大跨隧道约束混凝土拱架初期支护围岩控制机制研究

发布时间：2017-10-28 18:05

  本文关键词：大跨隧道约束混凝土拱架初期支护围岩控制机制研究

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【摘要】：随着我国经济发展的需要,交通隧道等基础设施建设成为引领经济发展的又一个重要引擎,我国隧道建设迎来了前所未有的大发展时期。随着隧道建设规模的迅速发展,越来越多隧道需要建设在高地应力、断层破碎区等复杂地质条件,同时双向八车道等大跨隧道也越来越多,而目前尚无双向八车道等大跨隧道设计及施工规范,复杂条件大跨隧道施工安全问题亟需解决。约束混凝土技术在地上结构中应用广泛,而且在复杂条件矿山巷道中有了成功应用经验,因此本文围绕复杂条件大跨隧道约束混凝土围岩控制机制,利用模型试验、室内试验、数值试验相结合方法进行了以下研究。(1)大跨隧道双侧壁导洞法施工过程高强支护模型试验研究基于港沟隧道现场工程背景,进行了双侧壁导洞法施工过程高强支护模型试验研究,分析了无支护和高强支护两种条件下,围岩位移、应力演化规律,支护构件受力特性,揭示了大跨隧道施工过程中围岩变形破坏机制与高强控制机制。无支护条件下围岩整体位移远大于高强支护,左、右拱顶近点位移分别高出69%、75%,远点位移分别高出77.8%、88.6%,小净距分别高出47.1%、52.4%,说明高强支护对岩体变形具有良好的控制效果；埋深300m～800m时,高强支护隧道拱顶位移比无支护条件分别降低了78.1%、78.9%、70.8%、71.2%、72.3%、74.1%,说明在一定埋深范围内,高强支护能够有效控制围岩变形。(2)约束混凝土拱架力学性能大比尺室内试验研究通过改造自主研发的地下工程约束混凝土拱架大型力学试验系统,对现场实际尺寸约束混凝土拱架进行了大比尺室内力学性能试验。结合数值试验对拱架变形破坏形态、极限承载能力、应力应变分布特征、内力分布及变化规律进行了研究。在均布荷载作用下拱架整体变扁平,位移和应变最大部位出现在拱顶和两帮位置；室内试验屈服承载力和极限承载力分别为1980.7kN和2370.6kN,数值试验中拱架屈服承载力为1890.9kN,极限承载能力为2196.6kN,二者具有很好的一致性;拱架受压弯作用破坏,弯矩作用更加显著。(3)约束混凝土拱架初期支护承载特性研究针对现场实际尺寸约束混凝土拱架、H型钢拱架进行数值对比试验,研究了拱架变形破坏形态、极限承载能力、应力应变分布特征、内力分布及变化规律。同时分析了拱架截面钢管边长、壁厚、混凝土强度、荷载作用模式对拱架力学性能影响规律,明确了约束混凝土拱架初期承载特性。均布荷载作用下,SQCC180×10拱架相比于H200x200、H200x200-C拱架承载能力提高了81.4%和58.4%,在垂直压力／水平压力=1.5”的荷载模式作用下,承载能力提高了128%和72.3%,方钢约束混凝土拱架相比较于相同含钢量的型钢拱架以及考虑混凝土喷层情况的型钢拱架,承载能力都有明显提高。同时,分别研究了钢管壁厚、边长、核心混凝土强度、垂压比等参数对拱架力学性能的影响规律,拟合得到各因素自变量与承载力变量方程。(4)大跨隧道约束混凝土拱架高强控制机制研究开展双侧壁导洞法开挖大跨隧道不同支护方式数值对比试验,对比分析了无支护、锚喷支护、H型钢拱架+锚喷支护、方钢约束混凝土拱架+锚喷支护支护四种支护方式下隧道围岩变形、塑性区发展规律,明确了大跨隧道软弱围岩约束混凝土高强控制机制。在围岩极破碎条件下,约束混凝土拱架相比于H型钢拱架控制效果最为明显,尤其在开挖第五部分时,拱顶位移量仅为H型钢支护的29.5%。在复杂条件大跨隧道中,约束混凝土拱架支护相比H型钢围岩控制效果较大程度提高,尤其在软弱破碎围岩条件下,支护优势更加明显。
【关键词】：大跨隧道 约束混凝土拱架 双侧壁导洞法 地质力学模型试验 大比尺拱架试验 拱架力学性能 围岩控制机制
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.7
【目录】：

• 摘要12-14
• Abstract14-17
• 第1章 绪论17-27
• 1.1 研究背景及意义17-18
• 1.2 国内外研究现状18-23
• 1.2.1 隧道支护技术18-20
• 1.2.2 约束混凝土支护20-23
• 1.3 主要研究内容与技术路线23-25
• 1.3.1 主要研究内容23-24
• 1.3.2 技术路线24-25
• 1.4 主要创新点25-27
• 第2章 大跨隧道双侧壁导洞法施工过程高强支护模型试验研究27-59
• 2.1 依托工程概况27-28
• 2.2 岩石基本力学参数测试28-29
• 2.3 模型试验相似理论29
• 2.4 模型试验概况29-36
• 2.4.1 研究内容29
• 2.4.2 整体试验设计29-30
• 2.4.3 模型相似材料研制30-34
• 2.4.4 试验装置34-35
• 2.4.5 监测系统35-36
• 2.5 模型试验方案及实施36-44
• 2.5.1 模型体制作流程36-37
• 2.5.2 模型监测方案及元件布设37-40
• 2.5.3 模型开挖和监测40-44
• 2.6 围岩位移演化规律44-47
• 2.6.1 模型拱顶最终位移44-45
• 2.6.2 模型拱顶位移演化规律45-47
• 2.7 围岩应力演化规律47-52
• 2.7.1 模型拱顶围岩应力演化规律47-48
• 2.7.2 模型边墙围岩应力演化规律48-49
• 2.7.3 掌子面过监测断面前后围岩应力变化特征49-50
• 2.7.4 高强支护条件下洞周应力释放率50-52
• 2.8 支护构件受力分布特征52-54
• 2.9 模型超载破坏分析54-56
• 2.10 本章小结56-59
• 第3章 约束混凝土拱架力学性能大比尺室内试验研究59-79
• 3.1 试验目的与整体研究思路59
• 3.2 隧道约束混凝土拱架大型试验系统59-64
• 3.2.1 现状分析59-60
• 3.2.2 系统概况60-62
• 3.2.3 试验方法与步骤62-64
• 3.3 拱架承载特性室内试验研究64-76
• 3.3.1 室内试验方案64-67
• 3.3.2 数值试验方案67-70
• 3.3.3 拱架变形破坏分析70-72
• 3.3.4 拱架承载能力分析72-73
• 3.3.5 拱架应力、应变数据分析73-75
• 3.3.6 拱架内力分析75-76
• 3.4 本章小结76-79
• 第4章 约束混凝土拱架初期支护承载特性研究79-105
• 4.1 试验目的与整体研究思路79
• 4.2 试验概况79-80
• 4.2.1 拱架尺寸79-80
• 4.2.2 材料参数80
• 4.3 拱架截面极限压弯承载能力计算80-82
• 4.3.1 H200×200型钢轴压承载能力和极限抗弯计算80-81
• 4.3.2 SQCC180×10轴压承载能力和极限抗弯计算81-82
• 4.4 拱架全比尺数值对比试验82-103
• 4.4.1 试验方案82-83
• 4.4.2 H200×200拱架试验83-87
• 4.4.3 H200×200-C拱架试验87-91
• 4.4.4 SQCC180×10拱架试验91-95
• 4.4.5 试验结果对比分析95-96
• 4.4.6 SQCC拱架影响因素及其影响规律分析96-103
• 4.5 本章小结103-105
• 第5章 大跨隧道约束混凝土拱架高强控制机制研究105-137
• 5.1 试验目的与整体研究思路105
• 5.2 数值试验概况105-109
• 5.2.1 模型建立及参数选取105-107
• 5.2.2 数值方案基本变量107-108
• 5.2.3 数值试验方案设计108-109
• 5.3 各支护方式试验结果分析109-129
• 5.3.1 无支护方式109-113
• 5.3.2 锚杆+喷层支护方式113-118
• 5.3.3 H型钢拱架+锚杆+喷层支护方式118-124
• 5.3.4 方钢约束混凝土拱架+锚杆+喷层支护方式124-129
• 5.4 试验结果综合分析129-134
• 5.4.1 不同支护方式隧道围岩位移控制效果对比分析129-130
• 5.4.2 不同支护方式围岩塑性区结果对比分析130-132
• 5.4.3 方钢约束混凝土施工过程围岩控制机制132-134
• 5.5 本章小结134-137
• 第6章 结论与展望137-141
• 6.1 主要结论137-138
• 6.2 展望138-141
• 参考文献141-145
• 在读期间参于的科研项目145
• 在读期间发表的论文145-146
• 在读期间申请的专利146
• 在读期间获得的奖励146-147
• 致谢147-149
• 学位论文评阅及答辩情况表149

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本文编号：1109324