大断面黄土隧道支护结构受力特性研究及应用

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；50~70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断面划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AddyourTitle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AddyourTitle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线项目技术路线线项目研究内容容项目研究内容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、浅浅埋隧道管棚棚受力荷载的的计算图示及围岩压力公式式。作用在管棚上上的围岩压力力深埋隧道管棚棚荷载计算图图示浅埋隧道管棚棚荷载计算图图示研究内容一：：超前管棚预预支护体系1.2建立了管棚力学模型型，并基于MATLAB编制计算程序进行优化计算算。管棚的控制微微分方程隧道开挖过程程管棚受力模模型图示程序计算结果果研究内容一：：超前管棚预预支护体系管棚挠度曲线线管棚弯矩曲线线1.2建立了管棚力学模型型，并基于MATLAB编制计算程序进行优化计算算。研究内容一：：超前管棚预预支护体系不同隧道埋深深不同开挖步距距1.3管棚预支护条条件下隧道施施工过程的三三维数值模拟拟研究整体模型管棚体系模型型图示研究内容一：：超前管棚预预支护体系1.3管棚预支护条条件下隧道施施工过程的三三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：：超前管棚预预支护体系管棚竖向位移移管棚水平位移移1.3管棚预支护条条件下隧道施施工过程的三三维数值模拟拟研究不采用管棚注注浆采用管棚注浆浆三车道研究内容一：：超前管棚预预支护体系不同断面管棚棚支护围岩位位移对比1.3管棚预支护条条件下隧道施施工过程的三三维数值模拟拟研究不采用管棚注注浆采用管棚注浆浆三车道研究内容一：：超前管棚预预支护体系不同断面管棚棚支护初支受受力对比1.4管棚预支护体体系参数优化化的三维数值值模拟研究打设角度0°打设角度5°打设角度10°间距30cm间距40cm间距50cm研究内容一：：超前管棚预预支护体系1.4管棚预支护体体系参数优化化的三维数值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：：超前管棚预预支护体系1.4管棚预支护体体系参数优化化的三维数值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：：超前管棚预预支护体系1.4管棚预支护体体系参数优化化的三维数值值模拟研究角度三车道道两车道道角度地表沉沉降间距间距研究内内容一一：超超前管管棚预预支护护体系系1.4管棚预预支护护体系系参数数优化化的三三维数数值模模拟研研究角度三车道道两车道道角度拱顶管管棚竖竖向弯弯矩间距间距研究内内容一一：超超前管管棚预预支护护体系系2.1推导了了锚杆界界面剪剪应力力分布布，对土层及及锚杆杆参数数的影响响进行行分析析。锚杆剪剪力分分布曲曲线土层中中锚杆杆剪应应力分分布情情况锚杆近近端的的剪应应力锚杆中中性点点到终终端的的剪应应力研究内内容二二：锚锚杆支支护体体系2.1推导了了锚杆界界面剪剪应力力分布布，对土层及及锚杆杆参数数的影响响进行行分析析。不同泊泊松比比不同洞洞径条条件洞室不不同位位置处处不同侧侧压力力系数数研究内内容二二：锚锚杆支支护体体系2.2系统锚锚杆设置优优化分析研究内内容二二：锚锚杆支支护体体系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系统锚锚杆设置优优化分分析仅边墙墙全环设设置仅拱部部不同锚杆设设置方方式下下锚杆杆轴力力图锚杆布布设方方式研究内内容二二：锚锚杆支支护体体系2.2系统锚锚杆设置优优化分分析仰拱隆隆起地表沉沉降拱顶下下沉不同锚杆设设置方方式下下围岩岩位移图图锚杆布布设方方式研究内内容二二：锚锚杆支支护体体系水平位位移2.2系统锚锚杆设置优优化分分析仰拱隆隆起水平位位移地表沉沉降拱顶下下沉锚杆环环向间间距与与长度度研究内内容二二：锚锚杆支支护体体系不同锚杆设设置方方式下下围岩岩位移图图曲线2.3锁脚锚锚杆设置优优化分分析锁脚锚杆设置优化计算工况研究内内容二二：锚锚杆支支护体体系两车道道三车车道道锁脚锚杆2.3锁脚脚锚锚杆杆设置置优优化化分分析析锚杆杆打打设设角角度度与与长长度度两车车道道三车车道道研究究内内容容二二：：锚锚杆杆支支护护体体系系不同同工工况况下下拱拱顶顶下下沉沉曲曲线线图图2.3锁脚脚锚锚杆杆设置置优优化化分分析析不同同工工况况下下水水平平位位移移曲曲线线图图锚杆杆打打设设角角度度与与长长度度研究究内内容容二二：：锚锚杆杆支支护护体体系系两车车道道三车车道道2.3锁脚脚锚锚杆杆设置置优优化化分分析析不同同工工况况下下拱拱顶顶下沉沉图锁脚脚锚锚杆杆数数量量研究究内内容容二二：：锚锚杆杆支支护护体体系系两车车道道三车车道道2.3锁脚脚锚锚杆杆设置置优优化化分分析析不同同工工况况下下水平平位位移移图图锁脚脚锚锚杆杆数数量量研究究内内容容二二：：锚锚杆杆支支护护体体系系两车车道道三车车道道3.1隧道道初支支与与围围岩岩相互互作作用用研研究究不同同型型号号格格栅栅钢钢架架支支护护特特征征曲曲线线不同同喷喷层层厚厚度度的的喷喷射射混混凝凝土土支支护护特特征征曲曲线线不同同型型号号型型钢钢钢钢架架支支护护特特征征曲曲线线研究究内内容容三三：：钢钢架架支支护护体体系系3.2钢-砼分分离离的精细细化化喷砼砼钢钢架架支支护护体体系系作作用用效效果果分分析析格栅栅钢钢架架模模型型型钢钢钢钢架架模模型型喷砼砼-钢架架支支护护体体系系结结构构模模型型图图研究究内内容容三三：：钢钢架架支支护护体体系系3.2钢-砼分分离离的精细细化化喷砼砼钢钢架架支支护护体体系系作作用用效效果果分分析析型钢钢钢钢架架受受力力钢架架应应力力监监测测示示意意图图研究究内内容容三三：：钢钢架架支支护护体体系系3.2钢-砼分分离离的精细细化化喷砼砼钢钢架架支支护护体体系系作作用用效效果果分分析析型钢钢钢钢架架受受力力研究究内内容容三三：：钢钢架架支支护护体体系系钢架架内内侧侧翼翼缘缘环环向向应应力力不同同型型钢钢钢钢架架内内侧侧翼翼缘缘环环向向应应力力分分布布规规律律除除仰仰拱拱外外均均受受压压，，应应力力大大小小顺顺序序：：墙墙脚脚>墙腰腰>拱脚脚>拱腰腰>拱顶顶。。应力力随随钢钢架架型型号号变变化化规规律律同同一一型型号号：：B<A，同同一一型型号号应应力力相相差差不不大大，，不不同同型型号号：：I22<I20<I18。3.2钢-砼分分离离的精细细化化喷砼砼钢钢架架支支护护体体系系作作用用效效果果分分析析型钢钢钢钢架架受受力力研究究内内容容三三：：钢钢架架支支护护体体系系钢架架外外侧侧翼翼缘缘环环向向应应力力钢架架外外侧侧翼翼缘缘环环向向应应力力分分布布规规律律除除墙墙腰腰到到墙墙脚脚附附近近范范围围受受拉拉外外其其余余部部位位均均受受压压，，应应力力大大小小顺顺序序：：墙墙脚脚>拱脚脚、、拱拱腰腰>拱顶顶>仰拱拱>墙腰腰。。应力力大大小小随随钢钢架架型型号号变变化化规规律律墙墙腰腰处处：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：I20<I22。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向应力拱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，，且V级围岩的的增加幅幅度和IV级围岩基基本相同同；拱脚环向向均受压压力，但但应力并并不随着着围岩强强度的降降低而一一直增大大，且在在I22钢架支护护条件下下，拱脚脚环向应应力随围围岩级别别的变化化幅度很很小，基基本相同同。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：钢钢架支护护体系综合钢架架对围岩岩变形的的控制效效果和钢钢架、喷喷射混凝凝土结构构自身的的受力：：IV级围岩条条件下，，IVa级围岩推推荐选择择格栅18型钢架，，IVb级围岩推推荐选择择I18型钢架。。V级围岩条条件下，，Va级围岩推推荐选择择格栅22型拱架，，Vb级围岩推推荐选择择I22A型拱架。。主要技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。主要技技术术创新新模型结构构图模型方程程创新点一：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。建立了变基床系系数下管棚的弹弹性地基基梁模型型。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编制管棚棚模型的的力学计算算程序。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。揭示了黄黄土隧道道管棚打设角度度和间距距对围岩和管棚的影响规规律。不同断面面管棚打打设角度度和间距距对围岩岩水平位位移较竖竖向位移移敏感，，管棚大大打设角角度时拱拱顶沉降降小，小小打设角角度时水水平位移移小；不同断面面隧道拱拱顶管棚棚均以承承受竖向向弯曲为为主，拱拱脚管棚棚竖向和和横向均均承受较较大弯矩矩。不同断面面围岩位位移和管管棚竖向向、横向向弯矩受受管棚打打设角度度影响程程度大于于管棚间间距。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级黄土地地区三车车道隧道道系统锚杆的布设参参数。VV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，