客运专线大断面黄土隧道施工力学及支护设计理论研究

论文摘要

随着国内大规模基础设施的投资建设,西部将建设一大批大断面黄土隧道。先期建设的郑西铁路客运专线包含大量黄土隧道,其单洞开挖断面达170m2,为我国黄土历史上第一,且黄土地层具有特殊性和软弱性,工程难度大。我国目前尚无相关工程的施工与设计经验,缺少规范的指导,因此对其施工技术和支护理论的研究显得尤为迫切。本文依托该工程,率先对大断面黄土隧道的力学行为展开研究,主要开展了以下工作:1.通过调查和分析客专黄土围岩的特殊性质,指出黄土的结构性强度可概括为双线性屈服准则,而垂直节理可视为遍布节理,两者在新、老黄土中具有不同的赋存状况和发育程度。2.提出应按考虑黄土特性的双线性本构模型进行黄土隧道的力学分析,结果认为,结构强度主要影响塑性区和位移量值,对形态影响不大,而垂直节理对深、浅埋黄土隧道的位移模式与破坏形态有很大影响。3.采用三维数值仿真方法,并结合试验工点监测数据,研究了大断面黄土隧道中双侧壁、CRD、弧形导坑法的施工力学动态,揭示出深、浅埋皆为不利情况,开挖前围岩位移释放率高、支护位移量大、早期变形快、持续时间长、支护受力大等是其主要特点;给出了施工监测控制基准值,指出浅埋应按变形控制,深埋应按变形与受力双重标准控制。4.针对三种工法提出改进与优化,并进行了力学验证。5.针对黄土围岩中锚杆的拉拔试验,修正了基于剪滞理论的锚杆轴力与剪力计算式,并用于评价锚杆-围岩界面强度;基于中性点理论研究了锚杆-黄土围岩的相互作用机制,指出围岩不同部位的变形模式是锚杆作用与受力大小的决定性因素。6.采用数值分析与现场1:1原型支护试验结果,对系统锚杆在黄土隧道中的锚固效果进行了研究,指出拱部锚杆作用小,边墙锚杆有一定作用。7.根据黄土的结构性及喷射混凝土硬化,建立了支护钢架+喷混组合体的平面受力分析方法,得出快速硬化条件下格栅+喷混与型钢+喷混支护能力相当。8.采用三维分析方法,对型钢与格栅在大断面黄土隧道中的支护机制与支护能力进行了分析,指出两者的主要差别在于对水平位移的约束上,而对约束拱部的整体沉降差别不大。9.采用现场1:1原型支护试验结果对格栅与型钢的支护性能进行对比分析,发现快速硬化条件下两者差距不大,均可在断面黄土隧道中采用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 工程背景及意义
• 1.1.2 学术价值及意义
• 1.2 大断面隧道研究现状
• 1.2.1 大断面隧道的分类及力学特点
• 1.2.2 大断面隧道的施工技术
• 1.2.3 大断面隧道的理论研究
• 1.2.4 黄土隧道的研究现状
• 1.3 本文研究内容与方法
• 1.3.1 研究内容与方法
• 1.3.2 技术路线
• 第2章 大断面黄土隧道工程性质研究
• 2.1 黄土的特殊性质
• 2.1.1 结构性
• 2.1.2 客专黄土围岩的结构性强度特点
• 2.1.3 客专黄土围岩中的节理赋存状况
• 2.2 黄土本构模型
• 2.2.1 双线性应变硬化/软化模型
• 2.2.2 遍布节理模型
• 2.3 线性模型应力分区理论
• 2.4 大断面黄土隧道应力场特征
• 2.4.1 支护阻力-塑性区关系
• 2.4.2 围岩应力-深度关系
• 2.4.3 强度比-塑性区关系
• 2.4.4 跨度-塑性区/围岩应力关系
• 2.5 黄土特性对力学形态的影响
• 2.5.1 深埋力学形态
• 2.5.2 浅埋力学形态
• 2.6 本章小结
• 第3章 大断面黄土隧道施工动态及关键对策研究
• 3.1 概述
• 3.2 大断面黄土隧道的稳定性与适用工法
• 3.2.1 毛洞稳定跨度
• 3.2.2 适用工法
• 3.3 施工工法研究背景简介
• 3.3.1 试验段工程背景简介
• 3.3.2 试验段支护设计参数
• 3.3.3 试验段施工方法
• 3.3.4 数值模拟方法
• 3.4 双侧壁施工动态及优化
• 3.4.1 双侧壁施工力学规律
• 3.4.2 双侧璧工法特性总结及工序优化
• 3.4.3 双侧璧导坑法工序优化
• 3.5 CRD工法施工动态及优化
• 3.5.1 CRD施工力学规律
• 3.5.2 CRD工法特性总结及施工对策
• 3.5.3 CRD法工序优化
• 3.6 七步短台阶法工法特性
• 3.6.1 七步短台阶法施工力学规律
• 3.6.2 七步短台阶工法特性总结及施工对策
• 3.6.3 施工参数研究
• 3.7 信息化监控方法设计及控制基准
• 3.7.1 监控项目
• 3.7.2 监控布置
• 3.7.3 监控频率与精度
• 3.7.4 控制标准及基准值
• 3.7.5 监控管理与施工反馈
• 3.8 本章小结
• 第4章 初期支护之系统锚杆作用研究
• 4.1 问题的提出
• 4.2 研究方法和内容
• 4.3 锚杆拉拔试验
• 4.3.1 锚杆极限拉拔力
• 4.3.2 拉拔试验理论分析
• 4.3.3 拉拔试验性能评价
• 4.4 锚杆-黄土隧道的荷载传递机制
• 4.4.1 隧道中锚杆受力机理
• 4.4.2 浅埋隧道锚杆受力分析
• 4.4.3 深埋隧道锚杆受力分析
• 4.4.4 锚杆受力的深层次原因
• 4.5 锚杆-黄土隧道耦合作用数值分析
• 4.5.1 Cable物理数学模型
• 4.5.2 Cable单元参数获取
• 4.5.3 锚杆轴力计算
• 4.5.4 锚杆锚固效果
• 4.6 现场试验及验证
• 4.6.1 浅埋隧道锚杆对比试验
• 4.6.2 深埋隧道锚杆对比试验
• 4.7 锚杆设计参数研究
• 4.8 本章小结
• 第5章 初期支护之钢架选型研究
• 5.1 研究思路
• 5.2 喷射混凝土硬化规律
• 5.3 钢架作用的收敛-约束法研究
• 5.3.1 结构性黄土围岩特征曲线
• 5.3.2 钢架组合体支护曲线求解
• 5.3.3 开挖面三维支护效应
• 5.3.4 收敛-约束法支护机制
• 5.4 型钢与格栅施工阶段三维仿真分析
• 5.4.1 喷混凝土硬化模拟方法
• 5.4.2 模拟对象及方法
• 5.4.3 数值分析结果对比
• 5.4.4 硬化的参数敏感性分析
• 5.4.5 本节小结
• 5.5 现场试验验证
• 5.5.1 试验方案设计
• 5.5.2 型钢试验段隧道整体力学性能
• 5.5.3 格栅试验段隧道整体力学性能
• 5.5.4 型钢与格栅支护性能对比分析
• 5.5.5 本节小结
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果