详情

原文传递浅覆软弱围岩隧道超前预支护作用机理及工程应用研究

论文题名：	浅覆软弱围岩隧道超前预支护作用机理及工程应用研究
关键词：	软弱围岩;浅覆隧道;超前预支护;长管棚;水平旋喷;数值分析
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，建立考虑流固耦合的三维数值模型，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。
作者：	石钰锋
专业：	土木工程
导师：	阳军生
授予学位：	博士
授予学位单位：	中南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文