【博士】隧道管棚預(yù)支護體系的力學(xué)機理與開挖面穩(wěn)定性研究【2009】

內(nèi)容簡介

　　學(xué)科專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：大連理工大學(xué)　　學(xué)位年度： 2009年　　在軟弱破碎地層中修建山嶺隧道，或采用淺埋暗挖法修筑城市地鐵隧道時，為了防止隧道發(fā)生塌方、有效控制地表沉降，并全面保證圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，常采用一些輔助措施對圍巖進行預(yù)支護。管棚預(yù)支護是其中廣泛使用的一種隧道頂部預(yù)支護措施。該技術(shù)是在擬開挖的隧道外周邊鉆設(shè)水平孔，然后安裝鋼管，再進行灌漿固結(jié)，使拱頂形成加固的傘形保護環(huán)，在該保護環(huán)的支撐下，進行循環(huán)掘進和支護施工。該技術(shù)能同時提高隧道周邊圍巖的強度及抗?jié)B性能，從而保證隧道的安全施工。本文以隧道施工過程中管棚的力學(xué)機理及管棚預(yù)支護條件下隧道開挖面的穩(wěn)定性為研究對象，利用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗等多種研究手段，得到一些直接應(yīng)用于工程實踐或供理論參考的研究成果。主要研究內(nèi)容如下：　　(1)借鑒隧道圍巖壓力確定方法的合理觀點，綜合考慮了隧道埋深、圍巖條件、開挖條件以及管棚作為臨時支護結(jié)構(gòu)的特點等因素，分別推導(dǎo)了深、淺埋隧道管棚受力荷載的計算公式，并基于Pastemak彈性地基梁理論建立了管棚的力學(xué)分析模型。以二郎山隧道為工程實例，分別采用Winkler模型和Pastemak模型對隧道施工過程中管棚的力學(xué)行為進行計算，并將理論計算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果進行比較。對比分析表明：在開挖面附近，Pastemak模型較Winkler模型的計算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果吻合更好，但隨著距開挖面距離越來越遠，理論計算曲線較現(xiàn)場測試曲線衰減的更快。管棚的設(shè)計參數(shù)分析表明：管棚長度及鋼管直徑均存在最佳值?！　?2)采用三維彈塑性有限元分析軟件對喬莊隧道入口管棚預(yù)支護段的施工過程進行數(shù)值模擬，并在隧道施工過程中，進行了現(xiàn)場量測試驗。通過數(shù)值模擬，重點分析了隧道開挖過程中管棚、隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)的受力與變形特征，并對管棚預(yù)支護條件下隧道開挖面的穩(wěn)定性進行了評價。通過現(xiàn)場量測試驗，得到了鋼支撐、噴射混凝土和二次襯砌等支護構(gòu)件的受力和地表沉降及圍巖位移收斂狀況。有限元計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果吻合較好，說明采用現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)控量測與有限元仿真模擬相結(jié)合的方法，可為管棚預(yù)支護條件下隧道的設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)?！　?3)將塑性極限分析上限定理與強度折減技術(shù)相結(jié)合，建立了隧道開挖面三維穩(wěn)定性分析模型，經(jīng)算例分析驗證了其合理性；在此基礎(chǔ)上，改進力學(xué)模型應(yīng)用于管棚預(yù)支護條件下隧道開挖面穩(wěn)定性分析及考慮滲流力的管棚預(yù)支護條件下隧道開挖面穩(wěn)定性分析，由此確定開挖面穩(wěn)定系數(shù)及其相應(yīng)的潛在破壞模式，對隧道開挖面的穩(wěn)定性進行定量的描述。分析滲流力及管棚預(yù)支護對開挖面穩(wěn)定性的影響，并對隧道埋深、地下水位、隧道洞徑及圍巖條件等影響開挖面穩(wěn)定的因素進行討論。研究表明：滲流力嚴重影響開挖面的穩(wěn)定性，采用管棚預(yù)支護技術(shù)可以有效地減小隧道開挖面滲流力，但不考慮滲流力時，管棚預(yù)支護技術(shù)對提高開挖面穩(wěn)定性的效果并不明顯。　　(4)基于三維彈塑性有限元方法對隧道開挖面正面預(yù)支護及管棚預(yù)支護進行了參數(shù)分析。研究了有無管棚預(yù)支護條件下不同核心土長度、不同臺階長度、不同開挖步距、不同管棚布置方式以及在有無地下水情況下，不同管棚預(yù)支護長度、不同地下水位時，隧道開挖對管棚力學(xué)行為、地層沉降及開挖面穩(wěn)定性的影響?？偨Y(jié)一些規(guī)律性的認識，為復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工及管棚預(yù)支護設(shè)計提供一定參考?！　?5)采用三維彈塑性有限元數(shù)值模擬方法，研究管棚預(yù)支護條件下隧道開挖面極限支護力；以不同工況下地層參數(shù)及其極限支護壓力比作為樣本，待BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完畢后，即可預(yù)測大量給定地層參數(shù)工況下的開挖面極限支護壓力比，對其進行統(tǒng)計，得到概率分布特征；在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實際，建立了管棚預(yù)支護條件下隧道開挖面穩(wěn)定的極限狀態(tài)方程，運用粒子群優(yōu)化算法，對其進行可靠度分析。本文除能科學(xué)合理的評價管棚預(yù)支護條件下開挖面的穩(wěn)定程度外，對軟弱圍巖條件下，隧道開挖面正面預(yù)支護措施的合理設(shè)計與選擇也具有一定的參考作用?！　?

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