工學(xué)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告

工學(xué)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告淺埋暗挖隧道施工穩(wěn)定性及地表沉降分析

研究生姓名：魏建文指導(dǎo)教師：吳文經(jīng)副教授

主要內(nèi)容選題背景及研究意義國內(nèi)外研究現(xiàn)狀主要研究內(nèi)容及研究方法研究目標(biāo)和預(yù)期成果論文進(jìn)度安排一、選題背景及研究意義(1)隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，使得城市建設(shè)面臨著嚴(yán)峻的局勢。主要表現(xiàn)為城市人口密度大、建筑空間擁擠、城市綠化面積減少、交通阻塞。為緩解或從根本上解決人口增長對城市環(huán)境的壓力和威脅，大力開發(fā)地下空間使其成為人類在地球上安全舒適生活的第二個(gè)空間，而地下空間如何合理利用已經(jīng)成為世界各國廣泛關(guān)注和研究的課題。一、選題背景及研究意義（2）縱觀當(dāng)今世界，發(fā)達(dá)國家已把對城市地下空間的開發(fā)利用作為解決城市人口、資源、環(huán)境三大危機(jī)的重要措施和醫(yī)治“城市綜合癥”、實(shí)施城市可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。在工程實(shí)踐方面，瑞典、挪威、美國、法國和芬蘭等國在城市地下空間利用領(lǐng)域已達(dá)到相當(dāng)規(guī)模和水平。城市地下空間的開發(fā)利用，已成為世界性發(fā)展趨勢，并以此作為衡量城市現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。一、選題背景及研究意義（3）目前我國對地下空間的利用在逐年增加，正在興建的有北京地鐵、上海地鐵、深圳地鐵、廣州地鐵、南京地鐵等，此外國家已經(jīng)批準(zhǔn)和正在籌建的地鐵的城市有成都、杭州、青島等20多座，預(yù)計(jì)21世紀(jì)中期將是我國大規(guī)模建設(shè)地鐵和利用地下空間的年代一、選題背景及研究意義（4）城市地鐵暗挖隧道工程是在巖土體內(nèi)進(jìn)行的，無論其埋深大小，隧道的開挖將不可避免地?cái)_動地下巖土體，破壞了原有的平衡狀態(tài)，而向新的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化。而地鐵線路一般都會穿過人口密集、地面建筑物林立、地下管線密布的市中心繁華地段，而該區(qū)段對地表的變形都要求非常高，因此，隧道開挖必須與保護(hù)城市中有歷史、經(jīng)濟(jì)和社會意義的設(shè)施結(jié)合起來。一、選題背景及研究意義二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1、地下工程建設(shè)中應(yīng)用的淺埋暗挖法是以加固處理軟弱地層為前提，以新奧法(NATM)為理論基礎(chǔ)，針對埋置深度較淺的松散軟土或破碎巖石地層的一種地下工程暗挖施工方法。其與新奧法的一個(gè)較明顯區(qū)別在于它采用足夠剛度的復(fù)合襯砌為基本支護(hù)承載結(jié)構(gòu)(由剛度較大的初期支護(hù)、二次襯砌及中間的防水層組成)。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2、Muller教授一開始就強(qiáng)調(diào)，硬巖隧道與軟土或破碎巖石隧道的新奧法應(yīng)有所區(qū)別：在軟土或破碎巖石地層中隧道在近地表的情況下，地層薄，它不可能承受應(yīng)力重分布的荷載，覆蓋土的重力作用較大，如果仍用柔性支護(hù)，顯然不合適。還指出隧道的變形會很快反應(yīng)到地表沉降。開挖和支護(hù)必須在短時(shí)間內(nèi)完成，初期支護(hù)必須很快閉合。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3、此后，德國格拉茲爾教授談到在巖石條件下和土質(zhì)條件下采用新奧法修建地下工程的差別時(shí)指出：“開挖具有相當(dāng)?shù)貞?yīng)力的巖石隧道，噴錨支護(hù)應(yīng)采用柔性支護(hù)，以便有控制地釋放部分地應(yīng)力，使圍巖在新的條件下達(dá)到穩(wěn)定。而在不穩(wěn)定的土層條件下開挖隧道，噴錨支護(hù)應(yīng)具有足夠的剛度，以防止地層產(chǎn)生過大的擾動，同時(shí)也防止地表過大沉降，影響地面建筑物和地下管線的安全。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀4、這一時(shí)期，我國在黃土地層中的幾座單線、雙線鐵路隧道，（大秦線）試驗(yàn)采用噴錨支護(hù)，也取得了初步經(jīng)驗(yàn)。1986年，北京提出用淺埋暗挖法修建長358m的復(fù)興門地鐵折返線。由此總結(jié)出包括十八字訣在內(nèi)的基本經(jīng)驗(yàn)，通過了鐵道部和北京市科技成果鑒定，并正式取名為“淺埋暗挖法”。并總結(jié)出了“管超前，嚴(yán)注漿，短開挖，強(qiáng)支護(hù)，快封閉，勤測量”十八字方針。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀(1)隧道開挖引起的地層移動研究現(xiàn)狀：目前，隧道對地層移動的影響的研究，大多集中于地層變形和對鄰近建(構(gòu))筑物和管線的影響方面，在這些方面的研究已經(jīng)取得了不少成果。其計(jì)算方法大致分為三類：經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值計(jì)算法、解析法。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（1）經(jīng)驗(yàn)公式法：目前比較成熟的經(jīng)驗(yàn)公式法主要計(jì)算豎向位移，尤其是計(jì)算地表沉降的，最常用的計(jì)算公式最早是由美國的Peck(1969)提出的。之后，同濟(jì)大學(xué)侯學(xué)淵等（1987）結(jié)合上海地區(qū)飽和土和盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，提出了考慮時(shí)效（即土體擾動后固結(jié)）沉降的修正Peck公式。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀實(shí)際上，隧道開挖特別是在軟土和地質(zhì)條件差的地層中進(jìn)行復(fù)雜隧道結(jié)構(gòu)的開挖是非常復(fù)雜的三維時(shí)空問題，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的高速發(fā)展，復(fù)雜定解條件問題的處理已成為可能，也使得隧道施工過程的動態(tài)仿真模擬成為可能。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（2）數(shù)值計(jì)算法：自60年代中期起，隨著電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和巖土本構(gòu)關(guān)系研究的發(fā)展，隧道與地下工程分析方法進(jìn)入了數(shù)值分析時(shí)期，巖土力學(xué)數(shù)值分析技術(shù)日益得到發(fā)展。借助于計(jì)算機(jī)，可以較全面地考慮影響地表沉降的各主要因素，較為準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)隧道施工引起的地表沉降，并提出有效的控制地表沉降的方法。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀常用的預(yù)計(jì)地表沉降的數(shù)值計(jì)算方法主要有有限單元法（FEM）、有限差分法（FDM）、邊界元法（BEM）、離散元法（DEM）和剛性有限元法（RFEM）等。因?yàn)橛邢迒卧茌^容易地處理分析域的復(fù)雜形狀及邊界條件，材料的物理非線性和幾何非線性性狀，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，所以其應(yīng)用發(fā)展非?？?，目前已成為隧道數(shù)值分析的主要手段。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀一般的有限元法解決的問題仍局限于小變形的假設(shè)，即忽略因變形造成幾何尺寸的改變所致應(yīng)力的微小變化，且略去應(yīng)變的二次冪，對于幾何大變形問題，計(jì)算繁雜，工作量大。為處理隧道中遇到的大應(yīng)變問題，拉格朗日元法得到了發(fā)展。它是一種分析非線性大變形問題的數(shù)值方法，這種方法依然遵循連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)，利用差分格式，按時(shí)步積分求解，隨著構(gòu)形的變化不斷更新坐標(biāo)，允許介質(zhì)有大的變形。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，其計(jì)算精度與材料本構(gòu)模型的合理選取密切相關(guān)。在隧道數(shù)值計(jì)算中，土體的本構(gòu)關(guān)系最初采用線性彈性模型，它以廣義虎克定律為基礎(chǔ)。其后有彈塑性模型，其以塑性增量理論或全增量理論為基礎(chǔ)，最常用的彈塑性模型有Mohr-Coulomb模型等。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（3）解析法：考慮到經(jīng)驗(yàn)公式的局限性，有限元法的不確定性，簡單的閉合解析解也是一種可取的分析隧道工程對周圍巖土環(huán)境影響的有效方法。尤其是在缺少地層的變形特性資料時(shí)候或者為了確定地層變形的非均勻性和多變性需要做大量的數(shù)據(jù)處理時(shí)。簡化的彈性方法可以迅速找到要求解的結(jié)果相對于各參變量的敏感程度，為用數(shù)值法求解提供一定的基礎(chǔ)。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（2）

地層預(yù)加固研究現(xiàn)狀：在地層預(yù)加固方面，管棚應(yīng)用在我國已取得一定的成就，其分析理論有梁理論、彈性地基理論、殼體理論等。梁理論：該理論把管棚作為靜定梁或超靜定梁，具有計(jì)算方法簡單的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是不能完全反映管棚的受力特點(diǎn)和掌子面附近的受力情況。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀彈性地基梁理論：該理論假定管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)為彈性地基梁，按照隧道圍巖壓力理論計(jì)算得到的載荷，作用于管棚掘進(jìn)前方一定距離，按照每次開挖步距計(jì)算管棚撓度。地層按照地基模型選取，基于Winkler地基簡單模式的力學(xué)模型，模型的縱向撓度解析解與現(xiàn)場量測結(jié)果和三維有限元計(jì)算結(jié)果吻合較好。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀殼體理論：假定管棚結(jié)構(gòu)為一個(gè)完整結(jié)構(gòu)，用殼體計(jì)算方法分析受力。由于組成管棚個(gè)鋼管之間存在不連續(xù)性，且殼體結(jié)構(gòu)在數(shù)學(xué)上求解復(fù)雜，使得管棚受力計(jì)算結(jié)果偏于不安全。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（3）支護(hù)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀：初襯計(jì)算：初襯的計(jì)算按照施工步驟對每一工況分別進(jìn)行計(jì)算,然后將所有工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,確定控制截面的內(nèi)力,初襯計(jì)算時(shí),水土壓力按水土合算考慮。二、國