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原文传递隧道装配式拱架支护体系失效机理与优化设计研究

论文题名：	隧道装配式拱架支护体系失效机理与优化设计研究
关键词：	隧道工程;装配式拱架支护体系;失效机理;围岩挤压
摘要：	随着世界资源的持续开发及基础设施建设规模的快速增大，越来越多的交通隧道、煤矿巷道、水利隧洞修建在复杂条件地下空间中，围岩具有挤压性、流变性等复杂特点，与支护结构之间存在长期的动态相互作用。若设计不合理，可能导致严重的支护破坏、失效等工程问题，造成软岩大变形、岩体破碎、塌方等工程灾害。工人在上述危险的工程环境中作业，施工效率低，安全成本高。　　装配式施工技术是提高隧道施工质量与安全性的有效途径之一，我国十四五规划中对工程建设装配式也提出了更高的要求。隧道装配式支护技术通过机械化方式进行拱架装配，避免了工人暴露在危险环境中作业，取得了很好的现场应用效果。但是，隧道支护设计发展至今，尽管众多学者开展了大量的研究，工程实践中仍普遍采用以经验为主的工程类比法，缺乏科学化的定量设计。随着装配式拱架支护体系等新技术应用于隧道建设，如何合理的考虑围岩变形压力，如何预测支护结构在围岩挤压作用下的破坏形态，如何选取不同支护形式进行多尺度的支护设计，成为复杂条件隧道装配式拱架支护体系研究中的重要课题。明确隧道装配式支护体系的安全控制机制与设计原则，对隧道高效施工及安全运营具有重要意义。　　本文以复杂条件围岩中隧道修建与支护设计为背景，综合考虑高应力、软弱破碎围岩、超大断面等因素，以装配式拱架支护体系为研究对象，针对拱架整体失稳破坏、局部构件失效、衬砌滑移破坏等工程实际问题，结合室内试验、力学解析、数值模拟和现场试验等方法，对隧道围岩-支护相互作用机制进行了一系列研究，主要完成以下研究工作: 　　(1)基于隧道围岩-支护相互作用模型，考虑拱架失稳破坏、衬砌滑移开裂、围岩长期流变、岩体锚固注浆等因素的影响，推导出考虑支护分步施工和渐进失效条件的非圆形隧道围岩变形、应力解析解，明确隧道施工过程中围岩安全控制机制与装配式支护体系设计原则。　　(2)拱架作为开挖初期的承载主体，易发生失稳破坏。因此，基于全比尺拱架室内力学试验，明确了不同截面形式、不同组合状态、不同空间约束条件下拱架承载机制和变形破坏机理，推导出拱架失稳临界荷载解答，提出了考虑拱架整体失稳的支护特征曲线力学模型。　　(3)开展了无节点构件、套管节点构件、法兰节点构件、装配式节点构件纯弯、偏压力学对比试验，明确了不同节点形式、不同构造参数、不同荷载模式下拱架局部构件破坏机理与传力机制。引入组件法思想，构建了套管节点、法兰节点、装配式节点力学分析模型，得到了拱架局部构件强度校核成套计算方法。　　(4)针对喷射混凝土与装配式拱架组成的组合支护结构开裂、滑移等破坏现象，基于钢-混组合支护结构全比尺力学试验，明确了界面粘结滑移的发生机制和发展机理，得到了考虑粘结滑移破坏的组合支护结构强度、刚度和极限变形能力修正计算方法，对比研究了不同拱架布设方案、不同构件构造参数、不同喷射混凝土强度的组合支护结构力学特性，构建了组合支护结构特征曲线模型。　　(5)以超大断面交通隧道-乐疃隧道为工程背景，系统开展了岩石单轴压缩、三轴流变和锚注加固力学试验，对关键力学参数进行了反演。基于前文研究成果，构建了各关键阶段隧道支护设计功能函数，基于可靠度设计思想，采用支持向量机拟合和Monte Carlo计算方法，对依托工程原设计方案进行了优化，结合现场监测验证了优化设计方案的变形控制效果。研究结果证明了本文研究内容的科学性和有效性。
作者：	鹿伟
专业：	工程力学
导师：	聂建国;李术才
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2021