软弱围岩隧道新型半刚性网壳衬砌结构研究及应用

论文摘要

地面网壳结构重量轻、稳定性强,对研究地下支撑结构具有重要的借鉴意义。论文根据大跨度空间壳体力学原理,设计地下网壳喷层衬砌新结构,对围岩—支护相互作用理论及软岩隧道支护设计进行了系统的研究。网壳喷层衬砌由钢筋网架和喷射混凝土组成。网架是用钢筋在地面焊接而成的板壳结构,外表面自成一层钢筋网,可承托隧道围岩表面,内部是立体纵横交叉的钢筋网架支撑着外层钢筋网。每块构件的两端焊接着带有螺栓孔的联接板,每架支架由数块构件对头拼装,用螺栓联接而成,支架本身有一定的柔性让压性能,还可在对接处嵌入木垫板,使支架整体也有一定的可缩性。该新型支架具有两个显著特点,第一、混凝土被包围在众多小跨度双向钢筋拱壳之内,喷层所受的拉剪应力被明显削弱,抗压强度得到充分利用,因而支撑能力比普通配筋喷层大大提高;第二,施喷混凝土后形成网壳锚喷,可缩接头使网壳喷层衬砌也有一定的让压性能。新型衬砌既能与围岩共同变形,又对围岩提供了更强的支撑力,可作为软岩隧道、动压隧道、大断面硐室等的永久支护结构。论文在分析锚喷支护原理的基础上,提出了局部弱支护新理论,研究了半刚性钢筋网壳锚喷结构的力学特性,对网壳锚喷结构进行内力分析和计算。利用开口圆柱壳的一般力学原理和方法,推导出壳体的内力、位移和应力求解格式。依托工业性试验,对单片的钢筋网壳及整架支护结构进行了模型试验,研究网壳支护系统的变形、破坏形态与发展规律。根据模型试验和理论分析建立有限元数值计算模型,利用ANSYS有限元程序完成整架半刚性网壳喷层结构的数值计算,通过对应的节点位移、单元内力的数值计算结果,对新型网壳结构的内力分析起到补充校核作用,比较不同计算方法结果的差异性,完成支护方案的优化设计。结合典型软岩隧道工程,制订施工技术要求与网壳支架加工技术规范。通过现场监测,与其它常用软岩支护方式相比较,完成了网壳支护典型隧道的技术、经济对比和社会效益评价。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 软岩隧道支护理论的发展
• 1.2.2 软岩隧道支护的发展
• 1.3 课题的确定
• 1.4 本论文研究思路与内容
• 第二章 软岩隧道围岩分类方法与支护原则
• 2.1 软岩性质
• 2.1.1 强度低
• 2.1.2 易软化
• 2.1.3 吸水膨胀
• 2.1.4 流变性
• 2.2 软岩工程分类
• 2.2.1 按地层自重应力与岩块单轴抗压强度之比分类
• 2.2.2 根据围岩松动圈大小进行划分
• 2.2.3 按围岩稳定性系数分类
• 2.2.4 按工程力学软岩分类
• 2.2.5 高应力软岩分类
• 2.3 软岩隧道围岩变形规律及难支护原因
• 2.3.1 软岩隧道变形形态
• 2.3.2 软岩隧道围岩变形量的构成
• 2.3.3 软岩隧道受力
• 2.3.4 软岩隧道难支护原因
• 2.4 软岩隧道支护原则
• 2.5 本章结论
• 第三章 半刚性网壳锚喷支护理论分析
• 3.1 网壳锚喷结构—岩体相互作用
• 3.1.1 网壳锚喷结构支护特性
• 3.1.2 网壳衬砌结构支护机理
• 3.1.3 结构与岩体相互作用机理
• 3.2 计算理论模型
• 3.2.1 壳体结构概述
• 3.2.2 问题分析与理论模型
• 3.3 内力计算
• 3.3.1 隧道围岩应力分析
• 3.3.2 支护载荷确定
• 3.3.3 内力计算
• 3.4 本章结论
• 第四章 软岩隧道局部弱支护效应分析
• 4.1 圆形衬砌局部弱支护力学模型的建立及弹性解
• 4.2 局部弱支护隧道的流变变形
• 4.3 本章结论
• 第五章 网壳锚喷衬砌模型试验
• 5.1 概述
• 5.2 相似模型试验基本理论
• 5.3 单片网壳衬砌模型试验设计
• 5.3.1 模型设计
• 5.3.2 模型制作
• 5.3.3 试验的加载与测量
• 5.3.4 试验结果分析
• 5.4 整架钢筋网壳衬砌承载力试验
• 5.5 本章结论
• 第六章 网壳衬砌有限元数值模拟与计算
• 6.1 有限元分析法
• 6.2 ANSYS有限元程序简介
• 6.3 钢筋混凝土建模
• 6.3.1 有限元模型的选取
• 6.3.2 单元选取及实常数的确定
• 6.3.3 本构关系及破坏准则
• 6.4 钢筋网壳混凝土构件ANSYS分析
• 6.4.1 有限元模型的建立
• 6.4.2 加载与求解
• 6.4.3 求解结果分析
• 6.5 本章结论
• 第七章 网壳支架设计与工程应用评价
• 7.1 概述
• 7.2 支架设计
• 7.2.1 斜墙圆弧拱
• 7.2.2 曲墙圆弧拱形
• 7.3 支架加工技术要求与规范
• 7.4 工程应用
• 7.5 钢筋网壳施工
• 7.5.1 施工要求
• 7.5.2 充填封闭
• 7.6 监测分析
• 7.6.1 监控设计原理与方法
• 7.6.2 监测目的
• 7.6.3 监测内容
• 7.6.4 测点布置
• 7.6.5 结果分析
• 7.7 网壳支护效果评价
• 7.7.1 支护效果调查
• 7.7.2 效果评价
• 7.8 本章结论
• 第八章 全文总结及工作展望
• 8.1 本文主要研究成果
• 8.2 本文继续研究的方向
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介