大变形隧道长短组合锚杆支护技术研究

摘要

锚杆支护常被有效用于大变形隧道工程中。但应用发现传统等长锚杆的支护方式存在着不能有效联系隧道近远区围岩、锚杆两端剪应力较大导致长度有限等问题,而长短锚杆结合可扬长避短,支护效果更为优越。本文基于常用的锚杆支护理论,分析长短锚杆各自作用机理和参数设计方法,利用数值模拟分析对比等长锚杆和长短锚杆的支护效果,研究长短锚杆各参数对支护效果的影响,并对长短锚杆各参数进行优化研究。研究取得以下主要结论:
　　(1)围岩大变形主要受地质条件、地应力及围岩性质等因素的影响,大变形形成的主要原因是围岩的挤压作用和膨胀变形作用。本文探讨采用围岩强度比(即围岩强度和初始地应力的比值)或者隧道的相对变形量来界定大变形及其分类,认为围岩强度比小于3或者相对变形量大于3％时隧道发生大变形。
　　(2)长短锚杆组合支护中,短锚杆通过限制隧道近区围岩的膨胀变形和破裂面的发展,减少了岩石碎胀变形和裂缝的进一步破坏,并在隧道近区围岩中形成具有一定承载能力的加固组合拱结构,有效加强围岩的整体性和稳定性。长锚杆一方面控制加固组合拱之外围岩的变形,另一方面将加固组合拱结构悬吊于稳定岩体,使近、远区围岩协调变形。
　　(3)等长锚杆和长短锚杆支护效果的数值模拟研究表明,等长锚杆支护中,随着锚杆长度的增加,锚杆的支护效果增加,但增长率逐渐降低,即等长锚杆存在最优长度,而锚杆长度变化后得到的长短锚杆可进一步提高支护效果,说明长短锚杆在联系近、远区围岩变形和发挥围岩自承能力方面具有更好的效果。
　　(4)长短锚杆间距和排列方式的数值模拟优化表明,两者均存在最优值,可以通过调整长短锚杆的间距和排列方式来提高支护效果。根据本文的研究条件,长短锚杆间距1.6m,1根长锚杆搭配3根短锚杆时长短锚杆的支护效果最优。
　　(5)锚杆间距对长短锚杆支护效果的影响最大,其次是长短锚杆的排列方式,第三是长短锚杆的长度。

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1 绪论

1.1 选题依据及研究意义

1.2 本课题国内外研究现状

1.3 本课题拟采取的研究内容、研究方案及技术路线

2 隧道大变形破坏特征及力学机理

2.1 围岩大变形定义

2.2 大变形隧道的变形特征

2.3 围岩大变形的力学机理

2.4 本章小结

3 长短锚杆支护的作用机理和参数设计

3.1 锚杆的力学机理分析

3.2 长短锚杆支护的作用机理

3.3 长短锚杆支护的参数设计

3.4 长短锚杆之间的影响

3.5 本章小结

4 长短锚杆在大变形隧道中支护效果的MIDAS GTS模拟分析

4.1 MIDAS GTS简介

4.2 模型的建立

4.3 大变形隧道锚杆支护的荷载释放系数分析

4.4 等长锚杆支护效果分析

4.5 长短锚杆支护效果分析

4.6 本章小结

5 长短锚杆支护效果的MIDAS GTS优化分析

5.1 长短锚杆不同间距情况下支护效果分析

5.2 长短锚杆不同排列方式情况下支护效果分析

5.3 影响长短锚杆支护效果的主控参数选取

5.4 本章小结

6 结论

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附 录