隧道初期支護(hù)與軟弱圍巖作用機(jī)理及應(yīng)用.pdf

1、我國(guó)隧道建設(shè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，然而，隧道建設(shè)規(guī)模與隧道設(shè)計(jì)理論之間的矛盾日益突出，隧道設(shè)計(jì)中的錨桿對(duì)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(duì)圍巖的適用性，噴射混凝土硬化特性對(duì)圍巖變形及其對(duì)初期支護(hù)本身受力的影響等一系列問題也未進(jìn)行深入研究。本文在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)格柵鋼架和型鋼鋼架的破壞力學(xué)特征、極限承載力、對(duì)圍巖變形的控制能力和適用性進(jìn)行了研究；基于噴射混凝

2、土早期強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)，分析考慮噴射混凝土硬化特性的初期支護(hù)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(jìn)法求法。并利用復(fù)變函數(shù)的保角變換，推導(dǎo)了任意斷面無支護(hù)隧道在自重應(yīng)力下的應(yīng)力和位移解析解；
　　(2)通過室內(nèi)試驗(yàn)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(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)一步分析了格柵鋼架和型鋼鋼架的受力特征，對(duì)圍巖變形的

3、控制效果。最后通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，對(duì)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(shè)后能夠立即承載，并且型鋼混凝土支護(hù)抵御圍巖變形的能力強(qiáng)于格柵混凝土支護(hù)，能夠提供更大的支護(hù)抗力。對(duì)于軟巖隧道尤其大變形圍巖，應(yīng)優(yōu)先考慮使用型鋼混凝土支護(hù)；格柵和噴射混凝土粘結(jié)性好，能更好的協(xié)同噴射混凝土變形，屬于柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)。相對(duì)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(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)，通過有限元二次開發(fā)，分析了噴射混凝土硬化對(duì)圍巖變形力學(xué)特性的影響。噴射混凝土硬化特性在巖體較完整、質(zhì)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(shè)計(jì)中，可以減小支護(hù)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(duì)控制圍巖的變形不利，在這種情況下，應(yīng)該采用早強(qiáng)混凝土，以提高初期支護(hù)的早期剛度，提供更大的支護(hù)抗力；
　　(4)基于噴射混凝土早期強(qiáng)度隨時(shí)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(hù)特征曲線的計(jì)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(hù)時(shí)機(jī)的確定方法和初期支護(hù)安全性能評(píng)價(jià)方法；
　　(5)基于考慮噴射混凝土硬化特性的初期支護(hù)安全性能評(píng)價(jià)方法，分析了施工期隧道初期支護(hù)安全系數(shù)的變化規(guī)律。初期支護(hù)的安全性是動(dòng)態(tài)變化的，初期支護(hù)安全系數(shù)先減小后增大最后趨于穩(wěn)定。
　　(6)通過室內(nèi)模型試驗(yàn)分析了毛洞和采用素混凝土、格柵鋼架和型鋼鋼支護(hù)的圍巖變