工学开题报告

工学硕士学位论文开题报告浅埋暗挖隧道施工稳定性及地表沉降分析研究生姓名：魏建文指导教师：吴文经副教授主要内容选题背景及研究意义国内外研究现状主要研究内容及研究方法研究目标和预期成果论文进度安排一、选题背景及研究意义(1)随着我国经济的发展和城市化进程的不断加快，使得城市建设面临着严峻的局势。主要表现为城市人口密度大、建筑空间拥挤、城市绿化面积减少、交通阻塞。为缓解或从根本上解决人口增长对城市环境的压力和威胁，大力开发地下空间使其成为人类在地球上安全舒适生活的第二个空间，而地下空间如何合理利用已经成为世界各国广泛关注和研究的课题。一、选题背景及研究意义（2）纵观当今世界，发达国家已把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、资源、环境三大危机的重要措施和医治“城市综合症”、实施城市可持续发展的重要途径。在工程实践方面，瑞典、挪威、美国、法国和芬兰等国在城市地下空间利用领域已达到相当规模和水平。城市地下空间的开发利用，已成为世界性发展趋势，并以此作为衡量城市现代化的重要标志。一、选题背景及研究意义（3）目前我国对地下空间的利用在逐年增加，正在兴建的有北京地铁、上海地铁、深圳地铁、广州地铁、南京地铁等，此外国家已经批准和正在筹建的地铁的城市有成都、杭州、青岛等20多座，预计21世纪中期将是我国大规模建设地铁和利用地下空间的年代一、选题背景及研究意义（4）城市地铁暗挖隧道工程是在岩土体内进行的，无论其埋深大小，隧道的开挖将不可避免地扰动地下岩土体，破坏了原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化。而地铁线路一般都会穿过人口密集、地面建筑物林立、地下管线密布的市中心繁华地段，而该区段对地表的变形都要求非常高，因此，隧道开挖必须与保护城市中有历史、经济和社会意义的设施结合起来。一、选题背景及研究意义二、国内外研究现状1、地下工程建设中应用的浅埋暗挖法是以加固处理软弱地层为前提，以新奥法(NATM)为理论基础，针对埋置深度较浅的松散软土或破碎岩石地层的一种地下工程暗挖施工方法。其与新奥法的一个较明显区别在于它采用足够刚度的复合衬砌为基本支护承载结构(由刚度较大的初期支护、二次衬砌及中间的防水层组成)。二、国内外研究现状2、Muller教授一开始就强调，硬岩隧道与软土或破碎岩石隧道的新奥法应有所区别：在软土或破碎岩石地层中隧道在近地表的情况下，地层薄，它不可能承受应力重分布的荷载，覆盖土的重力作用较大，如果仍用柔性支护，显然不合适。还指出隧道的变形会很快反应到地表沉降。开挖和支护必须在短时间内完成，初期支护必须很快闭合。二、国内外研究现状3、此后，德国格拉兹尔教授谈到在岩石条件下和土质条件下采用新奥法修建地下工程的差别时指出：“开挖具有相当地应力的岩石隧道，喷锚支护应采用柔性支护，以便有控制地释放部分地应力，使围岩在新的条件下达到稳定。而在不稳定的土层条件下开挖隧道，喷锚支护应具有足够的刚度，以防止地层产生过大的扰动，同时也防止地表过大沉降，影响地面建筑物和地下管线的安全。二、国内外研究现状4、这一时期，我国在黄土地层中的几座单线、双线铁路隧道，（大秦线）试验采用喷锚支护，也取得了初步经验。1986年，北京提出用浅埋暗挖法修建长358m的复兴门地铁折返线。由此总结出包括十八字诀在内的基本经验，通过了铁道部和北京市科技成果鉴定，并正式取名为“浅埋暗挖法”。并总结出了“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤测量”十八字方针。二、国内外研究现状(1)隧道开挖引起的地层移动研究现状：目前，隧道对地层移动的影响的研究，大多集中于地层变形和对邻近建(构)筑物和管线的影响方面，在这些方面的研究已经取得了不少成果。其计算方法大致分为三类：经验公式法、数值计算法、解析法。二、国内外研究现状（1）经验公式法：目前比较成熟的经验公式法主要计算竖向位移，尤其是计算地表沉降的，最常用的计算公式最早是由美国的Peck(1969)提出的。之后，同济大学侯学渊等（1987）结合上海地区饱和土和盾构施工的特点，提出了考虑时效（即土体扰动后固结）沉降的修正Peck公式。二、国内外研究现状二、国内外研究现状实际上，隧道开挖特别是在软土和地质条件差的地层中进行复杂隧道结构的开挖是非常复杂的三维时空问题，随着计算机技术和数值计算方法的高速发展，复杂定解条件问题的处理已成为可能，也使得隧道施工过程的动态仿真模拟成为可能。二、国内外研究现状（2）数值计算法：自60年代中期起，随着电子计算机的应用和岩土本构关系研究的发展，隧道与地下工程分析方法进入了数值分析时期，岩土力学数值分析技术日益得到发展。借助于计算机，可以较全面地考虑影响地表沉降的各主要因素，较为准确地预计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、国内外研究现状常用的预计地表沉降的数值计算方法主要有有限单元法（FEM）、有限差分法（FDM）、边界元法（BEM）、离散元法（DEM）和刚性有限元法（RFEM）等。因为有限单元法能较容易地处理分析域的复杂形状及边界条件，材料的物理非线性和几何非线性性状，具有很强的适应性，所以其应用发展非常快，目前已成为隧道数值分析的主要手段。二、国内外研究现状一般的有限元法解决的问题仍局限于小变形的假设，即忽略因变形造成几何尺寸的改变所致应力的微小变化，且略去应变的二次幂，对于几何大变形问题，计算繁杂，工作量大。为处理隧道中遇到的大应变问题，拉格朗日元法得到了发展。它是一种分析非线性大变形问题的数值方法，这种方法依然遵循连续介质的假设，利用差分格式，按时步积分求解，随着构形的变化不断更新坐标，允许介质有大的变形。二、国内外研究现状在进行数值分析时，其计算精度与材料本构模型的合理选取密切相关。在隧道数值计算中，土体的本构关系最初采用线性弹性模型，它以广义虎克定律为基础。其后有弹塑性模型，其以塑性增量理论或全增量理论为基础，最常用的弹塑性模型有Mohr-Coulomb模型等。二、国内外研究现状（3）解析法：考虑到经验公式的局限性，有限元法的不确定性，简单的闭合解析解也是一种可取的分析隧道工程对周围岩土环境影响的有效方法。尤其是在缺少地层的变形特性资料时候或者为了确定地层变形的非均匀性和多变性需要做大量的数据处理时。简化的弹性方法可以迅速找到要求解的结果相对于各参变量的敏感程度，为用数值法求解提供一定的基础。二、国内外研究现状（2）地层预加固研究现状：在地层预加固方面，管棚应用在我国已取得一定的成就，其分析理论有梁理论、弹性地基理论、壳体理论等。梁理论：该理论把管棚作为静定梁或超静定梁，具有计算方法简单的特点，缺点是不能完全反映管棚的受力特点和掌子面附近的受力情况。二、国内外研究现状二、国内外研究现状弹性地基梁理论：该理论假定管棚支护结构为弹性地基梁，按照隧道围岩压力理论计算得到的载荷，作用于管棚掘进前方一定距离，按照每次开挖步距计算管棚挠度。地层按照地基模型选取，基于Winkler地基简单模式的力学模型，模型的纵向挠度解析解与现场量测结果和三维有限元计算结果吻合较好。二、国内外研究现状二、国内外研究现状壳体理论：假定管棚结构为一个完整结构，用壳体计算方法分析受力。由于组成管棚个钢管之间存在不连续性，且壳体结构在数学上求解复杂，使得管棚受力计算结果偏于不安全。二、国内外研究现状（3）支护结构研究现状：初衬计算：初衬的计算按照施工步骤对每一工况分别进行计算,然后将所有工况的计算结果进行比较,确定控制截面的内力,初衬计算时,水土压力按水土合算考虑。二、国内外研究现状二衬计算：按初期支护与二次衬砌共同承载计算二次衬砌内力时,由于初衬不考虑防水,因此由二次衬砌承受全部水压力,而土压力则作用在初衬上。考虑地震和人防：目前,地下结构的抗震设计是将地震作用用等代的静力荷载代替,按静力计算模型求结构的内力,人防设计是将人防荷载等效为静荷载作用在结构上,从而求出结构的内力反应。二、国内外研究现状三、主要研究内容围岩稳定性和支护结构适宜性的研究；不同的施工工法、地层条件、地面荷载等对地表沉降的影响；研究拱顶加固体强度对周围地层的影响；施工监控量测与信息反馈，采取动态施工；四、研究目标（预期成果）通过研究，找出支护结构在复杂条件下（荷载、土体开挖而引起的应力重分布、水、地震等）的应力和应变分布规律；通过研究，找出不同的施工工法、地质条件等对地表沉降影响的规律；期望得出一套更适合于浅埋暗挖法隧道支护结构的计算和设计方法；五、主要研究方法本课题研究紧密结合工程类比、理论分析和数值模拟分析研究。在理论分析、工程类比和计算机数值模拟的基础上，提出初步研究成果；并通过现场监测数据，进一步完善设计，指导施工。具体技术路线如下：五、主要研究方法（1）工程类比法：采用工程类比法是目前浅埋暗挖隧道支护结构设计、施工中应用最广泛的方法。结合拟建工程的围岩等级与工程结构尺寸等条件，并参照已建成类似工程的经验，直接确定支护结构的参数和施工方法。五、主要研究方法（2）理论分析：在测定地层和支护力学参数的前提下，根据地层力学特征建立力学模型，通过计算确定支护结构参数。采用假定弹性反力的计算方法，进行隧道支护结构的设计，并验算其安全性和合理性。五、主要研究方法（3）数值模拟：计算机数值模拟计算是以原型隧道为研究对象进行分析，并紧密结合理论分析进行对比；采用有限差分法为主体的方法对隧道结构力学计算、开挖、支护结构、地层位移、地层应力、地表沉降等分析。找出浅埋暗挖法施工的隧道的力学特征。五、主要研究方法（4）施工监测和信息反馈：本课题拟结合一具体工程，通过现场施工监控量测，指导施工、反馈设计，达到动态施工和管理。五、主要研究方法六、论文研究进度2007.02~2007.04，查国内外相关资料，进行整理总结；2007.05~2007.06，数据采集并对其进行初步整理分析；2007.07~2007.09，数值模拟，并对其结果进行分析、整理；2007.10~2008.02，通过理论分析和数值模拟对比，找出其中规律和存在的问题，撰写论文，并完成初稿。2008.03~2008.05，修改毕业论文，准备答辩；谢谢各位老师