第，组设计变量与当前最小目标 函数对应的设计变量的设计空间距离及目标函数值确定。 根据最小二乘原理，求e 2 的极小值，得正则方程组： a s = 0 舰 a s = 0 嘞 解此方程组可得q ，气由此可得拟合形式的目标函数及状态变量。 ( 5 - 8 ) 需要说明的是，实际每次逼近的函数形式在每一次循环都不相同，这主要 由程序所决定。但是用户可以控制优化近似的逼近曲线，可以指定线性拟合、 平方拟合或平方差拟合。缺省情况下，用平方差拟合目标函数，用平方拟合状 态变量。 ( 2 ) 采用罚函数法转换为无约束问题进行优化 使用函数近似值描述每个因变量，用符号一表示，则约束最小化问题可重 新表述如下： m i n f = 厂( x ) ( 5 - 9 ) 使服从 玉薯亏 o = 1 ，2 ，刀) 磊( x ) 磊+ 0 【，( i = 1 ，2 ， ) 5 8 ( 5 1 0 ) ( 5 1 1 ) 硕士学位论文第五章a n s y s 中的优化功能 红一p ，忽) o = 1 ，2 ，鸭) ( 5 - 1 2 ) 蟛一丫f 蛾( x ) 厩+ 丫fo - 1 ，2 ，殇) ( 5 - 1 3 ) 其中，q ，屈，以为状态变量的允差限制。 接下来就是将约束问题转化为无约束问题，利用罚函数法来完成。其形式 为： f ( 置a ) ：夕+ 石仇r 兰x ( t ) + 羔g ( 季，) + 兰日( 丘) + 兰形( 蛾) ( 5 1 4 ) 其中，x 是用于执行设计变量约束的罚函数。 g ，h ，形是状态变量的罚函数； 石是引入的参考目标函数值，目的是为了获得相协调统一的单位； 七反映零阶求解过程中子循环的执行情况； 见是罚因子。 所有罚函数采用的都是扩展的内点形式，例如，靠近上界限，设计变量罚 函数的形式为： 誓= s l i 啪q + c 2 惦( i - x 习, ) 冀耋喜二爵忙墟，功 其中，q ，乞，岛，q 为a n s y s 内部计算的常数。 g 为非常小的正数。 状态变量( g