隧道管棚预支护体系的力学机理与开挖面稳定性研究

摘要

在软弱破碎地层中修建山岭隧道，或采用浅埋暗挖法修筑城市地铁隧道时，为了防止隧道发生塌方、有效控制地表沉降，并全面保证围岩处于稳定状态，常采用一些辅助措施对围岩进行预支护。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。本文以隧道施工过程中管棚的力学机理及管棚预支护条件下隧道开挖面的稳定性为研究对象，利用理论分析、数值模拟、现场试验等多种研究手段，得到一些直接应用于工程实践或供理论参考的研究成果。主要研究内容如下：
　　 (1)借鉴隧道围岩压力确定方法的合理观点，综合考虑了隧道埋深、围岩条件、开挖条件以及管棚作为临时支护结构的特点等因素，分别推导了深、浅埋隧道管棚受力荷载的计算公式，并基于Pasternak弹性地基梁理论建立了管棚的力学分析模型。以二郎山隧道为工程实例，分别采用Winkler模型和Pasternak模型对隧道施工过程中管棚的力学行为进行计算，并将理论计算结果与现场测试结果进行比较。对比分析表明：在开挖面附近，Pastemak模型较Winkler模型的计算结果与现场测试结果吻合更好，但随着距开挖面距离越来越远，理论计算曲线较现场测试曲线衰减的更快。管棚的设计参数分析表明：管棚长度及钢管直径均存在最佳值。
　　 (2)采用三维弹塑性有限元分析软件对乔庄隧道入口管棚预支护段的施工过程进行数值模拟，并在隧道施工过程中，进行了现场量测试验。通过数值模拟，重点分析了隧道开挖过程中管棚、隧道围岩及支护结构的受力与变形特征，并对管棚预支护条件下隧道开挖面的稳定性进行了评价。通过现场量测试验，得到了钢支撑、喷射混凝土和二次衬砌等支护构件的受力和地表沉降及围岩位移收敛状况。有限元计算结果与现场实测结果吻合较好，说明采用现场动态监控量测与有限元仿真模拟相结合的方法，可为管棚预支护条件下隧道的设计和施工提供科学依据和技术指导。
　　 (3)将塑性极限分析上限定理与强度折减技术相结合，建立了隧道开挖面三维稳定性分析模型，经算例分析验证了其合理性；在此基础上，改进力学模型应用于管棚预支护条件下隧道开挖面稳定性分析及考虑渗流力的管棚预支护条件下隧道开挖面稳定性分析，由此确定开挖面稳定系数及其相应的潜在破坏模式，对隧道开挖面的稳定性进行定量的描述。分析渗流力及管棚预支护对开挖面稳定性的影响，并对隧道埋深、地下水位、隧道洞径及围岩条件等影响开挖面稳定的因素进行讨论。研究表明：渗流力严重影响开挖面的稳定性，采用管棚预支护技术可以有效地减小隧道开挖面渗流力，但不考虑渗流力时，管棚预支护技术对提高开挖面稳定性的效果并不明显。
　　 (4)基于三维弹塑性有限元方法对隧道开挖面正面预支护及管棚预支护进行了参数分析。研究了有无管棚预支护条件下不同核心土长度、不同台阶长度、不同开挖步距、不同管棚布置方式以及在有无地下水情况下，不同管棚预支护长度、不同地下水位时，隧道开挖对管棚力学行为、地层沉降及开挖面稳定性的影响。总结一些规律性的认识，为复杂地质条件下隧道施工及管棚预支护设计提供一定参考。
　　 (5)采用三维弹塑性有限元数值模拟方法，研究管棚预支护条件下隧道开挖面极限支护力；以不同工况下地层参数及其极限支护压力比作为样本，待BP神经网络训练完毕后，即可预测大量给定地层参数工况下的开挖面极限支护压力比，对其进行统计，得到概率分布特征；在理论分析的基础上，结合工程实际，建立了管棚预支护条件下隧道开挖面稳定的极限状态方程，运用粒子群优化算法，对其进行可靠度分析。本文除能科学合理的评价管棚预支护条件下开挖面的稳定程度外，对软弱围岩条件下，隧道开挖面正面预支护措施的合理设计与选择也具有一定的参考作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 研究背景及选题依据

1.2 隧道预支护加固技术概述

1.2.1 超前锚杆

1.2.2 水平旋喷注浆

1.2.3 机械预切槽法

1.2.4 预衬砌法

1.2.5 冻结法

1.2.6 超前注浆小导管

1.2.7 管棚预支护法

1.3 管棚预支护技术

1.3.1 管棚预支护概述

1.3.2 管棚预支护的分类

1.3.3 管棚预支护的用途

1.3.4 管棚预支护的应用实例

1.4 国内外研究现状

1.4.1 隧道围岩压力与管棚受力荷载的确定

1.4.2 管棚预支护的力学机理研究

1.4.3 管棚预支护条件下隧道开挖面稳定性分析

1.4.4 管棚预支护条件下隧道开挖面稳定的可靠度研究

1.5 本文的研究工作

2 隧道开挖过程中管棚的力学行为分析

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 常用围岩压力理论评析

2.2.2 管棚受力荷载及作用范围的确定

2.3 管棚Pasternak弹性地基梁力学模型

2.3.1 力学模型的建立

2.3.2 微分方程的求解

2.4 管棚的力学行为分析

2.4.1 管棚力学行为的现场测试研究

2.4.2 管棚力学行为的解析分析

2.5 管棚设计参数分析及优化设计

2.5.1 管棚直径

2.5.2 管棚长度

2.5.3 管棚搭接长度

2.5.4 优化设计

2.6 本章小结

3 管棚预支护条件下隧道施工过程的数值模拟及现场测试

3.1 依托工程简介

3.1.1 工程概况

3.1.2 工程地质与水文地质

3.1.3 隧道入口段设计与施工

3.2 管棚及隧道施工过程的数值模拟

3.2.1 计算模型的建立

3.2.2 隧道开挖与支护模拟

3.2.3 目标面确定

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1 管棚预支护体系在隧道开挖过程中的力学行为及其特征

3.3.2 管棚预支护条件下围岩的应力及变形分析

3.3.3 管棚预支护条件下隧道支护结构的内力及变形分析

3.3.4 管棚预支护条件下隧道开挖面稳定性分析

3.4 隧道现场量测试验

3.4.1 监控量测的内容与方法

3.4.2 监控量测的结果与分析

3.5 本章小结

4 管棚预支护条件下隧道开挖面三维稳定性塑性极限分析

4.1 塑性极限分析的基本理论

4.1.1 基本假设

4.1.2 基本概念

4.1.3 极限分析上限方法

4.2 基于强度折减技术的隧道开挖面三维稳定性分析上限解法

4.2.1 概述

4.2.2 模型的建立

4.2.3 分析模型的上限解

4.2.4 开挖面稳定系数Ks

4.2.5 算例验证

4.3 管棚预支护条件下隧道开挖面三维稳定性分析上限解法

4.3.1 分析模型的建立

4.3.2 分析模型的上限解

4.3.3 上限解的讨论

4.4 考虑渗流力的管棚预支护条件下隧道开挖面三维稳定性极限分析

4.4.1 分析模型的建立

4.4.2 分析模型的上限解

4.4.3 隧道开挖面渗流力的确定

4.4.4 隧道开挖面稳定性评价

4.4.5 上限解的讨论

4.5 本章小结

5 基于有限元的隧道开挖面正面预支护与管棚预支护参数分析

5.1 管棚预支护条件下隧道开挖面正面预支护参数分析

5.1.1 有限元模型的建立

5.1.2 有限元结果分析

5.2 管棚预支护体系的参数分析

5.2.1 开挖步距对管棚预支护效果的影响

5.2.2 管棚布置方式对管棚预支护效果的影响

5.3 考虑渗流压力的管棚预支护参数分析

5.3.1 有限元模型的建立

5.3.2 有限元结果分析

5.4 本章小结

6 管棚预支护条件下隧道开挖面稳定的可靠度研究

6.1 管棚预支护条件下隧道开挖面稳定的极限状态方程

6.1.1 开挖面极限支护压力

6.1.2 隧道开挖面失稳判据

6.1.3 BP神经网络

6.1.4 隧道开挖面正面预支护力的确定

6.1.5 隧道开挖面稳定的极限状态方程

6.2 管棚预支护条件下隧道开挖面稳定的可靠度计算方法

6.2.1 粒子群优化算法的基本原理

6.2.2 粒子群优化算法控制参数

6.2.4 基于粒子群算法求可靠度指标β的数学模型

6.3 算例

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢

作者简介