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原文传递超大断面隧道软弱围岩约束混凝土控制机理及应用研究

论文题名：	超大断面隧道软弱围岩约束混凝土控制机理及应用研究
关键词：	交通隧道;围岩施工;支护技术;约束混凝土
摘要：	近年来，我国交通隧道建设取得了前所未有的发展，并已成为世界隧道及地下工程建设规模和建设速度第一大国。随着隧道建设规模和速度的迅猛发展，建设过程中所规划的隧道难免要穿过高应力、软弱破碎等复杂条件地层，同时日益增长的交通流量对双向八车道等跨度更大的超大断面隧道需求剧增。一大批具有“大断面、高应力、长洞线、极软弱”等特点的隧道即将在复杂地质条件下修建。设计和施工规范对此类复杂条件超大断面隧道规定不足，围岩施工过程变形破坏机理缺乏明确，传统支护方式不能适应现实需要等问题导致该类隧道的安全及稳定问题突出，超大断面隧道软弱围岩破坏控制机理及支护技术亟待进行深入研究。地下工程约束混凝土高强支护技术在深部复杂条件矿山等工程中得到了应用，围岩控制效果得到了验证。目前针对超大断面隧道软弱围岩约束混凝土控制技术的研究国内外处于起步阶段，在此背景下，本文主要进行了以下的研究工作，并取得了相关有益结论。　　(1)超大断面隧道施工过程变形破坏及控制机制模型试验研究　　基于龙鼎隧道现场工程地质条件，进行了超大断面隧道CRD开挖方法下施工过程地质力学模型对比试验，分析了有无高强支护条件下围岩位移、应力演化规律，支护构件受力特性，揭示了超大断面隧道施工过程中围岩变形破坏机制与围岩控制机制，验证了理论分析和数值计算的正确性，为超大断面隧道高强初期支护设计和施工安全提供了依据。　　①隧道施工过程中，原岩应力不断释放，拱顶竖向应力整体呈现不断减小的趋势;掌子面的开挖扰动范围约为1.1倍洞径左右;相同开挖断面上不同部位的应力变化过程不同步，拱顶一般最早出现应力释放;右洞、左洞开挖完成后高强支护与无支护条件下的拱顶应力释放率分别为87.2％、81.7％和94.7％、94.5％，高强支护对岩体应力释放产生了一定的抑制作用，有利于控制围岩变形。　　②模型内部测点位移呈现类似阶梯状变化，CRD开挖工法下开挖前期出现双点阶梯状突增现象，后期随着监测断面远离掌子面，这一现象基本消失。高强支护比无支护条件下左、右拱顶近点位移分别减少了32.8、34.5％，远点位移分别减少了59.3％、50.0％，小净距分别减少了31.3％、36.8％，高强支护条件下围岩位移整体低于无支护条件，对围岩控制效果明显。　　③拱架整体受压，呈非对称分布状态，开挖扰动范围内，不同部位测点应力增加幅度与规律差异较大。远离扰动范围后，各测点仅是受力增加，整体分布形态基本保持不变;受右洞先期开挖对小净距一侧岩体造成的扰动影响，左洞拱架受力分布非对称特征更加明显，受力主要集中在小净距一侧。　　(2)超大断面隧道软弱围岩高强控制机制对比研究　　系统开展了全断面、CRD、双侧壁导洞三种开挖方法下超大断面隧道软弱围岩控制机制数值试验，对比分析了不同开挖方法在无支护、锚杆支护、H型钢拱架支护、方钢约束混凝土(SQCC)拱架支护、H型钢拱架+锚杆支护、方钢约束混凝土拱架+锚杆支护六种支护方式下隧道围岩变形、塑性区发展、支护构件受力变化规律，研究了超大断面隧道软弱围岩约束混凝土高强控制机制。　　①在不同围岩应力等级和强度等级条件下，对不同开挖方法、不同支护方式的拱顶位移、围岩塑性区控制效果进行了对比分析，建立了拱顶位移控制率及围岩塑性应变控制率定量评价指标。隧道变形最大的全断面开挖方法在围岩强度等级为A9时，锚杆支护、H型钢拱架支护与方钢约束混凝土拱架支护的拱顶位移控制率和塑性应变控制率分别为54.6％、66.8％、81％和40.6％、60.6％、82.4％，高强支护对隧道软弱破碎围岩变形、塑性区范围的控制效果优于普通支护。　　(3)约束混凝土拱架承载特性计算理论研究　　基于任意节数、非等刚度约束混凝土拱架力学计算模型，推导了多心拱架内力计算公式，建立了不同类型构件的强度承载判据，分析了不同因素对拱架内力、强度承载能力的影响规律;依据拱架失稳特征，推导了两铰和固接多心拱架的稳定承载力计算公式，建立了多心拱架稳定性加权模型，分析了不同因素对稳定临界荷载的影响规律。　　①基于五心、六心、圆形等不同形式约束混凝土拱架的计算模型，推导了任意节数、非等刚度拱架的内力计算公式，分析了荷载q、侧压力系数λ、节点刚度比μ、拱架抗弯刚度E及节点定位角α等因素对拱架内力的影响规律。当荷载q和侧压力系数λ线性增大时，内力也随之线性增大，荷载变化只改变拱架内力大小，侧压力系数对拱架内力大小和内力图形态都有影响，荷载和侧压力系数对内力影响较大。　　②基于方钢约束混凝土和型钢构件的承载力计算公式，建立了SQCC150×8、SQCC180×10、I22b和H200×200不同截面形式拱架的极限承载力判据;对比分析了各因素对不同截面形式的五心、六心和圆形拱架强度承载力与破坏位置的影响规律。含钢量相同的情况下，SQCC150×8拱架承载力比I22b拱架高1.4-1.9倍，SQCC180×10拱架比H200×200拱架高1.8-2.4倍，约束混凝土拱架比型钢拱架具有更高的强度承载能力。　　(4)约束混凝土构件性能对比研究　　对工字钢、H型钢、U型钢、劲性混凝土、SQCC五类基本构件进行了轴压、纯弯、偏压力学性能试验，得到了理论分析计算参数，确定了数值试验方法和反演了数值计算参数，明确了各类构件基本力学性能与关键部位补强机制，建立了基本构件压弯强度判别准则。　　①通过含钢量相近的基本构件轴压试验比较，SQCC短柱承载能力比其他三类短柱高32.3％-73.1％，同时在轴压作用下没有出现型钢短柱承载能力下降的现象，反映出方钢约束混凝土较好的强度和后期承载能力。　　②约束混凝土构件灌注口附近位置会产生明显的应力集中现象，灌注口率先压扁进而导致整体侧倾失稳破坏，使其成为关键破坏部位。进行了三种不同方式的补强试验，侧弯钢板补强短柱灌注口及附近位置强度得到大幅提高，短柱应力集中程度明显降低，极限承载力比开口短柱提高45.6％，补强效果最好;通过试验得到了侧弯钢板长度及壁厚对灌注口补强特性的影响规律，明确了构件灌注口补强机制，给出了针对性的工程建议。　　(5)约束混凝土拱架力学性能对比试验研究　　通过对自主研发的地下工程约束混凝土拱架大型力学试验系统改造，分别进行了方钢约束混凝土、圆钢约束混凝土、工字钢、U型钢等不同类型的六心和圆形共10榀拱架大比尺力学试验，结合数值对比试验，对拱架在不同荷载作用模式（均压和偏压）下的变形破坏形态，内力、应力分布特征，关键破坏部位，极限承载能力进行了深入研究，并与理论计算进行了对比分析，验证了理论计算的正确性。　　①极限承载能力　　A.六心拱架:SQCC150×8拱架相比于I22b、I22b-C（I22b劲性混凝土）拱架在均压作用下，极限承载能力分别提高了84.6％和38.2％;在偏压作用下，承载能力分别提高了78.1％和42.8％; SQCC180×10拱架相比于H200×200、H200×200-C(H200×200劲性混凝土)拱架均压作用下极限承载能力提高了105.0％和72.7％，偏压作用下提高了71.5％和61.5％。　　B.圆形拱架:SQCC150×8-C40拱架偏压作用下承载能力比CC拱架（圆钢约束混凝土拱架）、I22b拱架、U36拱架分别提高了4.6％、72.2％、74.9％;均压作用下分别提高了11.1％、409.8％、414.5％。　　方钢约束混凝土拱架与型钢拱架相比，承载能力有了大幅提高，同时其均压作用下的极限承载能力远高于偏压作用。　　②变形破坏模式及关键破坏部位　　A.六心拱架:全均压作用下拱架底拱最先出现破坏，向拱架内部凹陷，拱顶及两帮没有出现强度破坏，拱架整体呈“心”形变化;拱底约束均压和偏压作用下，拱架整体形状变扁平，分别在帮部和拱脚最先出现强度破坏。　　B.圆形拱架:均压作用下，室内试验加载达到8000kN时，SQCC和CC拱架均未造成破坏。偏压作用下，四类拱架均变形为椭圆状，在项部和帮部位置产生强度破坏。　　(6)约束混凝土拱架设计方法及应用　　通过对超大断面隧道软弱围岩变形及控制机理研究，结合约束混凝土构件、拱架力学性能分析，提出约束混凝土拱架设计方法;根据现场地质条件与隧道设计要求，确定外荷载大小及作用模式，基于所建立的约束混凝土拱架理论，对拱架承载能力、截面选型、节点参数等进行计算，提出整体设计方案，同时利用数值计算对方案进行校核。　　针对全国典型极软岩矿区龙矿集团梁家煤矿围岩控制难题，利用所提出的设计方法确定了高强约束混凝土支护方案，开展了现场试验，120天后巷道最大变形量仅为37mm，成功解决了该类地质条件下传统支护的失效破坏现象，取得了良好的围岩控制效果，验证了设计方法的正确性。针对山东省首条单向四车道超大断面隧道-京沪高速济南连接线龙鼎隧道断层破碎区围岩控制难题，设计了SQCC180×10初期支护拱架，承载能力可比H200×200型钢拱架提高86.9％，通过数值计算校核，拱顶沉降仅2.6cm，拱架和锚杆应力远小于屈服强度，设计方案合理可行，符合施工要求。　　通过以上研究，明确了超大断面隧道软弱围岩变形破坏及约束混凝土高强控制机制，掌握了不同断面形状约束混凝土拱架力学特性及承载性能，提出了超大断面软弱围岩隧道约束混凝土拱架计算理论及设计方法，为超大断面隧道约束混凝土围岩控制体系与设计理论提供了指导和参考。
作者：	江贝
专业：	岩土工程
导师：	李术才
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文