非对称连拱隧道动态施工力学模拟研究
摘要
二十世纪九十年代以来,随着我国高等级公路的飞速发展,公路隧道数量日益增多。在山区狭窄地带隧道与洞外接线,隧道净距执行规范要求的15m～30m及以上距离非常困难,尤其桥隧相连、城市隧道互通工程更是如此。连拱隧道正是在接线困难时出现的一种特殊结构型式,而非对称连拱隧道更是特殊条件下的一种特殊结构形式的隧道。本文围绕拟设计的公路非对称连拱隧道,进行动态施工力学模拟研究,主要包括以下内容。
(1) 根据相似理论,构建拟设计的非对称连拱隧道原型与模型的相似比,确定相似材料的配合比。通过重力相似模拟试验,研究非对称连拱隧道开挖过程中两个洞室各关键点的力学规律;试验结果表明,采用中导洞+左右洞上下台阶开挖方法以及相关支护措施,非对称连拱隧道两洞室的围岩径向位移、围岩应力、地中位移和支护结构内力呈不对称分布,左右洞的先后施工会产生相互影响;中墙受力比较复杂,左右两侧受力呈不对称分布,上下两端出现应力集中现象。
(2) 基于非对称连拱隧道典型断面的径向位移和围岩地中位移试验测试结果,分别采用灰色系统模型、神经网络多步滚动预测法和支持向量机算法对隧道拱顶下沉量和地中位移进行预测预报。分析比较三种预测方法的优缺点,结果表明在学习样本比较少的情况下支持向量机的收敛速度和预测精度高,完全可以用来隧道围岩变形,指导隧道设计和施工。
(3) 分析基本遗传算法优化方法的优缺点,基于改进浮点编码遗传算法进行了非对称连拱隧道弹塑性位移反演围岩参数(弹性模量、泊松比、抗剪强度),并将该方法与基本遗传算法(SGA)反演结果进行了对比,还对改进浮点编码遗传算法的抗噪声能力进行了检测,结果显示改进浮点编码遗传算法抗噪声能力强。
(4) 通过数值模拟分析,比较非对称连拱隧道的两种开挖方法(中导洞+左右洞上下台阶法、中导洞+右左洞上下台阶法)洞室各关键点的位移和应力分布特点,优化该隧道型式的开挖工序。将优化后的非对称连拱隧道开挖工序的试验结果与数值模拟结果进行比较,显示该开挖工序是合理可行的。建立了与非对称连拱隧道开挖面积等效的对称连拱隧道的数值分析模型,比较该两种隧道模型在开挖中左洞各关键点的力学规律,分析产生异同结果的原因。在非对称连拱隧道左单洞开挖、两洞开挖和开挖面积等效的对称连拱隧道两洞开挖后,分析比较了三种情况下左洞各关键点的位移和应力分布规律。
(5) 在三维数值模拟中,分析了两种工况时非对称连拱隧道各研究断面围岩各特征点围岩位移、地表沉降与离工作面距离的关系。
(1) 根据相似理论,构建拟设计的非对称连拱隧道原型与模型的相似比,确定相似材料的配合比。通过重力相似模拟试验,研究非对称连拱隧道开挖过程中两个洞室各关键点的力学规律;试验结果表明,采用中导洞+左右洞上下台阶开挖方法以及相关支护措施,非对称连拱隧道两洞室的围岩径向位移、围岩应力、地中位移和支护结构内力呈不对称分布,左右洞的先后施工会产生相互影响;中墙受力比较复杂,左右两侧受力呈不对称分布,上下两端出现应力集中现象。
(2) 基于非对称连拱隧道典型断面的径向位移和围岩地中位移试验测试结果,分别采用灰色系统模型、神经网络多步滚动预测法和支持向量机算法对隧道拱顶下沉量和地中位移进行预测预报。分析比较三种预测方法的优缺点,结果表明在学习样本比较少的情况下支持向量机的收敛速度和预测精度高,完全可以用来隧道围岩变形,指导隧道设计和施工。
(3) 分析基本遗传算法优化方法的优缺点,基于改进浮点编码遗传算法进行了非对称连拱隧道弹塑性位移反演围岩参数(弹性模量、泊松比、抗剪强度),并将该方法与基本遗传算法(SGA)反演结果进行了对比,还对改进浮点编码遗传算法的抗噪声能力进行了检测,结果显示改进浮点编码遗传算法抗噪声能力强。
(4) 通过数值模拟分析,比较非对称连拱隧道的两种开挖方法(中导洞+左右洞上下台阶法、中导洞+右左洞上下台阶法)洞室各关键点的位移和应力分布特点,优化该隧道型式的开挖工序。将优化后的非对称连拱隧道开挖工序的试验结果与数值模拟结果进行比较,显示该开挖工序是合理可行的。建立了与非对称连拱隧道开挖面积等效的对称连拱隧道的数值分析模型,比较该两种隧道模型在开挖中左洞各关键点的力学规律,分析产生异同结果的原因。在非对称连拱隧道左单洞开挖、两洞开挖和开挖面积等效的对称连拱隧道两洞开挖后,分析比较了三种情况下左洞各关键点的位移和应力分布规律。
(5) 在三维数值模拟中,分析了两种工况时非对称连拱隧道各研究断面围岩各特征点围岩位移、地表沉降与离工作面距离的关系。
引文
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