立體交叉隧道系統(tǒng)力學耦合機制及其動力學演化與控制研究.pdf

1、中山大學博士學位論文立體交叉隧道系統(tǒng)力學耦合機制及其動力學演化與控制研究姓名：劉鎮(zhèn)申請學位級別：博士專業(yè)：工程力學指導教師：周翠英20100605中山大學博士學位論文論文的主要工作：1單孔隧道失穩(wěn)演化的非線性動力學模型與判據(jù)。在總結(jié)國內(nèi)外在隧道／立體交叉隧道穩(wěn)定性研究進展的基礎上，將隧道襯砌與圍巖視為一個整體，系統(tǒng)分析了隧道失穩(wěn)演化的非線性動力學過程與規(guī)律，利用協(xié)同學、混沌動力學與耗散結(jié)構(gòu)理論，分別從動力學過程與不同演化狀態(tài)的能量耗散角

2、度入手，建立了單孔隧道失穩(wěn)演化的動力學模型與能量耗散模型，前者解決開挖失穩(wěn)整個過程中隧道穩(wěn)定性演化描述問題，后者解決隧道演化臨界狀態(tài)描述問題，二者既可根據(jù)隧道開挖支護失穩(wěn)破壞過程不同階段分別使用，又可在全過程演化上聯(lián)合使用，互為補充和驗證。在此基礎上，根據(jù)Brock數(shù)學統(tǒng)計，分析上述兩模型的結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)類型，分別給出不同時間序列長度下動力學與能量演化程度判別準則；結(jié)合區(qū)域關聯(lián)維的積分，推導了其動力學判據(jù)與能量判據(jù)。為了驗證動力學模型與能量

3、耗散模型在隧道穩(wěn)定性分析上的一致性，通過引入熱力學熵與K熵的關系，證明了能量耗散模型圍巖分區(qū)半徑與動力學模型分區(qū)半徑的呈倍數(shù)關系：為了保持相應于上述模型的兩種判據(jù)在使用上的完整性，將隧道失穩(wěn)演化過程分為混沌形成階段與耗散結(jié)構(gòu)形成階段，動力學判據(jù)適用于前者；能量判據(jù)則適用于后者。2新舊立體交叉隧道系統(tǒng)力學耦合機制與規(guī)律。分析了立體交叉隧道的空間數(shù)學特征，提出了新舊立體交叉隧道系統(tǒng)耦合區(qū)域范圍及體積的計算方法，分析了其在穿越過程中與工后運營

4、中的不同力學特征，研究了新舊立體交叉隧道系統(tǒng)在施工穿越過程中和工后運營階段的力學耦合機制和規(guī)律。針對新舊立體交叉隧道系統(tǒng)在施工穿越過程中應力場與位移場的耦合問題，首先運用隧道粘彈塑性理論，通過對掌子面影響范圍的力學等效，得到掌子面前方影響區(qū)域的求解方法及穿越過程中縱向應力與位移解；再利用單孔隧道失穩(wěn)演化的非線性動力學模型，得到其應力與位移關系的橫向求解；將縱、橫斷面聯(lián)合求解，建立了隧道掘進過程中三維動力學與能量耗散模型；以該模型為基礎，