大断面黄土隧道支护结构受力特性研究及应用

大断面面黄土土隧道道支护护结构构受力力特性性研究究及应应用山西省省交通通科学学研究究院孙孙志杰杰汇报报内内容容项目背景

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目背背景景50年年代前前，采采用单单工序序，采采用先拱后后墙法法，靠人人工工开开挖，，事故故多；；50~70年代代采用用上下导导坑法法较多，，以手手工工工具为为主，，衬砌砌厚度度偏大大；80年年代以以后采采用新奥法法，非爆爆破机机械配配合人人工开开挖；；总体上上从单一工工序→→多种种工序序；从从小断断面→→全断断面→→大断断面不断发展的的过程。项目背景项目背景日本隧道的的划分标准准划分开挖断面积(m2)说明标准断面70~80双车道大断面100~140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的断面划分分标准划分净空截面积(m2)超小断面<3.0小断面3.0~10.0中等断面10.0~50.0大断面50.0~100.0超大断面>100.0项目背景开挖后的应应力重分布布变得不利利。与近圆形隧道道相比，将将出现更大大的塑性区区和更大的的变形，需需要更强大大的支护结结构来保持持隧道的稳稳定；底脚处的应应力集中过过大,要求较大的的地基承载载力。拱顶不稳定定。隧道宽度的的扩大将大大大增加拱拱顶围岩内内的拉应力力，导致拱拱顶掉块等等失稳现象象。大断面隧道道支护结构构将承受更大的松弛弛荷载。支护结构的的承载力相对对较小。管棚支护效效果AddyourTitle在大断面黄黄土隧道管管棚预支护护的设计和和施工中，，目前多采采用工程类比法法，采用工程程类比法设设计的黄土土隧道管棚棚预支护的的各项参数数是否合理经经济，从而更好好地控制施施工成本是是急需解决决的问题。。项目背景锚杆设计参参数AddyourTitle在硬岩和软软岩支护中中，锚杆有有着良好的的适用性，，可以取得得较好的支支护效果。。但是黄土的强度度低，大跨度及及大断面隧隧道开挖时时稳定性差，围岩变形大大，使得大断断面黄土隧隧道锚杆设设计遇到难难题。项目背景拱架选型钢拱架：截面大、刚刚度大、初初期承载能能力强，可可立即承载；不足：存在在收缩裂缝缝、背后空空洞难充填填、密实。。格栅：接触面积大大、粘结效效果好，易易协同变形形、共同受受力，造价低；；不足：抵抗抗初始变形形的能力差差，整体刚刚度低。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路线项目技术路路线项目研究内内容项目研究内内容大断面黄土隧道管棚作用机理研究及应用

；大断面黄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、、浅埋隧道道管棚受力力荷载的计算图示及围岩压力公公式。作用在管棚棚上的围岩岩压力深埋隧道管管棚荷载计计算图示浅埋隧道管管棚荷载计计算图示研究内容一一：超前管管棚预支护护体系1.2建立了管棚力学模模型，并基于MATLAB编制计算程序进行优化计计算。管棚的控制制微分方程程隧道开挖过过程管棚受受力模型图图示程序计算结结果研究内容一一：超前管管棚预支护护体系管棚挠度曲曲线管棚弯矩曲曲线1.2建立了管棚力学模模型，并基于MATLAB编制计算程序进行优化计计算。研究内容一一：超前管管棚预支护护体系不同隧道埋埋深不同开挖步步距1.3管棚预支护护条件下隧隧道施工过过程的三维维数值模拟拟研究整体模型管棚体系模模型图示研究内容一一：超前管管棚预支护护体系1.3管棚预支护护条件下隧隧道施工过过程的三维维数值模拟拟研究开挖8m管棚弯矩开挖14m管棚弯矩研究内容一一：超前管管棚预支护护体系管棚竖向位位移管棚水平位位移1.3管棚预支护护条件下隧隧道施工过过程的三维维数值模拟拟研究不采用管棚棚注浆采用管棚注注浆三车道研究内容一一：超前管管棚预支护护体系不同断面管管棚支护围围岩位移对对比1.3管棚预支护护条件下隧隧道施工过过程的三维维数值模拟拟研究不采用管棚棚注浆采用管棚注注浆三车道研究内容一一：超前管管棚预支护护体系不同断面管管棚支护初初支受力对对比1.4管棚预支支护体系系参数优优化的三三维数值值模拟研研究打设角度度0°打设角度度5°打设角度度10°°间距30cm间距40cm间距50cm研究内容容一：超超前管棚棚预支护护体系1.4管棚预支支护体系系参数优优化的三三维数值值模拟研研究角度三车道两车道角度拱顶沉降降间距间距研究内容容一：超超前管棚棚预支护护体系1.4管棚预支支护体系系参数优优化的三三维数值值模拟研研究三车道两车道水平位移移角度角度间距间距研究内容容一：超超前管棚棚预支护护体系1.4管棚预支支护体系系参数优优化的三三维数值值模拟研研究角度三车道两车道角度地表沉降降间距间距研究内容容一：超超前管棚棚预支护护体系1.4管棚预支支护体系系参数优优化的三三维数值值模拟研研究角度三车道两车道角度拱顶管棚棚竖向弯弯矩间距间距研究内容容一：超超前管棚棚预支护护体系2.1推导了锚杆界面面剪应力力分布，对土层及锚锚杆参数数的影响进进行分析析。锚杆剪力力分布曲曲线土层中锚锚杆剪应应力分布布情况锚杆近端端的剪应应力锚杆中性性点到终终端的剪剪应力研究内容容二：锚锚杆支护护体系2.1推导了锚杆界面面剪应力力分布，对土层及锚锚杆参数数的影响进进行分析析。不同泊松松比不同洞径径条件洞室不同同位置处处不同侧压压力系数数研究内容容二：锚锚杆支护护体系2.2系统锚杆杆设置优化化分析研究内容容二：锚锚杆支护护体系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系统锚杆杆设置优化化分析仅边墙全环设置置仅拱部不同锚杆设置置方式下下锚杆轴轴力图锚杆布设设方式研究内容容二：锚锚杆支护护体系2.2系统锚杆杆设置优化化分析仰拱隆起起地表沉降降拱顶下沉沉不同锚杆设置置方式下下围岩位移图锚杆布设设方式研究内容容二：锚锚杆支护护体系水平位移移2.2系统锚杆杆设置优化化分析仰拱隆起起水平位移移地表沉降降拱顶下沉沉锚杆环向向间距与与长度研究内容容二：锚锚杆支护护体系不同锚杆设置置方式下下围岩位移图曲线2.3锁脚锚杆杆设置优化化分析锁脚锚杆设置优化计算工况研究内容容二：锚锚杆支护护体系两车道三车道锁脚锚杆2.3锁脚锚杆杆设置优化化分析锚杆打设设角度与与长度两车道三车道研究内容容二：锚锚杆支护护体系不同工况况下拱顶顶下沉曲曲线图2.3锁脚锚杆杆设置优化化分析不同工况况下水平平位移曲曲线图锚杆打设设角度与与长度研究内容容二：锚锚杆支护护体系两车道三车道2.3锁脚锚杆杆设置优化化分析不同工况况下拱顶顶下沉图锁脚锚杆杆数量研究内容容二：锚锚杆支护护体系两车道三车道2.3锁脚锚杆杆设置优化化分析不同工况况下水平位移移图锁脚锚杆杆数量研究内容容二：锚锚杆支护护体系两车道三车道3.1隧道初支与围围岩相互作用用研究不同型号号格栅钢钢架支护护特征曲曲线不同喷层层厚度的的喷射混混凝土支支护特征征曲线不同型号号型钢钢钢架支护护特征曲曲线研究内容容三：钢钢架支护护体系3.2钢-砼分离的精细化喷砼钢架架支护体体系作用用效果分分析格栅钢架架模型型钢钢架架模型喷砼-钢架支护护体系结结构模型型图研究内容容三：钢钢架支护护体系3.2钢-砼分离的精细化喷砼钢架架支护体体系作用用效果分分析型钢钢架架受力钢架应力力监测示示意图研究内容容三：钢钢架支护护体系3.2钢-砼分离的精细化喷砼钢架架支护体体系作用用效果分分析型钢钢架架受力研究内容容三：钢钢架支护护体系钢架内侧侧翼缘环环向应力力不同型钢钢钢架内内侧翼缘缘环向应应力分布布规律除除仰拱外外均受压压，应力力大小顺顺序：墙墙脚>墙腰>拱脚>拱腰>拱顶。应力随钢钢架型号号变化规规律同一一型号：：B<A，同一型型号应力力相差不不大，不不同型号号：I22<I20<I18。3.2钢-砼分离的精细化喷砼钢架架支护体体系作用用效果分分析型钢钢架架受力研究内容容三：钢钢架支护护体系钢架外侧侧翼缘环环向应力力钢架外侧侧翼缘环环向应力力分布规规律除墙墙腰到墙墙脚附近近范围受受拉外其其余部位位均受压压，应力力大小顺顺序：墙墙脚>拱脚、拱拱腰>拱顶>仰拱>墙腰。应力大小小随钢架架型号变变化规律律墙腰处处：I22>I20>I18，墙脚处处：I20>I18>I22。3.2钢-砼分离的精细化喷砼钢架架支护体体系作用用效果分分析型钢钢架架受力研究内容容三：钢钢架支护护体系钢架腹板板1/2高度处环环向应力力钢架腹板板1/2高度处环环向应力力分布规规律相同同，均受受压，应应力大小小顺序：：拱脚>墙腰>拱腰>墙脚>拱顶>仰拱。应力大小小随钢架架型号变变化规律律同一型型号：B<A，同一型型号应力力相差不不大，不不同型号号：I22<I20<I18。3.2钢-砼分离的精细化喷砼钢架架支护体体系作用用效果分分析型钢钢架架受力研究内容容三：钢钢架支护护体系钢架腹板板不同高高度处径径向应力力型钢钢架架腹板不不同高度度处径向向应力均均为压应应力，拱拱腰、墙墙脚随腹腹板截面面高度的的增加减减小，其其他部位位随高度度的增加加增加。。应力大小小随钢架架型号变变化规律律同一型型号同一一型号应应力相差差不大，，不同型型号：I20<I22。3.2钢-砼分离的精细化喷砼钢架架支护体体系作用用效果分分析格栅钢架架受力外层内层研究内容容三：钢钢架支护护体系环向钢筋筋轴力3.2钢-砼分离的精细化喷砼钢架架支护体体系作用用效果分分析格栅钢架架受力外层内层研究内容容三：钢钢架支护护体系环向钢筋筋弯矩3.3不同围岩岩级别钢钢架支护护效果研研究研究内容容三：钢钢架支护护体系计算模型型隧道埋埋深1.2D，钢架选选择格栅栅18、I18、格栅20、I20A、I20B、格栅22、I22A、I22B型共8种类型的的钢架。。3.3不同围岩岩级别钢钢架支护护效果研研究型钢钢架架翼缘受受力研究内容容三：钢钢架支护护体系墙腰环向应应力墙脚环向向应力墙腰环向向均受压压力，随随着围岩岩强度的的降低，，墙腰环环向应力力增大，，从IVa级围岩时时的80MPa左右增大大到Vb级围岩时时的180MPa左右。且且V级围岩的的增加幅幅度大于于IV级围岩；；同一围岩岩级别条条件下，，应力大大小依次次为：I20>I18>I22。3.3不同围岩岩级别钢钢架支护护效果研研究型钢钢架架腹板受受力研究内容容三：钢钢架支护护体系拱脚环向向应力拱腰环向应力力拱腰环向均受受压力，随着着围岩强度的的降低，墙腰腰环向应力增增大，且V级围岩的增加加幅度和IV级围岩基本相相同；拱脚环向均受受压力，但应应力并不随着着围岩强度的的降低而一直直增大，且在在I22钢架支护条件件下，拱脚环环向应力随围围岩级别的变变化幅度很小小，基本相同同。3.3不同围岩级别别钢架支护效效果研究研究内容三：：钢架支护体体系综合钢架对围围岩变形的控控制效果和钢钢架、喷射混混凝土结构自自身的受力：：IV级围岩条件下下，IVa级围岩推荐选选择格栅18型钢架，IVb级围岩推荐选选择I18型钢架。V级围岩条件下下，Va级围岩推荐选选择格栅22型拱架，Vb级围岩推荐选选择I22A型拱架。主要技术术创新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。主要技术术创新新模型结构图模型方程创新点一：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下管棚的弹性地地基梁模型。。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编制管棚模型型的力学计算程序序。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。揭示了黄土隧隧道管棚打设角度和间间距对围岩和管棚的影响规律。不同断面管棚棚打设角度和和间距对围岩岩水平位移较较竖向位移敏敏感，管棚大大打设角度时时拱顶沉降小小，小打设角角度时水平位位移小；不同断面隧道道拱顶管棚均均以承受竖向向弯曲为主，，拱脚管棚竖竖向和横向均均承受较大弯弯矩。不同断面围岩岩位移和管棚棚竖向、横向向弯矩受管棚棚打设角度影影响程度大于于管棚间距。。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级黄土地区三三车道隧道系系统锚杆的布设参数。。V级围岩三车道道黄土隧道系系统锚杆拱部部布设参数：：在拱部采用用环向1.0m间距，3.0m长直径22