隧道支護(hù)體系的承載特性及協(xié)同作用原理.pdf

1、在高自穩(wěn)能力圍巖中，進(jìn)行隧道的開挖與支護(hù)，所能應(yīng)用的手段已十分成熟，其安全風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較小。目前隧道工程的難點(diǎn)主要集中在軟弱破碎圍巖條件下各區(qū)段的施工作業(yè)，這類隧道從開挖到支護(hù)再到運(yùn)營(yíng)的全生命周期內(nèi)，各類支護(hù)手段在客觀上共同形成了一個(gè)有機(jī)的支護(hù)體系，這個(gè)體系的最終形態(tài)在空間上將呈現(xiàn)出圈層分布的特點(diǎn)。從時(shí)間上來看各種支護(hù)手段的配搭與組合又呈現(xiàn)出了不同剛度特性，其中的關(guān)系可謂錯(cuò)綜復(fù)雜。因此有必要從各種支護(hù)手段的支護(hù)特性出發(fā)，對(duì)整個(gè)支護(hù)體系的內(nèi)

2、在相互作用關(guān)系進(jìn)行研究。
　　本文在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，經(jīng)過縝密的思考將“開挖—支護(hù)”過程在時(shí)間順序上劃分成了三個(gè)階段，并在空間上建立了圈層模型，由此將各類支護(hù)手段囊括在內(nèi)，形成了一套完整的隧道支護(hù)體系。在此基礎(chǔ)上采用室內(nèi)試驗(yàn)、理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證等方法，對(duì)超前支護(hù)、錨桿支護(hù)、噴射混凝土拱架、二次襯砌的支護(hù)特性分別進(jìn)行了研究，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同作用原理進(jìn)行了深入的探討，具體的工作內(nèi)容及相關(guān)成果總結(jié)如下;

3、>　　1、建立了相互嵌套的圈層模型。視圍巖、支護(hù)為統(tǒng)一的整體，將整個(gè)隧道劃分為:自穩(wěn)原巖圈、初步加固圈、初期支護(hù)圈、二襯儲(chǔ)備圈四個(gè)有機(jī)的組成部分;給出了模型任意圈層的內(nèi)力、變形關(guān)系表達(dá)式，并明確了隧道支護(hù)體系所包含的內(nèi)容;通過分析隧道圍巖應(yīng)力釋放的時(shí)空效應(yīng)，從任一斷面出發(fā)將圍巖的應(yīng)力釋放分為三個(gè)階段:Ⅰ超前變形階段、Ⅱ急劇變形階段、Ⅲ緩慢變形階段，并在此基礎(chǔ)上劃分了四類施工風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為軟弱破碎圍巖的安全風(fēng)險(xiǎn)控制應(yīng)當(dāng)從Ⅰ階段就開始介入。

4、r>　　2、考察了各種圍巖穩(wěn)定性初步控制方法的效果?？偨Y(jié)了各類超前支護(hù)方法的特點(diǎn)，通過分析發(fā)現(xiàn)“掌子面周邊巖土體”加固方式對(duì)洞室收斂的控制力更強(qiáng)，“掌子面前方核心巖土體”加固方式對(duì)掌子面的鼓出控制效果明顯;給出了深、淺埋隧道系統(tǒng)錨桿分布建議，認(rèn)為淺埋隧道的洞內(nèi)錨桿打設(shè)位置應(yīng)集中在拱頂與兩肩，此外還需配合地表注漿共同加固。深埋隧道的錨桿布置應(yīng)集中在拱腰、邊墻部分，拱頂錨桿的效果不明顯，而鎖腳錨桿對(duì)控制整體沉降貢獻(xiàn)很大。此外，還進(jìn)一步討論了

5、偏壓條件下圍巖應(yīng)變軟化區(qū)的分布特點(diǎn)，結(jié)果顯示錨桿“非對(duì)稱”布置有利于隧道拱頂沉降的控制，“轉(zhuǎn)角度”布置則有利于隧道橫向變形的控制。
　　3、明確了初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力的計(jì)算方法。通過兩鉸拱模型、無鉸拱模型的計(jì)算，分析了各種拱腳加固方式下初支拱架的失穩(wěn)特征，計(jì)算中充分考慮了箍筋、“之”字筋對(duì)拱架支護(hù)剛度與臨界荷載的影響。針對(duì)噴射混凝土拱架提出了帶肋柱殼的模型，運(yùn)用瑞利-里茲法計(jì)算出噴射混凝土與鋼拱架聯(lián)合體的承載特性與臨界荷載;通過模

6、型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用不僅顯著提高了格柵混凝土拱形支護(hù)結(jié)構(gòu)的極限承載力和極限變形能力，還能夠降低工程成本、提高施工質(zhì)量和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益;
　　4、研究了二次襯砌結(jié)構(gòu)的極限承載能力。揭示了高速鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的變形、受力特點(diǎn)，分析了不同側(cè)壓力系數(shù)條件下二次襯砌結(jié)構(gòu)塑性區(qū)的發(fā)展特征;認(rèn)為在側(cè)壓力系數(shù)λ=1.4時(shí)，雙線350km/h—Ⅴ級(jí)高速鐵路隧道二次襯砌的承載效果達(dá)到最佳;高速鐵路隧道二次襯砌

7、中的鋼筋主要起到控制襯砌單元的第一主應(yīng)力（拉應(yīng)力）的作用，在側(cè)壓力系數(shù)偏小和偏大的條件下的效果最為明顯;通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，論證了二次襯砌作為安全儲(chǔ)備的可行性。
　　5、分析了隧道支護(hù)體系的協(xié)同作用原理。在提出虛擬掌子面概念的基礎(chǔ)上分析了隧道開挖方向上各區(qū)域的支護(hù)剛度特點(diǎn)，分析了各種組合形式可能出現(xiàn)的失效類型，定性地給出了隧道支護(hù)體系的全過程支護(hù)特征曲線;結(jié)合前面章節(jié)中關(guān)于各支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)特性的研究結(jié)論，建立隧道支護(hù)體系的數(shù)值模型，