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连拱隧道变形预测模型与施工关键技术研究

连拱隧道变形预测模型与施工关键技术研究

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作者：谢秉鑫西安工业大学

学位级别：硕士

连拱隧道作为一种特殊的隧道结构形式,结构复杂且工序繁多,其安全问题更应得到充分的重视。本文基于pso-rbf神经网络算法提出了一种连拱隧道拱顶围岩沉降预测方法,并以头桥连拱隧道为工程依托,采用数值模拟、现场实测相结合的研究方法,... 详细信息

连拱隧道作为一种特殊的隧道结构形式,结构复杂且工序繁多,其安全问题更应得到充分的重视。本文基于pso-rbf神经网络算法提出了一种连拱隧道拱顶围岩沉降预测方法,并以头桥连拱隧道为工程依托,采用数值模拟、现场实测相结合的研究方法,对连拱隧道不同施工工法及不同施工参数进行了优化选取。最后,对建立的基于pso-rbf神经网络的连拱隧道拱顶围岩沉降预测模型进行了验证。主要研究内容及成果如下:(1)分别介绍了rbf神经网络算法和pso粒子群算法的基本原理,并对比分析了两种优化方法的优缺点。在此基础上,根据基于粒子群算法优化的pso-rbf神经网络算法,建立了连拱隧道围岩拱顶变形预测模型。(2)采用有限元软件对中导洞法和三导洞法进行数值模拟,对比分析了两种工法开挖过程中的应力和变形。从结果看,连拱隧道在左右洞下边墙部位容易发生应力集中,而中隔墙在墙脚部位非常容易出现应力集中的现象,且由于偏压的作用,右墙脚的应力要明显高于左墙脚,但都能满足施工安全性要求。三导洞法能够有效降低头桥连拱隧道拱顶沉降的最大值与平均值,而中导洞法则是在隧道围岩水平位移控制方面更有优势。中隔墙墙顶与右墙脚处存在较大的横向位移,中导洞法和三导洞法下中隔墙右墙脚处的位移最大值分别比左墙脚高54.3%和58.4%,位移平均值分别高66.3%和71.9%。两种工法在控制连拱隧道围岩位移方面各有优劣,但都能满足规范要求。因此选择技术更简单、工期更短、更具经济性的中导洞法开挖头桥连拱隧道是更好的选择。(3)对中导洞法下连拱隧道的施工参数进行研究。首先研究不同开挖间距下隧道的变形,结果表明,增大连拱隧道左右洞纵向开挖间距可以有效减小开挖过程中的围岩水平位移,但是对围岩拱顶沉降的影响十分有限。随着开挖间距的增大,中隔墙墙顶的横向位移最大值逐渐增大,墙脚的横向位移最大值逐渐减小,但是两者的增幅与降幅都十分微小,在实际工程中可以忽略不计。然后研究不同中导洞临时支护拆除时机下隧道的变形,研究表明,延长连拱隧道中导洞临时支护拆除时机可以有效减小开挖过程中围岩的变形,但是中隔墙墙顶和墙脚的横向位移最大值变化极小,在工程实践中可以忽略不计。而如果选择左右洞开挖间距90m则意味着先贯通先行洞再施工后行洞,此时隧道施工现场只需要一套施工设备就能完成施工,能够极大地降低工程造价;选取10m作为隧道中导洞临时支护长度能够为施工现场提供更大面积的工作场地。因此选择开挖间距90m以及中导洞临时支护10m作为施工参数对于头桥连拱隧道来说是更好的选择。(4)对头桥连拱隧道数个断面的变形进行了监测,并对现场实测、数值模拟和模型预测的沉降值结果进行了对比分析,结果表明,数值模拟的计算结果与实测结果对比,相对误差都小于5%,证明了本文通过有限元数值模拟方法所提出的施工工法在实际工程应用中能够达到围岩变形控制安全标准。预测模型的预测值与实测值的相对误差都小于3%,能够满足实际连拱隧道施工的误差精度要求,因此可以广泛应用于连拱隧道围岩拱顶沉降变形的预测工作中。

关键词：连拱隧道 pso-rbf预测模型数值模拟施工工法施工参数优化现场测试

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