浅覆软弱围岩隧道超前预支护作用机理及工程应用研究

发布时间：2020-02-16 10:37

【摘要】：摘要：浅覆软弱围岩隧道施工过程中,需采取有效的超前预支护才能保证围岩稳定、满足围岩和地表的变形控制要求。在软弱围岩变形特征及控制技术总结基础上,依托多个浅覆软弱围岩隧道工程,采用现场测试、数值计算、解析求解等手段,重点对长管棚、水平旋喷预支护作用机理进行探讨。论文主要研究内容及成果如下： (1)将隧道围岩变形从空间上分为超前沉降、掌子面挤出变形及掌子面后方变形,总结出浅覆软弱围岩隧道变形存在超前沉降范围大、在总沉降量中所占比例大、掌子面挤出变形大的特征,提出浅覆软弱隧道围岩预支护(加固)方法的选择规律及范围的确定方法。 (2)依托石头岗浅覆软弱围岩隧道,在长管棚现场测试分析基础上,建立精细化的数值模型对长管棚作用机理进行研究,提出管棚预支护结构受力的纵向分区,按其与掌子面相对位置分为前方受拉区、后方受压区及靠近洞口受拉区。总结各区应力及范围分布随掌子面掘进的变化规律表明,各区应力随隧道掘进而增长,且表现为先快后慢趋势,各区长度除掌子面前方受拉区基本稳定外,其余两区长度随掌子面掘进而增长,可供预支护设计参考 (3)针对既有弹性地基梁的不足,提出考虑初支综合延滞效应、掌子面前方岩土体变基床系数、围岩应力释放时空效应等因素的改进模型,根据有限差分原理,以石头岗隧道为例对改进的Winkler弹性地基梁模型进行求解,现场测试结果验证了该方法的有效性。 (4)依托富水软弱地层隧道工程,在对围岩加固前后现场取样,进行物理力学参数实验基础上,建立考虑流固祸合的三维数值模型,对水平旋喷预支护作用机理及效果进行研究提出,水平旋喷桩在纵向上起支护梁作用,横向上为受压拱效应,可有效改善围岩条件及隧道受力。 (5)受材料特性、工艺所限,水平旋喷预支护存在抗拉(剪)强度低、完整性较差等缺陷,为此提出水平旋喷与管棚组合的预支护方式,并用数值手段论证,该方式可减小桩体的塑性区范围、拉应力,改善旋喷桩的受力,形成能充分发挥各自力学优点的组合结构,并成功应用于江门隧道下穿泄洪道工程。 (6)掌子面加固可提高掌子面稳定性的同时,改善水平旋喷的受力,是水平旋喷桩缺陷克服的另一有效措施,对水平旋喷预支护及掌子面加固进行参数研究表明,水平旋喷预支护桩径、刚度及掌子面加固的面积比超过一定值后,加固效果增长有限,应根据具体工程选择最佳值。 (7)对管棚与水平旋喷的设计与施工进行了探讨,设计中需根据具体工程条件及控制要求,本着安全、经济、高效的原则,选择预支护(加固)手段及参数,特殊工程需考虑局部加强或多手段结合,针对管棚、水平旋喷的施工问题应加强参数控制与施工管理。本文有图96幅,表36个,参考文献160篇。
【图文】：

路线图,研究技术,路线图

算手段对长管棚预支护作用机理进一步研究。其中数值分析中管棚采用实体元模拟，其与围岩之间因刚度差异而导致的变形不协调问题通过接触面加以虑，可望更加真实的反映管棚作用机理。(3)在长管棚作用机理的现场测试与数值分析基础上，采用弹性地基梁模^u展进一步研究。针对目前既有弹性地基梁模型相对不足，提出考虑掌子面动后的支护力的减弱，掌子面后方支护延滞效应，管棚外荷载的时空效应等素影响的改进模型，并通过依托工程的简化求解与现场测试、数值计算结果行比较，对改进模型的有效性进行验证。(4)以江门富水软弱围岩隧道水平旋喷预支护为依托，在对加固前后围岩行现场取样及相关物理力学参数实验基础上，建立考虑流固z1合的三维数值型，对水平旋喷预支护效果、作用机理及力学行为进行研究。针对旋喷受拉能差的缺陷，对水平旋喷与管棚组合、掌子面加固、支护紧跟等应对措施的用机理及效果展开研究，并应用于具体工程中。1.4.2技术路线结合拟研究的内容，，制定如下所示研究路线图。

示意图,二维模型,掌子面,沉降

以柂道掌子面为界可将隧道围岩变形在空间上分为三部分：掌子面前方的超前变形、掌子面的挤出变形、掌子面后方变形，如图2-1所示，且三部分变形同时发生。当遇到周边环境对变形要求较高的软弱围岩隧道工程时，控制这些变形显得尤为重要，为实现变形控制的科学与高效性，有必要对上述三部分变形的形成机制及发展规律进行研究。掌子面挤出变形超前沉降‘ ▲ ▲ ‘ . 一H H t掌子面后方变形-< 图2-1暖道开挖地层变形二维模型图当柂道埋深较浅时，围岩变形将扩展至地表，图2-2给出了浅埋暗挖柂道地层变形的示意图。掌子面前方围岩的变形：掌子面前方围岩的变形从方向上可分为水平变形与沉降，水平变形可以称之为挤出变形，可通过掌子面的变形量来衡量，此处暂不做讨论；沉降可称之为超前沉降，超前沉降的衡量标准主要有两个，一个是超前沉降的范围，一个是超前沉降量的大小，一般来讲超前沉降的范围随着掌子面的掘进而不断向前推进
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U455.49

【参考文献】