论文部分内容阅读
近年来,随着我国铁路、公路和城市地铁的蓬勃发展,连拱隧道修建的数量也日趋增多。在大量建设的同时,设计和施工中的很多问题也暴露出来,因此有必要对其围岩压力计算方法展开研究。本文首先依据隧道弹塑性力学理论,采用数值模拟分析的方法,研究了隧道围岩内压力拱的形成规律,从而得到了单洞隧道围岩压力的计算方法,随后又讨论了施工过程对围岩压力的影响,进而得到了连拱隧道的围岩压力计算方法。论文主要研究工作及成果如下:(1)运用数值模拟软件建立单洞隧道的二维平面模型,研究压力拱的传力机理,以弹塑性理论为依据,确定出压力拱的影响范围,并进一步确定出压力拱的内外边界。压力拱内边界的判断条件为:将切向应力曲线与原岩应力曲线相交的位置为压力拱的内边界,如果开挖前后的切向应力不存在交点,则以隧道轮廓作为内边界。压力拱外边界的判断条件为:将开挖后的切向应力与原岩应力做差值,若得到的差值曲线的驻点前后斜率均很小,曲线平滑且稳定,则认为拱顶以上土体形成了有效的压力拱,差值曲线的驻点处即为压力拱的外边界。(2)根据压力拱的受力机理研究,确定出基于压力拱理论的围岩压力计算方法。该方法认为围岩压力由二个部分组成:一部分为压力拱内边界以下的松动土体在自重的作用下产生的围岩压力,另一部分为压力拱内部由于形变产生的围岩压力。并参照Winkler模型的理论,详细阐述了由于压力拱的形变产生的围岩压力的计算方法。最后将这一计算方法与规范推荐的公式进行了比较与分析。(3)基于压力拱理论的围岩压力计算方法会受到隧道埋深、隧道的跨度以及围岩物理力学参数等多个因素的影响,运用敏感性分析将以上因素进行逐个比较可以得到每个因素对围岩压力影响的强弱。考虑到隧道的围岩压力是由多个因素共同作用下的结果,为了找出各个因素与围岩压力的关系需要进行大量的相关计算,由于考虑的因素较多,为了能在不影响分析结果的前提下减少试验次数,将正交试验作为研究手段,最后运用MATLAB软件的多元线性回归计算模块对正交试验得到的数据进行分析,得出便于工程实际应用的围岩压力计算公式。(4)考虑施工过程对围岩压力的影响,利用有限元软件模拟隧道施工过程,主要分析先行导洞的形成对后行导洞上方围岩产生的扰动,进而对后行导洞围岩压力的影响。随后将考虑施工影响的隧道围岩压力计算结果与相同条件下单洞隧道的围岩压力计算结果进行比较,以围岩压力的比值作为连拱隧道施工过程的影响系数,最后将影响系数添加到基于压力拱理论的单洞隧道围岩压力计算公式中,得出适用于连拱隧道的围岩压力计算公式。