山嶺隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)耦合作用機(jī)理研究.pdf

1、在我國(guó)東部丘陵地區(qū)以及中西部的多山地區(qū)修建高速公路或鐵路時(shí)，考慮對(duì)線路和坡度的特殊要求，多采用隧道穿越山嶺。近幾年公路隧道的建設(shè)規(guī)模也越來(lái)越大，對(duì)于隧道的要求也是越來(lái)越高。由山嶺隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)耦合作用可知，為實(shí)現(xiàn)耦合初期支護(hù)應(yīng)允許圍巖產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖冃?，最大限度地釋放圍巖變形能，充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力，保護(hù)圍巖的力學(xué)強(qiáng)度，使支護(hù)造價(jià)小并使圍巖穩(wěn)定。
　　本論文在前人研究基礎(chǔ)上，針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)耦合建立了一個(gè)耦合分析系統(tǒng)，從圍巖和支

2、護(hù)結(jié)構(gòu)變形和受力的角度定性分析，并以定量的形式確定圍巖與支護(hù)的耦合效果，為研究圍巖與支護(hù)的相互作用以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供幫助。論文主要研究成果如下：
　?。?）對(duì)山嶺隧道圍巖穩(wěn)定性以及各支護(hù)構(gòu)件包括噴射混凝土、錨桿、鋼拱架以及二次襯砌混凝土的支護(hù)作用機(jī)制進(jìn)行研究。為了定量分析各方案的耦合效果以及對(duì)圍巖的控制效果，建立一整套的圍巖與支護(hù)耦合的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了隧道表征變形量、支護(hù)構(gòu)件整體性能利用率、支護(hù)構(gòu)件耦合效率三個(gè)指標(biāo)，并

3、利用層次分析法確定了各分項(xiàng)變形量對(duì)應(yīng)的權(quán)重值和各組合構(gòu)件對(duì)應(yīng)的權(quán)重值。
　?。?）基于ANSYS數(shù)值模擬分析了不同圍巖等級(jí)下圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形規(guī)律，對(duì)限制圍巖變形的效果、支護(hù)構(gòu)件的性能利用以及圍巖與支護(hù)的耦合率等進(jìn)行研究，確定
　　了IV級(jí)圍巖與支護(hù)耦合效果最好。在此基礎(chǔ)上分別對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)包括噴射混凝土厚度、錨桿的長(zhǎng)度和間排距、鋼拱架的間排距以及二次襯砌混凝土的厚度等進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，通過(guò)連續(xù)優(yōu)化的方式確定了在 IV

4、級(jí)圍巖條件下，當(dāng)噴射混凝土厚度 h=25cm，錨桿長(zhǎng)度L=4.0m，間排距為0.75m×0.75m，鋼拱架間排距D=60cm時(shí)，圍巖與支護(hù)的耦合效果最好，此時(shí)圍巖的變形最小，受力最均勻。
　?。?）提出接觸面的單元模型以及計(jì)算方法，并在圍巖與初襯耦合的基礎(chǔ)上，基于ANSYS數(shù)值模擬分析了不同二次襯砌混凝土厚度條件下初襯與二襯的受力和變形規(guī)律并進(jìn)行了耦合分析，確定了二襯混凝土厚度為45cm時(shí)，初襯與二襯的耦合效果最好。
　　（

5、4）在山嶺隧道圍巖與初襯間、初襯與二襯間建立接觸面，模擬隧道開(kāi)挖后圍巖與初襯、二襯間的相互作用，基于圍巖與初襯的耦合以及初襯與二襯的耦合時(shí)最優(yōu)支護(hù)參數(shù)，分析了最優(yōu)支護(hù)參數(shù)在圍巖與初襯、二襯相互作用的整體耦合效果。
　　（5）以陽(yáng)靈隧道為案例，選取不同級(jí)別圍巖的掌子面，通過(guò)對(duì)拱頂下沉與周邊收斂的監(jiān)測(cè)以及各支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力監(jiān)測(cè)包括錨桿軸力，圍巖壓力，鋼拱架軸力和彎矩，襯砌間接觸壓力等，得出圍巖與襯砌的受力和變形規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行耦合