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原文传递数值方法确定海底隧道岩石覆盖厚度的判别准则研究

论文题名：	数值方法确定海底隧道岩石覆盖厚度的判别准则研究
关键词：	海底隧道;岩石覆盖厚度;FLAC3D计算程序;最小位移法;判别准则
摘要：	随着我国经济社会的快速发展，沿海地区间的联系将会越来越紧密，修建海底隧道的需求将会越来越迫切;海底隧道能助推地区间的融合发展，带来巨大的经济和社会效益，并以其独特的优势已成为跨越海峡或海湾的首选交通方式。目前，我国正处在海底隧道的建设初期，在海底隧道的勘察、设计和施工方面亟待丰富相关的理论研究和实践经验，以满足我国未来海底隧道建设的迫切需求。　　岩石覆盖厚度是关系海底隧道安全稳定性和造价的关键因素，确定海底隧道的岩石覆盖层厚度是一个系统且复杂的问题，涉及围岩的稳定性、海水渗漏、工程造价等多个因素。寻求能满足海底隧道施工和运营安全的最小岩石覆盖厚度，将会缩短隧道长度，节省大量工程造价，带来巨大的经济效益。然而，因国内在海底隧道设计理论和实践经验上的欠缺，海底隧道岩石覆盖厚度的确定主要依据国外的以经验为主的工程类比法。而现有的工程类比法大多侧重于对围岩特性、海水深度或涌水量等单一因素或少数因素的分析，应用在不同于国内的地质环境中要么风险性较高，安全性有待检验;要么过于保守，致使造价过高。随着数值模拟技术的飞速发展，数值计算方法被引入到海底隧道覆盖厚度的研究中，并在现阶段取得了一定的成果。然而，数值方法确定覆盖厚度没有统一的判别准则可循，故本文在前人研究的基础上，以学院承担的海底隧道科研项目为依托，以胶州湾海底隧道为背景，计算模拟了海底隧道在不同覆盖厚度时的开挖施工过程，定量提取分析了相关的计算结果，探讨了数值方法确定海底隧道岩石覆盖厚度的判别准则。本文的主要研究内容如下: 　　 (1)总结归纳了确定海底隧道岩石覆盖厚度的影响因素和现有的方法体系。即从围岩特性、水荷载、施工、隧道断面形状和尺寸等方面分析了各个因素的作用机理，介绍了挪威经验法、日本涌水量法和国内顶水采煤法的核心实施理论和各自的优缺点，并简要分析了采用有权重工程类比法和数值方法的必要性。　　 (2)针对项目组提出的隧道拱顶位移随覆盖厚度的增加存在最小值的最小位移法判据，运用FLAC3D的有限差分计算程序模拟了不同覆盖厚度时的开挖过程，定量提取各工况时隧道围岩的各项特征位移、各项主应力值和塑性区体积值，获得隧道围岩拱顶、拱肩、拱腰及拱底等各部位上述特征量随覆盖厚度的变化规律。通过综合分析上述各特征量的变化特点，验证最小位移法的合理性。　　 (3)针对数值计算方法对参数的敏感性，选取围岩的弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力和海水深度等参数的不同值，进行开挖模拟计算，揭示弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力和海水深度对最小位移法确定覆盖层厚度的敏感性。　　 (4)运用FLAC3D计算程序对不同覆盖厚度时的隧道分别采用强度折减法和容重增加法计算其安全系数，获取安全系数随覆盖厚度的变化规律。通过定量提取围岩在临界破坏时和正常状态时的位移、应力和塑性区的计算结果，对比分析围岩临界破坏时和正常状态时的各项位移值和塑性区体积值随覆盖厚度的变化规律。通过对不同安全系数时围岩位移和应力等特征量的变化规律对比，提出以安全系数确定海底隧道岩石覆盖厚度的判别准则。
作者：	公铭
专业：	水工结构工程
导师：	张乐文;徐帮树
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文