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软弱围岩隧道新型半刚性网壳衬砌结构研究及应用

庞建勇  
【摘要】: 地面网壳结构重量轻、稳定性强,对研究地下支撑结构具有重要的借鉴意义。论文根据大跨度空间壳体力学原理,设计地下网壳喷层衬砌新结构,对围岩—支护相互作用理论及软岩隧道支护设计进行了系统的研究。 网壳喷层衬砌由钢筋网架和喷射混凝土组成。网架是用钢筋在地面焊接而成的板壳结构,外表面自成一层钢筋网,可承托隧道围岩表面,内部是立体纵横交叉的钢筋网架支撑着外层钢筋网。每块构件的两端焊接着带有螺栓孔的联接板,每架支架由数块构件对头拼装,用螺栓联接而成,支架本身有一定的柔性让压性能,还可在对接处嵌入木垫板,使支架整体也有一定的可缩性。该新型支架具有两个显著特点,第一、混凝土被包围在众多小跨度双向钢筋拱壳之内,喷层所受的拉剪应力被明显削弱,抗压强度得到充分利用,因而支撑能力比普通配筋喷层大大提高;第二,施喷混凝土后形成网壳锚喷,可缩接头使网壳喷层衬砌也有一定的让压性能。新型衬砌既能与围岩共同变形,又对围岩提供了更强的支撑力,可作为软岩隧道、动压隧道、大断面硐室等的永久支护结构。 论文在分析锚喷支护原理的基础上,提出了局部弱支护新理论,研究了半刚性钢筋网壳锚喷结构的力学特性,对网壳锚喷结构进行内力分析和计算。利用开口圆柱壳的一般力学原理和方法,推导出壳体的内力、位移和应力求解格式。依托工业性试验,对单片的钢筋网壳及整架支护结构进行了模型试验,研究网壳支护系统的变形、破坏形态与发展规律。根据模型试验和理论分析建立有限元数值计算模型,利用ANSYS有限元程序完成整架半刚性网壳喷层结构的数值计算,通过对应的节点位移、单元内力的数值计算结果,对新型网壳结构的内力分析起到补充校核作用,比较不同计算方法结果的差异性,完成支护方案的优化设计。结合典型软岩隧道工程,制订施工技术要求与网壳支架加工技术规范。通过现场监测,与其它常用软岩支护方式相比较,完成了网壳支护典型隧道的技术、经济对比和社会效益评价。


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