考虑流固耦合的水下隧道力学特性研究

发布时间：2017-06-25 03:03

  本文关键词：考虑流固耦合的水下隧道力学特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,我国在铁路及公路工程的建设中修建了大量的水下隧道,截止2013年底,我国已建成各类水下隧道总长达1万多公里。在水下隧道的建设中,最小覆盖层厚度对隧道工程施工方法、工程造价及工程稳定性等具有重要影响。本文以兰州市轨道交通1号线迎门滩~马滩区间穿越黄河(穿黄)隧道工程为背景,通过数值计算及经验公式估算并结合工程实际,确定了该工程的最小覆盖层厚度,在此基础上,模拟分析了该工程的应力场、位移场和渗流场的分布规律及特性,主要研究成果包括:(1)采用日本海底隧道经验公式、挪威经验曲线及国内顶水采煤经验公式,分别计算了兰州市轨道交通1号线穿黄隧道的最小覆盖层厚度;建立了有限元分析模型,模拟分析了覆盖层厚度分别为18.1m、19.1m、20.1m、21.1m、22.1m、23.1m和24.1m7种工况下的隧道渗流场分布特性,在此基础上,结合工程实际,确定了穿黄隧道的最小覆盖层厚度为22.1m。(2)建立了流固耦合的有限元分析模型,模拟分析了穿黄隧道的渗流场、位移场和应力场的分布规律。研究结果表明:(1)渗流场方面:隧道开挖前,孔隙水压力从上至下依次增大呈层状分布,开挖后孔隙水压力从上到下依次增大呈漏斗状分布,并随开挖进尺的增大孔隙水压力逐渐减小。(2)位移场方面:随着隧道开挖进尺的不断推进,水平位移及竖向位移增量不断减小并逐渐趋于稳定,总体来看,各关键点的水平位移和竖向位移值都比较小。(3)应力场方面:隧道开挖前,竖向有效应力和水平向有效应力都呈左右对称分布;隧道开挖后,洞室周围竖向有效应力最大值区域分布在拱顶上方;左右拱腰和拱顶处水平有效应力值最大,随着开挖进尺的增大,最大值分布区域逐渐减小。(3)选择盾构管片在拱顶、左右拱腰及拱底处的4个关键点,对隧道力学特性进行分析研究,研究结果表明:(1)各关键点的竖向位移随开挖进尺增大而增大;拱顶处关键点竖向位移最大,左右拱腰处关键点竖向位移最小;(2)各关键点的水平位移随开挖进尺增大而增大;左右拱腰处关键点水平位移最大,呈左右对称分布,拱底处关键点水平位移最小;(3)各关键点竖向有效应力随开挖进尺增大而增大,竖向有效应力在拱顶处最大,左右拱腰处最小;(4)各关键点水平有效应力随开挖进尺增大而增大,竖向有效应力在左右拱腰处最大,拱底处最小。总体来说,各关键点的位移值和应力值都较小。
【关键词】：水下隧道 最小覆盖层厚度 流固耦合
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451;U459.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-16
• 1.2.1 渗流理论研究10-11
• 1.2.2 隧道注浆研究11-12
• 1.2.3 隧道流固耦合理论及应用研究12-14
• 1.2.4 水下隧道最小覆盖层厚度研究14-15
• 1.2.5 盾构隧道稳定性研究15-16
• 1.3 本文主要研究内容16-17
• 2 渗流理论及流固耦合方程17-32
• 2.1 渗流理论及方程17-22
• 2.2 微分方程及边界条件22-24
• 2.3 渗流势函数及流函数24-26
• 2.4 渗流力和临界坡降26-28
• 2.5 流固耦合原理及基本方程28-30
• 2.5.1 概述28
• 2.5.2 有限元法基本方程28-29
• 2.5.3 有效应力原理29-30
• 2.5.4 流固耦合基本方程30
• 2.6 本章小结30-32
• 3 水下隧道最小覆盖层厚度的确定32-41
• 3.1 地下水对围岩体的影响32-34
• 3.1.1 水压力作用32-33
• 3.1.2 围岩稳定性影响33-34
• 3.2 水下隧道最小覆盖层厚度的确定方法34-39
• 3.2.1 水下隧道覆盖层厚度的主要影响因素34-36
• 3.2.2 水下隧道最小覆盖层厚度的确定方法36-39
• 3.3 本章小结39-41
• 4 穿黄隧道最小覆盖层厚度确定41-60
• 4.1 工程背景41-47
• 4.1.1 工程概况41-42
• 4.1.2 水文地质情况42-44
• 4.1.3 施工工艺流程44-47
• 4.2 基于有限元法的最小覆盖层厚度确定47-57
• 4.2.1 模型建立47-50
• 4.2.2 计算结果分析50-57
• 4.3 最小覆盖层厚度确定57-58
• 4.3.1 经验公式法确定最小覆盖层厚度57-58
• 4.3.2 结果比较分析58
• 4.4 本章小结58-60
• 5 考虑流固耦合的穿黄隧道围岩稳定性分析60-80
• 5.1 数值模拟方案60-62
• 5.1.1 计算模型基本假定60-61
• 5.1.2 计算模型建立61-62
• 5.2 计算结果及分析62-78
• 5.2.1 渗流场分析62-64
• 5.2.2 应力场分析64-67
• 5.2.3 位移场分析67-71
• 5.2.4 支护结构受力分析71-77
• 5.2.5 塑性区分析77-78
• 5.3 本章小结78-80
• 结论与展望80-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-87
• 攻读学位期间的研究成果87

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