隧道鋼拱架拱腳沉降控制措施的承載特性研究.pdf

1、軟弱地層隧道施工期間易發(fā)生塌方或洞頂大幅沉降，問題多發(fā)生在上部鋼拱架的拱腳支承上。為確保鋼拱架在施工期間的有效承載，目前國內(nèi)外已形成了一系列的拱腳沉降控制措施，它們在充分發(fā)揮各自支護(hù)作用的基礎(chǔ)上，與鋼拱架形成有效組合以共同抵抗隧道的沉降變形。這些措施在施工期間能否安全、有效承載，是設(shè)計上關(guān)注的主要問題。然而，目前在設(shè)計上仍以經(jīng)驗為主，其中一些措施的設(shè)計計算理論還很不成熟，甚至尚為空白，缺乏系統(tǒng)、深入的研究。本文主要以拱腳沉降控制措施中的

2、鎖腳錨管、鋼拱架連接縱梁和臨時仰拱為研究對象，采用荷載-結(jié)構(gòu)法對它們的作用機(jī)理、承載特性展開研究，并完善和發(fā)展了相應(yīng)的計算方法。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)建立了可以考慮鎖腳錨管（桿）與鋼拱架之間荷載傳遞、變形協(xié)調(diào)的聯(lián)合承載計算模型。通過與鎖腳錨管已有模型以及現(xiàn)場實測值的對比分析，研究了鎖腳錨管（桿）的受力和變形特性，并討論了鋼拱架作用荷載的可能取值。
　　(2)針對鎖腳錨管合理打設(shè)角度的研究認(rèn)識不統(tǒng)一、甚至與工程實踐經(jīng)驗

3、相悖的現(xiàn)狀，利用鎖腳錨管打設(shè)角度與鋼拱架拱頂豎向位移的關(guān)系表達(dá)式，證明了與鋼拱架聯(lián)合承載作用下，若鋼拱架拱腳處沿鎖腳錨管軸向能夠獲得足夠的支承反力，在上臺階拱部矢跨比不小于0.3時，鎖腳錨管的合理打設(shè)角度為大于等于45°，該結(jié)論與諸多現(xiàn)場實踐結(jié)論一致。為保守考慮，上臺階拱部矢跨比為0.3時，建議打設(shè)角度取30°為宜;對于矢跨比較大（如≥0.5）的拱腳和墻角，建議鎖腳錨管盡量沿洞壁輪廓以大角度(≥45°）進(jìn)行打設(shè)。
　　(3)在以上

4、工作基礎(chǔ)上，建立了淺埋偏壓隧道鋼拱架-鎖腳錨管的聯(lián)合承載計算模型，揭示了偏壓條件下鎖腳錨管的受力和變形規(guī)律，并建議加強(qiáng)深埋側(cè)的鎖腳錨管支護(hù)，如增大該側(cè)鎖腳錨管的剛度和打設(shè)角度，可在一定程度上遏制了兩側(cè)拱腳的差異沉降。
　　(4)針對Winkler地基梁模型的固有缺陷，建立了能夠反映地基連續(xù)性的鎖腳錨管的Pasternak雙參數(shù)地基梁模型，并將其引入到鎖腳錨管-鋼拱架的聯(lián)合承載分析中。通過算例和工程實例考察了不同地基反力系數(shù)和剪切剛

5、度對鎖腳錨管力學(xué)行為的影響規(guī)律，并與Winkler地基梁模型進(jìn)行比較。
　　(5)指出目前隧道拱腳沉降控制中鎖腳錨管的尺寸規(guī)格存在不合理之處，不利于其支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)性。綜合考慮鎖腳錨管的抗剪安全系數(shù)、拱腳沉降、地基受力和鋼材用量，結(jié)合工程實例對鎖腳錨管原設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)了支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)性兼顧的雙重目的。最后，給出了不同軟弱圍巖條件(Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)下鎖腳錨管（桿）支護(hù)設(shè)計參數(shù)的建議值。
　　(6)從鋼拱架拱腳地基承載力的角

6、度出發(fā)，基于鋼拱架-鎖腳錨管的聯(lián)合承載機(jī)制，建立了可用于鎖腳錨管支護(hù)下拱腳地基承載力評價的力學(xué)計算模型，推導(dǎo)了無偏壓和有偏壓條件下鋼拱架拱腳地基荷載和拱腳沉降的計算公式。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合算例揭示了不同設(shè)計參數(shù)對拱腳地基荷載傳遞的影響規(guī)律，并考察了后續(xù)施工工序?qū)澳_沉降的影響，得出一些有益的結(jié)論和建議，以期為指導(dǎo)臺階法施工、確保拱腳穩(wěn)定性提供理論支持。
　　(7)針對一般土層和嚴(yán)重風(fēng)化、破碎、密實程度隨深度變化的情況，考慮到地基系數(shù)

7、隨深度的變化更為符合實際，進(jìn)行了變地基系數(shù)下鎖腳錨管的受力和變形計算。采用了工程上應(yīng)用較多的m法建立了鎖腳錨管的微分方程，考慮到微分方程不同解法的優(yōu)勢，分別采用了有限差分法和冪級數(shù)法進(jìn)行了求解。
　　(8)在分析鋼拱架的連接縱梁及其輔助支撐體系力學(xué)機(jī)制的基礎(chǔ)上，分別建立了其力學(xué)計算模型，詳細(xì)推導(dǎo)了鋼拱架連接縱梁受力和變形的計算公式，并考察了施工中不同支承條件下鋼拱架連接縱梁的支護(hù)表現(xiàn)，以期為其設(shè)計和應(yīng)用提供理論依據(jù)。
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