浅覆软弱围岩隧道超前预支护作用机理及工程应用研究

【摘要】摘要：浅覆软弱围岩隧道施工过程中,需采取有效的超前预支护才能保证围岩稳定、满足围岩和地表的变形控制要求。在软弱围岩变形特征及控制技术总结基础上,依托多个浅覆软弱围岩隧道工程,采用现场测试、数值计算、解析求解等手段,重点对长管棚、水平旋喷预支护作用机理进行探讨。论文主要研究内容及成果如下：(1)将隧道围岩变形从空间上分为超前沉降、掌子面挤出变形及掌子面后方变形,总结出浅覆软弱围岩隧道变形存在超前沉降范围大、在总沉降量中所占比例大、掌子面挤出变形大的特征,提出浅覆软弱隧道围岩预支护(加固)方法的选择规律及范围的确定方法。(2)依托石头岗浅覆软弱围岩隧道,在长管棚现场测试分析基础上,建立精细化的数值模型对长管棚作用机理进行研究,提出管棚预支护结构受力的纵向分区,按其与掌子面相对位置分为前方受拉区、后方受压区及靠近洞口受拉区。总结各区应力及范围分布随掌子面掘进的变化规律表明,各区应力随隧道掘进而增长,且表现为先快后慢趋势,各区长度除掌子面前方受拉区基本稳定外,其余两区长度随掌子面掘进而增长,可供预支护设计参考(3)针对既有弹性地基梁的不足,提出考虑初支综合延滞效应、掌子面前方岩土体变基床系数、围岩应力释放时空效应等因素的改进模型,根据有限差分原理,以石头岗隧道为例对改进的Winkler弹性地基梁模型进行求解,现场测试结果验证了该方法的有效性。(4)依托富水软弱地层隧道工程,在对围岩加固前后现场取样,进行物理力学参数实验基础上,建立考虑流固祸合的三维数值模型,对水平旋喷预支护作用机理及效果进行研究提出,水平旋喷桩在纵向上起支护梁作用,横向上为受压拱效应,可有效改善围岩条件及隧道受力。(5)受材料特性、工艺所限,水平旋喷预支护存在抗拉(剪)强度低、完整性较差等缺陷,为此提出水平旋喷与管棚组合的预支护方式,并用数值手段论证,该方式可减小桩体的塑性区范围、拉应力,改善旋喷桩的受力,形成能充分发挥各自力学优点的组合结构,并成功应用于江门隧道下穿泄洪道工程。(6)掌子面加固可提高掌子面稳定性的同时,改善水平旋喷的受力,是水平旋喷桩缺陷克服的另一有效措施,对水平旋喷预支护及掌子面加固进行参数研究表明,水平旋喷预支护桩径、刚度及掌子面加固的面积比超过一定值后,加固效果增长有限,应根据具体工程选择最佳值。(7)对管棚与水平旋喷的设计与施工进行了探讨,设计中需根据具体工程条件及控制要求,本着安全、经济、高效的原则,选择预支护(加固)手段及参数,特殊工程需考虑局部加强或多手段结合,针对管棚、水平旋喷的施工问题应加强参数控制与施工管理。本文有图96幅,表36个,参考文献160篇。
【作者】石钰锋；
【导师】阳军生；
【作者基本信息】中南大学，土木工程，2014，博士
【关键词】软弱围岩；浅覆隧道；预支护；管棚；水平旋喷；现场测试；数值分析；弹性地基梁；

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