隧道钢拱架拱脚沉降控制措施的承载特性研究

摘要

软弱地层隧道施工期间易发生塌方或洞顶大幅沉降，问题多发生在上部钢拱架的拱脚支承上。为确保钢拱架在施工期间的有效承载，目前国内外已形成了一系列的拱脚沉降控制措施，它们在充分发挥各自支护作用的基础上，与钢拱架形成有效组合以共同抵抗隧道的沉降变形。这些措施在施工期间能否安全、有效承载，是设计上关注的主要问题。然而，目前在设计上仍以经验为主，其中一些措施的设计计算理论还很不成熟，甚至尚为空白，缺乏系统、深入的研究。本文主要以拱脚沉降控制措施中的锁脚锚管、钢拱架连接纵梁和临时仰拱为研究对象，采用荷载-结构法对它们的作用机理、承载特性展开研究，并完善和发展了相应的计算方法。主要研究内容如下:
　　(1)建立了可以考虑锁脚锚管（杆）与钢拱架之间荷载传递、变形协调的联合承载计算模型。通过与锁脚锚管已有模型以及现场实测值的对比分析，研究了锁脚锚管（杆）的受力和变形特性，并讨论了钢拱架作用荷载的可能取值。
　　(2)针对锁脚锚管合理打设角度的研究认识不统一、甚至与工程实践经验相悖的现状，利用锁脚锚管打设角度与钢拱架拱顶竖向位移的关系表达式，证明了与钢拱架联合承载作用下，若钢拱架拱脚处沿锁脚锚管轴向能够获得足够的支承反力，在上台阶拱部矢跨比不小于0.3时，锁脚锚管的合理打设角度为大于等于45°，该结论与诸多现场实践结论一致。为保守考虑，上台阶拱部矢跨比为0.3时，建议打设角度取30°为宜;对于矢跨比较大（如≥0.5）的拱脚和墙角，建议锁脚锚管尽量沿洞壁轮廓以大角度(≥45°）进行打设。
　　(3)在以上工作基础上，建立了浅埋偏压隧道钢拱架-锁脚锚管的联合承载计算模型，揭示了偏压条件下锁脚锚管的受力和变形规律，并建议加强深埋侧的锁脚锚管支护，如增大该侧锁脚锚管的刚度和打设角度，可在一定程度上遏制了两侧拱脚的差异沉降。
　　(4)针对Winkler地基梁模型的固有缺陷，建立了能够反映地基连续性的锁脚锚管的Pasternak双参数地基梁模型，并将其引入到锁脚锚管-钢拱架的联合承载分析中。通过算例和工程实例考察了不同地基反力系数和剪切刚度对锁脚锚管力学行为的影响规律，并与Winkler地基梁模型进行比较。
　　(5)指出目前隧道拱脚沉降控制中锁脚锚管的尺寸规格存在不合理之处，不利于其支护效果和经济性。综合考虑锁脚锚管的抗剪安全系数、拱脚沉降、地基受力和钢材用量，结合工程实例对锁脚锚管原设计方案进行改进，实现了支护效果和经济性兼顾的双重目的。最后，给出了不同软弱围岩条件(Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)下锁脚锚管（杆）支护设计参数的建议值。
　　(6)从钢拱架拱脚地基承载力的角度出发，基于钢拱架-锁脚锚管的联合承载机制，建立了可用于锁脚锚管支护下拱脚地基承载力评价的力学计算模型，推导了无偏压和有偏压条件下钢拱架拱脚地基荷载和拱脚沉降的计算公式。在此基础上，结合算例揭示了不同设计参数对拱脚地基荷载传递的影响规律，并考察了后续施工工序对拱脚沉降的影响，得出一些有益的结论和建议，以期为指导台阶法施工、确保拱脚稳定性提供理论支持。
　　(7)针对一般土层和严重风化、破碎、密实程度随深度变化的情况，考虑到地基系数随深度的变化更为符合实际，进行了变地基系数下锁脚锚管的受力和变形计算。采用了工程上应用较多的m法建立了锁脚锚管的微分方程，考虑到微分方程不同解法的优势，分别采用了有限差分法和幂级数法进行了求解。
　　(8)在分析钢拱架的连接纵梁及其辅助支撑体系力学机制的基础上，分别建立了其力学计算模型，详细推导了钢拱架连接纵梁受力和变形的计算公式，并考察了施工中不同支承条件下钢拱架连接纵梁的支护表现，以期为其设计和应用提供理论依据。
　　(9)建立了临时仰拱（横撑）的弹性地基曲梁模型。在此基础上，考虑钢拱架-临时仰拱（横撑）-地基的共同承载、协调变形，并结合临时仰拱（横撑）的具体施工工艺，分别建立钢拱架-临时仰拱（横撑）在对称荷载以及非对称荷载作用下的联合承载分析模型，并进行了整体求解计算，得到了作用于临时仰拱（横撑）端部的荷载、拱脚沉降以及地基荷载表达式，最后分析了临时仰拱（横撑）在不同影响因素下的支护表现。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 隧道拱脚沉降控制措施概述

1．3 国内外研究现状

1．3．1 隧道围岩压力的确定

1．3．2 钢拱架的作用荷载与受力分析

1．3．3 锁脚锚管的承载特性及应用研究

1．3．4 连接纵梁的承载特性及应用研究

1．3．5 临时仰拱(横撑)的承载特性及应用研究

1．4 本文主要研究内容及框架

2 锁脚锚管(杆)-钢拱架的联合承载分析

2．1 引言

2．2 锁脚锚管的作用机制

2．3 无偏压隧道钢拱架-锁脚锚管的联合承载分析

2．3．1 计算模型及假定

2．3．2 作用荷载

2．3．3 钢拱架受力计算

2．3．4 锁脚锚管受力计算

2．3．5 钢拱架拱脚变位的表示

2．3．6 钢拱架拱顶竖向位移计算

2．3．7 与已有模型的比较分析

2．3．8 支护效果计算与实测对比分析

2．3．9 钢拱架承担围岩荷载取值的讨论

2．4 锁脚锚管的合理打设角度探讨

2．4．1 问题的提出

2．4．2 算例分析

2．4．3 工程应用验证

2．4．4 小结

2．5 浅埋偏压隧道钢拱架-锁脚锚管的联合承载分析

2．5．1 计算模型及假定

2．5．2 作用荷载

2．5．3 钢拱架受力计算

2．5．4 锁脚锚管受力计算

2．5．5 钢拱架拱脚变位的表示

2．5．6 钢拱架竖向位移计算

2．5．7 算例分析

2．6 锁脚锚管的双参数弹性地基梁模型

2．6．1 计算模型及假定

2．6．2 双参数地基梁模型的推导

2．6．3 钢拱架拱脚变位的表示

2．6．4 钢拱架竖向位移计算

2．6．5 算例分析

2．6．6 工程实例分析

2．7 锁脚锚管尺寸规格的改进

2．7．1 问题的提出

2．7．2 锁脚锚管横向分析的一般解

2．7．3 钢拱架拱脚变位的表示

2．7．4 钢拱架拱脚的竖向位移

2．7．5 设计方案比选的内容

2．7．6 工程实例

2．7．7 锁脚锚管支护设计参数比选分析

2．9 本章小结

3 锁脚锚管支护下拱脚的地基荷载及后续施工影响

3．1 引言

3．2 浅埋无偏压隧道钢拱架拱脚的地基荷载计算

3．2．1 拱脚地基荷载计算模型及假定

3．2．2 地基荷载计算过程

3．2．3 算例分析

3．3 浅埋偏压隧道钢拱架拱脚的地基荷载计算

3．3．1 拱脚地基荷载计算模型及假定

3．3．2 地基荷载计算过程

3．3．3 算例分析

3．4 后续施工对拱脚沉降的影响

3．4．1 对浅埋无偏压隧道拱脚沉降的影响

3．4．2 对浅埋偏压隧道拱脚沉降的影响

3．5 本章小结

4 变地基系数下锁脚锚管的受力与变形计算

4．1 引言

4．2 微分方程的建立

4．3 锁脚锚管横向分析的有限差分解

4．3．1 差分法推导过程

4．3．2 与钢拱架的整体求解

4．3．3 算例验证及分析

4．4 锁脚锚管横向分析的幂级数解

4．4．1 幂级数法推导过程

4．4．2 与钢拱架的整体求解

4．4．3 算例验证

4．5 本章小结

5 连接纵梁及钢拱架辅助支撑体系受力与变形研究

5．1 引言

5．2 技术简介

5．3 连接纵梁受力与变形研究

5．3．1 力学分析模型及假定

5．3．2 作用荷载计算

5．3．3 模型求解过程

5．3．4 算例分析

5．4 钢拱架辅助支撑体系受力与变形研究

5．4．1 锁脚构件的进一步改进

5．4．2 钢拱架辅助支撑体系力学模型

5．4．3 模型求解过程

5．4．4 算例分析

5．5 本章小结

6 临时仰拱(横撑)的力学行为研究

6．1 引言

6．2 临时仰拱的理论分析模型

6．2．1 临时仰拱(横撑)的具体施工工艺

6．2．2 临时仰拱(横撑)的作用机制

6．2．3 临时仰拱(横撑)模型的基本假定

6．2．4 基本微分方程的建立

6．2．5 基本微分方程的解

6．2．6 两端作用对称荷载时的求解

6．2．7 两端作用非对称荷载时的求解

6．3 对称荷载条件下钢拱架与临时仰拱(横撑)的联合承载计算

6．3．1 计算模型及假定

6．3．2 求解过程

6．4 非对称荷载条件下钢拱架与临时仰拱(横撑)的联合承载计算

6．4．1 计算模型及假定

6．4．2 求解过程

6．5 算例分析

6．5．1 算例一

6．5．2 算例二

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介