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《成都理工大学》 2014年
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大变形非对称支护机理及加固技术研究

陈超  
【摘要】:工程实践表明,当隧道发生大变形时,其破坏往往集中在围岩的某一个或多个局部,并非是全断面和整体性的,变形破坏特点有明显的非对称性,采用常规对称的支护设计常常不能满足要求,这些率先发生变形且应力集中的区域被称为关键部位。此外在隧道工程中,围岩地应力特征对隧道破坏形态具有显著地对应关系;地应力特征对隧道围岩的破坏形式、破坏表征等界定了宏观限定条件,但并非隧道的所有破坏方式都能与之符合,考虑到地下工程的复杂性,地应力特征仍只是影响隧道破坏方式的其中一个因素,但却是一个主要影响因素。所以本文在已有研究成果上,结合龙溪隧道非对称变形及破坏的工程案例,对地应力主导的隧道挤压型大变形进行了分析。在自然界中,固体与流体之间的联系是十分紧密的,许多材料都具有“流体-固体”的双重特性,软岩这种“材料”也不例外。针对隧道中发生的非对称大变形现象,选取地应力控制的挤压型大变形模型为研究对象,通过数值模拟,分析了其变形过程和关键部位,再从流体动力学的角度对非对称大变形关键部位的变形量、变形范围进行分析计算,将影响大变形的各项因素进行量化,采用加权求和的方法定义了分级系数,对非对称变形程度进行分级;并针对隧道开挖初期发生非对称变形的围岩,对已有的柔性支护方案(包括超前应力释放技术、可缩钢拱架、压缝式摩擦型恒阻锚杆)进行了设计改进,再对其组成构件的承载力进行了相关计算;最后,探讨了非对称大变形的支护原则、机理及施工步骤。本文完成的主要工作及取得的主要研究成果如下:1)对于非对称挤压型变形隧道,首先通过数值模拟计算分析,得出关键部位位置;再由塑性区软化理论,确定出围岩的塑性区控制半径;运用软岩流体力学相关理论,分别计算了龙溪隧道中非对称变形关键部位的变形量,变形范围,变形程度;将影响大变形的各个因素(位移速率、弹性模量、相对变形量等)进行量化分级,最后通过加权求和再乘非对称变形程度系数得到分级系数,对龙溪隧道的非对称变形程度进行分级。2)在已有超前应力释放技术相关资料及研究的基础上,通过相关计算来对非对称变形的超前应力释放方案(导洞、钻孔方案)分别进行设计和相关计算。针对非对称变形的应力释放,选择钻孔释放方案工序更为简单,布置更灵活,可针对性地对非对称关键部位进行集中布置,这样既能达到释放效果,还能减少工程量,降低成本。因此在非对称变形的应力释放中,可优先选择钻孔方案。3)针对非对称大变形,采用柔性支护加固措施以达到“边放边抗”的目的,在传统U型可缩钢拱架的基础上进行了重新设计,对普通工字型钢架进行改造,在其中加入了可缩段来对关键部位进行支护,这样既能提供足够的承载力,又能释放局部应力,防止支护结构被破坏,最后对设计的钢架方案进行了承载力分析,对可缩段进行了相关计算和设计。4)在管缝式锚杆末端加入了恒阻段,设计了一种新型压缝式恒阻大变形锚杆,新设计的方案能更好地适应隧道中围岩关键部位的变形,通过设计方案的承载力分析,计算了锚杆的极限承载力和摩阻力,并对相应构件进行了设计,该恒阻锚杆具有结构形式简单,各个构件的设计环节可控的优点。5)最后探讨了隧道非对称变形联合支护的原则、机理及施工步骤,按照非对称分级系数划分的等级,列出龙溪隧道中各级非对称变形支护措施设计参数,总结了隧道非对称变形支护设计流程;从理论上来讲,按照设计流程对非对称大变形案例进行计算和设计,可以通过柔性支护措施将隧道开挖初期围岩中的应力释放完,很好地控制了围岩的变形,让后期支护结构更加安全和稳定。
【学位授予单位】:成都理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:U455.7

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