【博士】隧道管棚預(yù)支護(hù)體系的力學(xué)機(jī)理與開(kāi)挖面穩(wěn)定性研究【2009】

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　　學(xué)科專(zhuān)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(shí)，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(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)支護(hù)。管棚預(yù)支護(hù)是其中廣泛使用的一種隧道頂部預(yù)支護(hù)措施。該技術(shù)是在擬開(kāi)挖的隧道外周邊鉆設(shè)水平孔，然后安裝鋼管，再進(jìn)行灌漿固結(jié)，使拱頂形成加固的傘形保護(hù)環(huán)，在該保護(hù)環(huán)的支撐下，進(jìn)行循環(huán)掘進(jìn)和支護(hù)施工。該技術(shù)能同時(shí)提高隧道周邊圍巖的強(qiáng)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(guò)程中管棚的力學(xué)機(jī)理及管棚預(yù)支護(hù)條件下隧道開(kāi)挖面的穩(wěn)定性為研究對(duì)象，利用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等多種研究手段，得到一些直接應(yīng)用于工程實(shí)踐或供理論參考的研究成果。主要研究?jī)?nèi)容如下：　　(1)借鑒隧道圍巖壓力確定方法的合理觀點(diǎn)，綜合考慮了隧道埋深、圍巖條件、開(kāi)挖條件以及管棚作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)等因素，分別推導(dǎo)了深、淺埋隧道管棚受力荷載的計(jì)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(shí)例，分別采用Winkler模型和Pastemak模型對(duì)隧道施工過(guò)程中管棚的力學(xué)行為進(jìn)行計(jì)算，并將理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。對(duì)比分析表明：在開(kāi)挖面附近，Pastemak模型較Winkler模型的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果吻合更好，但隨著距開(kāi)挖面距離越來(lái)越遠(yuǎn)，理論計(jì)算曲線較現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試曲線衰減的更快。管棚的設(shè)計(jì)參數(shù)分析表明：管棚長(zhǎng)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(duì)喬莊隧道入口管棚預(yù)支護(hù)段的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并在隧道施工過(guò)程中，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)試驗(yàn)。通過(guò)數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了隧道開(kāi)挖過(guò)程中管棚、隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形特征，并對(duì)管棚預(yù)支護(hù)條件下隧道開(kāi)挖面的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)試驗(yàn)，得到了鋼支撐、噴射混凝土和二次襯砌等支護(hù)構(gòu)件的受力和地表沉降及圍巖位移收斂狀況。有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控量測(cè)與有限元仿真模擬相結(jié)合的方法，可為管棚預(yù)支護(hù)條件下隧道的設(shè)計(jì)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(qiáng)度折減技術(shù)相結(jié)合，建立了隧道開(kāi)挖面三維穩(wěn)定性分析模型，經(jīng)算例分析驗(yàn)證了其合理性；在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)力學(xué)模型應(yīng)用于管棚預(yù)支護(hù)條件下隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性分析及考慮滲流力的管棚預(yù)支護(hù)條件下隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性分析，由此確定開(kāi)挖面穩(wěn)定系數(shù)及其相應(yīng)的潛在破壞模式，對(duì)隧道開(kāi)挖面的穩(wěn)定性進(jìn)行定量的描述。分析滲流力及管棚預(yù)支護(hù)對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定性的影響，并對(duì)隧道埋深、地下水位、隧道洞徑及圍巖條件等影響開(kāi)挖面穩(wěn)定的因素進(jìn)行討論。研究表明：滲流力嚴(yán)重影響開(kāi)挖面的穩(wěn)定性，采用管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)可以有效地減小隧道開(kāi)挖面滲流力，但不考慮滲流力時(shí)，管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)對(duì)提高開(kāi)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(duì)隧道開(kāi)挖面正面預(yù)支護(hù)及管棚預(yù)支護(hù)進(jìn)行了參數(shù)分析。研究了有無(wú)管棚預(yù)支護(hù)條件下不同核心土長(zhǎng)度、不同臺(tái)階長(zhǎng)度、不同開(kāi)挖步距、不同管棚布置方式以及在有無(wú)地下水情況下，不同管棚預(yù)支護(hù)長(zhǎng)度、不同地下水位時(shí)，隧道開(kāi)挖對(duì)管棚力學(xué)行為、地層沉降及開(kāi)挖面穩(wěn)定性的影響。總結(jié)一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，為復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工及管棚預(yù)支護(hù)設(shè)計(jì)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(hù)條件下隧道開(kāi)挖面極限支護(hù)力；以不同工況下地層參數(shù)及其極限支護(hù)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(cè)大量給定地層參數(shù)工況下的開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力比，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到概率分布特征；在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際，建立了管棚預(yù)支護(hù)條件下隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定的極限狀態(tài)方程，運(yùn)用粒子群優(yōu)化算法，對(duì)其進(jìn)行可靠度分析。本文除能科學(xué)合理的評(píng)價(jià)管棚預(yù)支護(hù)條件下開(kāi)挖面的穩(wěn)定程度外，對(duì)軟弱圍巖條件下，隧道開(kāi)挖面正面預(yù)支護(hù)措施的合理設(shè)計(jì)與選擇也具有一定的參考作用?！　?

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