【博士】隧道管棚預支護體系的力學機理與開挖面穩(wěn)定性研究【2009】

內容簡介

　　學科專業(yè)：結構工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：大連理工大學　　學位年度： 2009年　　在軟弱破碎地層中修建山嶺隧道，或采用淺埋暗挖法修筑城市地鐵隧道時，為了防止隧道發(fā)生塌方、有效控制地表沉降，并全面保證圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，常采用一些輔助措施對圍巖進行預支護。管棚預支護是其中廣泛使用的一種隧道頂部預支護措施。該技術是在擬開挖的隧道外周邊鉆設水平孔，然后安裝鋼管，再進行灌漿固結，使拱頂形成加固的傘形保護環(huán)，在該保護環(huán)的支撐下，進行循環(huán)掘進和支護施工。該技術能同時提高隧道周邊圍巖的強度及抗?jié)B性能，從而保證隧道的安全施工。本文以隧道施工過程中管棚的力學機理及管棚預支護條件下隧道開挖面的穩(wěn)定性為研究對象，利用理論分析、數值模擬、現場試驗等多種研究手段，得到一些直接應用于工程實踐或供理論參考的研究成果。主要研究內容如下：　　(1)借鑒隧道圍巖壓力確定方法的合理觀點，綜合考慮了隧道埋深、圍巖條件、開挖條件以及管棚作為臨時支護結構的特點等因素，分別推導了深、淺埋隧道管棚受力荷載的計算公式，并基于Pastemak彈性地基梁理論建立了管棚的力學分析模型。以二郎山隧道為工程實例，分別采用Winkler模型和Pastemak模型對隧道施工過程中管棚的力學行為進行計算，并將理論計算結果與現場測試結果進行比較。對比分析表明：在開挖面附近，Pastemak模型較Winkler模型的計算結果與現場測試結果吻合更好，但隨著距開挖面距離越來越遠，理論計算曲線較現場測試曲線衰減的更快。管棚的設計參數分析表明：管棚長度及鋼管直徑均存在最佳值?！　?2)采用三維彈塑性有限元分析軟件對喬莊隧道入口管棚預支護段的施工過程進行數值模擬，并在隧道施工過程中，進行了現場量測試驗。通過數值模擬，重點分析了隧道開挖過程中管棚、隧道圍巖及支護結構的受力與變形特征，并對管棚預支護條件下隧道開挖面的穩(wěn)定性進行了評價。通過現場量測試驗，得到了鋼支撐、噴射混凝土和二次襯砌等支護構件的受力和地表沉降及圍巖位移收斂狀況。有限元計算結果與現場實測結果吻合較好，說明采用現場動態(tài)監(jiān)控量測與有限元仿真模擬相結合的方法，可為管棚預支護條件下隧道的設計和施工提供科學依據和技術指導?！　?3)將塑性極限分析上限定理與強度折減技術相結合，建立了隧道開挖面三維穩(wěn)定性分析模型，經算例分析驗證了其合理性；在此基礎上，改進力學模型應用于管棚預支護條件下隧道開挖面穩(wěn)定性分析及考慮滲流力的管棚預支護條件下隧道開挖面穩(wěn)定性分析，由此確定開挖面穩(wěn)定系數及其相應的潛在破壞模式，對隧道開挖面的穩(wěn)定性進行定量的描述。分析滲流力及管棚預支護對開挖面穩(wěn)定性的影響，并對隧道埋深、地下水位、隧道洞徑及圍巖條件等影響開挖面穩(wěn)定的因素進行討論。研究表明：滲流力嚴重影響開挖面的穩(wěn)定性，采用管棚預支護技術可以有效地減小隧道開挖面滲流力，但不考慮滲流力時，管棚預支護技術對提高開挖面穩(wěn)定性的效果并不明顯?！　?4)基于三維彈塑性有限元方法對隧道開挖面正面預支護及管棚預支護進行了參數分析。研究了有無管棚預支護條件下不同核心土長度、不同臺階長度、不同開挖步距、不同管棚布置方式以及在有無地下水情況下，不同管棚預支護長度、不同地下水位時，隧道開挖對管棚力學行為、地層沉降及開挖面穩(wěn)定性的影響?？偨Y一些規(guī)律性的認識，為復雜地質條件下隧道施工及管棚預支護設計提供一定參考。　　(5)采用三維彈塑性有限元數值模擬方法，研究管棚預支護條件下隧道開挖面極限支護力；以不同工況下地層參數及其極限支護壓力比作為樣本，待BP神經網絡訓練完畢后，即可預測大量給定地層參數工況下的開挖面極限支護壓力比，對其進行統(tǒng)計，得到概率分布特征；在理論分析的基礎上，結合工程實際，建立了管棚預支護條件下隧道開挖面穩(wěn)定的極限狀態(tài)方程，運用粒子群優(yōu)化算法，對其進行可靠度分析。本文除能科學合理的評價管棚預支護條件下開挖面的穩(wěn)定程度外，對軟弱圍巖條件下，隧道開挖面正面預支護措施的合理設計與選擇也具有一定的參考作用。　　

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