山嶺隧道圍巖與支護結構耦合作用機理研究.pdf

1、在我國東部丘陵地區(qū)以及中西部的多山地區(qū)修建高速公路或鐵路時，考慮對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規(guī)模也越來越大，對于隧道的要求也是越來越高。由山嶺隧道圍巖與支護結構耦合作用可知，為實現耦合初期支護應允許圍巖產生適當的變形，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，保護圍巖的力學強度，使支護造價小并使圍巖穩(wěn)定。
　　本論文在前人研究基礎上，針對如何實現耦合建立了一個耦合分析系統(tǒng)，從圍巖和支

2、護結構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的耦合效果，為研究圍巖與支護的相互作用以及支護結構的優(yōu)化設計提供幫助。論文主要研究成果如下：
　?。?）對山嶺隧道圍巖穩(wěn)定性以及各支護構件包括噴射混凝土、錨桿、鋼拱架以及二次襯砌混凝土的支護作用機制進行研究。為了定量分析各方案的耦合效果以及對圍巖的控制效果，建立一整套的圍巖與支護耦合的性能評價指標，提出了隧道表征變形量、支護構件整體性能利用率、支護構件耦合效率三個指標，并

3、利用層次分析法確定了各分項變形量對應的權重值和各組合構件對應的權重值。
　?。?）基于ANSYS數值模擬分析了不同圍巖等級下圍巖與支護結構的受力和變形規(guī)律，對限制圍巖變形的效果、支護構件的性能利用以及圍巖與支護的耦合率等進行研究，確定
　　了IV級圍巖與支護耦合效果最好。在此基礎上分別對支護結構參數包括噴射混凝土厚度、錨桿的長度和間排距、鋼拱架的間排距以及二次襯砌混凝土的厚度等進行設計和優(yōu)化，通過連續(xù)優(yōu)化的方式確定了在 IV

4、級圍巖條件下，當噴射混凝土厚度 h=25cm，錨桿長度L=4.0m，間排距為0.75m×0.75m，鋼拱架間排距D=60cm時，圍巖與支護的耦合效果最好，此時圍巖的變形最小，受力最均勻。
　?。?）提出接觸面的單元模型以及計算方法，并在圍巖與初襯耦合的基礎上，基于ANSYS數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)律并進行了耦合分析，確定了二襯混凝土厚度為45cm時，初襯與二襯的耦合效果最好。
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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最優(yōu)支護參數，分析了最優(yōu)支護參數在圍巖與初襯、二襯相互作用的整體耦合效果。
　　（5）以陽靈隧道為案例，選取不同級別圍巖的掌子面，通過對拱頂下沉與周邊收斂的監(jiān)測以及各支護結構的內力監(jiān)測包括錨桿軸力，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，并在此基礎上進行耦合