大斷面黃土隧道支護結(jié)構(gòu)受力特性及應(yīng)用

大斷面黃土隧道支護結(jié)構(gòu)受力特性研究及應(yīng)用山西省交通科學(xué)研究院孫志杰匯報內(nèi)容項目背景

項目技術(shù)路線項目研究內(nèi)容主要技術(shù)創(chuàng)新知識產(chǎn)權(quán)及第三方評價推廣應(yīng)用及經(jīng)濟社會效益項目背景50年代前，采用單工序，采用先拱后墻法，靠人工開挖，事故多；50~70年代采用上下導(dǎo)坑法較多，以手工工具為主，襯砌厚度偏大；80年代以后采用新奧法，非爆破機械配合人工開挖；總體上從單一工序→多種工序；從小斷面→全斷面→大斷面不斷發(fā)展的過程。項目背景項目背景日本隧道的劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分開挖斷面積(m2)說明標(biāo)準(zhǔn)斷面70~80雙車道大斷面100~140有人行道的雙車道超大斷面>140與路面寬同的三車道國際隧協(xié)的斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分凈空截面積(m2)超小斷面<3.0小斷面3.0~10.0中等斷面10.0~50.0大斷面50.0~100.0超大斷面>100.0項目背景開挖后的應(yīng)力重分布變得不利。與近圓形隧道相比，將出現(xiàn)更大的塑性區(qū)和更大的變形，需要更強大的支護結(jié)構(gòu)來保持隧道的穩(wěn)定；底腳處的應(yīng)力集中過大,要求較大的地基承載力。拱頂不穩(wěn)定。隧道寬度的擴大將大大增加拱頂圍巖內(nèi)的拉應(yīng)力，導(dǎo)致拱頂?shù)魤K等失穩(wěn)現(xiàn)象。大斷面隧道支護結(jié)構(gòu)將承受更大的松弛荷載。支護結(jié)構(gòu)的承載力相對較小。管棚支護效果AddyourTitle在大斷面黃土隧道管棚預(yù)支護的設(shè)計和施工中，目前多采用工程類比法，采用工程類比法設(shè)計的黃土隧道管棚預(yù)支護的各項參數(shù)是否合理經(jīng)濟，從而更好地控制施工成本是急需解決的問題。項目背景錨桿設(shè)計參數(shù)AddyourTitle在硬巖和軟巖支護中，錨桿有著良好的適用性，可以取得較好的支護效果。但是黃土的強度低，大跨度及大斷面隧道開挖時穩(wěn)定性差，圍巖變形大，使得大斷面黃土隧道錨桿設(shè)計遇到難題。項目背景拱架選型鋼拱架：截面大、剛度大、初期承載能力強，可立即承載；不足：存在收縮裂縫、背后空洞難充填、密實。格柵：接觸面積大、粘結(jié)效果好，易協(xié)同變形、共同受力，造價低；不足：抵抗初始變形的能力差，整體剛度低。項目背景平定-陽泉高速公路三車道黃土隧道一般斷面最大開挖面積164m2，加寬斷面最大開挖面積201m2。項目背景項目技術(shù)路線項目技術(shù)路線項目研究內(nèi)容項目研究內(nèi)容大斷面黃土隧道管棚作用機理研究及應(yīng)用

；大斷面黃土隧道支護結(jié)構(gòu)中錨桿作用機理研究及應(yīng)用

；

大斷面黃土隧道支護結(jié)構(gòu)中鋼架作用機理研究及效果評價

。

1.1推導(dǎo)了深、淺埋隧道管棚受力荷載的計算圖示及圍巖壓力公式。作用在管棚上的圍巖壓力

深埋隧道管棚荷載計算圖示

淺埋隧道管棚荷載計算圖示

研究內(nèi)容一：超前管棚預(yù)支護體系1.2建立了管棚力學(xué)模型，并基于MATLAB編制計算程序進行優(yōu)化計算。

管棚的控制微分方程隧道開挖過程管棚受力模型圖示

程序計算結(jié)果研究內(nèi)容一：超前管棚預(yù)支護體系管棚撓度曲線管棚彎矩曲線1.2建立了管棚力學(xué)模型，并基于MATLAB編制計算程序進行優(yōu)化計算。

研究內(nèi)容一：超前管棚預(yù)支護體系不同隧道埋深

不同開挖步距

1.蹈3管棚你預(yù)支仁護條雙件下叔隧道每施工類過程塌的三鞏維數(shù)巾值模餓擬研有究整體涌模型管棚艱體系獨模型何圖示研究內(nèi)塵容一：催超前管呆棚預(yù)支走護體系1.3管棚每預(yù)支媽護條貝件下賓隧道屋施工限過程船的三循維數(shù)商值模稀擬研呀究開挖8m管棚彎鋒矩開挖14薄m管棚彎械矩研究內(nèi)顛容一：碎超前管莖棚預(yù)支蓬護體系管棚今豎向秋位移管棚水樂平位移1.弦3管棚飼預(yù)支遼護條島件下陵隧道父施工私過程柄的三梅維數(shù)交值模全擬研利究不采拴用管遙棚注億漿采用管岔棚注漿三車惡道研究內(nèi)白容一：筑超前管秧棚預(yù)支糠護體系不同斷肥面管棚擺支護圍逃巖位移零對比1.3管棚預(yù)蝕支護條鼠件下隧苦道施工總過程的刃三維數(shù)州值模擬汗研究不采熱用管妥棚注肚漿采用管賣棚注漿三車惹道研究內(nèi)煮容一：手超前管團棚預(yù)支僚護體系不同斷葵面管棚恐支護初掠支受力袍對比1.4管棚震預(yù)支郵護體廉系參荒數(shù)優(yōu)犁化的統(tǒng)三維右數(shù)值層模擬廈研究打設(shè)角除度0°打設(shè)錢角度5°打設(shè)故角度偉10廁°間距30選cm間距40艱cm間距興50恥cm研究內(nèi)羊容一：燃超前管箏棚預(yù)支臟護體系1.桌4管棚柜預(yù)支倡護體蹲系參舟數(shù)優(yōu)材化的壇三維堪數(shù)值儉模擬態(tài)研究角度三車伍道兩車道角度拱頂沉斯降間距間距研究賣內(nèi)容問一：靜超前軋管棚袖預(yù)支舒護體饒系1.4管棚預(yù)嗚支護體到系參數(shù)芳優(yōu)化的蛋三維數(shù)停值模擬鉤研究三車道兩車道水平完位移角度角度間距間距研究蠻內(nèi)容肢一：終超前魯管棚煤預(yù)支偶護體逆系1.騙4管棚諷預(yù)支妙護體嫂系參贊數(shù)優(yōu)群化的赴三維擊數(shù)值岔模擬捧研究角度三車魔道兩車道角度地表沉侮降間距間距研究龜內(nèi)容愧一：財超前娘管棚憐預(yù)支芝護體滾系1.4管棚預(yù)見支護體撈系參數(shù)稱優(yōu)化的徒三維數(shù)哀值模擬盼研究角度三車懷道兩車月道角度拱頂豬管棚天豎向殺彎矩間距間距研究敏內(nèi)容博一：積超前墨管棚槐預(yù)支露護體夏系2.嫩1推導(dǎo)漸了錨桿辣界面廣剪應(yīng)帳力分姨布，對土層伏及錨剝桿參厲數(shù)的影屑響進詳行分誕析。錨桿剪鞭力分布窩曲線土層中遵錨桿剪曉應(yīng)力分闖布情況錨桿近格端的剪盟應(yīng)力錨桿中淹性點到狠終端的堤剪應(yīng)力研究觀內(nèi)容殼二：吸錨桿驚支護妙體系2.1推導(dǎo)惱了錨桿吉界面違剪應(yīng)壁力分番布，對土層鍵及錨括桿參結(jié)數(shù)的影響椅進行分服析。不同泊飼松比不同坊洞徑崗條件洞室不沖同位置榮處不同么側(cè)壓鋼力系逗數(shù)研究內(nèi)伸容二：伸錨桿支征護體系2.2系統(tǒng)錨海桿設(shè)置優(yōu)屆化分析研究任內(nèi)容秋二：注錨桿蠅支護拾體系1.0m1.2m不同錨桿間距的支護結(jié)構(gòu)模型圖(錨桿長3.5m)

0.8m0.6m系統(tǒng)錨桿優(yōu)化工況

2.2系統(tǒng)錨參桿設(shè)置優(yōu)賴化分析僅邊舌墻全環(huán)設(shè)倉置僅拱部不同錨桿設(shè)文置方式埋下錨桿惱軸力圖錨桿布猴設(shè)方式研究朱內(nèi)容淘二：追錨桿屯支護擊體系2.控2系統(tǒng)糕錨桿設(shè)置錢優(yōu)化觸分析仰拱搶隆起地表準(zhǔn)沉降拱頂蘆下沉不同錨桿設(shè)版置方式誰下圍巖位移亦圖錨桿逐布設(shè)船方式研究狠內(nèi)容查二：巴錨桿蹦支護養(yǎng)體系水平怎位移2.2系統(tǒng)錨即桿設(shè)置優(yōu)鏟化分析仰拱隆膝起水平冰位移地表沉民降拱頂下泉沉錨桿環(huán)涌向間距志與長度研究咬內(nèi)容拘二：什錨桿編支護拾體系不同錨桿設(shè)臉置方式冊下圍巖位移圖曲線2.3鎖腳持錨桿設(shè)置腫優(yōu)化殃分析鎖腳錨桿設(shè)置優(yōu)化計算工況研究盆內(nèi)容誦二：仗錨桿讀支護元體系兩車樸道三車道鎖腳錨桿2.3鎖腳錨違桿設(shè)置補優(yōu)化頭分析錨桿撈打設(shè)甜角度溉與長備度兩車道三車島道研究柳內(nèi)容葵二：衣錨桿籮支護礎(chǔ)體系不同蠻工況覽下拱介頂下狹沉曲妹線圖2.參3鎖腳算錨桿設(shè)置貼優(yōu)化蛾分析不同工斗況下水晌平位移綁曲線圖錨桿腎打設(shè)死角度車與長零度研究內(nèi)幻玉容二：數(shù)錨桿支井護體系兩車道三車道2.場3鎖腳錨顆桿設(shè)置優(yōu)李化分析不同工沾況下拱促頂下沉圖鎖腳凱錨桿歡數(shù)量研究內(nèi)依容二：收錨桿支膛護體系兩車供道三車道2.違3鎖腳錨專桿設(shè)置優(yōu)屑化分析不同工般況下水平幟位移向圖鎖腳槐錨桿嗎數(shù)量研究內(nèi)擔(dān)容二：瓜錨桿支第護體系兩車道三車道3.枝1隧道初支笑與圍強巖相互現(xiàn)作用眾研究不同型虛號格柵帽鋼架支鄭護特征波曲線不同提噴層爺厚度佳的噴右射混喊凝土執(zhí)支護五特征忠曲線不同型楚號型鋼跳鋼架支犬護特征頂曲線研究內(nèi)維容三：役鋼架支牢護體系3.2鋼-砼分離的精細(xì)沃化噴砼塊鋼架蜂支護呼體系訂作用漲效果垮分析格柵辨鋼架叛模型型鋼鋼緒架模型噴砼-鋼架什支護枕體系夜結(jié)構(gòu)預(yù)模型排圖研究內(nèi)洗容三：拳鋼架支斧護體系3.皮2鋼-砼分閉離的精細(xì)化噴砼搖鋼架買支護皆體系吊作用乎效果山分析型鋼鋼阿架受力鋼架踢應(yīng)力自監(jiān)測證示意漢圖研究吃內(nèi)容賓三：顆鋼架蹈支護瓜體系3.2鋼-砼分離的精細(xì)化噴砼鋼全架支護鼠體系作墾用效果變分析型鋼鞠鋼架良受力研究貢內(nèi)容篇三：掩鋼架庭支護陡體系鋼架內(nèi)扶側(cè)翼緣蜓環(huán)向應(yīng)首力不同嘩型鋼醉鋼架揭內(nèi)側(cè)紫翼緣弱環(huán)向格應(yīng)力崖分布廟規(guī)律丑除仰存拱外誼均受倦壓，劣應(yīng)力地大小麥順序篩：墻回腳>墻腰>拱腳>拱腰>拱頂夾。應(yīng)力涌隨鋼盒架型歡號變粒化規(guī)統(tǒng)律同幫一型俗號：B<哭A，同跪一型克號應(yīng)川力相窩差不輛大，夏不同敗型號洲：I2避2<吼I2限0<閃I1如8。3.饑2鋼-砼分離的精細(xì)化噴砼菌鋼架羊支護油體系延作用吧效果雀分析型鋼鋼究架受力研究滋內(nèi)容浮三：疫鋼架貿(mào)支護側(cè)體系鋼架外嗓側(cè)翼緣跟環(huán)向應(yīng)雕力鋼架極外側(cè)液翼緣湖環(huán)向林應(yīng)力擁分布頓規(guī)律關(guān)除墻些腰到則墻腳永附近欲范圍險受拉汗外其僵余部號位均衣受壓窩，應(yīng)魄力大耗小順饞序：乘墻腳>拱腳西、拱攔腰>拱頂>仰拱>墻腰。應(yīng)力大憐小隨鋼笑架型號投變化規(guī)攪律墻腰室處：I2提2>戚I2盡0>軌I1并8，墻由腳處籌：I20敗>I1稠8>I顧22。3.2鋼-砼分哄離的精細(xì)治化噴砼鋼姥架支護均體系作冤用效果查分析型鋼鋼撲架受力研究韻內(nèi)容疏三：嶺鋼架長支護污體系鋼架腹暑板1/2高度夏處環(huán)局向應(yīng)手力鋼架腹猶板1/2高度浮處環(huán)違向應(yīng)我力分為布規(guī)搬律相炎同，馬均受譜壓，族應(yīng)力喂大小撕順序襯：拱趴腳>墻腰>拱腰>墻腳>拱頂>仰拱辛。應(yīng)力大駐小隨鋼引架型號折變化規(guī)察律同一仙型號：B<A，同一粗型號應(yīng)眾力相差透不大，寒不同型老號：I2漂2<擋I2非0<云I1鍵8。3.佛2鋼-砼分邁離的精細(xì)化噴砼頂鋼架順支護扒體系總作用繩效果射分析型鋼鋼鑄架受力研究內(nèi)褲容三：腸鋼架支乏護體系鋼架咸腹板陳不同監(jiān)高度的處徑揮向應(yīng)掛力型鋼赴鋼架嗽腹板作不同胸高度貓?zhí)帍娇葡驊?yīng)掀力均種為壓換應(yīng)力愧，拱蠢腰、識墻腳妹隨腹哄板截鬼面高脹度的渴增加糊減小呼，其賣他部線位隨搭高度晴的增紐奉加增享加。應(yīng)力陪大小權(quán)隨鋼趟架型兩號變肝化規(guī)最律同捉一型容號同遭一型奮號應(yīng)胸力相悠差不社大，柱不同描型號咱：I20地<I2咸2。3.2鋼-砼分紅離的精細(xì)化噴砼約鋼架云支護騰體系管作用錦效果群分析格柵鋼申架受力外層內(nèi)層研究捷內(nèi)容紫三：欣鋼架抬支護拖體系環(huán)向鋼鎮(zhèn)筋軸力3.2鋼-砼分喪離的精細(xì)化噴砼鋼索架支護迷體系作便用效果鼠分析格柵鋼吃架受力外層內(nèi)層研究內(nèi)噸容三：窩鋼架支往護體系環(huán)向鋼幫筋彎矩3.羊3不同嗎圍巖袍級別搏鋼架喊支護次效果慘研究研究內(nèi)賭容三：牲鋼架支指護體系計算在模型本隧道滔埋深1.2不D，鋼驢架選度擇格潮柵18、I1室8、格柵20、I20潮A、I2插0B、格柵22、I22遭A、I22集B型共8種類聚型的跪鋼架易。3.脅3不同圍兇巖級別渣鋼架支肌護效果韻研究型鋼鋼春架翼緣洽受力研究錄內(nèi)容闖三：開鋼架胡支護顯體系墻腰環(huán)向啄應(yīng)力墻腳威環(huán)向舉應(yīng)力墻腰環(huán)困向均受撕壓力，恩隨著圍么巖強度庫的降低逗，墻腰褲環(huán)向應(yīng)巖力增大惕，從IV典a級圍拐巖時勞的80M姜Pa左右增烘大到Vb級圍滾巖時俗的180泳MPa左右。燙且V級圍巖涂的增加浴幅度大爛于IV級圍菊巖；同一圍否巖級別和條件下腥，應(yīng)力掘大小依籮次為：I2剛0>岔I1文8>足I2賄2。3.3不同圍隔巖級別蹦鋼架支兵護效果呼研究型鋼鋼包架腹板船受力研究內(nèi)聞容三：到鋼架支瞧護體系拱腳環(huán)耳向應(yīng)力拱腰環(huán)巷向應(yīng)力拱腰環(huán)盼向均受削壓力，嫁隨著圍版巖強度遠(yuǎn)的降低頸，墻腰電環(huán)向應(yīng)纖力增大組，且V級圍突巖的湖增加浸幅度勞和IV級圍艙巖基踐本相工同；拱腳筒環(huán)向宴均受桌壓力逝，但創(chuàng)應(yīng)力遍并不蝴隨著訂圍巖狼強度毫的降惠低而至一直鮮增大散，且襖在I22鋼架支袖護條件淹下，拱委腳環(huán)向仿應(yīng)力隨偽圍巖級威別的變吐化幅度陷很小，圣基本相準(zhǔn)同。3.3不同鈔圍巖抹級別潛鋼架恢支護盼效果確研究研究扇內(nèi)容夕三：奸鋼架銅支護仍體系綜合料鋼架譯對圍豈巖變圾形的論控制覽效果濕和鋼討架、燙噴射洪混凝鐮土結(jié)嗽構(gòu)自小身的顯受力英：IV級圍普巖條福件下室，IV演a級圍意巖推四薦選伸擇格賽柵18型鋼架沈，IV省b級圍巖余推薦選蔑擇I1辣8型鋼架市。V級圍窯巖條君件下走，Va級圍巖急推薦選待擇格柵22型拱架論，Vb級圍巖練推薦選窮擇I22松A型拱架梨。主渠要族技滅術(shù)丘創(chuàng)北新建立了管棚力學(xué)模型，并基于MATLAB編制管棚計算程序。建立了鋼管漿液分離的管棚數(shù)值模型，并揭示了管棚受力規(guī)律。推薦了V級黃土地區(qū)兩車道、三車道隧道錨桿的布置方式。建立了鋼砼分離的精細(xì)化鋼架數(shù)值模型，推薦了鋼架支護參數(shù)。主必要院技宇術(shù)附創(chuàng)盒新模型柔結(jié)構(gòu)煉圖模型觀方程創(chuàng)新點一：建立了管棚力學(xué)模型并編制計算程序?？煽紤]掌子面水平位移，與傳統(tǒng)管棚模型(無法考慮)相比，更接近管棚真實受力情況。建立擾了變基床縫系數(shù)下管棚槳的彈見性地洽基梁納模型勒。計算程序創(chuàng)新點一：建立了管棚力學(xué)模型并編制計算程序。程序可對管棚的變形和受力進行分析，便于調(diào)式和操作具有開放性，可進行二次開發(fā)?；贛A秋TL歌AB編制偉管棚種模型翅的力學(xué)仍計算龜程序。部分前處理程序部分分析程序部分后處理程序管棚撓度曲線管棚彎矩曲線創(chuàng)新點二：建立了鋼管-漿液分離的管棚數(shù)值模型。管棚采用梁單元模擬，注漿加固區(qū)采用實體單元模擬?？芍苯臃治霾煌恢霉芘锸芰妥冃巍缀文Ｐ陀邢拊Ｐ蛣?chuàng)新點二：建立了鋼管-漿液分離的管棚數(shù)值模型。當(dāng)隧道圍巖豎向變形較大時管棚應(yīng)采用大打設(shè)角度，當(dāng)圍巖水平收斂較大時管棚可采用小打設(shè)角度。揭示晚了黃慶土隧抱道管顧棚打設(shè)角捏度和間睬距對圍巖和管棚的影響喊規(guī)律。不同斷蒼面管棚違打設(shè)角危度和間叉距對圍論巖水平赴位移較霜豎向位抵移敏感哨，管棚消大打設(shè)等角度時落拱頂沉粗降小，圣小打設(shè)巡壽角度時刺水平位日移小；不同斷易面隧道卻拱頂管扁棚均以京承受豎墻向彎曲州為主，溉拱腳管努棚豎向崗和橫向朋均承受產(chǎn)較大彎犧矩。不同斷疲面圍巖則位移和竹管棚豎精向、橫籃向彎矩載受管棚單打設(shè)角扁度影響股程度大歇于管棚纖間距。創(chuàng)新點三：推薦了系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿布設(shè)參數(shù)。建議在拱部和邊墻都設(shè)置錨桿，但拱部錨桿較邊墻錨桿設(shè)置稀疏，且隧道兩邊墻腳部位可以各減去少數(shù)錨桿。推薦了V級黃土架地區(qū)三蜂車道隧伏道系統(tǒng)錨桿的布設(shè)揮參數(shù)。V級圍巖址三車道傲黃土隧愈道系統(tǒng)扁錨桿拱停部布設(shè)盯參數(shù)：氣在拱部罰采用環(huán)向1.0豬m間距，3.昨0m長直徑22獨mm錨桿；V級圍幣巖三盤車道盛黃土有隧道捏系統(tǒng)晚錨桿杠邊墻杠布設(shè)政參數(shù)絮：邊痛墻采軌用環(huán)向0.8臨m間距，3.0旅m長直徑22嬸mm錨桿。創(chuàng)新點三