软弱围岩隧道掌子面稳定性控制及预加固技术研究

摘要

目前我国各类交通土建工程如高速铁路、公路及城市地铁等建设全面展开，穿越软弱、破碎围岩等不良地质段的隧道工程不断增加。而软弱围岩隧道的修建一直是隧道设计和施工的技术难点。鉴于此，本文对软弱围岩隧道掌子面稳定性控制及预加固技术的关联性问题，开展了全面、系统、深入的研究工作。主要工作和成果如下:
　　(1)采用极限平衡法，建立了掌子面稳定分析水平条分模型，该模型能有效克服垂直划分的条块与加固结构体锚杆等存在交叉的缺点，并提出了掌子面锚杆加固等效压力系数ka，该系数能方便用于水平条分模型中，能较为准确地对掌子面锚杆加固效果进行模拟，基于该模型，分析了土体参数、掌子面锚杆加固强度等因素对维持掌子面稳定所需极限支护力的影响进行研究。
　　(2)基于极限分析上限定理，建立隧道掌子失稳破坏模型，该模型能考虑未支护段及掌子面锚杆加固等预加固手段对掌子面稳定性的影响。基于该模型，分析了未支护段长度、土体参数、隧道埋深、未支护段支护力、掌子面锚杆加固强度等因素，对维持掌子面稳定所需极限支护力的影响进行研究。该模型能有效模拟隧道深浅埋不同的破坏模式，并对纵向拱效应进行模拟。
　　(3)以围岩与支护结构相互作用为基础，建立了掌子面前方围岩变基床系数下的管棚双参数弹性地基梁有限差分力学分析模型，系统分析了隧道开挖过程中的管棚的变形、受力特征及传递荷载特性，并研究了开挖进尺、基床系数、掌子面加固强度、隧道埋深等因素对管棚作用特性的影响。
　　(4)采用GFRP筋与混凝土粘结锚固性能试验，得出钢筋与纤维筋粘结比例系数为1.2～1.5，确定了GFRP筋最小锚固长度取为20倍筋材直径。修订了GFRP筋与混凝土间粘结滑移CMR模型中的sr、β参数，该参数与试验具有较好拟合度，具有一定的可靠度及安全度。提出了GFRP筋锚杆剪切刚度求解公式，该公式对于纤维筋锚杆剪切刚度具有良好的模拟性。
　　(5)采用大型室内相似模拟试验手段，研究了管棚作用机理，管棚能将荷载向掌子面前方传递1.25～3.75m，可认为管棚能将传递到掌子面上的荷载作用位置向掌子面前方转移约为0.1～0.3D，管棚传递荷载的特性主要是发挥荷载传力梁作用将荷载进行分散传递，减小荷载集中。
　　(6)研究发现掌子面锚杆加固围岩稳定和控制掌子面变形机制与纵向压力拱效应密切相关。掌子面锚杆所引起的纵向压力拱的范围(0.6D)要小于管棚、小导管结果。掌子面锚杆能促进纵向拱效应在近距离内形成，充分调动和发挥围岩的自承能力，从而控制掌子面前方围岩的变形及防止围岩失稳塌方。
　　(7)通过对采用不同加固措施条件下隧道未支护段围岩稳定性，得出小导管和管棚对上部围岩的位移控制属于“被动式”控制，其是通过控制下部围岩的位移而实现对上部围岩的位移限制;掌子面锚杆对未支护段上部围岩的位移控制属于“主动式”控制，掌子面锚杆通过前方“待挖核心土”的加固，可以促进开挖后地层拱的形成，抑制变形向深部岩体扩展。
　　(8)研究洞内预加固（掌子面锚杆）与洞周预加固（管棚、小导管）技术联合工作特性，得出正面锚杆和超前小导管的联合使用可集合掌子面锚杆在控制掌子面挤出变形及深部岩体变形的优势和小导管在未支护段控制拱顶附近围岩变形的优势。在联合支护体系中，二者对围岩变形的控制效果不会相互抵消，正面锚杆起主要作用，小导管只起辅助作用。
　　(9)对不同施工方法下软弱围岩隧道围岩应力、变形和塑性区综合分析，得出全断面预加固工法优于三台阶七步法，而三台阶七步法优于双侧壁导坑法。全断面预加固工法通过掌子面锚杆超前加固核心土，增加待挖核心土的强度和刚度，可以显著控制围岩的变形。与其他工法相比，全断面预加固工法开挖施工空间大，能引入大型施工机械，采用更大的开挖进尺，可兼顾工程造价、施工速度与施工安全，具有很高的综合优势。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道超前支护预加固技术

1．2．2 隧道开挖面稳定性研究综述

1．2．3 纤维筋锚杆应用现状

1．2．4 存在的问题

1．3 研究内容与方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 软弱围岩隧道掌子面稳定性分析

2．1 极限平衡理论掌子面稳定分析模型

2．1．1 极限平衡理论

2．1．2 模型建立及分析

2．1．3 算列分析

2．2 极限分析上限法掌子面稳定分析模型

2．2．1 极限分析理论

2．2．2 模型建立及分析

2．2．3 算例分析

2．3 模型对比分析

2．4 本章小结

第3章 管棚预支护作用机理分析

3．1 管棚理论分析模型

3．2 管棚双参数弹性地基梁有限差分模型

3．2．1 基本假设

3．2．2 模型建立

3．3 实际工程管棚方案设计

3．4 管棚模型计算参数选取

3．5 管棚荷载传递规律及内力分析

3．5．1 winkler与双参数管棚模型对比

3．5．2 不同进尺对比

3．5．3 深浅埋管棚模型对比

3．5．4 掌子面加固对比

3．5．5 理论分析与室内试验

3．6 本章小结

第4章 GFRP筋力学及粘结性能试验

4．1 筋材力学性能试验

4．1．1 试验概况

4．1．2 试验结果分析

4．2 GFRP筋粘结性能试验

4．2．1 试验概况

4．2．2 试验结果分析

4．3 粘结滑移理论模型分析

4．3．1 理论模型

4．3．2 滑移理论结果对比分析

4．3．3 剪切刚度分析

4．4 本章小结

第5章 超前预加固技术相似模拟试验研究

5．1 模拟试验的理论依据

5．2 工程概况

5．3 模型试验概述

5．3．1 相似比的确定

5．3．2 模型相似材料的选取

5．3．3 模型试验装置

5．3．4 试验设计

5．3．5 破坏特征及破坏过程

5．4 试验结果分析

5．4．1 围岩应力场形态

5．4．2 位移形态分析

5．4．3 掌子面锚杆内力分析

5．5 本章小结

第6章 预加固技术及施工方法数值分析研究

6．1 预加固措施机理研究

6．1．1 计算模型与参数选取

6．1．2 计算工况

6．1．3 监控点布置

6．1．4 计算结果分析

6．2 软弱围岩隧道施工方法研究

6．2．1 计算概况

6．2．3 计算模型

6．2．4 计算结果分析

6．3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

参与的科研项目和获得的成果及奖励