淺埋圓形隧道力學行為理論分析及應用.pdf

1、近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的快速推進，城市隧道作為一種快速、安全、快捷、高效、環(huán)保的交通形式，已經(jīng)成為解決城市交通問題的首要選擇。在隧道施工及運營過程中，圍巖應力和變形分析是隧道設計的重要內容。深埋隧道的分析可忽略地表邊界和地面荷載的影響，將圍巖視為無限巖土介質，國內外學者對深埋隧道已經(jīng)開展了大量的研究并取得卓有成效的成果。城區(qū)隧道工程的顯著特點是埋深淺，圍巖軟弱、地質條件差，地表建筑物及地下管線密集。受地表邊界和地面荷

2、載的影響，淺埋隧道的圍巖應力和變形分析比深埋隧道更為復雜和困難。目前，自重應力以及外部荷載作用下淺埋圓形隧道力學行為的理論研究還不充分。為此，本文基于復變函數(shù)理論，采用共形映射和Fourier級數(shù)變換的方法開展淺埋圓形隧道力學行為的理論研究，利用數(shù)值模擬和工程實測資料對理論分析結果進行驗證，并將理論研究成果應用于工程實踐。主要研究內容及成果包括：
　?、購臒o限平面內集中作用下的復變函數(shù)解析解出發(fā)，根據(jù)鏡像法計算原理，將自重應力作用

3、下淺埋圓形隧道理論分析分解為三個部分進行求解。隨后分別推導出隧道開挖前自重應力在擬建隧道洞周引起的應力邊界條件；半無限平面內集中力作用下圍巖應力的復變函數(shù)解及其在隧道洞周引起的應力邊界條件；隧道洞周反面力作用下圍巖應力的復變函數(shù)解。基于理論推導結果，提出圍巖應力、位移及屈服接近度的具體計算流程，利用數(shù)值模擬驗證了理論推導的正確性。明確了理論計算中Laurent級數(shù)項目數(shù)取值對計算結果的影響，基于收斂性條件提出其確定準則。分析探討了理論計

4、算位移誤差產(chǎn)生的原因以及隧道埋深對計算精度的影響規(guī)律，提出水平位移計算誤差的具體處理方法。根據(jù)應力釋放理論，利用施加虛擬支撐力的方法提出考慮圍巖應力釋放的淺埋圓形隧道復變函數(shù)解的計算方法。
　　②基于自重應力作用下圓形隧道復變函數(shù)解，以隧道洞周應力邊界條件是否滿足周期性條件出發(fā)，證明了隧道外部任意荷載作用下隧道復變函數(shù)解的存在性。隨后分別推導出外部豎向集中力、水平集中力作用下淺埋圓形隧道復變函數(shù)解。由地表應力邊界條件首先推導出半無

5、限平面地表作用集中力時復勢函數(shù)的顯示表達式，根據(jù)坐標變換可得到地面任意線荷載作用下隧道復變函數(shù)解析解。以理論研究成果為基礎計算隧道上方作用集中力時，圍巖應力、位移的分布規(guī)律，并將理論計算結果與數(shù)值模擬對比分析。隨后，著重對比分析地面荷載作用范圍、荷載與隧道偏心距對圍巖應力、位移及塑性區(qū)范圍的影響。
　?、坳U述了 Schwarz交替法的基本原理，及其用于求解淺埋雙圓孔隧道的計算流程。分別基于第2章、第3章理論研究成果，給出自重應力、

6、外部荷載作用下淺埋雙圓孔隧道的理論計算流程。明確了坐標變換以及Fourier級數(shù)變換在簡化隧道洞周應力邊界方面的應用。探討了理論計算中迭代次數(shù)對計算精度的影響，并給出迭代次數(shù)的確定原則。隨后，著重對比分析淺埋雙圓孔隧道徑距、夾角對圍巖應力、地層沉降及塑性區(qū)分布的影響。
　?、芨鶕?jù)襯砌變形連續(xù)性條件，將隧道洞周監(jiān)測位移進行連續(xù)化處理并將其展開為 Fourier級數(shù)，通過保角變換將襯砌映射為單位圓環(huán)。利用襯砌內邊界應力、位移邊界條件求

7、解出襯砌域內復勢函數(shù)的顯示表達式。從圍巖與襯砌交界面面力相等的條件出發(fā)，以襯砌域內復勢函數(shù)表示圍巖內邊界應力邊界條件，利用圍巖內邊界和地表應力邊界條件確定圍巖域內復勢函數(shù)。由襯砌域內復勢函數(shù)求出襯砌任一斷面上徑向、法向應力，以求出的襯砌應力可求出襯砌內力分布。分別計算出不同安全系數(shù)對應的襯砌壓彎、壓剪承載能力曲線，并據(jù)此定量評價既有變形條件下隧道襯砌的安全性及其可能出現(xiàn)的破壞模式。
　?、菀灾貞c市華龍站～重慶西站區(qū)間隧道為依托，將