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浅埋软弱围岩隧道管棚预支护机理及支护效果研究
| 论文题名： | 浅埋软弱围岩隧道管棚预支护机理及支护效果研究 |
| 关键词： | 隧道工程;管棚;弹性地基梁;地表沉降 |
| 摘要： | 采用管棚预先对浅埋软弱围岩隧道进行支护时，对管棚受力变形和预支护效果的精确预测是保证管棚结构设计合理性的重要依据。然而相比于其广泛的应用，管棚预支护技术的理论研究成果还远远无法达到定量指导管棚设计与施工的水平。为了对浅埋软弱围岩隧道中管棚预支护结构的受力变形以及预支护效果进行定量化描述，基于既有的研究成果，采用理论推导的方式对管棚进行解析研究，主要内容如下： (1)在既有的管棚弹性地基梁分析模型基础上，考虑掌子面失稳段对管棚约束的弱化，建立基于Pasternak弹性地基梁理论的管棚分析模型来预测预支护段开挖时管棚的受力和变形。利用Euler-Bernoulli梁的控制方程以及Pasternak弹性地基约束反力分布方程，推导出单循环进尺下管棚受力和变形的解析表达式，并通过考虑隧道施工动态过程，提出计算管棚全长范围力学响应的方法。 (2)分析了管径、环向间距、开挖进尺长度和搭接长度四个主要技术参数对管棚力学响应的影响，结果表明：管径越粗，管棚挠曲变形越小，但管径的增大对管棚挠曲变形的影响将越来越小；管棚环向间距与管棚的受力和变形呈线性增长关系；开挖进尺长度越长，管棚的变形增长速度越快，说明开挖进尺长度是影响管棚支护刚度的关键技术指标；当搭接长度大于2.5m时将不影响管棚的整体支护刚度。 (3)基于对管棚预支护效应的分析，考虑管棚结构的施作时机以及管棚钢管与围岩的相互作用机理，建立了作用于弧形布置的管棚上的围岩压力计算模型。通过与实测结果的对比分析，证明了围岩压力计算模型和管棚受力变形计算模型的合理性。 (4)基于预支护边界上管棚钢管与围岩的变形协调条件和Peck公式，建立了以地层损失率、沉降槽宽度和地表最大沉降为指标的管棚预支护效果理论分析方法，从而实现了对管棚预支护效果的量化评价。研究表明，管径越粗、环向间距越小、开挖进尺长度越短时管棚控制地层变形的效果越好，但当采用的管径已经较大时，通过增加管径来提升管棚控制地层变形的能力的效果将不再明显。 (5)通过建立三维有限元模型来对比论证管棚理论分析模型的合理性。计算结果表明，围岩应力释放具有空间效应，使得管棚在承受弯矩和剪力的同时也承受较大的轴力作用，管棚内力和变形的分布形式与解析结果基本一致，验证了管棚理论分析模型的合理性。 |
| 作者： | 王文 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 李德武 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 兰州交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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