十堰四号隧道施工对围岩应力位移场及地表沉降的影响研究.doc
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十堰四号隧道施工对围岩应力位移场及地表沉降的影响研究,硕士论文摘 要城市铁路隧道施工通过浅埋软弱破碎围岩时引起围岩应力位移场较大变化，造成地表沉降。为了减少由于浅埋隧道施工引起的过大地表沉降，有必要利用有限元模拟隧道施工过程并及时总结和研究城市浅埋暗挖隧道施工方法和监控量测技术。本文系统论述了隧道开挖前后围岩应力、位移状态，地表沉降机理，浅埋暗挖隧道施工和监控量测技术。以...
内容介绍
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硕士论文
摘 要
城市铁路隧道施工通过浅埋软弱破碎围岩时引起围岩应力位移场较大变化，造成地表沉降。为了减少由于浅埋隧道施工引起的过大地表沉降，有必要利用有限元模拟隧道施工过程并及时总结和研究城市浅埋暗挖隧道施工方法和监控量测技术。
本文系统论述了隧道开挖前后围岩应力、位移状态，地表沉降机理，浅埋暗挖隧道施工和监控量测技术。以十堰四号隧道现场监测数据为依据，对监测数据进行处理分析并总结规律，同时采用大型有限元软件(ADINA)进行三维有限元模拟，以“生”、“死”单元模拟隧道开挖支护过程，对围岩和支护结构应力位移场进行分析，得到浅埋暗挖隧道施工时地表沉降、拱顶下沉、洞内水平收敛随时间变化的规律。并且模拟不同开挖方式对地表沉降、拱顶下沉、洞内水平收敛的影响，最后将数值模拟结果与实测数据相对比，得出一些有用规律，为日后同类工程设计、施工提供借鉴和参考。
关键词：城市铁路隧道；浅埋暗挖；超前预支护；台阶分部开挖法；地表沉降；有限元模拟
ABSTRACT
When city railway tunnel construction pass surrounding rock of shallow weak and broken, it arouse to surrounding rock stress displacement field greater change，and cause ground surface subsidence. To reduce ground surface subsidence arouses because of shallow tunnel construction, it’s necessary to use FEM simulate tunnel construction course, summarize and study city shallow tunnel construction method and monitoring technology in time.
This paper systematically dissertates surrounding rock stress displacement field, subsidence of ground surface mechanism, and monitoring technology. Analyze and sum up the rules according to the monitoring data of Shiyan 4th tunnel, then perform three-dimensional FEM simulation with ADINA software. This paper simulates tunnel excavation through “Birth” and “Death” method, analyzes the stress displacement field of surrounding rock and surppot structure and gets regularity with time of ground surface subsidence, tunnel vault sinks, tunnel horizontal displacement. This paper studies the effect of ground surface subsidence, tunnel vault sinks, tunnel horizontal displacement used different tunnel excavation methods. At last compare the analysis results with monitoring data, and get several useful regularities as a reference in engineering design and construction in the future.
Keywords：city railway tunnel；shallow tunneling；barrel vault advanced support technology；bench step by step cut method；ground surface subsidence；FEM simulation
目 录
摘 要 1
ABSTRACT 2
1 绪论 6
1.1 国内外地铁隧道和城市铁路隧道发展过程 6
1.2 城市隧道施工引起围岩移动及地表沉降研究现状 7
1.2.1 经验公式法 7
1.2.2 数值分析法 9
1.2.3 其它方法 10
1.3 理论研究及应用中存在的问题 12
1.4 本文研究的主要内容，方法及目的 12
2 隧道开挖前后围岩应力、位移状态及地表沉降机理分析 13
2.1 岩体的初始应力状态 13
2.2 隧道开挖后围岩的二次应力及位移状态 14
2.2.1 隧道开挖后的弹性二次应力及位移状态 15
2.2.2 隧道开挖后的塑性二次应力及位移状态 19
2.3 地表沉降机理分析 20
2.3.1 岩体初始应力状态的改变 20
2.3.2 土体的固结沉降 21
3 城市浅埋暗挖隧道施工及监控量测技术 22
3.1 城市浅埋暗挖法的提出 22
3.2 深、浅埋隧道覆盖厚度分界 22
3.3 浅埋暗挖施工关键技术 23
3.3.1 地层超前预支护技术 23
3.3.2 隧道开挖 28
3.3.3 隧道支护 29
3.4 施工监控量测技术 31
3.4.1 浅埋暗挖法监控量测的项目 31
3.4.2 施工监控量测方法 32
3.4.3 监控量测过程 34
3.4.4 监控量测值控制标准 34
4 十堰四号隧道农科所段施工及监控量测研究 35
4.1 十堰四号隧道及农科所段工程概况 35
4.2 十堰四号隧道农科所段施工方案 36
4.2.1 洞内超前支护 36
4.2.2 洞身开挖 40
4.2.3 支护 40
4.3 十堰四号隧道农科所段监控量测研究 41
4.3.1 量测项目及量测方法 41
4.3.2 拱顶下沉与周边收敛 42
4.3.3 地表沉降 45
4.3.4 小结 46
5 十堰四号隧道软弱围岩浅埋段施工有限元数值模拟 47
5.1 隧道开挖模拟基本方法 47
5.1.1 反转应力释放法 47
5.1.2 空单元法 48
5.1.3 混合法 48
5.1.4 三种方法的比较 49
5.1.5 开挖模拟难点 49
5.2 隧道支护和预加固措施的模拟 50
5.2.1 注浆小导笯@霸ぶЩな的Ｄ� 50
5.2.2 管棚超前预支护效用数值模拟 51
5.2.3 锚杆的数值模拟 52
5.2.4 钢架的数值模拟 53
5.2.5 网喷混凝土的数值模拟 53
5.2.6 混凝土二次衬砌的数值模拟 54
5.3 农科所段隧道开挖过程应力位移场及地表沉降数值模拟 54
5.3.1 DZK115+394断面三维建模说明 54
5.3.2 计算结果及分析 57
5.4 不同开挖方式的隧道施工模拟 62
5.4.1 台阶分部开挖法 62
5.4.2 上下台阶开挖法 69
6 结论与展望 75
6.1 结论 75
6.2 展望 76
致 谢 78
参考文献 79
摘 要
城市铁路隧道施工通过浅埋软弱破碎围岩时引起围岩应力位移场较大变化，造成地表沉降。为了减少由于浅埋隧道施工引起的过大地表沉降，有必要利用有限元模拟隧道施工过程并及时总结和研究城市浅埋暗挖隧道施工方法和监控量测技术。
本文系统论述了隧道开挖前后围岩应力、位移状态，地表沉降机理，浅埋暗挖隧道施工和监控量测技术。以十堰四号隧道现场监测数据为依据，对监测数据进行处理分析并总结规律，同时采用大型有限元软件(ADINA)进行三维有限元模拟，以“生”、“死”单元模拟隧道开挖支护过程，对围岩和支护结构应力位移场进行分析，得到浅埋暗挖隧道施工时地表沉降、拱顶下沉、洞内水平收敛随时间变化的规律。并且模拟不同开挖方式对地表沉降、拱顶下沉、洞内水平收敛的影响，最后将数值模拟结果与实测数据相对比，得出一些有用规律，为日后同类工程设计、施工提供借鉴和参考。
关键词：城市铁路隧道；浅埋暗挖；超前预支护；台阶分部开挖法；地表沉降；有限元模拟
ABSTRACT
When city railway tunnel construction pass surrounding rock of shallow weak and broken, it arouse to surrounding rock stress displacement field greater change，and cause ground surface subsidence. To reduce ground surface subsidence arouses because of shallow tunnel construction, it’s necessary to use FEM simulate tunnel construction course, summarize and study city shallow tunnel construction method and monitoring technology in time.
This paper systematically dissertates surrounding rock stress displacement field, subsidence of ground surface mechanism, and monitoring technology. Analyze and sum up the rules according to the monitoring data of Shiyan 4th tunnel, then perform three-dimensional FEM simulation with ADINA software. This paper simulates tunnel excavation through “Birth” and “Death” method, analyzes the stress displacement field of surrounding rock and surppot structure and gets regularity with time of ground surface subsidence, tunnel vault sinks, tunnel horizontal displacement. This paper studies the effect of ground surface subsidence, tunnel vault sinks, tunnel horizontal displacement used different tunnel excavation methods. At last compare the analysis results with monitoring data, and get several useful regularities as a reference in engineering design and construction in the future.
Keywords：city railway tunnel；shallow tunneling；barrel vault advanced support technology；bench step by step cut method；ground surface subsidence；FEM simulation
目 录
摘 要 1
ABSTRACT 2
1 绪论 6
1.1 国内外地铁隧道和城市铁路隧道发展过程 6
1.2 城市隧道施工引起围岩移动及地表沉降研究现状 7
1.2.1 经验公式法 7
1.2.2 数值分析法 9
1.2.3 其它方法 10
1.3 理论研究及应用中存在的问题 12
1.4 本文研究的主要内容，方法及目的 12
2 隧道开挖前后围岩应力、位移状态及地表沉降机理分析 13
2.1 岩体的初始应力状态 13
2.2 隧道开挖后围岩的二次应力及位移状态 14
2.2.1 隧道开挖后的弹性二次应力及位移状态 15
2.2.2 隧道开挖后的塑性二次应力及位移状态 19
2.3 地表沉降机理分析 20
2.3.1 岩体初始应力状态的改变 20
2.3.2 土体的固结沉降 21
3 城市浅埋暗挖隧道施工及监控量测技术 22
3.1 城市浅埋暗挖法的提出 22
3.2 深、浅埋隧道覆盖厚度分界 22
3.3 浅埋暗挖施工关键技术 23
3.3.1 地层超前预支护技术 23
3.3.2 隧道开挖 28
3.3.3 隧道支护 29
3.4 施工监控量测技术 31
3.4.1 浅埋暗挖法监控量测的项目 31
3.4.2 施工监控量测方法 32
3.4.3 监控量测过程 34
3.4.4 监控量测值控制标准 34
4 十堰四号隧道农科所段施工及监控量测研究 35
4.1 十堰四号隧道及农科所段工程概况 35
4.2 十堰四号隧道农科所段施工方案 36
4.2.1 洞内超前支护 36
4.2.2 洞身开挖 40
4.2.3 支护 40
4.3 十堰四号隧道农科所段监控量测研究 41
4.3.1 量测项目及量测方法 41
4.3.2 拱顶下沉与周边收敛 42
4.3.3 地表沉降 45
4.3.4 小结 46
5 十堰四号隧道软弱围岩浅埋段施工有限元数值模拟 47
5.1 隧道开挖模拟基本方法 47
5.1.1 反转应力释放法 47
5.1.2 空单元法 48
5.1.3 混合法 48
5.1.4 三种方法的比较 49
5.1.5 开挖模拟难点 49
5.2 隧道支护和预加固措施的模拟 50
5.2.1 注浆小导笯@霸ぶЩな的Ｄ� 50
5.2.2 管棚超前预支护效用数值模拟 51
5.2.3 锚杆的数值模拟 52
5.2.4 钢架的数值模拟 53
5.2.5 网喷混凝土的数值模拟 53
5.2.6 混凝土二次衬砌的数值模拟 54
5.3 农科所段隧道开挖过程应力位移场及地表沉降数值模拟 54
5.3.1 DZK115+394断面三维建模说明 54
5.3.2 计算结果及分析 57
5.4 不同开挖方式的隧道施工模拟 62
5.4.1 台阶分部开挖法 62
5.4.2 上下台阶开挖法 69
6 结论与展望 75
6.1 结论 75
6.2 展望 76
致 谢 78
参考文献 79
