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原文传递浅埋偏压隧道围岩压力与开挖进尺优化的极限分析方法

论文题名：	浅埋偏压隧道围岩压力与开挖进尺优化的极限分析方法
关键词：	浅埋隧道;围岩压力;地形偏压;进尺优化;洞室稳定性
摘要：	我国交通基础设施的高速发展，大力促进了隧道工程的广泛应用，受地质地形、线路走向等条件的限制，不可避免地出现越来越多的浅埋偏压隧道。有别于常规隧道，偏压隧道结构受力更为复杂，施工难度更大。如何准确确定其围岩压力和破坏机制是施工和长期运营安全的关键问题。而目前关于该问题的研究，大多是基于刚性体的静力平衡法和基于有限元的数值分析法，存在假设过多、计算效率低等缺陷，结果往往难以令人满意。为此，本文依托山西省交通厅科技项目——《偏压隧道设计和施工方法研究》，运用数值计算、模型试验和理论推导相结合的方法，针对浅埋偏压隧道围岩压力和开挖进尺优化问题进行了具体系统的研究。论文主要完成了以下研究内容: 　　 (1)基于有限元理论，建立数值分析模型，研究了不同偏压角度、埋深、围岩级别、结构类型等影响因素下隧道围岩塑性区、衬砌内力的变化、发展规律和分布状态，探明了偏压等因素对隧道洞室稳定性的影响程度及结构受力变化规律，认为:埋深较浅时，随着偏压角度的增加，洞室围岩将产生明显的拉应力区或塑性区，稳定程度逐渐减弱;衬砌结构受力呈显著的非对称分布，应力集中区域加大，结构易产生局部破坏，进而导致整个支护体系失效。　　 (2)通过典型地形偏压隧道的室内模型试验，重点研究了不同偏压条件下，单洞和小净距浅埋隧道施工阶段围岩压力和衬砌受力动态分布形式及变形规律，分别得到了浅埋偏压单洞和小间距隧道的破坏模式。试验结果表明:围岩压力的发展受施工开挖进尺影响较大，存在明显的时空效用特征，其分布形态亦较“规范法”计算结果更为不利，即非对称性更为显著。同时，洞室围岩的破坏形态，单洞时为贯穿地表的倒锥形体，小净距时为以中间岩柱为轴的贯穿地表的并列两倒锥形组合体。　　 (3)结合室内模型试验结果，建立了浅埋偏压单洞和小净距隧道的物理破坏模式，基于滑动块体极限分析理论和相关联流动法则，构建了与之相对应的机动容许位移速度场，并分析完成了各滑块和滑块间断线上的速度递推关系，最后，根据虚功率原理，推导了单洞和小净距浅埋偏压隧道的围岩压力上限法计算公式。　　 (4)基于Janssen筒仓理论和Mohr-Coulomb强度准则，构建了隧道掌子面破坏极限分析模型，引入开挖进尺变量，进一步推导得到了浅埋偏压隧道开挖进尺优化的数学表达式，并根据优化理论，建立了相应的数学模型和基于“二分法”的优化算法。　　 (5)根据研究成果，采用FORTRAN语言和基于Obect Pascal语言的delphi7平台联合编制了计算程序和界面，实现了浅埋偏压单洞和小间距隧道围岩压力及其开挖进尺优化问题的快速求解，并在实际工程中得到了成功的应用。
作者：	王立川
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	彭立敏
授予学位：	博士
授予学位单位：	中南大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文