有限元法輔助淺埋暗挖輸水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究.pdf

1、在都市內(nèi)采用淺埋暗挖法修建大型的輸水隧洞，工程條件復(fù)雜，技術(shù)難度大，有必要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。有限元法輔助淺埋暗挖輸水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是具有重要現(xiàn)實(shí)意義和理論意義的課題。本文以有限元法為手段，研究和淺埋暗挖隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)的幾個(gè)內(nèi)容：淺埋暗挖隧洞的圍巖應(yīng)力路徑、初期支護(hù)的模擬方法、地表沉降評(píng)價(jià)、對(duì)既有結(jié)構(gòu)（橋基、地下通道、管線(xiàn)）的影響等，提出使用有限元法輔助淺埋暗挖隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方案。本文的研究為水利行業(yè)使用有限元法系統(tǒng)地分析淺埋暗挖輸

2、水隧洞提供參考，從而達(dá)到推廣有限元法在輔助淺埋暗挖隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用的目的。 研究依托南水北調(diào)中線(xiàn)北京西四環(huán)暗涵工程進(jìn)行。西四環(huán)暗涵屬于大型輸水工程，采用淺埋暗挖法施工，所在地層軟弱，沿線(xiàn)穿越地下通道、管線(xiàn)、橋基多處，整個(gè)工程有相當(dāng)大的難度，在國(guó)內(nèi)尚屬首例。 本文研究以數(shù)值計(jì)算為主，結(jié)合理論分析、與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較，得到以下主要成果： （1）揭示了施工擾動(dòng)使隧洞圍巖主應(yīng)力大小和方向發(fā)生明顯改變的區(qū)域，給出了隧洞

3、圍巖8個(gè)典型區(qū)域在施工過(guò)程中所經(jīng)歷的復(fù)雜加、卸載過(guò)程和主應(yīng)力方向變化規(guī)律。本文研究發(fā)現(xiàn)：人們所廣泛認(rèn)可的“隧洞開(kāi)挖本質(zhì)是原始地應(yīng)力場(chǎng)的卸載”的觀點(diǎn)，對(duì)于在軟弱地層中淺埋暗挖的隧洞而言并不確切。提出了在采用有限元輔助隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在不同的施工階段，圍巖使用加、卸載參數(shù)的實(shí)用方法。 （2）提出了有限元法輔助淺埋暗挖隧洞設(shè)計(jì)時(shí)，采用開(kāi)挖的同時(shí)施加初期支護(hù)來(lái)模擬及時(shí)支護(hù)，對(duì)支護(hù)早期力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減以模擬噴混凝土的滯后，并考慮支護(hù)的力學(xué)

4、參數(shù)隨齡期變化。論證了用這種方法計(jì)算得到的初期支護(hù)應(yīng)力成果，可以為設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。 （3）提出了依據(jù)地表豎向位移有限元計(jì)算值評(píng)價(jià)沉降是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)的方法。該方法可供北京地區(qū)第四紀(jì)地層中的淺埋暗挖隧洞工程參考。所采用的留有安全裕度的作法可供其它地區(qū)的類(lèi)似工程借鑒。 （4）研究了隧洞暗挖施工對(duì)地下通道、管線(xiàn)和既有橋基的影響。三維有限元方法分析隧道施工對(duì)既有通道的影響，可為隧洞設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)通道安全狀態(tài)提供更

5、準(zhǔn)確的依據(jù)，降低工程成本。提出了分析淺埋隧洞施工對(duì)地下管線(xiàn)影響時(shí)，根據(jù)管道的剛度和尺寸不同而采取不同的模擬方法。提出了兩個(gè)隧洞近接穿越橋基時(shí)的有限元輔助設(shè)計(jì)的計(jì)算方案。據(jù)此方案，對(duì)隧洞近接穿越鉆孔樁、挖孔樁和沉箱樁進(jìn)行研究，總結(jié)規(guī)律，為類(lèi)似的工程和有限元法輔助設(shè)計(jì)提供參考。 （5）研究了隧洞布置超出水利規(guī)范限制的特殊問(wèn)題。在隧洞穿越橋基時(shí)，兩個(gè)隧洞間距過(guò)小，遠(yuǎn)超出水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范的限制，隧洞近接樁基，施工條件非常不利。研究表明，

6、采用適當(dāng)?shù)氖┕し椒?，施工期隧洞和橋基的安全均可得到保證。這已得到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證。此研究可為類(lèi)似工程和有限元法輔助設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。 （6）建立了有限元法輔助淺埋暗挖輸水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方案。該方案輔助設(shè)計(jì)的大量計(jì)算成果的有效性已得到了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料的驗(yàn)證。采用該方案進(jìn)行計(jì)算分析，可以為淺埋暗挖隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更科學(xué)的依據(jù)。 本文的研究豐富了在軟基中修建輸水管涵分析理論和方法，對(duì)設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義。為水利