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原文传递山岭隧道围岩与支护结构耦合作用机理研究

论文题名：	山岭隧道围岩与支护结构耦合作用机理研究
关键词：	山岭隧道;耦合机制;支护结构;承载能力;隧道围岩;数值模拟
摘要：	在我国东部丘陵地区以及中西部的多山地区修建高速公路或铁路时，考虑对线路和坡度的特殊要求，多采用隧道穿越山岭。近几年公路隧道的建设规模也越来越大，对于隧道的要求也是越来越高。由山岭隧道围岩与支护结构耦合作用可知，为实现耦合初期支护应允许围岩产生适当的变形，最大限度地释放围岩变形能，充分发挥围岩的自身承载能力，保护围岩的力学强度，使支护造价小并使围岩稳定。　　本论文在前人研究基础上，针对如何实现耦合建立了一个耦合分析系统，从围岩和支护结构变形和受力的角度定性分析，并以定量的形式确定围岩与支护的耦合效果，为研究围岩与支护的相互作用以及支护结构的优化设计提供帮助。论文主要研究成果如下：　　（1）对山岭隧道围岩稳定性以及各支护构件包括喷射混凝土、锚杆、钢拱架以及二次衬砌混凝土的支护作用机制进行研究。为了定量分析各方案的耦合效果以及对围岩的控制效果，建立一整套的围岩与支护耦合的性能评价指标，提出了隧道表征变形量、支护构件整体性能利用率、支护构件耦合效率三个指标，并利用层次分析法确定了各分项变形量对应的权重值和各组合构件对应的权重值。　　（2）基于ANSYS数值模拟分析了不同围岩等级下围岩与支护结构的受力和变形规律，对限制围岩变形的效果、支护构件的性能利用以及围岩与支护的耦合率等进行研究，确定　　了IV级围岩与支护耦合效果最好。在此基础上分别对支护结构参数包括喷射混凝土厚度、锚杆的长度和间排距、钢拱架的间排距以及二次衬砌混凝土的厚度等进行设计和优化，通过连续优化的方式确定了在 IV级围岩条件下，当喷射混凝土厚度 h=25cm，锚杆长度L=4.0m，间排距为0.75m×0.75m，钢拱架间排距D=60cm时，围岩与支护的耦合效果最好，此时围岩的变形最小，受力最均匀。　　（3）提出接触面的单元模型以及计算方法，并在围岩与初衬耦合的基础上，基于ANSYS数值模拟分析了不同二次衬砌混凝土厚度条件下初衬与二衬的受力和变形规律并进行了耦合分析，确定了二衬混凝土厚度为45cm时，初衬与二衬的耦合效果最好。　　（4）在山岭隧道围岩与初衬间、初衬与二衬间建立接触面，模拟隧道开挖后围岩与初衬、二衬间的相互作用，基于围岩与初衬的耦合以及初衬与二衬的耦合时最优支护参数，分析了最优支护参数在围岩与初衬、二衬相互作用的整体耦合效果。　　（5）以阳灵隧道为案例，选取不同级别围岩的掌子面，通过对拱顶下沉与周边收敛的监测以及各支护结构的内力监测包括锚杆轴力，围岩压力，钢拱架轴力和弯矩，衬砌间接触压力等，得出围岩与衬砌的受力和变形规律，并在此基础上进行耦合分析。
作者：	张光省
专业：	岩土工程
导师：	韩立军;孟庆彬
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国矿业大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文