超大斷面隧道軟弱圍巖約束混凝土控制機(jī)理及應(yīng)用研究.pdf

1、近年來，我國(guó)交通隧道建設(shè)取得了前所未有的發(fā)展，并已成為世界隧道及地下工程建設(shè)規(guī)模和建設(shè)速度第一大國(guó)。隨著隧道建設(shè)規(guī)模和速度的迅猛發(fā)展，建設(shè)過程中所規(guī)劃的隧道難免要穿過高應(yīng)力、軟弱破碎等復(fù)雜條件地層，同時(shí)日益增長(zhǎng)的交通流量對(duì)雙向八車道等跨度更大的超大斷面隧道需求劇增。一大批具有“大斷面、高應(yīng)力、長(zhǎng)洞線、極軟弱”等特點(diǎn)的隧道即將在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建。設(shè)計(jì)和施工規(guī)范對(duì)此類復(fù)雜條件超大斷面隧道規(guī)定不足，圍巖施工過程變形破壞機(jī)理缺乏明確，傳統(tǒng)支護(hù)

2、方式不能適應(yīng)現(xiàn)實(shí)需要等問題導(dǎo)致該類隧道的安全及穩(wěn)定問題突出，超大斷面隧道軟弱圍巖破壞控制機(jī)理及支護(hù)技術(shù)亟待進(jìn)行深入研究。地下工程約束混凝土高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)在深部復(fù)雜條件礦山等工程中得到了應(yīng)用，圍巖控制效果得到了驗(yàn)證。目前針對(duì)超大斷面隧道軟弱圍巖約束混凝土控制技術(shù)的研究國(guó)內(nèi)外處于起步階段，在此背景下，本文主要進(jìn)行了以下的研究工作，并取得了相關(guān)有益結(jié)論。
　　(1)超大斷面隧道施工過程變形破壞及控制機(jī)制模型試驗(yàn)研究
　　基于龍鼎隧道

3、現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，進(jìn)行了超大斷面隧道CRD開挖方法下施工過程地質(zhì)力學(xué)模型對(duì)比試驗(yàn)，分析了有無高強(qiáng)支護(hù)條件下圍巖位移、應(yīng)力演化規(guī)律，支護(hù)構(gòu)件受力特性，揭示了超大斷面隧道施工過程中圍巖變形破壞機(jī)制與圍巖控制機(jī)制，驗(yàn)證了理論分析和數(shù)值計(jì)算的正確性，為超大斷面隧道高強(qiáng)初期支護(hù)設(shè)計(jì)和施工安全提供了依據(jù)。
　　①隧道施工過程中，原巖應(yīng)力不斷釋放，拱頂豎向應(yīng)力整體呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì);掌子面的開挖擾動(dòng)范圍約為1.1倍洞徑左右;相同開挖斷面上不同部

4、位的應(yīng)力變化過程不同步，拱頂一般最早出現(xiàn)應(yīng)力釋放;右洞、左洞開挖完成后高強(qiáng)支護(hù)與無支護(hù)條件下的拱頂應(yīng)力釋放率分別為87.2％、81.7％和94.7％、94.5％，高強(qiáng)支護(hù)對(duì)巖體應(yīng)力釋放產(chǎn)生了一定的抑制作用，有利于控制圍巖變形。
　?、谀Ｐ蛢?nèi)部測(cè)點(diǎn)位移呈現(xiàn)類似階梯狀變化，CRD開挖工法下開挖前期出現(xiàn)雙點(diǎn)階梯狀突增現(xiàn)象，后期隨著監(jiān)測(cè)斷面遠(yuǎn)離掌子面，這一現(xiàn)象基本消失。高強(qiáng)支護(hù)比無支護(hù)條件下左、右拱頂近點(diǎn)位移分別減少了32.8、34.5％

5、，遠(yuǎn)點(diǎn)位移分別減少了59.3％、50.0％，小凈距分別減少了31.3％、36.8％，高強(qiáng)支護(hù)條件下圍巖位移整體低于無支護(hù)條件，對(duì)圍巖控制效果明顯。
　?、酃凹苷w受壓，呈非對(duì)稱分布狀態(tài)，開挖擾動(dòng)范圍內(nèi)，不同部位測(cè)點(diǎn)應(yīng)力增加幅度與規(guī)律差異較大。遠(yuǎn)離擾動(dòng)范圍后，各測(cè)點(diǎn)僅是受力增加，整體分布形態(tài)基本保持不變;受右洞先期開挖對(duì)小凈距一側(cè)巖體造成的擾動(dòng)影響，左洞拱架受力分布非對(duì)稱特征更加明顯，受力主要集中在小凈距一側(cè)。
　　(2)超大

6、斷面隧道軟弱圍巖高強(qiáng)控制機(jī)制對(duì)比研究
　　系統(tǒng)開展了全斷面、CRD、雙側(cè)壁導(dǎo)洞三種開挖方法下超大斷面隧道軟弱圍巖控制機(jī)制數(shù)值試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同開挖方法在無支護(hù)、錨桿支護(hù)、H型鋼拱架支護(hù)、方鋼約束混凝土(SQCC)拱架支護(hù)、H型鋼拱架+錨桿支護(hù)、方鋼約束混凝土拱架+錨桿支護(hù)六種支護(hù)方式下隧道圍巖變形、塑性區(qū)發(fā)展、支護(hù)構(gòu)件受力變化規(guī)律，研究了超大斷面隧道軟弱圍巖約束混凝土高強(qiáng)控制機(jī)制。
　?、僭诓煌瑖鷰r應(yīng)力等級(jí)和強(qiáng)度等級(jí)條件下

7、，對(duì)不同開挖方法、不同支護(hù)方式的拱頂位移、圍巖塑性區(qū)控制效果進(jìn)行了對(duì)比分析，建立了拱頂位移控制率及圍巖塑性應(yīng)變控制率定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。隧道變形最大的全斷面開挖方法在圍巖強(qiáng)度等級(jí)為A9時(shí)，錨桿支護(hù)、H型鋼拱架支護(hù)與方鋼約束混凝土拱架支護(hù)的拱頂位移控制率和塑性應(yīng)變控制率分別為54.6％、66.8％、81％和40.6％、60.6％、82.4％，高強(qiáng)支護(hù)對(duì)隧道軟弱破碎圍巖變形、塑性區(qū)范圍的控制效果優(yōu)于普通支護(hù)。
　　(3)約束混凝土拱架承載特

8、性計(jì)算理論研究
　　基于任意節(jié)數(shù)、非等剛度約束混凝土拱架力學(xué)計(jì)算模型，推導(dǎo)了多心拱架內(nèi)力計(jì)算公式，建立了不同類型構(gòu)件的強(qiáng)度承載判據(jù)，分析了不同因素對(duì)拱架內(nèi)力、強(qiáng)度承載能力的影響規(guī)律;依據(jù)拱架失穩(wěn)特征，推導(dǎo)了兩鉸和固接多心拱架的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式，建立了多心拱架穩(wěn)定性加權(quán)模型，分析了不同因素對(duì)穩(wěn)定臨界荷載的影響規(guī)律。
　?、倩谖逍?、六心、圓形等不同形式約束混凝土拱架的計(jì)算模型，推導(dǎo)了任意節(jié)數(shù)、非等剛度拱架的內(nèi)力計(jì)算公式，分析

9、了荷載q、側(cè)壓力系數(shù)λ、節(jié)點(diǎn)剛度比μ、拱架抗彎剛度E及節(jié)點(diǎn)定位角α等因素對(duì)拱架內(nèi)力的影響規(guī)律。當(dāng)荷載q和側(cè)壓力系數(shù)λ線性增大時(shí)，內(nèi)力也隨之線性增大，荷載變化只改變拱架內(nèi)力大小，側(cè)壓力系數(shù)對(duì)拱架內(nèi)力大小和內(nèi)力圖形態(tài)都有影響，荷載和側(cè)壓力系數(shù)對(duì)內(nèi)力影響較大。
　　②基于方鋼約束混凝土和型鋼構(gòu)件的承載力計(jì)算公式，建立了SQCC150×8、SQCC180×10、I22b和H200×200不同截面形式拱架的極限承載力判據(jù);對(duì)比分析了各因素對(duì)

10、不同截面形式的五心、六心和圓形拱架強(qiáng)度承載力與破壞位置的影響規(guī)律。含鋼量相同的情況下，SQCC150×8拱架承載力比I22b拱架高1.4-1.9倍，SQCC180×10拱架比H200×200拱架高1.8-2.4倍，約束混凝土拱架比型鋼拱架具有更高的強(qiáng)度承載能力。
　　(4)約束混凝土構(gòu)件性能對(duì)比研究
　　對(duì)工字鋼、H型鋼、U型鋼、勁性混凝土、SQCC五類基本構(gòu)件進(jìn)行了軸壓、純彎、偏壓力學(xué)性能試驗(yàn)，得到了理論分析計(jì)算參數(shù)，確定

11、了數(shù)值試驗(yàn)方法和反演了數(shù)值計(jì)算參數(shù)，明確了各類構(gòu)件基本力學(xué)性能與關(guān)鍵部位補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制，建立了基本構(gòu)件壓彎強(qiáng)度判別準(zhǔn)則。
　?、偻ㄟ^含鋼量相近的基本構(gòu)件軸壓試驗(yàn)比較，SQCC短柱承載能力比其他三類短柱高32.3％-73.1％，同時(shí)在軸壓作用下沒有出現(xiàn)型鋼短柱承載能力下降的現(xiàn)象，反映出方鋼約束混凝土較好的強(qiáng)度和后期承載能力。
　?、诩s束混凝土構(gòu)件灌注口附近位置會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，灌注口率先壓扁進(jìn)而導(dǎo)致整體側(cè)傾失穩(wěn)破壞，使其成為

12、關(guān)鍵破壞部位。進(jìn)行了三種不同方式的補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)，側(cè)彎鋼板補(bǔ)強(qiáng)短柱灌注口及附近位置強(qiáng)度得到大幅提高，短柱應(yīng)力集中程度明顯降低，極限承載力比開口短柱提高45.6％，補(bǔ)強(qiáng)效果最好;通過試驗(yàn)得到了側(cè)彎鋼板長(zhǎng)度及壁厚對(duì)灌注口補(bǔ)強(qiáng)特性的影響規(guī)律，明確了構(gòu)件灌注口補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制，給出了針對(duì)性的工程建議。
　　(5)約束混凝土拱架力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)研究
　　通過對(duì)自主研發(fā)的地下工程約束混凝土拱架大型力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)改造，分別進(jìn)行了方鋼約束混凝土、圓鋼約束混

13、凝土、工字鋼、U型鋼等不同類型的六心和圓形共10榀拱架大比尺力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)拱架在不同荷載作用模式（均壓和偏壓）下的變形破壞形態(tài)，內(nèi)力、應(yīng)力分布特征，關(guān)鍵破壞部位，極限承載能力進(jìn)行了深入研究，并與理論計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。
　?、贅O限承載能力
　　A.六心拱架:SQCC150×8拱架相比于I22b、I22b-C（I22b勁性混凝土）拱架在均壓作用下，極限承載能力分別提高了84.6％和38.

14、2％;在偏壓作用下，承載能力分別提高了78.1％和42.8％; SQCC180×10拱架相比于H200×200、H200×200-C(H200×200勁性混凝土)拱架均壓作用下極限承載能力提高了105.0％和72.7％，偏壓作用下提高了71.5％和61.5％。
　　B.圓形拱架:SQCC150×8-C40拱架偏壓作用下承載能力比CC拱架（圓鋼約束混凝土拱架）、I22b拱架、U36拱架分別提高了4.6％、72.2％、74.9％;均壓

15、作用下分別提高了11.1％、409.8％、414.5％。
　　方鋼約束混凝土拱架與型鋼拱架相比，承載能力有了大幅提高，同時(shí)其均壓作用下的極限承載能力遠(yuǎn)高于偏壓作用。
　?、谧冃纹茐哪Ｊ郊瓣P(guān)鍵破壞部位
　　A.六心拱架:全均壓作用下拱架底拱最先出現(xiàn)破壞，向拱架內(nèi)部凹陷，拱頂及兩幫沒有出現(xiàn)強(qiáng)度破壞，拱架整體呈“心”形變化;拱底約束均壓和偏壓作用下，拱架整體形狀變扁平，分別在幫部和拱腳最先出現(xiàn)強(qiáng)度破壞。
　　B.圓形拱

16、架:均壓作用下，室內(nèi)試驗(yàn)加載達(dá)到8000kN時(shí)，SQCC和CC拱架均未造成破壞。偏壓作用下，四類拱架均變形為橢圓狀，在項(xiàng)部和幫部位置產(chǎn)生強(qiáng)度破壞。
　　(6)約束混凝土拱架設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用
　　通過對(duì)超大斷面隧道軟弱圍巖變形及控制機(jī)理研究，結(jié)合約束混凝土構(gòu)件、拱架力學(xué)性能分析，提出約束混凝土拱架設(shè)計(jì)方法;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件與隧道設(shè)計(jì)要求，確定外荷載大小及作用模式，基于所建立的約束混凝土拱架理論，對(duì)拱架承載能力、截面選型、節(jié)點(diǎn)參數(shù)

17、等進(jìn)行計(jì)算，提出整體設(shè)計(jì)方案，同時(shí)利用數(shù)值計(jì)算對(duì)方案進(jìn)行校核。
　　針對(duì)全國(guó)典型極軟巖礦區(qū)龍礦集團(tuán)梁家煤礦圍巖控制難題，利用所提出的設(shè)計(jì)方法確定了高強(qiáng)約束混凝土支護(hù)方案，開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，120天后巷道最大變形量?jī)H為37mm，成功解決了該類地質(zhì)條件下傳統(tǒng)支護(hù)的失效破壞現(xiàn)象，取得了良好的圍巖控制效果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性。針對(duì)山東省首條單向四車道超大斷面隧道-京滬高速濟(jì)南連接線龍鼎隧道斷層破碎區(qū)圍巖控制難題，設(shè)計(jì)了SQCC180×1