考虑蠕变影响的喷锚-加筋喷砼拱肋复合支护结构研究

摘要

北欧国家常在软弱围岩隧道施工中采用喷锚-加筋喷砼拱肋作为永久地下支护结构。近年来，国内外学者系统地研究了混凝土强度等级、结构组合形式等因素对喷锚-加筋喷砼拱肋支护效果的影响，初步揭示了其加固效应与加固机理，证明喷锚-加筋喷砼拱肋对软弱围岩有很好的加固作用。然而，已有研究成果在设计喷锚-加筋喷砼拱肋复合支护结构时未考虑软弱围岩蠕变特性影响，导致复合支护结构在实际工程中常常破坏，给隧道安全运行带来隐患。
　　为了更好地分析蠕变对喷锚-加筋喷砼拱肋复合支护效应的影响，本文以某地下交通隧道为依托，采用有限差分软件FLAC3D对围岩和喷锚-加筋喷砼拱肋复合支护结构的蠕变力学响应进行了仿真模拟，并提出了更完善的软弱围岩支护设计方案。主要研究内容及结论如下:
　　(1)软弱围岩蠕变特性及毛洞蠕变分析。阐述软弱围岩的蠕变特性，对比现有蠕变模型，选定Cpower蠕变本构模型，利用BP神经网络对软弱围岩蠕变参数进行反演，得到蠕变常数为9.9969e-25Pa-3yr-1，蠕变指数为3.2;基于FLAC3D模拟了隧道在开挖不支护情况下围岩的蠕变响应:围岩变形会随时间不断增加，两个月后拱顶沉降达到216mm，最终因蠕变而失稳。
　　(2)考虑蠕变影响的喷锚-加筋喷砼拱肋的仿真分析。利用FLAC3D模拟隧道的开挖及支护过程，对比分析蠕变前后喷锚-加筋喷砼拱肋支护下围岩及支护结构的力学响应。考虑蠕变后，50天后变形趋于稳定，拱顶沉降达到111mm，大于规范允许沉降值，基于Q系统法的喷锚-加筋喷砼拱肋设计方案难以维持软弱围岩变形稳定，需进一步改进支护设计方案。
　　(3)喷锚-加筋喷砼拱肋设计方案改进研究。根据软弱围岩隧道支护常用的加固措施，在原有支护设计方案基础上，加设仰拱、系统锚杆长度增加为4m、将每个断面隧道顶部的三根系统锚杆改为预应力锚杆、增加拱脚位置处拱肋厚度为0.7m，并对比分析改进前后围岩及支护结构的力学响应。30天后变形趋于稳定，拱顶沉降达到75mm，小于规范允许沉降值，改进支护方案既能维持隧道稳定，又提高了支护结构的安全度。

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 软弱围岩蠕变本构关系及数值模拟

1．2．2 喷锚-加筋喷砼拱肋支护技术

1．3 论文研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 软弱围岩蠕变特性及毛洞蠕变分析

2．1 软弱围岩的蠕变特性及Cpower蠕变模型

2．1．1 软弱围岩的蠕变特性

2．1．2 Cpower蠕变模型

2．2 软弱围岩蠕变参数反演

2．2．1 工程概况

2．2．2 软弱围岩蠕变参数反演流程

2．2．3 基于FLAC3D的三维粘弹塑性正分析

2．2．4 基于BP神经网络的软弱围岩蠕变参数反演

2．2．5 BP神经网络反演结果分析

2．3 毛洞蠕变分析

2．3．1 求解步骤和模拟方案

2．3．2 计算结果分析

2．4 本章小结

第三章 考虑蠕变影响的喷锚-加筋喷砼拱肋支护效应研究

3．1 软弱围岩隧道支护结构设计的基本原则

3．2 基于Q系统法的支护结构设计

3．3 数值模型及计算方案

3．4 围岩及支护结构的力学响应

3．4．1 围岩变形分析

3．4．2 围岩应力分析

3．4．3 围岩塑性区分析

3．4．4 支护结构受力分析

3．4．5 喷层及拱肋塑性区分析

3．5 本章小结

第四章 喷锚-加筋喷砼拱肋设计方案改进研究

4．1 软弱围岩隧道支护结构加固措施

4．2 数值模型及计算方案

4．3 围岩及支护结构的力学响应

4．3．1 围岩变形分析

4．3．2 围岩应力分析

4．3．3 围岩塑性区分析

4．3．4 支护结构受力分析

4．3．5 喷层及拱肋塑性区分析

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

附录