软弱围岩隧道管棚预支护结构设计理论及应用研究

摘要

隧道沿途经过软弱破碎围岩等地段或处理进出口边仰坡时，为确保掌子面和地表的稳定，防止隧道塌方，控制地表沉降，增加隧道开挖时的安全性，就会面临一系列预支护围岩的特殊问题。管棚预支护是其中广泛使用的一种隧道顶部预支护措施，该技术是在拟开挖的隧道外周边钻设水平孔，然后安装钢管，再进行灌浆固结，使拱顶形成加固的伞形保护环，在该保护环的支撑下，进行循环掘进和支护施工。该技术能同时提高隧道周边围岩的强度及抗渗性能，从而保证隧道的安全施工。通过对软弱围岩隧道管棚预支护结构的受力理论及在做好超前预支护情况下掌子面稳定的研究，使修建时可以对预支护方法原理充分了解，以便对施工有个较好的指导，有利于降低工程成本及其危险性，对确保工程质量意义重大。
　　本文的主要研究工作如下:
　　①概述目前国内、外常用的隧道预支护技术，并且对各种类型的支护的特点进行总结与评述。
　　②对于管棚受力荷载的计算，通过对常见计算隧道围岩压力的计算理论比较，从而借鉴这些理论当中的一些相关知识，对隧道埋深、围岩条件、开挖条件以及管棚作为预支护结构的特点等因素分析，得到相应的计算公式。
　　③在Pasternak弹性地基梁理论的基础上创建管棚的力学分析模型，及其挠度曲线微分方程，并得到管棚支护结构的转角、弯矩及建立的求解方程，从而对管棚预支护的力学行为进行分析。
　　④从管棚的构造、布置形式、几何参数等方面开展了管棚的优化设计方面的工作。
　　⑤依托遵义中路隧道为工程背景，建立了管棚预支护结构模型，并进行了系统的分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 预支护方法概述

1．2．2 隧道管棚预支护结构受力理论研究现状

1．3 本文主要研究工作

第二章 隧道管棚预支护后的力学行为分析

2．1 管棚力学模型建立的基本观点

2．2 管棚受力荷载的确定

2．2．1 常见围岩压力的计算理论

2．2．2 管棚围岩压力的计算及范围分布

2．3 管棚Pastemak弹性地基梁力学模型的建立

2．3．1 Pastemak弹性地基梁模型

2．3．2 管棚力学模型的建立

2．4 管棚预支护结构的力学行为分析

2．4．1 管棚的挠曲微分方程的建立及通解

2．4．2 两种管棚力学模型的挠曲微分方程

2．5 本章小结

第三章 管棚预支护设计参数分析

3．1 引言

3．2 管棚的构造形式

3．3 管棚的布置形式

3．3．1 管棚弧形布置

3．3．2 管棚半圆形布置

3．3．3 管棚门形布置

3．3．4 管棚全周布置

3．3．5 管棚上部一侧布置

3．3．6 管棚一字形布置

3．4 管棚预支护的参数设计

3．4．1 管棚层数

3．4．2 管棚直径

3．4．3 管棚的长度

3．4．4 管棚的位置参数

3．4．5 管棚的注浆参数

3．5 管棚优化设计原则

3．6 本章小结

第四章 管棚预支护数值模拟分析

4．1 依托工程简介

4．1．1 工程概况

4．2．2 地貌特征

4．1．3 工程地质与水文地质

4．1．3 预支护大管棚的施作

4．2 管棚计算模型与参数的设定

4．2．1 计算模型的建立

4．2．2 数值模拟的屈服准则

4．2．3 隧道围岩及支护结构的计算参数

4．3 隧道开挖与管棚预支护模拟分析步骤

4．3．1 数值模拟软件简介

4．3．2 隧道开挖步骤模拟步骤

4．3．3 数值模拟目标断面

4．4 管棚预支护结构数值模拟结果分析

4．4．1 管棚预支护结构的受力状况分析

4．4．2 管棚预支护结构的变形特征分析

4．4．3 管棚预支护条件下隧道围岩应力分析

4．4．4 管棚预支护条件下隧道围岩位移分析

4．4．5 管棚间距对管棚预支护效果的影响分析

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果