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应力释放与开挖方法对隧道支护受力及地表沉降的影响 院系 土木工程与力学学院专业 结构工程姓名 杨珺博导师 董辉副教授 2 研究意义与现状应力释放的实现方法隧道支护受力特性与地表沉降的有限元分析浏阳河隧道地表沉降处理与模拟分析结论与展望 论文结构 3 问题的提出地表沉降分布与支护受力大小是影响隧道施工安全的主要因素 在实际工程中 因沉降过大或支护破坏导致的工程事故时有发生 如何根据实际工程情况 有效的控制地表沉降和优化支护受力 是技术人员急需解决的问题 因此 有必要分析各因素对地表沉降和支护受力的影响特征 一 研究意义与现状 4 目前研究现状 一 研究意义与现状 5 一 研究意义与现状 1 围岩受开挖扰动必然会释放一定比率的应力 而实际工程中的应力变化复杂多样 难以精确的测量 目前对其的研究还不充分 2 开挖方法对地表沉降和支护受力的影响显著 当前对山岭浅埋隧道的研究较多 而对穿江隧道洞口段的研究则较少 3 目前隧道断面大都为多心圆组合 其力学特性已得到广泛的认可和验证 4 土体性质和水文条件可通过超前预报得到详细资料 进而推断出实际地质情况 为什么要研究 6 研究内容因此 本文在以上基础上 主要研究以下三方面内容 1 地应力释放率对隧道地表沉降和支护受力的影响特征 2 隧道地表沉降和支护受力对不同开挖方法的响应规律 3 浏阳河隧道地表沉降数据分析与数值模拟 一 研究意义与现状 7 一 研究意义与现状 图1 1技术路线图 8 等效节点力计算 二 应力释放的实现方法 9 二 应力释放的实现方法 应力释放的实现本文是将隧道简化为平面问题进行考虑的 模拟过程中的应力释放是通过给等效节点力乘以一个 1 A 的系数 并将其反向施加在开挖边界上来实现的 其中A表示应力释放率 10 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 图3 3隧道开挖计算模型 11 表3 1模型材料参数 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 12 释放率为25 的支护弯矩图 释放率为35 的支护弯矩图 释放率为40 的支护弯矩图 释放率为50 的支护弯矩图 图3 7不同释放率下支护的弯矩图 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 13 图3 8支护最大弯矩值随释放率的变化曲线 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 14 释放率为25 的支护剪力图 释放率为35 的支护剪力图 释放率为40 的支护剪力图 释放率为50 的支护剪力图 图3 9不同释放率下支护的剪力图 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 15 图3 10支护最大剪力值随释放率的变化曲线 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 16 释放率为25 的支护轴力图 释放率为35 的支护轴力图 释放率为40 的支护轴力图 释放率为50 的支护轴力图 图3 11不同释放率下支护的轴力图 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 17 图3 12支护轴力极值随释放率的变化曲线 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 18 释放率为25 的锚杆受力图 释放率为35 的锚杆受力图 释放率为40 的锚杆受力图 释放率为50 的锚杆受力图 图3 13不同释放率下锚杆力图 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 19 图3 14锚杆受力极值随释放率的变化曲线 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 20 释放率为25 地表沉降图 释放率为35 地表沉降图 释放率为40 地表沉降图 释放率为50 地表沉降图 图3 15各开挖步地表沉降的变化曲线 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 21 图3 16地表最终沉降随释放率的变化曲线 图3 17最大地表沉降随释放率的变化曲线图 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 22 图3 18双台阶法开挖支护弯矩图线 第一步开挖支护弯矩图 第二步开挖支护弯矩图 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 23 图3 19CD法开挖支护弯矩图 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 24 图3 20CRD法开挖支护弯矩图 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 25 图3 21不同开挖方法下的地表沉降 双台阶法地表沉降 CD法地表沉降 CRD法地表沉降 三 支护受力与地表沉降的有限元分析 26 图4 5浏阳河隧道地面沉降测点布置图 四 浏阳河隧道地表沉降处理与模拟分析 27 图4 6地表沉降实测值与高斯拟合曲线图 四 浏阳河隧道地表沉降处理与模拟分析 28 图4 7不同工法在相同里程的实测沉降曲线对比图 K0 845实测沉降曲线 K0 850实测沉降曲线 K0 855实测沉降曲线 四 浏阳河隧道地表沉降处理与模拟分析 29 对于CD法产生沉降要小于三台阶法 由Peck公式的计算结果可以得到很好的解释 根据地表沉降槽宽度计算公式可得 将计算结果带入Peck公式 可得不同开挖方法的单位地层损失如表 四 浏阳河隧道地表沉降处理与模拟分析 30 三台阶开挖模型网格图 CD台阶开挖模型网格图 图4 8浏阳河隧道开挖计算网格图 四 浏阳河隧道地表沉降处理与模拟分析 31 表4 1模型材料参数 四 浏阳河隧道地表沉降处理与模拟分析 32 图4 9浏阳河隧道地表模拟沉降与实测沉降曲线对比图 四 浏阳河隧道地表沉降处理与模拟分析 33 结论 1 采用 临空面节点力提取 并反向分级施加 法 来模拟隧道开挖不同施工阶段的围岩应力释放 使数值模拟计算更加接近实际工程情况 2 随着围岩应力释放率的增加 支护结构的受力呈减小趋势 且趋近于直线变化 地表沉降与围岩应力释放率近似呈正比关系 五 结论与展望 34 3 开挖土体分块越多 支护受力越大 地表沉降越小 其次 采用CD法和CRD法开挖时 支护结构受力在先开挖侧较大 地表沉降却在后挖侧分布较大 4 验证了Peck公式预测地表沉降的适用性 由计算可知 在浏阳河隧道工程条件下 三台阶法和CD法施工的单位地层损失比约在2 4 3 1之间 得到的地表模拟沉降曲线能较好的反映实际沉降的分布态势 五 结论与展望 35 展望 1 由于岩土体内部存在着大量的节理和断层 建模过程中并没有考虑 进一步工作应考虑和分析岩体中的节理和断层对隧道施工的实际影响 2 岩土体是由气 液 固三项组成的多孔介质 其空隙在空间相互连通 进一步工作应分析降雨渗流对引发隧道地面湿陷坍塌的作用机理 3 由于本文对实际工程支护受力数据的监测不够充分 因此 为了验证分析结果的适用性 进一步工作