软弱围岩双连拱隧道施工力学研究
|
摘要
本文依托广惠(广州—惠州)高速公路小金口双连拱隧道工程，采用有限元数值分析以及隧道信息化施工现场监控量测的研究方法和技术手段，对双连拱隧道在施工过程中隧道开挖和支护力学进行了初步探讨。
结合目前国内外对双连拱隧道的研究特点以及国内外对双连拱隧道施工方法的现状，本文针对三导坑法和上下台阶法进行了较为深入的研究工作。首先，运用有限元程序ANSYS对三导坑法和上下台阶法进行了动态数值模拟，分析了在不同施工工序下围岩体的应力场、位移场以及钢拱架的轴力和弯矩，尤其对双连拱隧道的核心构件—中隔墙进行了分析，得出了其在不同施工工序下的应力图。对两种施工方法进行了比较，认为采用上下台阶法开挖的方案较优。同时，论文对现场监控量测获得的钢拱架轴力弯矩时态曲线以及锚杆轴力时态曲线进行了分析，并与理论计算进行了比较，验证。通过有限元计算和对现场监控量测数据的分析，论文得出：中隔墙主要承受结构传递的竖向压力，弯矩值较小；钢拱架的轴力以受压为主，弯矩值在中隔墙上方位置处最大。最后，结合有限元的理论计算及现场实测数据的分析，初步建立了双连拱隧道支护结构体系的内力模型，即：围岩土压力模型、初期支护钢拱架内力(主要为轴力和弯矩)模型以及锚杆轴力模型。充分理解和阐述了构件的工作状态，对今后类似隧道工程的设计和施工具有一定的指导意义。
Based on the Xiaojinkou bi-arch tunnel engineering of the Guanghui(Guangzhou-Huizhou) highway, the thesis primarily studies the mechanics problem of the excavating and supporting during the bi-arch tunnel construction in the soft surrounding rock by the finite element method(FEM) calculation and the analysis of the field monitoring measured data.
Combining the study characteristic and the current construction method of the bi-arch tunnel in domastic and aboard, the paper deeply study the three heading construction method and the benching tunneling construction method. Firstly, by the dynamical FEM calculation about the above two construction method, the paper analyses the stress field and displacement field of the surrounding rock and the axial force and bending moment of the steel framework, specially analyses the most important member-the central wall and obtains the stress pattern during the different construction working procedure. After comparing the two methods, the paper considers the benching tunneling method is better. At the same time, the thesis analyses the time-state curve of the axial force and bending moment of the steel framework and the axial force of the anchor bolt. The analysis results are compared with the results of the FEM calculation. Through the FEM calculation and the analyzing data of the field, the result is that the central wall mainly endures the vertical pressure from the structure transferring and its bending moment is relatively less and its position of the maximum value of the bending moment locates in the joint between the central wall and the steel framework. Finally, the thesis primarily sets up the internal force model of the supporting structure system in the bi-arch tunnel, namely, the distribution model of the surrounding rock's pressure, the internal force model of the steel framework and the axial force model of the anchor bolt, and these results can have the guiding significance to the design and construction of the similar tunnel engineering.
结合目前国内外对双连拱隧道的研究特点以及国内外对双连拱隧道施工方法的现状，本文针对三导坑法和上下台阶法进行了较为深入的研究工作。首先，运用有限元程序ANSYS对三导坑法和上下台阶法进行了动态数值模拟，分析了在不同施工工序下围岩体的应力场、位移场以及钢拱架的轴力和弯矩，尤其对双连拱隧道的核心构件—中隔墙进行了分析，得出了其在不同施工工序下的应力图。对两种施工方法进行了比较，认为采用上下台阶法开挖的方案较优。同时，论文对现场监控量测获得的钢拱架轴力弯矩时态曲线以及锚杆轴力时态曲线进行了分析，并与理论计算进行了比较，验证。通过有限元计算和对现场监控量测数据的分析，论文得出：中隔墙主要承受结构传递的竖向压力，弯矩值较小；钢拱架的轴力以受压为主，弯矩值在中隔墙上方位置处最大。最后，结合有限元的理论计算及现场实测数据的分析，初步建立了双连拱隧道支护结构体系的内力模型，即：围岩土压力模型、初期支护钢拱架内力(主要为轴力和弯矩)模型以及锚杆轴力模型。充分理解和阐述了构件的工作状态，对今后类似隧道工程的设计和施工具有一定的指导意义。
Based on the Xiaojinkou bi-arch tunnel engineering of the Guanghui(Guangzhou-Huizhou) highway, the thesis primarily studies the mechanics problem of the excavating and supporting during the bi-arch tunnel construction in the soft surrounding rock by the finite element method(FEM) calculation and the analysis of the field monitoring measured data.
Combining the study characteristic and the current construction method of the bi-arch tunnel in domastic and aboard, the paper deeply study the three heading construction method and the benching tunneling construction method. Firstly, by the dynamical FEM calculation about the above two construction method, the paper analyses the stress field and displacement field of the surrounding rock and the axial force and bending moment of the steel framework, specially analyses the most important member-the central wall and obtains the stress pattern during the different construction working procedure. After comparing the two methods, the paper considers the benching tunneling method is better. At the same time, the thesis analyses the time-state curve of the axial force and bending moment of the steel framework and the axial force of the anchor bolt. The analysis results are compared with the results of the FEM calculation. Through the FEM calculation and the analyzing data of the field, the result is that the central wall mainly endures the vertical pressure from the structure transferring and its bending moment is relatively less and its position of the maximum value of the bending moment locates in the joint between the central wall and the steel framework. Finally, the thesis primarily sets up the internal force model of the supporting structure system in the bi-arch tunnel, namely, the distribution model of the surrounding rock's pressure, the internal force model of the steel framework and the axial force model of the anchor bolt, and these results can have the guiding significance to the design and construction of the similar tunnel engineering.
引文
[1] 熊世龙．公路隧道设计中的几个技术，2001年全国公路隧道学术会议论文集．人民交通出版社．2002年10月．
[2] 彭定超、袁勇、章勇武，开挖施工方式对连拱隧道中墙影响的空间分析，现代隧道技术，2002年2月，第39卷，第1期。
[3] 王凤忠、黄祚琼、许燕锋，连拱隧道施工技术，现代隧道技术，2001年12月，第38卷，第6期。
[4] 杨宏波、曾恕辉，浅谈公路双跨连拱隧道中墙施工技术，现代隧道技术，2001年12月，第38卷，第6期。
[5] 赵三堆，高速公路双跨连拱隧道施工，铁道建筑技术，2000年，第5期。
[6] 唐颖、陈晓钜，浅论连拱隧道设计，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[7] 王廷泊，练江连拱隧道设计施工，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[8] 李国锋、徐华安、赵会兵、赵炜，连拱隧道施工技术，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[9] 李德宏，小半径曲线连拱隧道设计，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[10] 高世军、吴怀义、熊世龙，双连拱隧道的技术性设计，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[11] 郭小红、朱光仪，京珠高速公路五龙岭隧道设计，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[12] 郭小红．小金口隧道施工设计图．中交二院，2001．
[13] 刘伟、陈少华、姚国芳、陈文辉，山区高速公路隧道结构型式的初步研究，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[14] 孙菊芳．有限元法及其应用．北京航天航空大学出版社，1990．
[15] 饶寿期．有限元法和边界元法基础．北京航空航天大学出版社，1990．
[16] 潘昌实．隧道力学数值方法．中国铁道出版社，1995．
[17] Reismann H and Pawlik P.S. Elasticity Theory and Application, John Wiley and Sons, 1980.
[18] Fung YC. Foundations of Solid Mechanics, Prentice-Hall, Inc., 1965.
[19] Srinath LS. Advanced Mechanics of Elasticity, TATA, McGraw-Hill, 1980
[20] Sokonikoff IS.Mathematical Theory of Elasticity, 2nded. McGraw-Hill Book Co., N.Y.,1970
[21] 赖锦兴、里洋小净距隧道设计，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[22] 王瑁成，邵敏．有限单元法基本理论和数值方法．清华大学出版社，1997．
[23] 陈精一等．电脑辅助工程分析—ANSYS使用指南．中国铁道出版社，2001．
[24] 夸克工作室．有限元分析(基础篇)—ANSYS与Matalab．清华大学出版社，2002．
[25] 洪庆章等．ANSYS教学范例．中国铁道出版社，2002．
[26] 康国政．大型有限元程序的原理、结构和使用．西南交通大学应用力学与工程系，2000．
[27] Crouch, S.L., Solution of plane elasticity problems by the displacement discontinuity method .Int. J .Num .Methods Engng(10), 1976.
[28] E.soliman, H.Duddeck and H.Ahrens, Two and Three dimensional Analysis of Closely Spaced Double-tube Tunnels, Tunneling and Underground Space Technology, 1993,Vol.8,No.1.13-18.
[29] 陈豪雄，殷杰．隧道工程．中国铁道出版社，1995．
[30] 吕康成．隧道工程试验检测技术．人民交通出版社，2000．
[31] 王建宇．隧道工程监测和信息化设计原理．北京：中国铁道出版社．1988：1～73．
[32] 夏才初等．地下工程测试理论与监测技术．上海：同济大学出版社．1999：165～187．
[33] P. K. Kaiser, Daihua Zou, P. A. Lang Stress Determination by back of Analysis of Excation-Induced Stress Changes —a Case Study. Rock Mechanics and Rock Engineering, 1990,23(3),185～200.
[34] 高尔洋．隧道开挖过程中围岩与支护系统力学形态变化规律的测试．隧道译丛，1997．12．
[35] 康宁等．东港城市双线公路隧道的量测与监控．隧道及地下工程，1996．03．
[36] 顾延元等．北茹隧道开挖过程中围岩稳定的监控量测．隧道及地下过程．1997．03．
[37] 李斯海．枫林1号隧道施工监测与围岩变形分析．隧道及地下工程，1989．09．
[38] 寇煜等．八一隧道新奥法施工中的监控量测分析．地下空间，1988．04．
[39] 张子云等．新奥法监控量测在梅岭隧道工程中的应用．长沙交通学院学报，1988
[40] 王忠勋等．隧道围岩变形监控量测的实践．铁道建筑，2000．02，
[41] 靳晓光等．二郎山隧道洞壁位移应力测试与信息化施工．地质灾害与环境保护，1999．06．
1994．02．
[43] 王彦武．太旧高速公路北茹隧道围岩变形监测．岩石力学与工程学报．1998．04．
[44] 关宝树．隧道力学概论．成都：西南交通大学出版社，1993
[45] 李志业．地下结构设计原理与方法．西南交通大学出版社，1999．
[46] 钟桂彤．铁路隧道．北京：中国铁道出版社，2000．
[47] Zhang Mi & Pan Jieliang: An Expert System of Preventing Surface Settlement Caused by shield Driven Tunneling in city, Proceeding of the International Conference'89 on Expert System in Engineering Applications , Hauzhong University of Science and Technology Press, 1989.
[48] Pan X.D.& Hudson J.A., technical note , plane strain analysis in modeling three dimensional tunnel excavation, Int. J. Rock Mech. Min. Sci.& Geomech. 1998.
[49] K.Najm, Y.Ishijima, Back Analysis of Tunnel Lining Deformation: Development and Application of Passive Resistance Method, Rock Mech., Rock Eng., 1993,26(1):71-79.
[50] Hoek, E. and E. T. Brown., Underground Excavations in Rock London. The Institution of Mining and Metallurgy, 1980.
[51] Zhao, Y., Principal Conversion Methods for Rock Mass Classification System Used at Home and Abroad. Bulletin of the International Association of Engineering Geology, 1995.
[52] H. Duddeck, Application of Numerical Analysis for Tunneling International Jkurnal for Numerical & Analytical Methods in Geotechniscs, Vol. 15,1991.223-239.
[2] 彭定超、袁勇、章勇武，开挖施工方式对连拱隧道中墙影响的空间分析，现代隧道技术，2002年2月，第39卷，第1期。
[3] 王凤忠、黄祚琼、许燕锋，连拱隧道施工技术，现代隧道技术，2001年12月，第38卷，第6期。
[4] 杨宏波、曾恕辉，浅谈公路双跨连拱隧道中墙施工技术，现代隧道技术，2001年12月，第38卷，第6期。
[5] 赵三堆，高速公路双跨连拱隧道施工，铁道建筑技术，2000年，第5期。
[6] 唐颖、陈晓钜，浅论连拱隧道设计，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[7] 王廷泊，练江连拱隧道设计施工，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[8] 李国锋、徐华安、赵会兵、赵炜，连拱隧道施工技术，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[9] 李德宏，小半径曲线连拱隧道设计，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[10] 高世军、吴怀义、熊世龙，双连拱隧道的技术性设计，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[11] 郭小红、朱光仪，京珠高速公路五龙岭隧道设计，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[12] 郭小红．小金口隧道施工设计图．中交二院，2001．
[13] 刘伟、陈少华、姚国芳、陈文辉，山区高速公路隧道结构型式的初步研究，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[14] 孙菊芳．有限元法及其应用．北京航天航空大学出版社，1990．
[15] 饶寿期．有限元法和边界元法基础．北京航空航天大学出版社，1990．
[16] 潘昌实．隧道力学数值方法．中国铁道出版社，1995．
[17] Reismann H and Pawlik P.S. Elasticity Theory and Application, John Wiley and Sons, 1980.
[18] Fung YC. Foundations of Solid Mechanics, Prentice-Hall, Inc., 1965.
[19] Srinath LS. Advanced Mechanics of Elasticity, TATA, McGraw-Hill, 1980
[20] Sokonikoff IS.Mathematical Theory of Elasticity, 2nded. McGraw-Hill Book Co., N.Y.,1970
[21] 赖锦兴、里洋小净距隧道设计，2001年全国公路隧道学术会议论文集，2001年，北京，人民交通出版社。
[22] 王瑁成，邵敏．有限单元法基本理论和数值方法．清华大学出版社，1997．
[23] 陈精一等．电脑辅助工程分析—ANSYS使用指南．中国铁道出版社，2001．
[24] 夸克工作室．有限元分析(基础篇)—ANSYS与Matalab．清华大学出版社，2002．
[25] 洪庆章等．ANSYS教学范例．中国铁道出版社，2002．
[26] 康国政．大型有限元程序的原理、结构和使用．西南交通大学应用力学与工程系，2000．
[27] Crouch, S.L., Solution of plane elasticity problems by the displacement discontinuity method .Int. J .Num .Methods Engng(10), 1976.
[28] E.soliman, H.Duddeck and H.Ahrens, Two and Three dimensional Analysis of Closely Spaced Double-tube Tunnels, Tunneling and Underground Space Technology, 1993,Vol.8,No.1.13-18.
[29] 陈豪雄，殷杰．隧道工程．中国铁道出版社，1995．
[30] 吕康成．隧道工程试验检测技术．人民交通出版社，2000．
[31] 王建宇．隧道工程监测和信息化设计原理．北京：中国铁道出版社．1988：1～73．
[32] 夏才初等．地下工程测试理论与监测技术．上海：同济大学出版社．1999：165～187．
[33] P. K. Kaiser, Daihua Zou, P. A. Lang Stress Determination by back of Analysis of Excation-Induced Stress Changes —a Case Study. Rock Mechanics and Rock Engineering, 1990,23(3),185～200.
[34] 高尔洋．隧道开挖过程中围岩与支护系统力学形态变化规律的测试．隧道译丛，1997．12．
[35] 康宁等．东港城市双线公路隧道的量测与监控．隧道及地下工程，1996．03．
[36] 顾延元等．北茹隧道开挖过程中围岩稳定的监控量测．隧道及地下过程．1997．03．
[37] 李斯海．枫林1号隧道施工监测与围岩变形分析．隧道及地下工程，1989．09．
[38] 寇煜等．八一隧道新奥法施工中的监控量测分析．地下空间，1988．04．
[39] 张子云等．新奥法监控量测在梅岭隧道工程中的应用．长沙交通学院学报，1988
[40] 王忠勋等．隧道围岩变形监控量测的实践．铁道建筑，2000．02，
[41] 靳晓光等．二郎山隧道洞壁位移应力测试与信息化施工．地质灾害与环境保护，1999．06．
1994．02．
[43] 王彦武．太旧高速公路北茹隧道围岩变形监测．岩石力学与工程学报．1998．04．
[44] 关宝树．隧道力学概论．成都：西南交通大学出版社，1993
[45] 李志业．地下结构设计原理与方法．西南交通大学出版社，1999．
[46] 钟桂彤．铁路隧道．北京：中国铁道出版社，2000．
[47] Zhang Mi & Pan Jieliang: An Expert System of Preventing Surface Settlement Caused by shield Driven Tunneling in city, Proceeding of the International Conference'89 on Expert System in Engineering Applications , Hauzhong University of Science and Technology Press, 1989.
[48] Pan X.D.& Hudson J.A., technical note , plane strain analysis in modeling three dimensional tunnel excavation, Int. J. Rock Mech. Min. Sci.& Geomech. 1998.
[49] K.Najm, Y.Ishijima, Back Analysis of Tunnel Lining Deformation: Development and Application of Passive Resistance Method, Rock Mech., Rock Eng., 1993,26(1):71-79.
[50] Hoek, E. and E. T. Brown., Underground Excavations in Rock London. The Institution of Mining and Metallurgy, 1980.
[51] Zhao, Y., Principal Conversion Methods for Rock Mass Classification System Used at Home and Abroad. Bulletin of the International Association of Engineering Geology, 1995.
[52] H. Duddeck, Application of Numerical Analysis for Tunneling International Jkurnal for Numerical & Analytical Methods in Geotechniscs, Vol. 15,1991.223-239.