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隧道初期支护与软弱围岩作用机理及应用

陈峰宾  
【摘要】:我国隧道建设有了突飞猛进的发展,然而,隧道建设规模与隧道设计理论之间的矛盾日益突出,隧道设计中的锚杆对围岩的作用效果如何,格栅钢架和型钢喷射混凝土钢架的受力特性及其对围岩的适用性,喷射混凝土硬化特性对围岩变形及其对初期支护本身受力的影响等一系列问题也未进行深入研究。本文在查阅相关文献资料的基础上,采用室内试验、数值模拟、模型试验和现场试验对格栅钢架和型钢钢架的破坏力学特征、极限承载力、对围岩变形的控制能力和适用性进行了研究;基于喷射混凝土早期强度室内试验,分析考虑喷射混凝土硬化特性的初期支护与围岩相互作用和耦合作用分析。主要研究工作和成果如下: (1)提出了地下洞室外域到单位圆外域映射函数的逐次渐进法求法。并利用复变函数的保角变换,推导了任意断面无支护隧道在自重应力下的应力和位移解析解; (2)通过室内试验和有限元模拟分析了格栅钢架和型钢钢架的受力特性、破坏特征和极限承载力,然后通过室内模型试验进一步分析了格栅钢架和型钢钢架的受力特征,对围岩变形的控制效果。最后通过现场实测验证,对格栅和型钢钢架的适用性给出了一些建议。型钢钢架的刚度大于格栅钢架的刚度,型钢安设后能够立即承载,并且型钢混凝土支护抵御围岩变形的能力强于格栅混凝土支护,能够提供更大的支护抗力。对于软岩隧道尤其大变形围岩,应优先考虑使用型钢混凝土支护;格栅和喷射混凝土粘结性好,能更好的协同喷射混凝土变形,属于柔性支护结构。相对型钢拱架,格栅拱架受力比较均匀,刚度适中,适合较为破碎的岩层; (3)基于喷射混凝土早期强度室内试验,通过有限元二次开发,分析了喷射混凝土硬化对围岩变形力学特性的影响。喷射混凝土硬化特性在岩体较完整、质量较好的隧道工程中,喷射混凝土的硬化特性有助于发挥围岩的自撑能力,在设计中,可以减小支护的刚度,节约生产成本。然而,在某些岩体较差或大变形的隧道工程中,喷射混凝土的这一特性对控制围岩的变形不利,在这种情况下,应该采用早强混凝土,以提高初期支护的早期刚度,提供更大的支护抗力; (4)基于喷射混凝土早期强度随时间变化规律,给出了考虑喷射混凝土硬化特性的初期支护特征曲线的计算方法,并基于收敛约束原理,给出了考虑喷射混凝土硬化的软岩隧道支护时机的确定方法和初期支护安全性能评价方法; (5)基于考虑喷射混凝土硬化特性的初期支护安全性能评价方法,分析了施工期隧道初期支护安全系数的变化规律。初期支护的安全性是动态变化的,初期支护安全系数先减小后增大最后趋于稳定。 (6)通过室内模型试验分析了毛洞和采用素混凝土、格栅钢架和型钢钢支护的围岩变形和破坏特征,以及围岩与初期支护的相互作用。进行隧道现场试验,分析了格栅钢架和型钢钢架与围岩接触压力的时间变化规律,格栅钢架和型钢钢架与围岩接触压力的分布规律。


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