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大断面黄土隧道开挖工法优化及预支护研究

王生光  
【摘要】:黄土有着特殊的工程特性。大断面黄土隧道施工一直是困扰隧道工程界的一个重要问题,尤其是施工方法选取是控制围岩变形的重要方面。在地层岩性较差时,预支护体系能更好的为围岩稳定提供保障,保证施工安全顺利的进行。本文以“宝兰客运专线”的徐家川隧道为依托,以大断面黄土隧道IV级围岩段施工为推手,采用现场应力及变形监控量测、理论分析分析围岩受力和变形机理,通过数值模拟计算对比分析选出隧道合理的开挖工法,并对选取出来的合理工法进行台阶长度和进尺的优化分析。通过弹性地基梁理论来分析隧道施工过程中的管棚预支护的作用机理,并根据数值模拟计算结果对管棚预支护的效果进行分析和评价。最后通过对不同管棚支护角度进行对比分析,确定了隧道施工最佳的管棚支护范围。论文的主要工作和成果如下:(1)结合现场监控量测数据分析徐家川隧道变形与支护受力之间的相互作用关系和特征。分析结果表明,徐家川隧道具有初期变形速率快和变形持续时间长的特征。变形特征受岩层走向、倾向影响较大,因此围岩变形、围岩压力和支护受力具有明显的不对称性。(2)根据大断面黄土隧道开挖方法的分析研究,有针对性的提出了三台阶七部法、CD法、CRD法在徐家川隧道IV级围岩段适用,并通过有限元数值模拟手段对三种工法下围岩稳定性、支护结构受力安全性、开挖进度等对比优选,表明三台阶七部工法在安全施工上、进度上都能满足施工要求。(3)通过模拟计算对三台阶七部工法进行不同台阶长度、不同开挖进尺的优化分析。最终通过比选得出最优变形控制措施,宜采用3m台阶长度、0.6m开挖进尺。短进尺和短台阶能减少围岩裸露时间、更快实现封闭成环。(4)通过管棚预支护模型理论分析,介绍了Pasternak计算模型下管棚的弯矩、挠度、转角公式,并通过对徐家川隧道V级围岩段管棚预支护进行分离式数值模拟,研究管棚的作用机理和管棚预支护作用下在隧道开挖过程中对围岩、支护结构和地表沉降的影响,得到管棚在开挖面附近变形较大,弯矩在开挖面附近有正有负。在已开挖未支护段管棚主要承担围岩压力,在开挖已支护段管棚与支护一起承担围岩压力,未开挖段与围岩承担围岩压力,能把所受的力传递掌子面后面围岩。(5)通过模拟分析,对60°、90°和120°支护范围下管棚预支护的支护效果进行了对比分析,分析表明120°下管棚支护角度为最佳。


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