管棚受力特性及其与后续工法配合效果分析

论文摘要

超前管棚支护技术是隧道与地下工程的一种重要的辅助施工方法，但其内在的作用机理及相关设计细节还未得到系统地研究，特别地，超前管棚与后续开挖工法如何搭配才能达到最优最经济的支护效果尚不明确。因此亟待进一步分析超前管棚的工作机理和作用效果，并探讨其与后续施工工法的配合效果，为整个支护体系的方案优化奠定基础。本文首先在既有理论研究成果的基础上，分析探讨了考虑掌子面侧向隆起效应的超前管棚的理论分析模型，阐明了隧道开挖过程中超前管棚的受力变形行为以及管棚荷载的作用范围，为后续数值仿真模型的建立和工况的选取提供了一定的理论基础。然后，采用FLAC3D有限差分程序建立了隧道洞口超前管棚支护段的三维弹塑性仿真模型，该模型能够同时考虑管棚的注浆加固作用和棚架作用。在此模型基础上，比较了是否设置管棚工况下隧道围岩变形及结构受力性状，并着重探讨了在不同土体刚度和不同管棚直径下超前管棚对围岩稳定性的控制效果。结果表明：随着土体刚度增大，管棚与土体之间的刚度比减小，管棚的骨架作用逐渐减弱。最后，基于FLAC3D数值仿真程序，量化了不同施工工法对围岩稳定性的影响规律；并通过一系列参数分析，探讨了不同“超前预支护体系+开挖工法”组合下隧道围岩的稳定状态，进而评价了超前预支护体系与不同施工工法的配合效果。计算结果表明：对于某一特定的位移控制标准，“强超前预支护体系+激进的开挖工法”、“一般超前预支护体系+一般的开挖工法”及“弱（或无）超前预支护体系+保守的开挖工法”等3种组合方案都能够满足要求。本文研究结论对于整个支护体系及施工方案的全局优化具有很好的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 2 管棚作用机理力学模型及荷载确定方法
• 2.1 概述
• 2.2 管棚的适用条件、分类形式和设计方法
• 2.3 管棚预支护体系的作用机理
• 2.4 管棚作用机理分析中荷载的确定方法
• 2.5 本章小结
• 3 管棚对地层稳定性控制效果的数值模拟
• 3.1 概述
• 3.2 数值计算模型
• 3.3 超前管棚的支护效果分析
• 3.4 土体刚度的影响效果分析
• 3.5 管棚直径对位移控制效果的影响分析
• 3.6 本章小结
• 4 超前管棚与不同施工工法的配合效果分析
• 4.1 概述
• 4.2 施工工法对围岩稳定性的影响
• 4.3 超前管棚与不同施工工法的配合效果分析
• 4.4 本章小结
• 5 结论与建议
• 5.1 本文结论
• 5.2 进一步研究的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 附录 2 作者攻读硕士学位期间参与的科研项目