软弱围岩隧道管棚超前预支护技术

摘要

软弱围岩因其软弱、破碎、松散、强度低、自稳能力差的特点作为一种不良地质条件存在。为确保隧道安全穿越软弱围岩，使围岩处于稳定安全状态，就要采取辅助工法预支护围岩。管棚超前预支护技术作为这种辅助工法之一，凭借其支护距离长、加固效果好、工期短、造价经济合理等优点，已被广泛应用于我国隧道工程中。但目前，对于管棚的设计、施工、研究等方面，尚不能满足工程建设的需要。因此，本文以浙江省温州市梅源隧道为工程背景，对管棚超前预支护技术进行研究，主要工作如下:
　　(1)对常用的超前预支护技术进行分析评价;着重阐述管棚超前预支护技术应用及研究现状。该技术是控制软弱围岩隧道围岩变形的有效方法。
　　(2)总结归纳了软弱围岩的含义、影响因素及变形特征。同时，对预支护力的构成及预支护原理和软弱围岩变形控制方法进行了分析研究。
　　(3)深入分析了管棚注浆加固机理及支护原理。分析了常用的边坡稳定性判定方法，提出了管棚支护下掌子面稳定性评判方法。
　　(4)将管棚视为弹性地基梁，建立了隧道管棚结构单根钢管的双参数弹性地基梁模型（Pasternak模型），研究管棚的力学行为，推导出了管棚的挠度、转角及内力方程。利用Matlab编程程序，进行了计算分析。同时，基于对管棚力学行为的研究，对开挖步距、管棚间距、直径、围岩压力、土体弹性系数等因素进行了优化分析。
　　(5)利用MIDAS GTS NX有限元软件，建立了梅源隧道施工过程三维数值模型。分析研究了隧道在有无管棚预支护工况下，隧道围岩及支护结构的变形情况。研究表明施加管棚预支护结构后，能有效控制围岩及喷射混凝土结构变形，还能降低应力。随着隧道开挖，管棚预支护结构能很好的传递围岩压力。管棚预支护下的围岩沉降曲线呈收敛状态。
　　(6)分析研究了管棚结构是否注浆及注浆层厚度的改变等工况对围岩和钢管变形的影响。研究表明:管棚注浆后支护效应明显提升且管棚注浆层厚度存在一个合理范围。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 超前预支护技术分类及特点

1．3 管棚超前预支护技术应用

1．4 管棚超前预支护技术研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．5 本文研究内容及主要工作

第二章 软弱围岩隧道围岩变形控制与支护机理研究

2．1 相关概念定义

2．1．1 隧道及支护系统的定义

2．1．2 软弱围岩的含义

2．2 软弱围岩的分类及影响因素

2．2．1 软弱围岩的分类

2．2．2 软弱围岩的影响因素

2．3 软弱围岩的变形形式及特征

2．3．1 软弱围岩的变形形式

2．3．2 软弱围岩的变形特征

2．4 软弱围岩隧道变形控制方法

2．4．1 软弱围岩隧道变形控制原则

2．4．2 软弱围岩变形控制方法

2．5 预支护作用机理

2．5．1 新奥法简介

2．5．2 预支护原理

2．6 本章小节

第三章 管棚超前支护技术及掌子面稳定性分析

3．1 管棚预支护结构构造及配置形式

3．1．1 管棚构造形式

3．1．2 管棚配置形式

3．2 管棚预支护技术分类

3．3 管棚预支护技术施工方法

3．3．1 施工方法

3．3．2 管棚施工流程

3．3．3 管棚施工纠偏控制

3．4 管棚预支护机理研究

3．4．1 管棚预支护定义

3．4．2 管棚预支护原理

3．5 管棚支护下掌子面稳定性分析

3．5．1 掌子面稳定性判别研究的力学机理

3．5．2 评判方法

3．5．3 管棚支护下掌子面稳定性研究

3．6 本章小结

第四章 管棚支护力学行为研究及参数分析

4．1 常用管棚结构计算力学模型理论

4．2 隧道管棚超前预支护上覆土围岩压力的确定

4．2．1 深浅埋隧道界限的判定

4．2．2 管棚上覆土围岩压力的确定

4．3 管棚力学模型的建立

4．3．1 对管棚双参数弹性地基梁模型的认识

4．3．2 双参数弹性地基梁模型分析

4．3．3 管棚计算模型的建立

4．3．4 管棚微分方程的求解

4．4 管棚力学行为的分析

4．4．1 计算参数的确定

4．4．2 管棚各段的挠度、转角及内力方程

4．5 各设计参数的优化分析

4．6 本章小结

第五章 软弱围岩隧道管棚超前预支护结构数值分析

5．1 常用的数值模拟方法

5．2 管棚超前支护数值模拟方法

5．3 MIDAS GTS有限元软件简介

5．3．1 软件功能特点

5．3．2 软件模拟中的屈服准则

5．3．3 软件模拟中的求解收敛准则

5．4 工程背景

5．5 数值模拟分析

5．5．1 计算参数及模型的确立

5．5．2 围岩位移特性分析

5．5．3 围岩应力特性分析

5．5．4 管棚受力特性分析

5．5．5 喷射混凝土结构应力分析

5．6 管棚参数对隧道的影响

5．6．1 有无注浆时对隧道拱顶沉降的影响

5．6．2 注浆层厚度变化对隧道位移及钢管应力的影响

5．7 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在校期间的学术成果及项目实践