贵州公路隧道施工瓦斯突出结题报告2017

1、1 项目基本情况第二衬各测点点最大应应力值测点最大压力/KN最大拉力/KN测点最大压力/KN最大拉力/KN拱顶内侧0.60-3.177拱脚内侧0-3.599拱顶外侧0.24拱脚外侧7.28拱腰内侧1.79-3.755边墙内侧7.33拱腰外侧0.76-3.299边墙外侧8.16根据实测二二衬混凝凝土的应应力、情况，可可认为在在整个二二衬横截截面上应应力分布布在、之间按按线性分分布，由由此得到到各监测测点横截截面上的的应力分分布。由由中性轴轴定义，即即横截面面与应力力平面的的交线上上各点的的正应力力值均为为零，由由此可确确定横截截面上中中性轴的的位置，取取中性轴轴位置为为横截面面上的计计算轴，则则

2、有 （33-166） （3-17）由此可以算算出二衬衬轴力和和弯矩如如下：二衬轴力图图图126 二衬衬弯矩图图从以上二衬衬轴力图图和弯矩矩图中可可以看出出，二衬衬结构受受力比较较合理，拱拱顶和拱拱腰监测测点均处处于受拉拉状态，而而拱脚和和边墙部部位处于于受压较较大状态态。拱顶顶承受来来自初支支竖向的的压力和和两侧围围岩的挤挤压应力力，最终终拱顶外外侧应力力大于内内侧应力力，说明明挤压应应力作用用大于竖竖向压力力作用，拱拱顶承受受正弯矩矩。而二二衬边墙墙外侧受受力大于于内侧受受力，承承受负弯弯矩，与与初支与与边墙处处压力较较大有关关。对计算出的的轴力、弯弯矩进行行统计，得得到将二二衬各监监测截面

3、面在监测测期所受受的最大大轴力、弯弯矩归纳纳如表3-12，其其中“”表示示监测截截面的测测点未出出现拉力力或压力力。二衬各监测测点轴力力和弯矩矩汇总测点最大轴力/KN最大轴力/KN测点最大正弯矩矩/KNmm最大负弯矩矩/KNmm拱顶轴力0-107.9633拱顶弯矩0-31.664255拱腰轴力0-111.64拱腰弯矩0-4.3441333拱脚轴力105.2268550拱脚弯矩26.566520边墙轴力282.8824330边墙弯矩11.299024403.3 煤煤系地层层控制隧隧道围岩岩大变形形优化施施工措施施3.3.11 施工工工法对对比目前隧道开开挖施工工主要根根据新奥奥法原理理，开挖挖方

4、法分分为机械械切削法法和钻爆爆法两种种。由于于山区高高速公路路受地形形及施工工条件的的限制，实实际工程程中仍以以钻爆法法为主，光光面爆破破技术在在隧道钻钻爆法施施工中占占有重要要位置，被被确认为为控制周周边超欠欠挖的标标准方法法之一，在在未来隧隧道建设设中仍将将占据着着重要地地位。新新奥法强强调通过过光面或或预裂爆爆破方法法降低爆爆破振动动，减少少对隧道道围岩和和支护体体系的振振动影响响，最大大限度地地保护围围岩，控控制爆破破对围岩岩体的损损伤程度度，减少少超欠挖挖，充分分利用围围岩自承承载能力力。它对对地质条条件适应应性强、开开挖质量量控制好好、节约约支护成成本等优优点，能能有效提提高开挖挖

5、作业的的工作效效率。它它的成败败与好坏坏直接影影响到围围岩的稳稳定及后后续工序序的正常常进行和和施工速速度，是是隧道掘掘进施工工非常重重要的组组成部分分。根据据国内外外大量的的隧道工工程实践践，光面面爆破技技术在IIIIII级硬硬质围岩岩掘进中中获得较较好的应应用效果果，但在在节理裂裂隙发育育的IIII、IIV、VV级中等等硬度或或较软围围岩体中中应用时时往往效效果不佳佳，爆破破扰动大大，超欠欠挖严重重，拱顶顶部位常常出现不不同程度度的掉块块或塌方方问题。在在偏软的的IV、VV级围岩岩中应用用时，除除了上述述问题，还还面临围围岩大变变形和初初支侵限限等难题题。调查查统计表表明，出出现上述述问题

6、的的主要原原因一方方面是隧隧道施工工控制问问题，如如隧道开开挖台阶阶长度过过长、初初期支护护未及时时封闭成成环和二二次衬砌砌未及时时跟进导导致围岩岩失稳等等，另一一方面是是源于钻钻爆法自自身的缺缺陷，如如对围岩岩扰动深深、爆破破振动大大、变形形不易控控制等，仅仅通过光光爆优化化无法从从根本上上解决钻钻爆工法法自身存存在的不不足。近年来，在在铁路小小断面隧隧道施工工中开始始采用特特殊机械械开挖设设备进行行全断面面掘进，该该工法对对围岩扰扰动小，有有利于保保护围岩岩，但工工程应用用表明，全全断面机机械开挖挖工法存存在功效效低、进进度慢的的缺点，特特别是高高速公路路隧道，因因开挖断断面较大大，如采采

7、用全断断面机械械开挖施施工，不不但掘进进工效低低，且由由于软弱弱破碎围围岩没有有得到及及时支护护，反而而易造成成围岩大大变形、掉掉块或坍坍塌等安安全事故故，因此此难以在在实际隧隧道施工工推广应应用。为了解决破破碎围岩岩体钻爆爆施工引引起的超超挖严重重、局部部塌方不不断的技技术难题题以及降降低煤层层瓦斯隧隧道的高高风险，针针对机械械开挖具具有对围围岩扰动动小、便便于控制制超欠挖挖，隧道道轮廓精精确成型型和施工工安全性性好，有有利于保保护岩体体自承能能力，易易于控制制围岩大大变形和和局部塌塌方等优优点，经经过钻爆爆开挖和和全断面面机械开开挖的工工程应用用及两种种工法优优缺点的的综合分分析，通通过方

8、案案比选，引引进了德德国艾卡卡特挖机机设备，以以水塘隧隧道为依依托工程程，经过过反复试试验和总总结，集集成机械械开挖和和钻爆开开挖两种种工法各各自的优优点，经经现场试试验验证证总结提提出了局局部机械械开挖与与分部爆爆破的组组合掘进进工法。3.3.22 机械械开挖与与钻爆综综合施工工工艺流流程机械开挖+钻爆开开挖施工工方法，如图3-88所示，一般根据不同围岩级别，按照实际情况选择上下台阶法或三台阶法将隧道断面划分为三部分或四部分，预先对开挖掌子面拱部采取超前小导管或超前管棚等方法进行加固，待超前支护施作完成后，采用开挖机械沿着上台阶隧道轮廓线自下而上进行分部预切槽，可有效减小爆破引起的超挖或局部

9、塌方等施工难题，并确保开挖轮廓线圆顺，保证钢拱架与围岩密贴，改善围岩与支护体系的受力状态。切槽完毕后施做初喷混凝土、架立钢支撑、锚网施做、复喷混凝土作业。完成上台阶初支作业后，按上述工序进行下台阶周边机械切槽作业，并施作边墙两侧初期支护。完成初支施作后，分别进行上下台阶核心土钻孔、装药、起爆作业，通风后出渣。按上述工序进行下一循环。水塘隧道实际施工工艺，具体见图3-89所示。机械开挖与与钻爆分分区横、纵纵断面示示意图、上台阶沿轮廓线机械开挖切槽、上台阶沿轮廓线机械开挖切槽、下台阶两侧边墙机械开挖切槽、上台阶核心土弱爆破、出渣、下台阶核心土弱爆破、出渣（1）上台阶初期支护施作（2）下台阶两侧边墙

10、初支施作（3）仰拱初支、结构施作（4）仰拱回填、开挖仰拱土方（5）二衬砼施工（土方开挖挖工序） （支支护施作作工序）施工工艺流流程图3.3.33 机械械开挖与与钻爆综综合施工工工法步步骤（1）施工工准备掌握掌子面面前方围围岩地质质、地下下水情况况，合理理确定开开挖台阶阶高度、循循环掘进进进尺。因因此，在在进行循循环掘进进前，应应按照设设计要求求完成超超前地质质预报，根根据超前前地质预预报和掌掌子面揭揭露岩体体情况综综合确定定围岩级级别，根根据围岩岩级别优优化设计计和施工工方案。在在无地下下水地段段，应采采取洒水水降尘措措施，优优化施工工环境。（2）超前前支护对拱部进行行预加固固，是防防止掌子子

11、面开挖挖后，拱拱部出现现坍塌的的直接方方式。因因此，在在进行软软弱围岩岩循环开开挖前，应应根据具具体围岩岩级别，可可有选择择性的采采用超前前锚杆、超超前导管管注浆、超超前管棚棚等措施施固结破破碎岩体体，增加加拱部围围岩的完完整性。施施工步骤骤为：首首先喷射射砼封闭闭开挖轮轮廓面和和掌子面面，之后后进行钻钻孔并安安设超前前锚杆、超超前小导导管或超超前管棚棚。钻孔孔直径大大于钢管管直径220mmm以上，超超前小导导管按环环向间距距VI级级围岩335cmm每排445根、VV级围岩岩40ccm每排排37根根，IVV级围岩岩3.55cm每每排277根，辅辅射角为为10155，导导管用直直径422mm，壁

12、壁厚4mmm的钢钢管制作作，每根根长4mm，纵向向排距为为2m钢钢管前端端加工成成锥形，尾尾部焊接接加劲箍箍，钢管管周壁钻钻纵向间间距为115cmm，孔径径为66mm压压浆孔。超超前锚杆杆或小导导管全部部焊接于于前一榀榀型钢支支撑上。（3）机械械开挖与与钻爆分分区施工总体按按照两台台阶施工工，如图图3-88所所示，综综合考虑虑机械作作业要求求，上台台阶的高高度以334mm为宜，分分为弧形形导坑，采用用机械开开挖施工工；核心心土体，采用用钻爆法法施工。下下台阶分分区为，机机械开挖挖导坑、，采采用机械械开挖机机施工作作业；下下台阶核核心土体体，采采用钻爆爆法施工工。仰拱拱部分采用常常规工艺艺施工。

13、（4）上台台阶施工工1) 弧形形导坑机机械开挖挖：根据据隧道围围岩级别别，完成成超前支支护作业业后，采采用挖机机自上台台阶两侧侧拱脚部部位开始始，沿着着轮廓线线向拱顶顶逐步实实施对称称切槽，确确保切槽槽轮廓圆圆顺。切切槽宽度度以便于于型钢拱拱架的施施工为宜宜，不宜宜过大，以以免机械械开挖时时间过长长，根据据研究与与试验，上上台阶拱拱脚以距距两边开开挖轮廓廓各1.5米，拱拱顶部位位1.88米能满满足型钢钢拱架安安装要求求，不同同的隧道道根据施施工作业业需要，局局部可适适当修整整加宽。纵纵向进尺尺根据不不同围岩岩级别确确定，一一般每次次循环进进尺0.5m1.00m（11-2榀榀拱架），围围岩较差差

14、的每次次进尺取取较小值值。机械械开挖完完成后如如图3-90模模型所示示。上台阶弧导导机械开开挖模型型上台阶完成成一个循循环后的的模型2) 初期期支护施施工：当当机械开开挖完成成一个循循环后，及及时进行行初期支支护的施施工，即即安装型型钢拱架架、挂网网喷射混混凝土等等，按照照设计要要求完成成一次进进尺的初初支施工工。3) 核心心土体施施工：机机械开挖挖作业完完成几个个循环后后，当中中间核心心土预留留长度达达到23米时时，可以以进行一一次爆破破出渣，然然后进行行下一次次循环作作业，如如图3-91所所示。（5）下台台阶施工工1）左、右右导坑机机械开挖挖：机械械开挖切切槽沿两两侧交错错进行，不不能两侧

15、侧同时进进行，以以免造成成已安装装好的上上台阶型型钢拱架架两侧同同时处于于悬空状状态，如如果无法法避免时时，应保保证悬空空长度不不超过22榀拱架架。施工工中，使使同一断断面处暴暴露开挖挖面仅限限于一侧侧，连续续机械开开挖作业业时，保保持左右右错开223榀榀型钢拱拱架距离离。待一一侧施工工完成初初喷混凝凝土、架架立钢支支撑、锚锚网施做做、复喷喷混凝土土等作业业后，再再进行另另一侧边边墙机械械开挖切切槽，并并施作初初期支护护，如图图3-92。下台阶机械械开挖导导坑模型型2）初期支支护施工工：完成成一次机机械开挖挖进尺后后，及时时将型钢钢拱架接接退，确确保拱架架受力状状态良好好，将荷荷载有效效的传递

16、递到地基基，以保保证施工工的安全全。3）核心土土体施工工：与上上台阶基基本相同同，当完完成几次次机械开开挖进尺尺后，对对下台阶阶核心土土体进行行钻爆开开挖、出出渣，以以便挖机机对下台台阶侧壁壁导坑的的开挖。（6）仰拱拱施作与与回填核心土出渣渣完成后后马上开开挖仰拱拱，施做做仰拱砼砼，尽早早封闭成成环，使使结构受受力更加加合理。为为尽快封封闭成环环3-55m开挖挖一次，仰仰拱铺底底采用人人工配合合短臂挖挖掘机捡捡底，捡捡底处配配有过轨轨梁、浮浮放道岔岔等设备备，减少少了施工工干扰。开开挖完后后安装初初期支护护的钢支支撑和仰仰拱钢筋筋同时绑绑扎，浇浇注砼，待待砼终凝凝固一天天后回填填，再往往前推进

17、进施工。3.3.44 隧道道仰拱曲曲率拓扑扑优化运用ABAAQUSS软件，定定义总体体积为约约束条件件，以刚刚度最大大为目标标函数，结结合水塘塘隧道右右线YKK1088+5880断面面，对该该断面衬衬砌结构构进行拓拓扑优化化分析，确确定合理理仰拱曲曲率。（1）拓扑扑优化计计算模型型与传统优化化设计的的不同之之处在于于，拓扑扑优化不不需要给给出参数数定义。根根据已经经定义好好的目标标函数，约约束变量量，设计计变量，结结合结构构的参数数和要省省去的材材料的百百分比，采采用体积积约束条条件下刚刚度最大大化准则则，进行行拓扑优优化分析析。为得得到最优优的隧道道衬砌断断面内轮轮廓线，在在建模时时，将衬衬

18、砌结构构材料在在满足断断面要求求的前提提下增大大一倍，拓拓扑优化化时省去去50%的衬砌砌材料，从从而达到到优化设设计的目目的。计计算模型型见图33-93：拓扑优化模模型假定隧道埋埋深1880m，侧侧压力系系数0.3，围围岩级别别为V级级，其它它支护参参数参考考公路隧隧道设计计规范取取值，围围岩参数数如下表表3-113所示示。计算算模型边边界取1120*1200m，数数值分析析中采用用如下基基本假设设：1）模型左左右两侧侧施加水水平位移移约束，底底部施加加水平和和竖直位位移约束束，并在在顶部施施加地表表至顶部部埋深的的竖向重重应力，从从而保证证计算模模型应力力场接近近实际工工况。2）假定初初支和

19、二二衬结构构为弹性性材料，初初支中的的钢拱架架和二衬衬钢筋均均采用刚刚度等效效法换算算到混凝凝土结构构中。隧道物理力力学参数数材料密度(kgg/m33)弹性模量(GPaa）泊松比粘聚力(kkPa）内摩擦角(）厚度 (mm）煤系地层19000.20.452025/初支220026.7770.2/0.24二衬220034.7660.2/0.5（2）拓扑扑优化结结果分析析由图3-994不同同迭代步步情况下下计算结结果可知知，白色色线条所所形成的的轮廓线线为体积积约束为为0.55时，不不同迭代代步下隧隧道衬砌砌结构最最优拓扑扑图，其其构成衬衬砌结构构的基本本形状即即为最优优衬砌结结构断面面图，仰仰拱曲

20、率率宜适当当增大，在在采用同同等用量量的材料料进行支支护时，应应重点对对左右拱拱脚处的的衬砌厚厚度增加加；最优优拓扑效效果图要要求在后后期施工工中，增增大仰拱拱的曲率率，更有有利于隧隧道整体体施工。图图中红色色代表单单元密度度值大于于0.55的区域域，表明明该区域域对刚度度的贡献献最大，该该部位也也是应力力最集中中的地方方，扩大大拱脚提提高拱脚脚基底承承载力，适适当加厚厚拱脚二二衬厚度度，有利利于提高高衬砌结结构承载载力。(a） 迭迭代步00 (bb） 迭迭代部110(c） 迭迭代部220 (dd） 迭迭代部330(e） 白白色线条条为优化化后衬砌砌结构轮轮廓线隧道衬砌结结构拓扑扑优化云云图根

21、据多种工工况下仰仰拱拓扑扑优化计计算结果果对比分分析，优优化后仰仰拱曲率率半径由由优化前前的155m减少少为810mm左右，相相应仰拱拱加深00.40.77m。（3）隧道道仰拱优优化前后后数值模模拟分析析取仰拱曲率率半径为为10mm，仰拱拱开挖深深度增加加0.77m。如如图3-95和图图3-96所示示，对比比仰拱优优化前后后支护结结构位移移场可知知，优化化前仰拱拱闭合后后，拱顶顶沉降约约1411mm，仰仰拱隆起起5877mm，边边墙处水水平收敛敛约6334mmm。仰拱拱优化后后，拱顶顶沉降约约1044mm，仰仰拱隆起起2000mm，边边墙处水水平收敛敛约2334mmm。相比比优化前前变形量量，

22、拱顶顶沉降减减少377mm，水水平收敛敛变形减减少4000mmm，仰拱拱隆起变变形得到到明显抑抑制。（1）竖向向位移 （22）水平平位移优化前仰拱拱开挖后后最大位位移（1）竖向向位移 （22）水平平位移优化后仰拱拱闭合后后最大位位移根据公路路隧道设设计规范范（JJTGDD70-20004）规规定，计计算分析析隧道衬衬砌结构构的安全全系数。混混凝土按按抗压强强度控制制安全系系数不得得小于22.4，按按抗拉强强度控制制安全系系数不得得小于33.7。根根据计算算结果，取取仰拱底底部七个个主要观观测点，对对比衬砌砌仰拱安安全系数数，见图图3-97。 (a）原原有仰拱拱观测点点安全系系数 （bb）优化化

23、后仰拱拱观测点点安全系系数观测点安全全系数变变化优化后仰拱拱各个测测点安全全系数均均得到不不同程度度提高，优优化后的的安全系系数均达达到5.0以上上，符合合隧道设设计规范范中对隧隧道衬砌砌安全系系数的要要求，特特别是左左右拱脚脚处的安安全系数数由0.23增增大到55.799，效果果明显。仰拱曲率优优化前后后安全系系数对比比3.3.55 施工工组织优优化与管管理为了加快施施工进度度，上、下下台阶可可同步进进行施工工，采用用同步施施工时，上上、下台台阶的步步距根据据施工机机械的数数量及等等级来确确定，保保证两个个台阶能能够方便便操作为为宜，不不能过长长，具体体应根据据监控量量测发聩聩信息优优化施工

24、工步距。通通过施工工总结，获获得以下下认识，可可供类似似工程参参考。（1）水塘塘隧道围围岩软弱弱破碎，采采用机械械开挖与与钻爆开开挖联合合施工工工艺，应应遵从：“短开开挖、快快支护、勤勤量测、紧紧封闭、早早成环”的的新奥法法施工原原则，强强调因地地制宜的的灵活应应用该工工艺进行行隧道掘掘进，根根据具体体围岩地地质条件件、地下下水条件件确定台台阶开挖挖高度等等。（2）机械械开挖与与钻爆开开挖联合合施工工工艺，应应先采用用挖机开开挖隧道道轮廓，且且开挖顺顺序为从从下到上上、从硬硬到软，并并及时施施作初期期支护结结构，减减少围岩岩暴露于于空气中中的风化化时间，待待初期支支护施作作完成后后，再进进行钻

25、爆爆法施工工，破除除核心土土部分。（3）该工工法结合合了机械械开挖对对围岩扰扰动小的的优点以以及钻爆爆法快速速施工、操操作简单单的特点点，可以以有效降降低掘进进过程中中隧道超超挖欠挖挖，以及及对轮廓廓以外岩岩体的扰扰动破坏坏。（4）施工工机械设设备简单单，较好好低适应应了水塘塘隧道软软弱破碎碎煤系地地层的机机械开挖挖施工，相相关配套套设备均均为新奥奥法常用用设备，成成本较低低。同时时，应注注意施工工技术人人员素质质培养。（5）为严严格确保保施工质质量，工工程中还还制定了了相应配配套的技技术保障障措施，如如：“三三检、四四及时、一一做到”的的管理体体制，落落实领导导管理体体制，三三级量测测复核等

26、等措施，为为隧道质质量提供供了保障障。落实实安全保保障措施施，安全全施工。3.4 本本章小结结（1）地下下水对煤煤系地层层围岩的的软化作作用是引引起煤系系地层隧隧道大变变形的主主要原因因，而不不合理施施工工序序间的过过大步距距是引起起隧道大大变形的的次要原原因。施工中中应采取取合理有有效的排排水措施施，避免免地下水水弱化围围岩。煤系地地层软弱弱围岩隧隧道施工工应选择择合理施施工工法法，控制制各工序序间的安安全步距距，初期期支护尽尽快封闭闭成环。通过采采取加强强超前预预支护、设置锁锁脚锚杆杆、仰拱和和二次衬砌砌紧跟，以以及加强强隧道横横向和纵纵向支护护结构刚刚度等措措施，来来保证围围岩与支支护体

27、系系稳定。（2）通过过对机械械开挖与与钻爆开开挖综合合开挖技技术的研研究，总总结了施施工的分分区、施施工循环环进尺及及工序衔衔接等施施工要点点，并成成功应用用于水塘塘隧道施施工中，保保证了隧隧道施工工的进度度、质量量及安全全，对同同类隧道道施工具具有一定定的参考考意义。（3）针对对仰拱曲曲率优化化问题，提提出了仰仰拱结构构拓扑优优化方法法，通过过算例分分析验证证了该方方法的合合理性和和适应性性，可为为确定复复杂应力力与地质质环境下下隧道仰仰拱结构构的合理理曲率提提供依据据。4 瓦斯隧道不动火施工技术及动火管理制度研究4 瓦斯隧隧道不动动火施工工技术及及动火管管理制度度研究钢管混凝土土是一种种将

28、混凝凝土填入入薄壁圆圆形钢管管内形成成的组合合结构材材料，具具有耐疲疲劳、质质量轻、塑塑性好、强强度高、耐耐冲击、抗抗弯刚度度大、施施工速度度快、施施工方便便、施工工配套设设备齐全全、无异异向性、经经济性好好等突出出优点，但但是在隧隧道工程程中应用用较少。目目前软弱弱围岩隧隧道初期期支护结结构常采采用钢拱拱架支护护形式，具具有安装装不便、用用钢量大大、与喷喷混凝土土协调变变形能力力差等问问题，为为此考虑虑到现有有隧道支支护型式式的的不不足,基基于此提提出一种种瓦斯隧隧道不动动火新型型支护结结构圆钢管管混凝土土支架，代代替原有有的工字字钢以及及格栅钢钢架。4.1 瓦瓦斯隧道道不动火火新型支支护结

29、构构设计4.1.11 圆钢钢管混凝凝土支架架强度及及极限承承载力计计算根据规范选选取了110种参参数的圆圆钢管混混凝土支支架，分分别计算算内含核核心混凝凝土情况况下其组组合强度度和极限限承载力力，为今今后类似似结构计计算提供供一定的的参考。迄今为止，国国内外一一些规范范和规程程对圆钢钢管混凝凝土轴压压刚度，都都采用了了叠加法法得到换换算刚度度，根据据该公式式，我们们可以得得到钢管管混凝土土支架抗抗压组合合弹性模模量的计计算公式式：（4-1）式中，Essc钢管混混凝土支支架组合合弹性模模量；Es钢钢管弹性性模量；As钢钢管横截截面积，As=Asc-Ac； Ecx核心心混凝土土弹性模模量；Acx核

30、心混混凝土横横截面积积，；Asc钢管混混凝土支支架横截截面积，。运用以上公公式和参参考数据据对模拟拟用的110种钢钢管混凝凝土支架架进行计计算，最最终结果果为下表表4-11：钢管混凝土土支架组组合弹性性模量表表支架12345678910d*t121*55121*66133*55133*66140*66140*77152*66152*77168*77168*88Esc(NN/mmm2)578899631788554711603277588788634400566933609288581111619277通过查晓雄雄和钟善善桐教授授以及部部分研究究生对于于钢管混混凝土的的研究，总总结出轴轴压钢管管

31、混凝土土组合强强度计算算公式如如下：（4-2）（4-3）（4-4）（4-5）式中，fssc钢管混混凝土组组合轴压压极限强强度；k截面面套箍影影响系数数； 约约束效应应系数； ke截面折折减系数数，圆形形截面取取1；fck核心混混凝土抗抗压强度度标准值值；B混凝凝土与钢钢管强度度比。利用以上公公式和其其他数据据计算得得到100种模拟拟用钢管管混凝土土支架的的组合抗抗压强度度。钢管混凝土土支架组组合抗压压强度表表支架12345678910d*t121*55121*66133*55133*66140*66140*77152*66152*77168*77168*882.202.721.982.432.

32、292.742.092.492.222.59(N/mmm2)72.77782.76668.21177.38874.64483.26670.51178.51173.19980.400根据表4-2计算算得到的的钢管混混凝土支支架组合合抗压强强度，可可以获得得钢管混混凝土支支架极限限承载力力，计算算公式如如下：Ncp=ffscAsc（44-6）Mcp=00.4rrcNcp（44-7）式中，Nccp钢管混混凝土支支架轴压压截面极极限承载载力；Mcp钢管混混凝土支支架受弯弯截面极极限承载载力；rc钢钢管内半半径。代入公式计计算得到到钢管混混凝土支支架极限限承载力力如下表表4-33。钢管混凝土土支架极极限

33、承载载力表支架12345678910d*t121*55121*66133*55133*66140*66140*77152*66152*77168*77168*88Ncp（kkN）8369519471074114812811279142416221781Mcp（kkN*mm）18.57720.74423.30026.00029.40032.28835.81139.30049.95554.1554.1.22 钢管管混凝土土支架支支护数值值模拟（1）初期期支护喷喷混组合合弹性模模量计算算1) IVV级围岩岩初期支支护喷混混组合弹弹性模量量计算IV级围岩岩初期支支护采用用20ccm喷射射混凝土土，考虑

34、虑到钢管管混凝土土的增强强作用范范围，模模拟截面面定为HH*B=20ccm*330cmm，混凝凝土型号号使用CC30，采采用前88种支架架进行模模拟。结结合前面面钢管混混凝土支支架参数数和公式式（4-1），计计算出IIV级围围岩模拟拟用初支支喷混层层组合弹弹性模量量如下表表4-4：IV级围岩岩模拟用用初支喷喷混层组组合弹性性模量支架号12345678d*t121*55121*66133*55133*66140*66140*77152*66152*77Ac(mmm2)600000600000600000600000600000600000600000600000Asc(mmm2)11493311

35、4933138866138866153866153866181377181377Esc(NN/mm2)578899631788554711603277588788634400566933609288Ec(N/mm2)300000300000300000300000300000300000300000300000Ec(NN/mm2)3534223635553589553701993740553857553806993934992) V级级围岩初初期支护护喷混组组合弹性性模量计计算V级围岩初初期支护护采用225cmm厚喷射射混凝土土，考虑虑到钢管管混凝土土的增强强作用范范围，模模拟截面面定为HH*

36、B=25ccm*330cmm，混凝凝土型号号使用CC30，采采用后88种支架架进行模模拟。结结合前面面钢管混混凝土支支架参数数和公式式（4-1），计计算出VV级围岩岩模拟用用初支喷喷混层组组合弹性性模量如如下表44-5：V级围岩模模拟用初初支喷混混层组合合弹性模模量表支架号345678910d*t133*55133*66140*66140*77152*66152*77168*77168*88Ac(mmm2)750000750000750000750000750000750000750000750000Asc(mmm2)13886613886615386615386618137718137722

37、1566221566Esc(NN/mm2)554711603277588788634400566933609288581111619277Ec(N/mm2)300000300000300000300000300000300000300000300000Ec(NN/mm2)347166356155359244368600364555374799383044394322（2）支护护计算方方法选择择在围岩作用用下隧道道衬砌的的受力计计算有两两种模型型，即地地层-结结构法和和荷载-结构法法。两种种方法的的主要区区别在于于承受压压力的主主要对象象，其中中地层-结构法法认为围围岩和支支护结构构共同承承受压

38、力力，而荷荷载结构构法认为为衬砌主主要承受受周围围围岩的荷荷载作用用。计算算模型的的选择要要根据具具体围岩岩情况，结结合具体体施工力力学思想想，考虑虑在施工工和运营营阶段的的特点，在在不同的的围岩情情况下选选择不同同的计算算模型。在在模拟中中，选择择同一个个断面VV1深埋段段运用两两种计算算模型进进行计算算，根据据结果并并结合实实际分析析，选择择一种较较好的计计算模型型进行各各级围岩岩初期支支护内力力计算。地层结构法法计算地层结构法法是地层层结构模模型的计计算理论论。其原原理是将将地层和和衬砌视视为整体体，在满满足变形形协调条条件的前前提下分分别计算算内力，并并据此验验算地层层的稳定定性和设设

39、计构件件截面。地层结构法法主要包包括如下下几部分分内容：地层合合理化模模拟、结结构模拟拟、施工工过程的的模拟以以及施工工过程中中周围地地层与结结构的相相互作用用、结构构与地层层相互作作用的模模拟。= 1 * GB3计算模型型隧道围岩的的力学模模型采用用弹塑模模型，土土体破坏坏准则采采用摩尔尔库伦强强度理论论。地基基范围为为上下高高度取隧隧道洞身身高度的的五倍大大小，左左右宽度度取隧道道宽度五五倍大小小，然后后进行网网格划分分。在操操作过程程中，为为使网格格划分更更为均匀匀合理，在在隧道锚锚杆周围围添加一一圈多段段线，见见图4-1。隧道轮廓及及锚杆图图在地层结构构法计算算中隧道道的开挖挖方法选选

40、择上下下台阶法法，考虑虑到初期期支护其其他辅助助措施对对于初期期支护的的加强作作用，将将模拟中中的上台台阶锚杆杆所在围围岩进行行加强，具具体措施施为提升升一个围围岩等级级。结合上下台台阶法和和围岩加加强条件件，利用用尺寸控控制的方方法，对对隧道及及地基进进行了网网格划分分。然后后对各个个材料进进行属性性定义，然然后利用用网格组组的析取取等功能能给个部部分具体体定义，其其中喷射射混凝土土和二衬衬选择梁梁单元，锚锚杆为植植入式桁桁架。将将整个模模型进行行边界约约束，左左右边界界进行水水平约束束，下边边界添加加竖向约约束，上上边界为为自由边边界。在在上边界界施加模模型上边边界至地地表的换换算压力力（

41、h为上界界面至地地表高度度差），并并添加自自重荷载载。荷载载分析是是根据施施工阶段段分析，模模拟施工工过程中中荷载的的释放过过程，荷荷载释放放系数根根据复合合式衬砌砌的初期期支护和和二次衬衬砌承载载比例来来确定。查查阅表44-6，V级级围岩初初期支护护承担550%荷荷载，二二次衬砌砌承担550%荷荷载。网网格划分分、边界界定义及及荷载情情况见图图4-2。复合式衬砌砌的初期期支护与与二次衬衬砌承载载比例围岩级别初期支护承承载比例例二衬承载比比例双车道隧道道三车道隧道道双车道隧道道三车道隧道道、100100安全储备安全储备10080安全储备20706030405040506030307075浅埋地

42、段50305006060800网格划分、边边界定义义及荷载载施加= 2 * GB3计算结果果分析运行完完成后，可可得初期期支护的的轴力和和弯矩图图见图44-3和图4-4。地层结构法法V1级围岩岩初期支支护轴力力图地层结构法法V1级围岩岩初期支支护弯矩矩图 提取部分节节点内力力，见表表4-7。地层结构法法V1级围岩岩初期支支护内力力单位标号单元位置轴力（kNN）弯矩（kNN*m）2515拱顶-107552.42770拱脚-15000-77.442743仰拱-833-0.088荷载结构法法计算= 1 * GB3计算模型型荷载结构法法将围岩岩和支护护结构分分开考虑虑，围岩岩只对结结构产生生压力，支支

43、护结构构为主要要承载部部分。通通过对围围岩压力力的计算算，将围围岩的作作用转为为荷载，直直接作用用在初期期支护结结构上。支支护结构构的力学学模型为为弹性模模型。取取和“地地层结构构法”模模型中相相同的截截面，分分别计算算出竖直直和水平平压力。隧隧道模型型利用几几何隧道道截面建建立，围围岩压力力利用梁梁荷载施施加，边边界条件件采用曲曲面弹簧簧施加，见见图4-5。荷载结构法法计算模模型= 2 * GB3计算结果果进行静力分分析后得得到荷载载结构法法计算得得到的轴轴力（图图4-6）和弯弯矩图（图图4-7）荷载结构法法V1级级围岩初初期支护护轴力图图荷载结构法法V1级级围岩初初期支护护弯矩图图提取部分

44、节节点内力力，见表表4-8。荷载结构法法V1级级围岩初初期支护护内力单位标号单元位置轴力（kNN）弯矩（kNN*m）25拱顶-604.117.04455拱脚-743.3-48.002256仰拱-312.2-0.066对比分析表表4-7和表4-8，可以以发现运运用地层层结构法法模拟得得到的初初期支护护内力几几乎是荷荷载结构构法的两两倍，并并且在模模拟过程程中发现现，随着着埋深的的增加，地地层结构构法得到到的内力力急剧增增加，与与实际情情况有一一定的出出入。在在较差地地层中，荷荷载结构构法相对对比地层层结构法法发更为为安全和和符合实实际。地地下结构构的计算算理论虽虽然已有有了许多多新的研研究成果果

45、，但荷荷载结构构法仍然然是目前前最为常常用的一一种地下下结构计计算方法法。它的的概念清清楚，方方法简明明，容易易接受和和掌握，是是目前几几种隧道道设计模模型中最最为广泛泛应用和和成熟的的模型。通过分析，钢钢管混凝凝土支架架模拟主主要采用用荷载结结构法模模拟。（3）隧道道各级围围岩断面面初期支支护内力力计算各级围岩断断面内力力计算结结果考虑到8种种钢管混混凝土支支架的轴轴力和弯弯矩图较较多，且且相同围围岩情况况下初期期支护受受力情况况基本相相同，每每种围岩岩情况只只附上一一张轴力力和弯矩矩图以减减少篇幅幅。= 1 * GB3IV1级级围岩深深埋段。计计算得到到轴力图图（图44-8）和弯弯矩图（图

46、图4-9）。IV1级围围岩深埋埋轴力图图IV1级围围岩深埋埋弯矩图图选取轴力和和弯矩最最大节点点、拱顶顶、拱腰腰、拱脚脚五处节节点为控控制节点点，用于于初期支支护喷射射混凝土土和钢管管混凝土土支架的的强度检检算，具具体数值值如表44-9、表4-10。IV1级围围岩深埋埋初期支支护控制制节点轴轴力单位位：kNN位置（单元元号）拱顶（255）拱腰（500）拱脚（555）最大（555）1-452.0-575.5-586.7-586.72-453.5-575.5-586.6-586.63-452.8-575.5-586.7-586.74-454.4-575.5-586.6-586.65-454.9-5

47、75.5-586.6-586.66-456.5-575.5-586.6-586.67-455.8-575.5-586.6-586.68-457.4-575.5-586.6-586.6IV1级围围岩深埋埋初期支支护控制制节点弯弯矩单位位：kNN*m位置（单元元号）拱顶（255）拱腰（500）拱脚（555）最大（255）111.600-0.4770.0011.600211.555-0.4770.0011.555311.577-0.4770.0011.577411.522-0.4880.0011.522511.500-0.4880.0011.500611.455-0.4880.0011.455711

48、.477-0.4880.0011.477811.411-0.4990.0011.411= 2 * GB3IV2级级围岩中中浅埋段段。计算算得到轴轴力图（图图4-10）和和弯矩图图（图44-11）。IV2级围围岩中浅浅埋轴力力图IV2级围围岩中浅浅埋弯矩矩图选取轴力和和弯矩最最大节点点、拱顶顶、拱腰腰、拱脚脚五处节节点为控控制节点点，用于于初期支护喷射射混凝土土和钢管管混凝土土支架的的强度检检算，具具体数值值见表44-11、表表4-112。IV2级围围岩中浅浅埋初期期支护控控制节点点轴力 单位位：kNN位置（单元元号）拱顶（255）拱腰（500）拱脚（555）最大（555）1-910.3-112

49、00.0-11400.0-11400.02-912.8-11200.0-11400.0-11400.03-911.7-11200.0-11400.0-11400.04-914.4-11200.0-11400.0-11400.05-915.3-11200.0-11400.0-11400.06-917.9-11200.0-11400.0-11400.07-916.8-11200.0-11400.0-11400.08-919.6-11200.0-11400.0-11400.0IV2级围围岩中浅浅埋初期期支护控控制节点点弯矩 单位位：kNN*m位置（单元元号）拱顶（255）拱腰（500）拱脚（555）

50、最大（255）121.455-1.2110.0021.455221.366-1.2220.0021.366321.400-1.2110.0021.400421.300-1.2330.0021.300521.277-1.2330.0021.277621.177-1.2550.0021.177721.211-1.2440.0021.211821.111-1.2660.0021.111= 3 * GB3IV2级级围岩深深埋段。计计算得到到轴力图图（图44-122）和弯弯矩图（图图4-113）。IV2级围围岩深埋埋轴力图图IV2级围围岩深埋埋弯矩图图选取轴力和和弯矩最最大节点点、拱顶顶、拱腰腰、拱脚脚

51、五处节节点为控控制节点点，用于于初期支支护喷射射混凝土土和钢管管混凝土土支架的的强度检检算，具具体数值值见表44-13、表表4-14。IV2级围围岩深埋埋初期支支护控制制节点轴轴力 单位：kN位置（单元元号）拱顶（255）拱腰（500）拱脚（555）最大（555）1-449.4-557.0-568.0-568.02-450.7-557.0-568.0-568.03-450.1-557.0-568.0-568.04-451.4-557.0-568.0-568.05-451.9-557.0-568.0-568.06-453.2-557.0-568.0-568.07-452.6-557.0-568.

52、0-568.08-454.0-557.0-568.0-568.0IV2级围围岩深埋埋初期支支护控制制节点弯弯矩 单位：kN*m位置（单元元号）拱顶（255）拱腰（500）拱脚（555）最大（255）110.788-0.555010.788210.744-0.555010.744310.766-0.555010.766410.722-0.566010.722510.700-0.566010.700610.666-0.577010.666710.688-0.577010.688810.633-0.588010.633= 4 * GB3 IV33级围岩岩深埋段段。计算算得到轴轴力图（图图4-114）

53、图图（图44-15）。IV3级围围岩深埋埋轴力图图IV3级围围岩深埋埋弯矩图图选取轴力和和弯矩最最大节点点、拱顶顶、拱腰腰、拱脚脚五处节节点为控控制节点点，用于于初期支护喷射射混凝土土和钢管管混凝土土支架强强度检算算，具体体数值见见表4-15、表表4-16。IV3围岩岩深埋初初期支护护控制节节点轴力力 单单位：kkN位置（单元元号）拱顶（255）拱腰（500）拱脚（555）最大（555）1-441.7-531.7-542.4-542.42-442.7-531.7-542.4-542.43-442.3-531.7-542.4-542.44-443.3-531.7-542.4-542.45-443

54、.6-531.7-542.4-542.46-444.6-531.7-542.3-542.37-444.2-531.7-542.3-542.38-445.3-531.7-542.3-542.3IV3围岩岩深埋初初期支护护控制节节点弯矩矩 单位：kN*m位置（单元元号）拱顶（255）拱腰（500）拱脚（555）最大（255）19.85-0.6550.009.8529.82-0.6660.009.8239.83-0.6660.009.8349.80-0.6770.009.8059.79-0.6770.009.7969.76-0.6990.009.7679.77-0.6880.009.7789.74-

55、0.7000.009.74= 5 * GB3V1级围围岩深埋埋段。计计算得到到轴力图图（图44-16）和和弯矩图图（图44-17）。V1级围岩岩深埋轴轴力图V1级围岩岩深埋弯弯矩图选取轴力和和弯矩最最大节点点、拱顶顶、拱腰腰、拱脚脚、仰拱拱六处节节点为控控制节点点，用于初期支支护喷射射混凝土土和钢管管混凝土土支架的的强度检检算，具具体数值值见表44-17、表表4-18。V1围岩深深埋初期期支护控控制节点点轴力 单位位：kNN位置（单元元）拱顶（255）拱腰（500）拱脚（555）仰拱（2556）最大（555）3-600.0-711.1-742.7-308.6-742.74-600.9-711.

56、1-742.8-309.4-742.85-601.2-711.1-742.8-309.6-742.86-602.0-711.1-743.0-310.3-743.07-601.7-711.1-742.9-310.0-742.98-602.5-711.1-743.1-310.8-743.19-603.2-711.1-743.2-311.4-743.210-604.1-711.1-743.3-312.2-743.3V1围岩深深埋初期期支护控控制节点点弯矩 单位位：kNN*m位置（单元元）拱顶（255）拱腰（500）拱脚（555）仰拱（2556）最大（555）317.0555.16-45.339-0.

57、022-45.339417.0555.31-45.991-0.022-45.991517.0445.36-46.008-0.033-46.008617.0445.50-46.661-0.033-46.661717.0445.44-46.338-0.033-46.338817.0445.60-46.995-0.044-46.995917.0445.72-47.441-0.055-47.4411017.0445.89-48.002-0.066-48.002= 6 * GB3V2级围围岩浅埋埋段。计计算得到到轴力图图（图44-18）和和弯矩图图（图44-19）。V2级围岩岩浅埋轴轴力图V2级围岩岩浅

58、埋弯弯矩图选取轴力和和弯矩最最大节点点、拱顶顶、拱腰腰、拱脚脚、仰拱拱六处节节点为控控制节点点，用于于初期支支护喷射射混凝土土和钢管管混凝土土支架强强度检算算，具体体数值见见表4-19、表表4-20。V2围岩浅浅埋初期期支护控控制节点点轴力 单位位：kNN位置（单元元）拱顶（255）拱腰（500）拱脚（555）仰拱（2556）最大（555）3-566.6-656.0-687.0-295.1-687.04-567.2-656.0-687.1-295.7-687.15-567.4-656.0-687.1-295.9-687.16-568.0-656.0-687.2-296.5-687.27-567

59、.8-656.0-687.2-296.3-687.28-568.4-656.0-687.3-296.9-687.39-568.9-656.0-687.4-297.4-687.410-569.5-656.0-687.5-298.1-687.5位置（单元元）拱顶（255）拱腰（500）拱脚（555）仰拱（2556）最大（555）314.9996.56-48.558-0.188-48.558415.0006.71-49.114-0.211-49.114515.0006.76-49.332-0.222-49.332615.0116.90-49.889-0.244-49.889715.0116.84-4

60、9.664-0.233-49.664815.0226.99-50.226-0.266-50.226915.0337.12-50.774-0.288-50.7741015.0557.28-51.339-0.322-51.339V2围岩浅浅埋初期期支护控控制节点点弯矩 单位位：kNN*m= 7 * GB3V2级围围岩中浅浅埋段。计计算得到到轴力图图（图44-21）和和弯矩图图（图44-22）。V2级围岩岩中浅埋埋轴力图图V2级围岩岩中浅埋埋弯矩图图选取轴力和和弯矩最最大节点点、拱顶顶、拱腰腰、拱脚脚、仰拱拱六处节节点为控控制节点点，用于于初期支支护喷射射混凝土土和钢管管混凝土土支架强强度检算算，具