大斷面黃土隧道支護結構受力特性研究及應用

1、大斷面黃土隧道支護結構受力特性研究及應用山西省交通科學研究院 孫志杰匯 報 內 容 項 目 背 景 項目技術路線項目研究內容主 要 技 術 創(chuàng) 新知識產權及第三方評價推廣應用及經濟社會效益項 目 背 景50年代前，采用單工序，采用先拱后墻法，靠人 工開挖，事故多；5070年代采用上下導坑法較多，以手工工具為主，襯砌厚度偏大；80年代以后采用新奧法，非爆破機械配合人工開挖；總體上從單一工序多種工序；從小斷面全斷面大斷面不斷發(fā)展的過程。項目背景項目背景日本隧道的劃分標準劃分開挖斷面積(m2)說明標準斷面7080雙車道大斷面100140有人行道的雙車道超大斷面140與路面寬同的三車道國際隧協(xié)的斷面劃

2、分標準劃分凈空截面積(m2)超小斷面100.0項目背景開挖后的應力重分布變得不利。與近圓形隧道相比，將出現(xiàn)更大的塑性區(qū)和更大的變形，需要更強大的支護結構來保持隧道的穩(wěn)定 ；底腳處的應力集中過大,要求較大的地基承載力。拱頂不穩(wěn)定。隧道寬度的擴大將大大增加拱頂圍巖內的拉應力，導致拱頂?shù)魤K等失穩(wěn)現(xiàn)象。大斷面隧道支護結構將承受更大的松弛荷載。支護結構的承載力相對較小。管棚支護效果Add your Title在大斷面黃土隧道管棚預支護的設計和施工中，目前多采用工程類比法，采用工程類比法設計的黃土隧道管棚預支護的各項參數(shù)是否合理經濟，從而更好地控制施工成本是急需解決的問題。項目背景錨桿設計參數(shù)Add yo

3、ur Title在硬巖和軟巖支護中，錨桿有著良好的適用性，可以取得較好的支護效果。但是黃土的強度低，大跨度及大斷面隧道開挖時穩(wěn)定性差，圍巖變形大，使得大斷面黃土隧道錨桿設計遇到難題。項目背景拱架選型鋼拱架：截面大、剛度大、初期承載能力強，可立即承載；不足：存在收縮裂縫、背后空洞難充填、密實。格柵：接觸面積大、粘結效果好，易協(xié)同變形、共同受力，造價低；不足：抵抗初始變形的能力差，整體剛度低。項目背景平定-陽泉高速公路三車道黃土隧道一般斷面最大開挖面積164m2，加寬斷面最大開挖面積201m2。項目背景項目技術路線項目技術路線項目研究內容項目研究內容大斷面黃土隧道管棚作用機理研究及應用 ；大斷面黃

4、土隧道支護結構中錨桿作用機理研究及應用 ； 大斷面黃土隧道支護結構中鋼架作用機理研究及效果評價 。 1.1 推導了深、淺埋隧道管棚受力荷載的計算圖示及圍巖壓力公式 。作用在管棚上的圍巖壓力 深埋隧道管棚荷載計算圖示 淺埋隧道管棚荷載計算圖示 研究內容一：超前管棚預支護體系1.2 建立了管棚力學模型，并基于MATLAB編制計算程序進行優(yōu)化計算。 管棚的控制微分方程隧道開挖過程管棚受力模型圖示 程序計算結果研究內容一：超前管棚預支護體系管棚撓度曲線管棚彎矩曲線1.2 建立了管棚力學模型，并基于MATLAB編制計算程序進行優(yōu)化計算。 研究內容一：超前管棚預支護體系不同隧道埋深 不同開挖步距 1.3

5、管棚預支護條件下隧道施工過程的三維數(shù)值模擬研究 整體模型 管棚體系模型圖示 研究內容一：超前管棚預支護體系1.3 管棚預支護條件下隧道施工過程的三維數(shù)值模擬研究 開挖8m管棚彎矩開挖14m管棚彎矩研究內容一：超前管棚預支護體系管棚豎向位移管棚水平位移1.3 管棚預支護條件下隧道施工過程的三維數(shù)值模擬研究 不采用管棚注漿采用管棚注漿三車道研究內容一：超前管棚預支護體系不同斷面管棚支護圍巖位移對比1.3 管棚預支護條件下隧道施工過程的三維數(shù)值模擬研究 不采用管棚注漿采用管棚注漿三車道研究內容一：超前管棚預支護體系不同斷面管棚支護初支受力對比1.4 管棚預支護體系參數(shù)優(yōu)化的三維數(shù)值模擬研究打設角度0

6、打設角度5打設角度10間距30cm間距40cm間距50cm研究內容一：超前管棚預支護體系1.4 管棚預支護體系參數(shù)優(yōu)化的三維數(shù)值模擬研究角度三車道兩車道角度拱頂沉降間距間距研究內容一：超前管棚預支護體系1.4 管棚預支護體系參數(shù)優(yōu)化的三維數(shù)值模擬研究三車道兩車道水平位移角度角度間距間距研究內容一：超前管棚預支護體系1.4 管棚預支護體系參數(shù)優(yōu)化的三維數(shù)值模擬研究角度三車道兩車道角度地表沉降間距間距研究內容一：超前管棚預支護體系1.4 管棚預支護體系參數(shù)優(yōu)化的三維數(shù)值模擬研究角度三車道兩車道角度拱頂管棚豎向彎矩間距間距研究內容一：超前管棚預支護體系2.1 推導了錨桿界面剪應力分布，對土層及錨桿參

7、數(shù)的影響進行分析。錨桿剪力分布曲線土層中錨桿剪應力分布情況錨桿近端的剪應力 錨桿中性點到終端的剪應力 研究內容二：錨桿支護體系2.1 推導了錨桿界面剪應力分布，對土層及錨桿參數(shù)的影響進行分析。不同泊松比不同洞徑條件洞室不同位置處不同側壓力系數(shù)研究內容二：錨桿支護體系2.2 系統(tǒng)錨桿設置優(yōu)化分析研究內容二：錨桿支護體系1.0m1.2m不同錨桿間距的支護結構模型圖(錨桿長3.5m) 0.8m0.6m系統(tǒng)錨桿優(yōu)化工況 2.2 系統(tǒng)錨桿設置優(yōu)化分析僅邊墻全環(huán)設置僅拱部不同錨桿設置方式下錨桿軸力圖錨桿布設方式 研究內容二：錨桿支護體系2.2 系統(tǒng)錨桿設置優(yōu)化分析仰拱隆起地表沉降拱頂下沉不同錨桿設置方式下

8、圍巖位移圖錨桿布設方式 研究內容二：錨桿支護體系水平位移2.2 系統(tǒng)錨桿設置優(yōu)化分析仰拱隆起水平位移地表沉降拱頂下沉錨桿環(huán)向間距與長度 研究內容二：錨桿支護體系不同錨桿設置方式下圍巖位移圖曲線2.3 鎖腳錨桿設置優(yōu)化分析鎖腳錨桿設置優(yōu)化計算工況研究內容二：錨桿支護體系兩車道三車道鎖腳錨桿2.3 鎖腳錨桿設置優(yōu)化分析錨桿打設角度與長度兩車道三車道研究內容二：錨桿支護體系不同工況下拱頂下沉曲線圖2.3 鎖腳錨桿設置優(yōu)化分析不同工況下水平位移曲線圖錨桿打設角度與長度研究內容二：錨桿支護體系兩車道三車道2.3 鎖腳錨桿設置優(yōu)化分析不同工況下拱頂下沉圖鎖腳錨桿數(shù)量研究內容二：錨桿支護體系兩車道三車道2.

9、3 鎖腳錨桿設置優(yōu)化分析不同工況下水平位移圖鎖腳錨桿數(shù)量研究內容二：錨桿支護體系兩車道三車道3.1 隧道初支與圍巖相互作用研究不同型號格柵鋼架支護特征曲線不同噴層厚度的噴射混凝土支護特征曲線不同型號型鋼鋼架支護特征曲線研究內容三：鋼架支護體系3.2 鋼-砼分離的精細化噴砼鋼架支護體系作用效果分析格柵鋼架模型型鋼鋼架模型 噴砼-鋼架支護體系結構模型圖研究內容三：鋼架支護體系3.2 鋼-砼分離的精細化噴砼鋼架支護體系作用效果分析型鋼鋼架受力鋼架應力監(jiān)測示意圖 研究內容三：鋼架支護體系3.2 鋼-砼分離的精細化噴砼鋼架支護體系作用效果分析型鋼鋼架受力研究內容三：鋼架支護體系鋼架內側翼緣環(huán)向應力 不同

10、型鋼鋼架內側翼緣環(huán)向應力分布規(guī)律除仰拱外均受壓，應力大小順序：墻腳墻腰拱腳拱腰拱頂。 應力隨鋼架型號變化規(guī)律同一型號：BA，同一型號應力相差不大，不同型號：I22I20拱腳、拱腰拱頂仰拱墻腰。 應力大小隨鋼架型號變化規(guī)律墻腰處：I22I20I18，墻腳處：I20I18I22。3.2 鋼-砼分離的精細化噴砼鋼架支護體系作用效果分析型鋼鋼架受力研究內容三：鋼架支護體系鋼架腹板1/2高度處環(huán)向應力鋼架腹板1/2高度處環(huán)向應力分布規(guī)律相同，均受壓，應力大小順序：拱腳墻腰拱腰墻腳拱頂仰拱。 應力大小隨鋼架型號變化規(guī)律同一型號：BA，同一型號應力相差不大，不同型號：I22I20I18。3.2 鋼-砼分離的

11、精細化噴砼鋼架支護體系作用效果分析型鋼鋼架受力研究內容三：鋼架支護體系鋼架腹板不同高度處徑向應力型鋼鋼架腹板不同高度處徑向應力均為壓應力，拱腰、墻腳隨腹板截面高度的增加減小，其他部位隨高度的增加增加。 應力大小隨鋼架型號變化規(guī)律同一型號同一型號應力相差不大，不同型號： I20I18I22。 3.3 不同圍巖級別鋼架支護效果研究型鋼鋼架腹板受力研究內容三：鋼架支護體系拱腳環(huán)向應力拱腰環(huán)向應力拱腰環(huán)向均受壓力，隨著圍巖強度的降低，墻腰環(huán)向應力增大，且V級圍巖的增加幅度和IV級圍巖基本相同；拱腳環(huán)向均受壓力，但應力并不隨著圍巖強度的降低而一直增大，且在I22鋼架支護條件下，拱腳環(huán)向應力隨圍巖級別的變

12、化幅度很小，基本相同。3.3 不同圍巖級別鋼架支護效果研究研究內容三：鋼架支護體系綜合鋼架對圍巖變形的控制效果和鋼架、噴射混凝土結構自身的受力：IV級圍巖條件下， IVa級圍巖推薦選擇格柵18型鋼架，IVb級圍巖推薦選擇I18型鋼架。V級圍巖條件下，Va級圍巖推薦選擇格柵22型拱架，Vb級圍巖推薦選擇I22A型拱架。主 要 技 術 創(chuàng) 新建立了管棚力學模型，并基于MATLAB編制管棚計算程序。建立了鋼管漿液分離的管棚數(shù)值模型，并揭示了管棚受力規(guī)律。推薦了V級黃土地區(qū)兩車道、三車道隧道錨桿的布置方式。建立了鋼砼分離的精細化鋼架數(shù)值模型，推薦了鋼架支護參數(shù)。主 要 技 術 創(chuàng) 新模型結構圖模型方程

13、創(chuàng)新點一：建立了管棚力學模型并編制計算程序。可考慮掌子面水平位移，與傳統(tǒng)管棚模型(無法考慮)相比，更接近管棚真實受力情況。建立了變基床系數(shù)下管棚的彈性地基梁模型。計算程序創(chuàng)新點一：建立了管棚力學模型并編制計算程序。程序可對管棚的變形和受力進行分析，便于調式和操作具有開放性，可進行二次開發(fā)。基于MATLAB編制管棚模型的力學計算程序。部分前處理程序部分分析程序部分后處理程序管棚撓度曲線管棚彎矩曲線創(chuàng)新點二：建立了鋼管-漿液分離的管棚數(shù)值模型。管棚采用梁單元模擬，注漿加固區(qū)采用實體單元模擬?？芍苯臃治霾煌恢霉芘锸芰妥冃巍缀文Ｐ陀邢拊Ｐ蛣?chuàng)新點二：建立了鋼管-漿液分離的管棚數(shù)值模型。當隧道圍巖

14、豎向變形較大時管棚應采用大打設角度，當圍巖水平收斂較大時管棚可采用小打設角度。揭示了黃土隧道管棚打設角度和間距對圍巖和管棚的影響規(guī)律。不同斷面管棚打設角度和間距對圍巖水平位移較豎向位移敏感，管棚大打設角度時拱頂沉降小，小打設角度時水平位移?。徊煌瑪嗝嫠淼拦绊敼芘锞猿惺茇Q向彎曲為主，拱腳管棚豎向和橫向均承受較大彎矩。不同斷面圍巖位移和管棚豎向、橫向彎矩受管棚打設角度影響程度大于管棚間距。創(chuàng)新點三：推薦了系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿布設參數(shù)。建議在拱部和邊墻都設置錨桿，但拱部錨桿較邊墻錨桿設置稀疏，且隧道兩邊墻腳部位可以各減去少數(shù)錨桿。推薦了V級黃土地區(qū)三車道隧道系統(tǒng)錨桿的布設參數(shù)。V級圍巖三車道黃土隧道

15、系統(tǒng)錨桿拱部布設參數(shù)：在拱部采用環(huán)向1.0m間距，3.0m長直徑22mm錨桿；V級圍巖三車道黃土隧道系統(tǒng)錨桿邊墻布設參數(shù)：邊墻采用環(huán)向0.8m間距，3.0m長直徑22mm錨桿。創(chuàng)新點三：推薦了系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿布設參數(shù)。隧道圍巖以豎向變形為主時，鎖腳錨桿應采用大角度打設；以水平收斂為主時，應采用小角度打設。推薦了V級黃土地區(qū)兩車道、三車道隧道鎖腳錨桿的布設參數(shù)。V級黃土地區(qū)兩車道隧道鎖腳錨桿最佳打設角度為5和50，長度為3m；V級黃土地區(qū)三車道隧道鎖腳錨桿最佳打設角度為5和30，長度為3m；鎖腳錨桿對圍巖位移的控制效果依次為：變形豎向，隨著斷面的增大，鎖腳錨桿對圍巖位移的控制作用增強。創(chuàng)新點四：建立了鋼-砼分離的精細化鋼架數(shù)值模型采用板單元模擬型鋼鋼架，采用梁單元模擬格柵鋼架；可直接分析型鋼翼緣、腹板受力，格柵鋼架鋼筋受力。型鋼鋼架模型格柵鋼架模型鋼-砼整體模型型鋼鋼架內側翼緣環(huán)向均受壓，外側除墻腳外其余均受壓；格柵鋼架