大断面黄土隧道支护结构力学特性研究

摘要

我国黄土分布幅员辽阔,近年来在黄土分布地区修建了大量的铁路干线、支线和专用线。在此期间,施工建设中出现了不少围岩大变形、渗漏水、衬砌开裂等问题。因此,支护结构的合理设计是黄土隧道设计的关键环节,这就要求对支护结构的力学特性有充分的认识和了解。由于实际工程地质的复杂性以及施工等因素的不确定性,目前针对大断面黄土围岩条件下的隧道支护结构受力特征的具体研究很少,设计上的诸多困惑已经严重制约了黄土隧道建设的发展。论文结合在建铁路黄土隧道,对管棚预支护力学特性,初期支护、二次衬砌受力特性,围岩—初支和初支—二衬相互作用关系等进行了系统深入研究,主要研究成果如下:
　　 1)采用数值模拟,对大断面黄土隧道不良地质段,分别采用普通支护(即无预支护措施)、长管棚预支护条件下隧道的开挖和施工过程进行全真三维模拟,并根据计算结果对管棚预支护体系的力学特性及支护效果进行综合分析;
　　 2)采用数值模拟,分析大断面黄土隧道在不同初期支护时机、不同初期支护刚度情况下,支护结构、围岩受力状态和力学行为变化情况。基于控制围岩变形为核心,对大断面黄土隧道施工中,初支施作时机,初支刚度的选择给出了合理的建议;
　　 3)采用数值模拟,对于二次衬砌/初期支护,两者不同刚度比情况下,支护结构自身受力,围岩—初支及初支—二衬这两种结构界面压应力传递规律进行了总结分析;
　　 4)采用现场监测,得到了黄土隧道初期支护、二次衬砌受力规律。黄土具有明显的流变特性,支护结构受力很大一部分承受围岩流变产生的附加荷载。另外,支护结构受力在空间上分布并不均匀对称,这些在设计中都应加以考虑。