碩士論文

摘 要
城市鐵路隧道施工通過(guò)淺埋軟弱破碎圍巖時(shí)引起圍巖應(yīng)力位移場(chǎng)較大變化，造成地表沉降。為了減少由于淺埋隧道施工引起的過(guò)大地表沉降，有必要利用有限元模擬隧道施工過(guò)程并及時(shí)總結(jié)和研究城市淺埋暗挖隧道施工方法和監(jiān)控量測(cè)技術(shù)。
本文系統(tǒng)論述了隧道開(kāi)挖前后圍巖應(yīng)力、位移狀態(tài)，地表沉降機(jī)理，淺埋暗挖隧道施工和監(jiān)控量測(cè)技術(shù)。以十堰四號(hào)隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析并總結(jié)規(guī)律，同時(shí)采用大型有限元軟件(ADINA)進(jìn)行三維有限元模擬，以“生”、“死”單元模擬隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程，對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力位移場(chǎng)進(jìn)行分析，得到淺埋暗挖隧道施工時(shí)地表沉降、拱頂下沉、洞內(nèi)水平收斂隨時(shí)間變化的規(guī)律。并且模擬不同開(kāi)挖方式對(duì)地表沉降、拱頂下沉、洞內(nèi)水平收斂的影響，最后將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)比，得出一些有用規(guī)律，為日后同類(lèi)工程設(shè)計(jì)、施工提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：城市鐵路隧道；淺埋暗挖；超前預(yù)支護(hù)；臺(tái)階分部開(kāi)挖法；地表沉降；有限元模擬

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 錄
摘 要 1
ABSTRACT 2
1 緒論 6
1.1 國(guó)內(nèi)外地鐵隧道和城市鐵路隧道發(fā)展過(guò)程 6
1.2 城市隧道施工引起圍巖移動(dòng)及地表沉降研究現(xiàn)狀 7
1.2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法 7
1.2.2 數(shù)值分析法 9
1.2.3 其它方法 10
1.3 理論研究及應(yīng)用中存在的問(wèn)題 12
1.4 本文研究的主要內(nèi)容，方法及目的 12
2 隧道開(kāi)挖前后圍巖應(yīng)力、位移狀態(tài)及地表沉降機(jī)理分析 13
2.1 巖體的初始應(yīng)力狀態(tài) 13
2.2 隧道開(kāi)挖后圍巖的二次應(yīng)力及位移狀態(tài) 14
2.2.1 隧道開(kāi)挖后的彈性二次應(yīng)力及位移狀態(tài) 15
2.2.2 隧道開(kāi)挖后的塑性二次應(yīng)力及位移狀態(tài) 19
2.3 地表沉降機(jī)理分析 20
2.3.1 巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的改變 20
2.3.2 土體的固結(jié)沉降 21
3 城市淺埋暗挖隧道施工及監(jiān)控量測(cè)技術(shù) 22
3.1 城市淺埋暗挖法的提出 22
3.2 深、淺埋隧道覆蓋厚度分界 22
3.3 淺埋暗挖施工關(guān)鍵技術(shù) 23
3.3.1 地層超前預(yù)支護(hù)技術(shù) 23
3.3.2 隧道開(kāi)挖 28
3.3.3 隧道支護(hù) 29
3.4 施工監(jiān)控量測(cè)技術(shù) 31
3.4.1 淺埋暗挖法監(jiān)控量測(cè)的項(xiàng)目 31
3.4.2 施工監(jiān)控量測(cè)方法 32
3.4.3 監(jiān)控量測(cè)過(guò)程 34
3.4.4 監(jiān)控量測(cè)值控制標(biāo)準(zhǔn) 34
4 十堰四號(hào)隧道農(nóng)科所段施工及監(jiān)控量測(cè)研究 35
4.1 十堰四號(hào)隧道及農(nóng)科所段工程概況 35
4.2 十堰四號(hào)隧道農(nóng)科所段施工方案 36
4.2.1 洞內(nèi)超前支護(hù) 36
4.2.2 洞身開(kāi)挖 40
4.2.3 支護(hù) 40
4.3 十堰四號(hào)隧道農(nóng)科所段監(jiān)控量測(cè)研究 41
4.3.1 量測(cè)項(xiàng)目及量測(cè)方法 41
4.3.2 拱頂下沉與周邊收斂 42
4.3.3 地表沉降 45
4.3.4 小結(jié) 46
5 十堰四號(hào)隧道軟弱圍巖淺埋段施工有限元數(shù)值模擬 47
5.1 隧道開(kāi)挖模擬基本方法 47
5.1.1 反轉(zhuǎn)應(yīng)力釋放法 47
5.1.2 空單元法 48
5.1.3 混合法 48
5.1.4 三種方法的比較 49
5.1.5 開(kāi)挖模擬難點(diǎn) 49
5.2 隧道支護(hù)和預(yù)加固措施的模擬 50
5.2.1 注漿小導(dǎo)笯@霸ぶЩな的Ｄ� 50
5.2.2 管棚超前預(yù)支護(hù)效用數(shù)值模擬 51
5.2.3 錨桿的數(shù)值模擬 52
5.2.4 鋼架的數(shù)值模擬 53
5.2.5 網(wǎng)噴混凝土的數(shù)值模擬 53
5.2.6 混凝土二次襯砌的數(shù)值模擬 54
5.3 農(nóng)科所段隧道開(kāi)挖過(guò)程應(yīng)力位移場(chǎng)及地表沉降數(shù)值模擬 54
5.3.1 DZK115+394斷面三維建模說(shuō)明 54
5.3.2 計(jì)算結(jié)果及分析 57
5.4 不同開(kāi)挖方式的隧道施工模擬 62
5.4.1 臺(tái)階分部開(kāi)挖法 62
5.4.2 上下臺(tái)階開(kāi)挖法 69
6 結(jié)論與展望 75
6.1 結(jié)論 75
6.2 展望 76
致 謝 78
參考文獻(xiàn) 79