隧道掌子面失稳模式及超前锚杆加固机理的研究

摘要

以全断面开挖工法-新意法为背景，对隧道掌子面的失稳模式进行研究。对掌子面稳定性问题提出新的分析模式，并基于该模式对掌子面稳定系数进行分析；基于锚杆-土体相互作用模型对超前锚杆加固机理进行分析，并对超前锚杆加固效果的影响参数进行分析。
　　首先，基于试验观测结果，利用极限平衡法构造全断面开挖隧道掌子面失稳模式-四分块失稳模式，利用上限原理计算不同条件下掌子面的稳定系数。在不考虑土体容重的情况下，四分块失稳模式求得稳定系数上限解要比Davis失稳模式的上限解大；但随着土体容重或开挖直径的增大，四分块模式求得上限解要比Davis失稳模式更接近下限解，这就说明四分块模式更适用于容重较大的土体或者开挖直径较大的隧道。考虑内摩擦角对稳定系数的影响时，稳定系数随着内摩擦角的增大而增大，而且增大的幅度较大，这说明内摩擦角对土体稳定性的影响显著，是我们进行土体稳定性分析时必须考虑的因素之一。
　　然后，建立锚杆-土体相互作用模型，以掌子面超前核心土挤出变形为参量，分析锚杆-土体变形耦合情况下超前锚杆的加固机理。基于超前锚杆加固机理提出加固系数k来计算锚杆加固效果，分析各项参数对加固效果的影响，发现超前锚杆加固效果与锚固段长度、锚杆弹性模量、锚杆横截面积、锚杆布置密度、土体弹性模量及变形情况相关。结合理论推导与数值拟合的方法分析超前锚杆锚固段长度与锚杆长度的关系。针对锚杆与土体表面出现滑移的情况，分析锚杆的加固机理，并基于变形解耦时的加固机理对锚杆滑移段长度进行计算。
　　最后，利用有限差分软件 FLAC3D对隧道开挖进行数值模拟，利用隧道临界破坏状态观察掌子面的失稳模式；同时对隧道开挖过程进行数值模拟，利用隧道掌子面挤出变形与差分挤出变形的情况分析锚杆与土体的各项参数对加固效果的影响。
　　本文研究结果可为隧道掌子面稳定性问题提供新的分析模式，为超前锚杆参数设计及其加固效果的评估提供理论指导。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3存在的主要问题

1.4本文主要内容

第二章 全断面开挖隧道掌子面失稳模式分析

2.1 隧道变形及掌子面不稳定形式

2.2二维四分块失稳模式的构造

2.3四分块失稳模式下掌子面稳定系数分析

2.4本章小结

第三章 超前锚杆加固机理的研究

3.1 新意法预加固措施及原理简介

3.2变形耦合条件下的加固机理分析

3.3 变形解耦情况下的加固机理

3.4超前锚杆加固效果影响因素分析

3.5 本章小结

第四章 掌子面临界破坏状态及挤出变形影响因素数值分析

4.1掌子面临界破坏状态

4.2掌子面挤出变形分析

4.3掌子面差分挤出变形分析

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文工作总结

5.2研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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