大断面黄土隧道支护结构受力特性研究及应用

1、大断面黄土隧道支护结构受力特性研究及应用山西省交通科学研究院 孙志杰汇 报 内 容 项 目 背 景 项目技术路线项目研究内容主 要 技 术 创 新知识产权及第三方评价推广应用及经济社会效益项 目 背 景50年代前，采用单工序，采用先拱后墙法，靠人 工开挖，事故多；5070年代采用上下导坑法较多，以手工工具为主，衬砌厚度偏大；80年代以后采用新奥法，非爆破机械配合人工开挖；总体上从单一工序多种工序；从小断面全断面大断面不断发展的过程。项目背景项目背景日本隧道的划分标准划分开挖断面积(m2)说明标准断面7080双车道大断面100140有人行道的双车道超大断面140与路面宽同的三车道国际隧协的断面划

2、分标准划分净空截面积(m2)超小断面100.0项目背景开挖后的应力重分布变得不利。与近圆形隧道相比，将出现更大的塑性区和更大的变形，需要更强大的支护结构来保持隧道的稳定 ；底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力。拱顶不稳定。隧道宽度的扩大将大大增加拱顶围岩内的拉应力，导致拱顶掉块等失稳现象。大断面隧道支护结构将承受更大的松弛荷载。支护结构的承载力相对较小。管棚支护效果Add your Title在大断面黄土隧道管棚预支护的设计和施工中，目前多采用工程类比法，采用工程类比法设计的黄土隧道管棚预支护的各项参数是否合理经济，从而更好地控制施工成本是急需解决的问题。项目背景锚杆设计参数Add yo

3、ur Title在硬岩和软岩支护中，锚杆有着良好的适用性，可以取得较好的支护效果。但是黄土的强度低，大跨度及大断面隧道开挖时稳定性差，围岩变形大，使得大断面黄土隧道锚杆设计遇到难题。项目背景拱架选型钢拱架：截面大、刚度大、初期承载能力强，可立即承载；不足：存在收缩裂缝、背后空洞难充填、密实。格栅：接触面积大、粘结效果好，易协同变形、共同受力，造价低；不足：抵抗初始变形的能力差，整体刚度低。项目背景平定-阳泉高速公路三车道黄土隧道一般断面最大开挖面积164m2，加宽断面最大开挖面积201m2。项目背景项目技术路线项目技术路线项目研究内容项目研究内容大断面黄土隧道管棚作用机理研究及应用 ；大断面黄

4、土隧道支护结构中锚杆作用机理研究及应用 ； 大断面黄土隧道支护结构中钢架作用机理研究及效果评价 。 1.1 推导了深、浅埋隧道管棚受力荷载的计算图示及围岩压力公式 。作用在管棚上的围岩压力 深埋隧道管棚荷载计算图示 浅埋隧道管棚荷载计算图示 研究内容一：超前管棚预支护体系1.2 建立了管棚力学模型，并基于MATLAB编制计算程序进行优化计算。 管棚的控制微分方程隧道开挖过程管棚受力模型图示 程序计算结果研究内容一：超前管棚预支护体系管棚挠度曲线管棚弯矩曲线1.2 建立了管棚力学模型，并基于MATLAB编制计算程序进行优化计算。 研究内容一：超前管棚预支护体系不同隧道埋深 不同开挖步距 1.3

5、管棚预支护条件下隧道施工过程的三维数值模拟研究 整体模型 管棚体系模型图示 研究内容一：超前管棚预支护体系1.3 管棚预支护条件下隧道施工过程的三维数值模拟研究 开挖8m管棚弯矩开挖14m管棚弯矩研究内容一：超前管棚预支护体系管棚竖向位移管棚水平位移1.3 管棚预支护条件下隧道施工过程的三维数值模拟研究 不采用管棚注浆采用管棚注浆三车道研究内容一：超前管棚预支护体系不同断面管棚支护围岩位移对比1.3 管棚预支护条件下隧道施工过程的三维数值模拟研究 不采用管棚注浆采用管棚注浆三车道研究内容一：超前管棚预支护体系不同断面管棚支护初支受力对比1.4 管棚预支护体系参数优化的三维数值模拟研究打设角度0

6、打设角度5打设角度10间距30cm间距40cm间距50cm研究内容一：超前管棚预支护体系1.4 管棚预支护体系参数优化的三维数值模拟研究角度三车道两车道角度拱顶沉降间距间距研究内容一：超前管棚预支护体系1.4 管棚预支护体系参数优化的三维数值模拟研究三车道两车道水平位移角度角度间距间距研究内容一：超前管棚预支护体系1.4 管棚预支护体系参数优化的三维数值模拟研究角度三车道两车道角度地表沉降间距间距研究内容一：超前管棚预支护体系1.4 管棚预支护体系参数优化的三维数值模拟研究角度三车道两车道角度拱顶管棚竖向弯矩间距间距研究内容一：超前管棚预支护体系2.1 推导了锚杆界面剪应力分布，对土层及锚杆参

7、数的影响进行分析。锚杆剪力分布曲线土层中锚杆剪应力分布情况锚杆近端的剪应力 锚杆中性点到终端的剪应力 研究内容二：锚杆支护体系2.1 推导了锚杆界面剪应力分布，对土层及锚杆参数的影响进行分析。不同泊松比不同洞径条件洞室不同位置处不同侧压力系数研究内容二：锚杆支护体系2.2 系统锚杆设置优化分析研究内容二：锚杆支护体系1.0m1.2m不同锚杆间距的支护结构模型图(锚杆长3.5m) 0.8m0.6m系统锚杆优化工况 2.2 系统锚杆设置优化分析仅边墙全环设置仅拱部不同锚杆设置方式下锚杆轴力图锚杆布设方式 研究内容二：锚杆支护体系2.2 系统锚杆设置优化分析仰拱隆起地表沉降拱顶下沉不同锚杆设置方式下

8、围岩位移图锚杆布设方式 研究内容二：锚杆支护体系水平位移2.2 系统锚杆设置优化分析仰拱隆起水平位移地表沉降拱顶下沉锚杆环向间距与长度 研究内容二：锚杆支护体系不同锚杆设置方式下围岩位移图曲线2.3 锁脚锚杆设置优化分析锁脚锚杆设置优化计算工况研究内容二：锚杆支护体系两车道三车道锁脚锚杆2.3 锁脚锚杆设置优化分析锚杆打设角度与长度两车道三车道研究内容二：锚杆支护体系不同工况下拱顶下沉曲线图2.3 锁脚锚杆设置优化分析不同工况下水平位移曲线图锚杆打设角度与长度研究内容二：锚杆支护体系两车道三车道2.3 锁脚锚杆设置优化分析不同工况下拱顶下沉图锁脚锚杆数量研究内容二：锚杆支护体系两车道三车道2.

9、3 锁脚锚杆设置优化分析不同工况下水平位移图锁脚锚杆数量研究内容二：锚杆支护体系两车道三车道3.1 隧道初支与围岩相互作用研究不同型号格栅钢架支护特征曲线不同喷层厚度的喷射混凝土支护特征曲线不同型号型钢钢架支护特征曲线研究内容三：钢架支护体系3.2 钢-砼分离的精细化喷砼钢架支护体系作用效果分析格栅钢架模型型钢钢架模型 喷砼-钢架支护体系结构模型图研究内容三：钢架支护体系3.2 钢-砼分离的精细化喷砼钢架支护体系作用效果分析型钢钢架受力钢架应力监测示意图 研究内容三：钢架支护体系3.2 钢-砼分离的精细化喷砼钢架支护体系作用效果分析型钢钢架受力研究内容三：钢架支护体系钢架内侧翼缘环向应力 不同

10、型钢钢架内侧翼缘环向应力分布规律除仰拱外均受压，应力大小顺序：墙脚墙腰拱脚拱腰拱顶。 应力随钢架型号变化规律同一型号：BA，同一型号应力相差不大，不同型号：I22I20拱脚、拱腰拱顶仰拱墙腰。 应力大小随钢架型号变化规律墙腰处：I22I20I18，墙脚处：I20I18I22。3.2 钢-砼分离的精细化喷砼钢架支护体系作用效果分析型钢钢架受力研究内容三：钢架支护体系钢架腹板1/2高度处环向应力钢架腹板1/2高度处环向应力分布规律相同，均受压，应力大小顺序：拱脚墙腰拱腰墙脚拱顶仰拱。 应力大小随钢架型号变化规律同一型号：BA，同一型号应力相差不大，不同型号：I22I20I18。3.2 钢-砼分离的

11、精细化喷砼钢架支护体系作用效果分析型钢钢架受力研究内容三：钢架支护体系钢架腹板不同高度处径向应力型钢钢架腹板不同高度处径向应力均为压应力，拱腰、墙脚随腹板截面高度的增加减小，其他部位随高度的增加增加。 应力大小随钢架型号变化规律同一型号同一型号应力相差不大，不同型号： I20I18I22。 3.3 不同围岩级别钢架支护效果研究型钢钢架腹板受力研究内容三：钢架支护体系拱脚环向应力拱腰环向应力拱腰环向均受压力，随着围岩强度的降低，墙腰环向应力增大，且V级围岩的增加幅度和IV级围岩基本相同；拱脚环向均受压力，但应力并不随着围岩强度的降低而一直增大，且在I22钢架支护条件下，拱脚环向应力随围岩级别的变

12、化幅度很小，基本相同。3.3 不同围岩级别钢架支护效果研究研究内容三：钢架支护体系综合钢架对围岩变形的控制效果和钢架、喷射混凝土结构自身的受力：IV级围岩条件下， IVa级围岩推荐选择格栅18型钢架，IVb级围岩推荐选择I18型钢架。V级围岩条件下，Va级围岩推荐选择格栅22型拱架，Vb级围岩推荐选择I22A型拱架。主 要 技 术 创 新建立了管棚力学模型，并基于MATLAB编制管棚计算程序。建立了钢管浆液分离的管棚数值模型，并揭示了管棚受力规律。推荐了V级黄土地区两车道、三车道隧道锚杆的布置方式。建立了钢砼分离的精细化钢架数值模型，推荐了钢架支护参数。主 要 技 术 创 新模型结构图模型方程

13、创新点一：建立了管棚力学模型并编制计算程序。可考虑掌子面水平位移，与传统管棚模型(无法考虑)相比，更接近管棚真实受力情况。建立了变基床系数下管棚的弹性地基梁模型。计算程序创新点一：建立了管棚力学模型并编制计算程序。程序可对管棚的变形和受力进行分析，便于调式和操作具有开放性，可进行二次开发。基于MATLAB编制管棚模型的力学计算程序。部分前处理程序部分分析程序部分后处理程序管棚挠度曲线管棚弯矩曲线创新点二：建立了钢管-浆液分离的管棚数值模型。管棚采用梁单元模拟，注浆加固区采用实体单元模拟。可直接分析不同位置管棚受力和变形。几何模型有限元模型创新点二：建立了钢管-浆液分离的管棚数值模型。当隧道围岩

14、竖向变形较大时管棚应采用大打设角度，当围岩水平收敛较大时管棚可采用小打设角度。揭示了黄土隧道管棚打设角度和间距对围岩和管棚的影响规律。不同断面管棚打设角度和间距对围岩水平位移较竖向位移敏感，管棚大打设角度时拱顶沉降小，小打设角度时水平位移小；不同断面隧道拱顶管棚均以承受竖向弯曲为主，拱脚管棚竖向和横向均承受较大弯矩。不同断面围岩位移和管棚竖向、横向弯矩受管棚打设角度影响程度大于管棚间距。创新点三：推荐了系统锚杆、锁脚锚杆布设参数。建议在拱部和边墙都设置锚杆，但拱部锚杆较边墙锚杆设置稀疏，且隧道两边墙脚部位可以各减去少数锚杆。推荐了V级黄土地区三车道隧道系统锚杆的布设参数。V级围岩三车道黄土隧道

15、系统锚杆拱部布设参数：在拱部采用环向1.0m间距，3.0m长直径22mm锚杆；V级围岩三车道黄土隧道系统锚杆边墙布设参数：边墙采用环向0.8m间距，3.0m长直径22mm锚杆。创新点三：推荐了系统锚杆、锁脚锚杆布设参数。隧道围岩以竖向变形为主时，锁脚锚杆应采用大角度打设；以水平收敛为主时，应采用小角度打设。推荐了V级黄土地区两车道、三车道隧道锁脚锚杆的布设参数。V级黄土地区两车道隧道锁脚锚杆最佳打设角度为5和50，长度为3m；V级黄土地区三车道隧道锁脚锚杆最佳打设角度为5和30，长度为3m；锁脚锚杆对围岩位移的控制效果依次为：变形竖向，随着断面的增大，锁脚锚杆对围岩位移的控制作用增强。创新点四：建立了钢-砼分离的精细化钢架数值模型采用板单元模拟型钢钢架，采用梁单元模拟格栅钢架；可直接分析型钢翼缘、腹板受力，格栅钢架钢筋受力。型钢钢架模型格栅钢架模型钢-砼整体模型型钢钢架内侧翼缘环向均受压，外侧除墙脚外其余均受压；格栅钢架