详情

原文传递深埋软岩隧道钢管混凝土复合支护结构承载机理

论文题名：	深埋软岩隧道钢管混凝土复合支护结构承载机理
关键词：	深埋软岩隧道;支护结构;承载作用机制;初期支护;室内试验;数值试验;支护结构力学性能;变形控制
摘要：	中国有着特殊的地理地貌，全国有五分之三的山区，尤其是西部和西南部山区，地质条件更加复杂，导致隧道工程领域仍存在许多技术问题，尚未形成统一的理论。在这种背景下，隧道开挖的深度和断面尺寸正朝着深埋和大断面的方向发展。隧道埋深也因地形因素而增加，隧道埋深的增大增加了开挖的初始地应力。因此，隧道施工中将产生高地应力问题。由于埋深增加和围岩软弱导致的支护不足问题十分严重，给地下工程的支护技术、施工技术和长期安全稳定研究带来了严峻的问题。基于这一背景，本文通过室内试验、数值试验和现场试验相结合的方式进行了以下研究工作。　　（1）钢管混凝土支护体系概述与比选　　在充分调查分析隧道支护结构失稳典型工程案例的基础上，总结了隧道支护的破坏形式和特征，分析了工程问题的诱发因素，并根据主要特征和力学机理分析了隧道支护结构的破坏机理。本文提出了钢管混凝土支护体系，介绍了钢管混凝土的概念以及特点;通过与工字钢支护结构的对比分析,钢管混凝土的经济性更优;当喷射混凝土抗拉强度较低时，出现裂纹扩展和界面滑移，工字钢拱没有明显的完全滑移阶段，试件具有一定的后期承载强度。钢管混凝土拱的粘结滑移阶段较为明显，滑移发生速度较快。然而，由于其高强度和后期承载力，支护结构具有良好的延性和变形能力。　　（2）复合支护结构承载力学特性研究　　研究了不同拱架间距及钢纤维掺量对钢管混凝土复合支护结构承载性能的影响。结果表明，分析试件在加载过程中的实验现象以及裂缝发展过程，总结出以下结论;极限荷载与拱架间距呈线性关系，极限荷载随拱架间距的增大而减小，拱架间距的减小提高了结构塑性阶段和屈服阶段的承载力;钢纤维的加入使混凝土开裂后增加了一个上升的趋势;相对于600mm间距拱架试件,800mm和1000mm拱架的极限荷载分别降低了20.54％和32.62％;在喷射混凝土中掺入1.2％钢纤维后，复合支护结构的极限承载力提升了5.7％;数值试验和室内试验承载力差值较小，误差在4.49％以内。　　（3）深埋软岩隧道初期支护承载力学特性研究　　建立以三榀初期支护结构为代表的数值模型，设置不同混凝土喷层强度、拱架组合间距、纵向连接筋直径系列对比工况，并定义了经济指标η=F/C作为参数设计时评估其性价比的参考指标。结果表明，混凝土强度对于复合支护结构具有显著的影响;拱架组合间距对其应力分布形式影响比较明显;纵向连接筋直径对支护结构的承载力提升影响较小;从经济性及施工便利性考虑，建议此类支护方式可采用混凝土喷层强度为C25;拱架间距选取1.0m;连接筋直径为28mm。　　（4）隧道支护体系设计优化与工程建议　　选取了相同的试验段分别设计型钢拱架与方钢管拱架两种支护对比方案，通过ABAQUS模拟隧道开挖过程中隧道变形、初期支护构件应力分布规律等，研究了方钢管混凝土支护方案的效果。可以得到以下结论:两种支护方案下围岩的位移曲线呈现相同的趋势，钢管混凝土的支护方案能够更好的控制围岩的变形;钢管混凝土的支护方案能够更好的约束围岩内部变形。两种支护方案拱架具有足够的强度储备和较高的安全系数。拱架的应力变化规律基本一致，但钢管混凝土支护方案的支护作用效果更好。
作者：	苗鑫
专业：	道路交通运输
导师：	宋曙光;宋杰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2023