隧道管棚超前支护技术研究

论文摘要

管棚超前支护技术作为隧道开挖的一种辅助工法,在防止隧道塌方、抑制地层位移、控制地表沉降等方面发挥着重要作用,它能够有效地解决隧道在穿越浅埋大偏压、软弱破碎、流泥等特殊地质条件隧道开挖问题,此外,管棚超前支护技术还具有超前加固距离长、可靠性高、工期短等优点,因此管棚工法正得到越来越多的应用。本论文以管棚超前支护技术为研究对象,运用理论分析、数值模拟等研究手段,主要做了以下工作:(1)在常用围岩压力理论的基础上,综合考虑了隧道埋深、围岩条件、开挖条件以及管棚作为超前支护结构的特点等因素,得出了深、浅埋隧道管棚受力荷载的计算公式,并基于弹性地基梁理论建立了管棚的力学分析模型,采用解析解得到了管棚支护结构的挠度、转角及弯矩方程。(2)应用土拱效应原理得出了管棚环向最大容许间距的计算公式。(3)应用三维有限差分软件(FLAC3D)对管棚超前支护结构进行了数值模拟,对管棚布置型式、支护长度的改变、注浆与否以及注浆厚度的改变对隧道开挖的影响进行了分析,计算结果表明:管棚存在最佳布置型式;管棚支护长度的增大对隧道位移的影响不大;注浆厚度的增大对隧道位移的控制作用并不显著,并存在最佳注浆厚度。以上研究成果对于管棚支护设计理论和施工实践都具有重大的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 管棚超前支护技术概述
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 问题的提出
• 1.4 主要研究内容
• 2 管棚支护结构的力学分析
• 2.1 管棚受力荷载的确定
• 2.1.1 常用围岩压力理论
• 2.1.2 管棚受力荷载及其作用范围的确定
• 2.2 管棚力学模型的建立
• 2.2.1 管棚力学模型建立的基本观点
• 2.2.2 Winkler 地基模型
• 2.2.3 管棚力学模型的建立
• 2.3 管棚超前支护结构的力学分析
• 2.3.1 Winkler 弹性地基梁的基本方程
• 2.3.2 超前管棚两种基本模型的挠度方程
• 2.4 本章小结
• 3 管棚支护设计
• 3.1 管棚支护参数设计
• 3.1.1 钢管型号
• 3.1.2 管棚支护长度
• 3.1.3 管棚环向间距
• 3.1.4 掘进步距
• 3.1.5 搭接长度
• 3.1.6 管棚仰角
• 3.1.7 注浆参数
• 3.1.8 钢拱架间距
• 3.2 管棚工作室及套拱（导向墙）的设计
• 3.3 本章小结
• 4 管棚超前支护结构数值模拟
• 4.1 管棚超前支护数值模拟现状
• 4.2 弹塑性问题的基本理论
• 4.2.1 弹塑性材料的本构关系
• 4.2.2 屈服准则
• 4.3 管棚超前支护结构的数值模拟
• 4.3.1 计算模型的建立
• 4.3.2 计算参数的确定
• 4.3.3 模拟计算结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录