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隧道单层衬砌作用机理及设计方法研究

张俊儒  
【摘要】: 论文从研究隧道围岩稳定性入手,以数值模拟计算和现场测试为基本研究手段,对单层衬砌在工作过程中锚杆、喷混凝土以及其与围岩相互作用的力学原理进行了系统的阐述,并通过室内实验研究初步提出了用作单层衬砌的喷射混凝土力学性能控制指标,在此基础上提出了详细的隧道单层衬砌设计原则和具体的设计流程,最终应用于工程实践,初步形成一套具有理论支撑的单层衬砌设计方法。主要结论和成果如下: 1、研究了褶皱、断层等地质构造和地形对围岩稳定性的影响,并提出在N.Barton岩质评定系数Q值计算式中引入褶皱影响系数、断层影响系数以及地形影响系数,反映其影响程度的大小;引入屈服接近度对洞室围岩稳定性进行总体评价,并根据屈服接近度的大小对洞室稳定性进行了分级,分为:充分稳定、稳定、临界稳定以及不稳定四种。 2、提出了采用屈服接近度对围岩稳定性进行总体评价完成预设计,运用松动圈支护理论修正设计的单层衬砌设计思路,将隧道支护设计向准定量水平推进了一步,提高了设计的准确性。 3、通过数值模拟分析首次得到了围岩压力与围岩变形的全过程特征曲线;指出单层衬砌支护的主要对象是围岩破裂过程中的岩石碎胀变形或碎胀力。 4、结合围岩松动圈支护理论,研究了由单层喷射混凝土及锚杆构成的单层衬砌作用机理,并给出了相应的支护措施。喷射混凝土支护的受力机理分为两类:局部受力和整体受力;单体锚杆的作用机理在非连续性岩体中主要表现为悬吊或销钉作用,在连续性岩体中锚杆锚固力主要是峰后围岩碎胀变形与锚杆相互作用的结果。 5、引入接触力学对由多层混凝土构成的单层衬砌结构的作用机理进行了研究,并与复合衬砌结构进行了比较。在同等荷载条件下,支护结构的厚度相同时,单层衬砌结构比复合衬砌结构产生的内力小20%~50%;如产生的内力相等时,单层衬砌结构比复合衬砌结构的厚度可减薄1/5~1/4,隧道开挖量减少5%~8%。由多层混凝土构成的单层衬砌结构中,内力分配遵循“先时间,后刚度”的原则,即支护早施作早受力;同时承载条件下,刚度越大,其所承受的内力也越大。 6、在对喷射混凝土基准抗压强度、初期强度、粘结强度以及抗渗性能研究的基础上,并结合国内外相关的工程实践,初步提出了用作单层衬砌的喷射混凝土力学性能控制指标。 7、采用正交试验设计法研究了影响松动圈大小的各种因素,按其重要程度从大到小排序依次为:隧道高跨比、围岩强度比以及侧压力系数;将松动圈支护理论应用于铁路隧道围岩分级,提出了200km/h双线高速铁路隧道的围岩分级表、单层衬砌支护参数表以及详细的隧道单层衬砌设计原则和具体的设计流程,服务于单层衬砌设计。


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