丁家山软弱破碎围岩隧道管棚预支护效应研究

论文摘要

软弱破碎围岩隧道因其围岩的强度较低,抗扰动能力较差,为确保隧道施工时能够安全通过软弱地层,防止开挖过程中围岩崩塌并保持隧道掌子面及地表的稳定,一般采用超前支护方法对掌子面前方土体进行预加固。在我国,管棚超前支护法首先用于山岭隧道施工中,并在穿越浅埋地段、松散破碎带、节理断层、涌水突泥等特殊地质环境隧道施工中发挥了重要作用。本文以大广高速公路丁家山隧道为工程背景和研究对象,根据隧道实际工程地质条件、施工特点与环境条件,开展浅埋隧道管棚预支护效应研究。基于国内外管棚支护技术的发展与应用研究现状,对管棚超前支护研究理论进行总结归纳,结合丁家山管棚支护设计与施工,针对管棚支护结构的特点,提出管棚预支护法适用条件;根据目前工程经验以及丁家山隧道变形监控数据,分析得出管棚支护效应作用机理,并以弹性地基理论为基础,建立管棚的双参数弹性地基梁模型,模拟管棚与围岩的相互作用,将该模型应用于实际工程中,利用解析法求得管棚的挠度、转角、弯矩以及剪力方程,分析钢管在隧道开挖中的变形及内力特征,得出管棚的类型选取对支护效应的影响;采用FLAC3D数值分析软件对隧道洞口段管棚支护进行数值模拟,分析在管棚预支护情况下,随着隧道的开挖,管棚变形以及地表沉降情况,总结在开挖过程中,洞周及地表位移的一般规律;同时,分析丁家山隧道洞口段实测管棚变形及地表沉降数据,研究管棚支护时围岩的稳定性,与数值模拟及解析解得出的规律进行比较,完善软弱破碎围岩管棚超前设计理论,为设计施工参数的选择提供依据。本文依托丁家山隧道工程,分析浅埋、软弱破碎围岩隧道在管棚预支护下的稳定性,通过弹性地基理论以及数值模拟的方法,预测支护结构及围岩的变形,对管棚支护效果进行评价,证明了管棚超前支护结合合理的开挖方式能够很好地抑制地表沉降和拱顶下沉,确保该隧道安全、快速的施工,并对类似工程具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 研究内容
• 2 管棚支护设计及施工
• 2.1 管棚支护结构用途
• 2.2 管棚支护结构设计
• 2.3 丁家山隧道管棚设计与施工
• 3 管棚支护机理分析
• 3.1 浅埋隧道围岩压力的确定
• 3.2 浅埋隧道变形分析
• 3.3 管棚预支护作用机理
• 3.4 管棚常用计算力学模型
• 4 双参数弹性地基梁在管棚变形计算中的应用
• 4.1 弹性地基模型
• 4.2 管棚力学计算模型的建立
• 4.3 丁家山隧道管棚变形及内力计算
• 5 丁家山隧道管棚数值模拟及施工监测
• 5.1 FLAC 基本原理
• 5.2 丁家山隧道管棚数值模拟
• 5.3 丁家山隧道施工监测
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录