连拱隧道复合衬砌承载能力分析及优化设计

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1、广东工业大学工学硕士学位论文间接求得，而且难以知道周围岩土体的应力状况及其稳定性。·连续介质设计法，这种模型也就是地层一结构模型。包括解析法和数值法，目前解析法中的近似解法已被数值法取代。数值法前主要是有限单元法。连续体模型认为地下结构周围的地层不仅能对衬砌结构产生荷载，而且其自身也能承受荷载，地下结构是否安全可靠，首先取决于周围地层的稳定状态。由此可知，衬砌结构的作用是在洞室周围地层应力重分布的过程中参与地层的变形，对地层提供必要的支承抗力，并与周围地层一起组成共同受力的整体，以保持洞室的稳定。在这种模型中，围岩和支护系统不再作为相互作用的两个方面，而是作为

2、一个联合系统加以考虑。衬砌结构的内力和洞室周围的应力都能计算出来，在计算过程中，通过位移协调条件使地层应力与衬砌结构的内力保持平衡。该模式适用于新奥法设计、施工的复合衬砌或喷锚衬砌的隧道。由于隧道与地下工程支护系统的工作环境十分复杂以及理论上还不够完善，因此，目前还没有一种设计计算模式能全面、合理地表达各种情况下支护系统与围岩之间的相互作用以及支护系统的工作条件。1．2．1-2数值模拟方法现状及发展考虑复合衬砌中的初期支护与二次衬砌的具体承载能力，主要研究方法有数值模拟。众所周知，有限元、边界元等数值方法在地下工程的设计、施工中获得了广泛的的应用。从理论上讲，

3、用数值方法可以模拟任何类型的工程问题。近十多年来，随着电子计算机的广泛应用，解决工程问题的数值模拟理论和方法发展迅速。数值模拟方法的不断成熟和完善，使得解决的工程问题更加广泛，研究的课题更加深入。传统的分析手段仅能够从静止的角度对施工过程进行分析，不能反映施工各阶段的关系。引入现阶段的数值模拟技术后，可以解决施工的动态模拟仿真过程，更好地了解岩体和构筑物的变化情况，达到研究的目的。工程数值模拟的应用步骤有：(1)工程地质调研；(2)概念模型抽取；(3)力学模型建立；(4)数值计算；(5)结果检验。数值方法的突出点在于能够较好地考虑诸如介质的各向异性、非均质特性

4、及其随时间的变化、复杂边界条件和介质不连续性等复杂地质条件。它能将岩土体与工程结构体作为整体加以模拟仿真，通过“模仿试验"取得最佳设计方案。有限单元法、边界单元法、有限差分法等均能成功地运用于均质或较均质岩4第一章绪论土体问题。数值方法甚至可以通过方法本身的发展，如引入节理单元、增强非线性分析能力等手段，分析含不连续界面和多介质较复杂岩土体的力学行为。但随着学科的发展和对岩土体认识的进一步深化，仅靠固体力学中常用的方法已不能满足工程岩体力学数值分析的要求。显然，工程岩体力学数值模拟问题比其他工程力学问题复杂得多，迫切需要建立更加简洁有效的新数值方法。正是基于这

5、一原因，新的数值方法一直是国际上研究的热点，近年来发展迅速。新出现的数值方法主要有：有限单元法中的节理单元法、块体理论、不连续变形分析、快速拉格朗日法、块体弹簧元法、无网络伽辽金法和数值流形法等。目前，进行工程岩体方面的研究主要采用的手段是有限元法，也是最有效的通用工具，它适应性强，除能处理理想模型外，还可以处理非均质、非线性和复杂性边界等问题。经过近半个世纪的发展，该种方法己经十分成熟并运用于岩土工程各个领域。通过对岩土体变形破坏规律的模拟，可以分析其变形破坏的过程，评价其稳定性状态，并预测其未来变化。具体而言，可以解决两类问题：一是在已知边界条件和地质模型

6、条件下的模拟再现，即通过模拟再现过去的发展历史，从而评价工程岩土体的稳定性现状，并在此基础上，通过对模型的时间延拓，预测其稳定性未来发展变化的趋势或失稳破坏方式；二是在边界条件及主导因素尚不甚清楚的条件下的模拟验证，即以不同的边界条件和主导因素建立力学模型，进行数值模拟，确定出对地质体变形破坏现状特征或演化阶段拟合得最好的模型，从而确定岩土体变形破坏的边界条件和主导因素，进而评价其稳定性。通过施工过程中新揭露的岩土体地质特征和变形破坏规律，随时修正设计和施工方案是隧道建设的重要发展趋势。数值模拟不是一个简单的“运算”过程，而是包含着从野外工程地质调查到室内试验

7、研究、地质力学模型抽取、计算模拟和野外验证的全过程，它的可靠性和准确性在很大程度上取决于对地质原型认识的正确性。日本的上川裕之、大本英辉、武藤修之n们等采用二维有限元软件对大代古填超大断面的市区双连拱隧道的各种可能的施工方法进行了有限元分析，最后得出了大代古填隧道先填后挖的施工方法。Kielbassa&Duddeckn¨对岩石隧道中如何使用二维技术来反映三维问题进行广东工业大学工学硕士学位论文了研究，证明用等效的二维计算来代替三维分析的可行性。因此，采用平面应变有限元法方法模拟隧道围岩的施工效应，在工程界和学术界己得到广泛的应用。周玉宏n23等采用ANSYS有

8、限元分析程序对云南元磨高速公路桥头隧道