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原文传递地下隧洞锚杆衬砌联合支护力学分析的解析方法

论文题名：	地下隧洞锚杆衬砌联合支护力学分析的解析方法
关键词：	地下隧洞;锚杆支护;衬砌支护;力学特性
摘要：	在隧洞支护工程中，锚杆和衬砌因其支护效果好、施工方便且成本较低，在国防工程、水利工程及采矿工程中被广泛应用，被证明是经济可靠的巷道支护方式。但相比广泛的支护技术应用来说，锚杆和衬砌支护的机制研究、设计理论以及计算方法并不完善。特别是锚杆、衬砌两种支护同时存在的理论分析更是少见。通过建立合理的理论模型，对开挖隧洞工程中围岩、锚杆以及衬砌三者之间的力学传递机理进行分析是本文研究的重点。本文将在现有支护理论基础上，针对围岩、锚杆和衬砌的不同组合工况，对锚杆轴力、锚固界面剪应力分布、衬砌和围岩应力分布等方面进行研究工作。　　本文将地下深埋隧洞支护问题简化为无限域中的平面应变问题，考虑围岩、衬砌及锚杆均为弹性材料，且三者之间完全接触。利用复变函数方法中的柯西积分解法和保角映射法，获得了圆孔无限域在域内任意点作用有集中力时应力和位移的精确解析解。利用此解以及带衬砌圆形隧洞的应力和位移的精确解析解，建立了围岩、衬砌及锚杆三者之间相互作用的力学模型，求解得到三者之间的力学传递规律，并分析了各种参数的影响，通过ANSYS数值模拟进行了对比验证。本文获得的研究成果如下: 　　(1)当开挖圆形隧洞并安装端头锚固锚杆进行支护时，端头锚固锚杆对围岩的作用可以简化为一对大小相等，方向相反的集中力，分别作用于孔边和锚固段中点。利用圆孔无限域在域内任意点作用有集中力的应力和位移解析解，基于围岩和端头锚固锚杆之间位移协调条件，可以通过求解相应线性方程组获得锚杆所承受的轴力。结果表明:锚杆与围岩杨氏模量的比值越大，锚杆所承受的轴力越大，这说明围岩越松软，锚杆所承受的轴力就越大;沿着最大地应力方向布置的锚杆轴力最大，沿最小地应力方向布置的锚杆轴力最小。不管侧压力系数多大，对于每根锚杆，都存在一个特定长度，使锚杆的轴力达到最大值。也就是说锚杆的长度过长或过短，锚杆都不能承受更大的轴力。对每根锚杆施加的预紧力越大，围岩完成变形后，锚杆最终所承受的轴力越大，锚杆最终轴力与预紧力呈线性关系。在每根锚杆最终轴力相同的前提下，每根锚杆所需要施加的预紧力是不同的。沿着最大地应力方向布置的锚杆所需的预紧力最小，沿最小地应力方向布置的锚杆所需的预紧力最大。隧洞安设锚杆后，可使围岩的应力分布得到了一定改善，但改善的程度不大。锚杆的存在，增大了围岩径向方向的应力，而减小了切向方向的应力，与没有锚杆相比，增大了最小主应力，减小了最大主应力，使围岩更容易保持稳定。　　(2)当开挖圆形隧洞并安装全长粘结锚杆进行支护时，锚杆对围岩的作用可简化为沿着锚杆长度方向的剪切分布力。与端头锚固锚杆类似地，利用圆孔无限域在域内任意点作用有集中力的应力和位移解析解，并且基于围岩锚杆变形协调条件，建立求解锚杆表面剪应力的积分方程。采用数值方法求解积分方程，可以得到精度很高的剪应力分布。剪应力分布以及轴力分布的结果符合中性点理论。靠近隧洞锚杆端点的位置剪应力值最大，在这个区域锚杆与围岩之间滑移的可能性最大。　　(3)当开挖圆形隧洞并采用端头锚固锚杆和衬砌共同支护时，端头锚固锚杆的安装改变了衬砌的应力分布，降低了衬砌的切向应力（不显著），但在锚杆方向上衬砌内边界的切向应力急剧增加，甚至超过无锚杆时的值，而衬砌外边界的切向应力则呈下降趋势。至于衬砌的径向位移，尤其是在锚杆安装方向，都会减小。随着衬砌弹性模量的增加，锚杆的轴力和衬砌内边界处的位移减小，而衬砌内边界的切向应力增加，这意味着衬砌承受了更多的荷载。
作者：	刘宜杰
专业：	电气工程；可再生能源与清洁能源
导师：	吕爱钟
授予学位：	博士
授予学位单位：	华北电力大学(北京)
学位年度：	2022