超欠挖状态下隧道支护结构力学特性研究及围岩稳定性分析

发布时间：2020-08-10 15:46

【摘要】：众多的隧道工程实践证明,在开挖过程中常有超欠挖产生,尤其是在采用钻爆法开挖的隧道中此类现象最为严重。超欠挖会改变围岩应力状态,造成应力集中,改变塑性区分布。并且超欠挖会导致围岩轮廓界线变得极不规则,使得喷射混凝土层厚度不均匀,致使支护结构的几何形态发生变异,进而甚至会影响支护结构的承载能力。本文依托闽浙交界某公路隧道,充分考虑超欠挖状态下围岩表面的不平整性,从理论分析与数值模拟两方面开展研究,分析超欠挖状态下支护结构的力学特性和超挖对围岩稳定性的影响。主要研究内容及结论如下:(1)总结了四种测量隧道轮廓界线和超欠挖数据的方法,并基于激光断面仪测量得到的超欠挖数据,使用小波分析方法研究了超欠挖断面轮廓界线的分形特征。研究表明超欠挖断面轮廓界线具有很强的分形特征和自相似性;并且随着围岩级别变大,超欠挖断面轮廓界线的分形维数也逐渐增大。(2)超欠挖会导致围岩表面不规则,简化这些不平整形状,从而提炼出基本超欠挖形状,依据喷射混凝土的覆盖厚度将超欠挖后的围岩表面轮廓分为三类:未完全填充、底部填充和完全填充;利用弹性厚壁圆筒理论,研究了三类围岩表面轮廓下支护结构的力学特性,并基于并联体系稳定性原则推导了锚喷支护和“钢格栅+喷射混凝土”联合支护的刚度和最大支护力等力学参数。(3)基于收敛约束法开展了超欠挖状态下围岩与支护结构的相互作用研究,结果表明锚杆的刚度与最大支护压力对组合支护系统的刚度和最大支护压力的影响相对较小,初期支护的刚度和最大支护压力主要取决于喷射混凝土的支护刚度和最大支护压力值;考虑隧道超欠挖的工况下支护系统达到平衡时的支护抗力和最大支护压力均比不考虑超欠挖的工况小,说明超欠挖会降低支护结构的承载能力。(4)采用FLAC3D数值分析软件,分析超挖深度、范围和分布位置等不同因素对围岩稳定的影响。结果表明,Ⅳ级围岩条件下,在同一超挖分布部位,随着超挖深度的增加和范围的扩大,超挖对围岩稳定性的影响也逐渐增大;超挖特征值影响系数均小于1.1,表明小范围、浅深度的超挖对围岩稳定的影响程度有限;同等程度的超挖,围岩级别越高,对围岩稳定的影响越大;Ⅲ、Ⅳ级围岩条件下,同等程度的超挖发生在拱顶时最为严重,而V级围岩条件下,同等程度的超挖发生在拱肩时最为严重。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U451
【图文】：

逦在建逦规划逡逑图１－２截止２０１６年底我国铁路隧道相关统计数据逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ邋ｄａｔａ邋ｏｆ邋ｒａｉｌｗａｙ邋ｔｕｎｎｅｌｓ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ邋ｂｙ邋ｔｈｅ邋ｅｎｄ邋ｏｆ邋２０１６逡逑随着隧道等地下工程的大量修建，由于隧道支护失效等原因造成的安全事故逡逑时常见诸报端。例如２０１２年１０月１０日，广西德保百靖高速公路１０标段多贤隧逡逑道发生塌方，事故造成６人死亡；２０１４年５月２１日，贵州惠罗高速公路边阳隧逡逑道发生塌方，造成１人死亡、４人受伤；２０１６年９月１３日，贵州毕节在建的织逡逑普高速隧道发生坍塌事故，７人遇难。部分事故现场如图１－３所示。有学者表示，逡逑在已经施做初期支护的隧道里程段发生塌方事故，其危险往往超过掌子面塌方［５］。逡逑Ｍｍ邋｜逡逑图１－３隧道事故现场逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｕｎｎｅｌ邋ａｃｃｉｄｅｎｔ邋ｓｃｅｎｅｓ逡逑不考虑人为因素和施工质量等原因，隧道支护结构失效乃至垮塌一定程度上逡逑是隧道的超欠挖引起支护结构形态变异造成的。隧道的超欠挖现象广泛存在于各逡逑种类型的隧道中

山东大学硕士学位论文逡逑３）依托闽浙交界的某高速公路隧道，基于收敛约束法，开展超欠挖状态下逡逑锚喷支护和“喷射混凝土＋钢格栅”联合支护等不同支护结构与围岩的相互作用逡逑研宄；在不同支护条件下，分析超欠挖工况和标准工况两种工况对围岩稳定的影逡逑响，并对不同支护组分的承载能力开展研宄。逡逑４）基于有限差分数值分析软件ＦＬＡＣ３Ｄ，建立数值分析模型，选择超欠挖逡逑规模和分布位置等影响参数，确定模拟工况，模拟不同工况条件下超挖对围岩稳逡逑定的影响；改变围岩级别和超挖分布位置，研宄各级别围岩下超挖的最不利分布逡逑位置。逡逑１．５研究思路及技术路线逡逑本文的研宄思路及研宄技术路线图如下所示：逡逑

，规模和分布位置等影响参数，确定模拟工况，模拟不同工况条件下超挖对围岩稳逡逑定的影响；改变围岩级别和超挖分布位置，研宄各级别围岩下超挖的最不利分布逡逑位置。逡逑１．５研究思路及技术路线逡逑本文的研宄思路及研宄技术路线图如下所示：逡逑｜邋；邋sEＳＳＥ逦Ｓ炼力学模型逦力栜性邋ｊ邋｜逡逑ｒ－ｐ邋逦邋ｉ邋Ｌ－逦逦逦Ｔ－……邋逦—１Ｓ逦—邋Ｉ逡逑Ｓ逦Ｉ逦奴值榷拟邋ｊ逡逑Ｉ逦，：逡逑图１－４研宄思路逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｉｄｅａｓ逡逑超欠挖状态下ＳＳ道支护结构力学特性研究及围岩稳定性分析逡逑

【参考文献】

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本文编号：2788297