公路双连拱隧道开挖方法及施工过程数值模拟研究
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摘要
本文首先系统地论述了国内外公路双连拱隧道常见的结构断面形式和开挖方法。探讨了应用平面应变模型进行隧道施工过程模拟的常用方法，在“反转应力释放法”的基础上，结合ANSYS软件可以模拟连续施工的特点，提出利用“施加虚拟支撑力逐步释放法”来实现隧道施工过程中地应力随工序的逐步释放的思路，并且利用ANSYS的APDL设计语言，开发出施加虚拟支撑力的命令，实现了施工过程中应力的逐步释放，从而找到了一种模拟隧道施工过程的好方法。对实际工程中最常用的三种开挖方法分别进行了施工模拟，分析了它们各自的围岩和支护的受力变形规律，经比较后，得出了三导洞法是Ⅱ类围岩中修建连拱隧道的较好开挖方法的结论。并对“三导洞法”进行连拱隧道施工时围岩和结构的受力变形规律进行了详细分析，同时模拟了施工中的不利因素、应力释放系数和二次衬砌施作等的影响。接着对连拱隧道进行了平面弹塑性模拟分析，得到了施工过程中塑性区出现的位置和规律，提出了防止因塑性变形过大而引起坍塌的强度补救措施，并应用数值模拟方法检验其效果。最后建立了三维空间模型，对连拱隧道开挖时的空间效应、左右洞的相互影响，以及中隔墙的变形和稳定性进行了模拟分析。
本文通过对ANSYS软件进行适当的开发，找到了进行隧道施工模拟比较理想的方法，将之与工程师的工程经验相结合，必能对隧道等地下工程的设计和施工起到促进和帮助作用。所得结论对公路双连拱隧道的建设有重要的工程指导意义。
In this paper we dissertate the common structure cross forms and excavating methods of highway double-arc tunnel home and abroad at the first part, and study common simulation methods of tunnel construction afterwards. Based on the method of reversing and releasing the stress, and combined with the capacity of simulating continuous construction of ANSYS programme, we come up with the thought of using the method of applying virtual support force to release the stress step by step to realize the step-by-step release of initial stress during the tunnel construction simulation. With the help of design language of ANSYS, we develop a command to apply the virtual support force. Then we simulate the common excavating methods of double-arc tunnel respectively, analyze the stress and strain of wall rock and support structure of each method, and recommend the best excavating method to construct double-arc tunnel in wall rocks of II .Then we analyze the "three headings method" in detail, and also simulate the effect of construction factor, stress releasing coefficient and secondary lining. Then we carry out plane elastoplastic simulation of double-arc tunnel, and get the development regularity of plastic region. Finally we set up three-dimensional space model to simulate the space effect during tunnel construction, analyze the transaction between the left runnel and the right tunnel, and also analyze the deformation and stability of mid-partition.
We get an ideal method to tunnel construction simulation through proper development of ANSYS programme in this paper. Combined with the experience of engineers, it can benefit and accelerate the design and construction of tunneling projects. The conclusions we draw can also play a directive role in highway double-arc tunnel construction.
本文通过对ANSYS软件进行适当的开发，找到了进行隧道施工模拟比较理想的方法，将之与工程师的工程经验相结合，必能对隧道等地下工程的设计和施工起到促进和帮助作用。所得结论对公路双连拱隧道的建设有重要的工程指导意义。
In this paper we dissertate the common structure cross forms and excavating methods of highway double-arc tunnel home and abroad at the first part, and study common simulation methods of tunnel construction afterwards. Based on the method of reversing and releasing the stress, and combined with the capacity of simulating continuous construction of ANSYS programme, we come up with the thought of using the method of applying virtual support force to release the stress step by step to realize the step-by-step release of initial stress during the tunnel construction simulation. With the help of design language of ANSYS, we develop a command to apply the virtual support force. Then we simulate the common excavating methods of double-arc tunnel respectively, analyze the stress and strain of wall rock and support structure of each method, and recommend the best excavating method to construct double-arc tunnel in wall rocks of II .Then we analyze the "three headings method" in detail, and also simulate the effect of construction factor, stress releasing coefficient and secondary lining. Then we carry out plane elastoplastic simulation of double-arc tunnel, and get the development regularity of plastic region. Finally we set up three-dimensional space model to simulate the space effect during tunnel construction, analyze the transaction between the left runnel and the right tunnel, and also analyze the deformation and stability of mid-partition.
We get an ideal method to tunnel construction simulation through proper development of ANSYS programme in this paper. Combined with the experience of engineers, it can benefit and accelerate the design and construction of tunneling projects. The conclusions we draw can also play a directive role in highway double-arc tunnel construction.
引文
1．潘昌实，隧道力学数值方法，中国铁道出版社，1995
2．孙钧、侯学渊，地下结构，科学出版社，1987
3．孙钧，地下工程设计理论与实践，上海科学技术出版社，1996
4．孙钧，地下结构有限元分析，同济大学出版社，1988
5．孙钧，岩土材料流变及其工程应用，中国建筑工业出版社，1999
6．李世辉，隧道支扩设计新论，科学出版社，1999
7．关宝树等，隧道及地下工程，西南交通大学出版社，2000
8．关宝树，隧道力学概论，西南交通大学出版社，1993
9．潘别桐、黄润秋，工程地质数值方法，地质出版社，1994
10．郑颖人，地下工程锚喷支护指南，中国铁道出版社，1988
11．雷晓燕，岩土工程数值方法，中国铁道出版社，1999
12．沈明荣，岩体力学，同济大学出版社，1999
13．公路隧道设计规范，人民交通出版社，1990
14．公路隧道施工规范，人民交通出版社，1990
15．铁道部建设总局，铁路新奥法指南，中国铁道出版社，1988
16．王勖成、邵敏，有限单元法基本原理和数值方法，清华大学出版社，2001
17．陈精一、蔡国忠，电脑辅助工程分析—ANSYS使用指南，中国铁道出版社，2001
18．谭建国，使用ANSYS 6．0进行有限元分析，北京大学出版社，2002
19．蒋树屏，我国公路隧道建设技术的现状及展望，国际隧道研讨会暨公路建设技术交流大会论文集，人民交通出版社，2002．11
20．曹磊、黄兵，公路隧道经济设计的几个问题，国际隧道研讨会暨公路建设技术交流大会论文集，人民交通出版社，2002．11
21．杨明举、张世文，山岭区公路隧道设计探讨，国际隧道研讨会暨公路建设技术交流大会论文集，人民交通出版社，2002．11
22．唐颖、陈晓钜，浅论连拱隧道设计，2001中瑞公路隧道技术交流，2001
23．郭小红、朱光仪，京珠高速公路五龙岭隧道设计，2001中瑞公路隧道技术交流，2001
24．林志良、陈晓钜，福建相思岭连拱隧道设计，2001中瑞公路隧道技术交流，2001
25．卢耀宗、杨文武，莲花山大跨度连拱隧道施工方法研究，中国公路学报，2001．4
26．王凤忠、黄祚琼，连拱隧道施工技术，现代隧道技术，2001．10
27．杨建民，会竹桥双连拱公路隧道设计，世界隧道，1999．1
28．陈少华、李勇，连拱隧道的结构分析，中国公路学报，2000．1
29．周江天，四连拱大跨度浅埋隧道的设计，世界隧道，1999，1
30．杨宏波、曾恕辉，浅谈公路双跨连拱隧道中隔墙施工技术，现代隧道技术，2001．11
31．王杰先，浙江岵轴岭连拱公路隧道施工，2001中瑞公路隧道技术交流，2001
32．彭定超、袁勇，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，2002．2
33．福州福泉高速公路有限公司等，单线双洞长隧道的建设技术研究，1999．12
34．刘洪洲，大跨度扁坦隧道施工的力学响应及施王方法的研究，重庆大学博士学位论文，1999．7
35．刘洪洲，连拱隧道设计施工技术研究现状，西部探矿工程，2001．1
36．卿光全(译)，浅埋隧道采用眼镜法开挖，隧道及地下工程，1998．1
37．卿光全(译)，在土砂地层中大断面双连拱隧道的施工，隧道译丛，1992．4
38．赵满庆(译)，数值模型对新的隧道开挖方法的影响，隧道译丛，1993．4
39．上川裕之、武藤修資等，小土地山大断面貫—大代古墳，地下，2002．7
40．浅野利一，大断面设计施工，土木施工，2002．5
41．青木宏一、上村正人等，国現状課題，地下，2001．9
42. Leroy Z. Emkin, Structural Engineers' Abuse of Computer, Conference Proceedings of the First Structural Engineers World Conference, San Francisco, California, USA, July 19-23, 1998
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