管棚预支护对隧道掌子面稳定性影响的研究

摘要

管棚预支护是一种经济实用的隧道辅助工法，在浅埋暗挖隧道的开挖中发挥了重大作用。管棚预支护技术拥有加固围岩、提高隧道围岩等级及抗渗性能、提高隧道掌子面稳定性和控制地表沉降等较多优点。本文以沪昆客专贵州段背阴坡隧道工程为依托，以隧道开挖过程中管棚内力和变形以及隧道掌子面稳定性为研究对象，通过理论分析、现场试验和数值模拟等方法，对管棚预支护力学模型、管棚预支护效果及其影响因素进行了较为系统和深入的研究，并对管棚预支护的设计进行了优化。主要研究内容和成果如下：
　　①以管棚预支护与围岩之间的相互作用关系为基础，建立了基于双参数Pasternak弹性地基梁理论的管棚预支护力学模型，提出了基于有限差分法的管棚内力的求解方法。通过对管棚作用荷载的分析，推导出管棚的扰度方程及应力、应变计算公式；建立了基于地基反力方程的隧道掌子面稳定性分析方法，并应用该方法推导了管棚预支护下隧道掌子面极限支护力的计算公式。
　　②通过对沪昆专线贵州段背阴坡隧道的现场监测试验，获得了隧道拱顶沉降、周边收敛、地表下沉及管棚预支护的应力应变变化规律。通过数据分析，得到了管棚预支护体系在隧道开挖过程中的受力特性和作用机理。
　　③应用有限元软件MIDAS/GTS NX，建立了背阴坡隧道在管棚预支护情况下的有限元分析模型，对比了有、无管棚预支护隧道掌子面及围岩塑性区范围、管棚内力变化及隧道净空变形规律，并将计算结果与监测试验数据进行对比，证实了在浅埋偏压隧道开挖中，管棚预支护能够很好地抑制地表沉降和拱顶下沉，提高掌子面及围岩稳定性，满足工程要求。
　　④系统分析了钢管直径、环向净距、开挖进尺、管棚长度四种管棚预支护效果的影响因素，并通过有限元软件建立同一参数不同情况下的数值模型，计算各工况下掌子面及围岩塑性分布区，管棚内力，隧道净空变形等对掌子面稳定性有关的计算结果，得到各参数对管棚预支护效果的影响程度。最后对各参数进行优化，使管棚工法在今后的地下工程中具有更高的经济性和实效性。

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1绪 论

1.1 问题提出及研究意义

1.2 隧道开挖的预支护方法概述

1.3 国内外研究现状

1.4 研究内容与技术路线

2 管棚预支护的力学模型及掌子面稳定性分析

2.1 管棚力学模型的建立

2.2 管棚双参数Pasternak弹性地基梁模型

2.3 隧道掌子面稳定性分析

2.4 本章小结

3 背阴坡隧道现场监测试验及成果分析

3.1 背阴坡隧道工程概况

3.2 背阴坡隧道管棚预支护分析

3.3 背阴坡隧道监测试验分析

3.4 本章小结

4 管棚预支护体系的力学效应数值模拟

4.1 管棚及隧道有限元模型建立

4.2 管棚及隧道施工模拟结果分析

4.3 数值模拟结果与监测试验的对比分析

4.4 本章小结

5 管棚预支护效果的影响因素及其优化研究

5.1 开挖进尺对管棚预支护效果的影响分析

5.2 管棚直径对管棚预支护效果的影响分析

5.3 管棚环向间距对管棚预支护效果的影响分析

5.4 管棚设计长度对管棚预支护效果的影响分析

5.5 管棚预支护的参数优化

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录