隧道初期支護與軟弱圍巖作用機理及應用.pdf

1、我國隧道建設有了突飛猛進的發(fā)展，然而，隧道建設規(guī)模與隧道設計理論之間的矛盾日益突出，隧道設計中的錨桿對圍巖的作用效果如何，格柵鋼架和型鋼噴射混凝土鋼架的受力特性及其對圍巖的適用性，噴射混凝土硬化特性對圍巖變形及其對初期支護本身受力的影響等一系列問題也未進行深入研究。本文在查閱相關文獻資料的基礎上，采用室內試驗、數(shù)值模擬、模型試驗和現(xiàn)場試驗對格柵鋼架和型鋼鋼架的破壞力學特征、極限承載力、對圍巖變形的控制能力和適用性進行了研究；基于噴射混凝

2、土早期強度室內試驗，分析考慮噴射混凝土硬化特性的初期支護與圍巖相互作用和耦合作用分析。主要研究工作和成果如下：
　　(1)提出了地下洞室外域到單位圓外域映射函數(shù)的逐次漸進法求法。并利用復變函數(shù)的保角變換，推導了任意斷面無支護隧道在自重應力下的應力和位移解析解；
　　(2)通過室內試驗和有限元模擬分析了格柵鋼架和型鋼鋼架的受力特性、破壞特征和極限承載力，然后通過室內模型試驗進一步分析了格柵鋼架和型鋼鋼架的受力特征，對圍巖變形的

3、控制效果。最后通過現(xiàn)場實測驗證，對格柵和型鋼鋼架的適用性給出了一些建議。型鋼鋼架的剛度大于格柵鋼架的剛度，型鋼安設后能夠立即承載，并且型鋼混凝土支護抵御圍巖變形的能力強于格柵混凝土支護，能夠提供更大的支護抗力。對于軟巖隧道尤其大變形圍巖，應優(yōu)先考慮使用型鋼混凝土支護；格柵和噴射混凝土粘結性好，能更好的協(xié)同噴射混凝土變形，屬于柔性支護結構。相對型鋼拱架，格柵拱架受力比較均勻，剛度適中，適合較為破碎的巖層；
　　(3)基于噴射混凝土早

4、期強度室內試驗，通過有限元二次開發(fā)，分析了噴射混凝土硬化對圍巖變形力學特性的影響。噴射混凝土硬化特性在巖體較完整、質量較好的隧道工程中，噴射混凝土的硬化特性有助于發(fā)揮圍巖的自撐能力，在設計中，可以減小支護的剛度，節(jié)約生產(chǎn)成本。然而，在某些巖體較差或大變形的隧道工程中，噴射混凝土的這一特性對控制圍巖的變形不利，在這種情況下，應該采用早強混凝土，以提高初期支護的早期剛度，提供更大的支護抗力；
　　(4)基于噴射混凝土早期強度隨時間變化

5、規(guī)律，給出了考慮噴射混凝土硬化特性的初期支護特征曲線的計算方法，并基于收斂約束原理，給出了考慮噴射混凝土硬化的軟巖隧道支護時機的確定方法和初期支護安全性能評價方法；
　　(5)基于考慮噴射混凝土硬化特性的初期支護安全性能評價方法，分析了施工期隧道初期支護安全系數(shù)的變化規(guī)律。初期支護的安全性是動態(tài)變化的，初期支護安全系數(shù)先減小后增大最后趨于穩(wěn)定。
　　(6)通過室內模型試驗分析了毛洞和采用素混凝土、格柵鋼架和型鋼鋼支護的圍巖變