【摘要】：隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,交通需求量劇增,大斷面隧道建設(shè)已經(jīng)成為一種新常態(tài)。錨網(wǎng)噴與型鋼拱架聯(lián)合支護(hù)方式在大斷面隧道中廣泛應(yīng)用,由于大斷面隧道與常規(guī)斷面隧道在圍巖受力、變形上有明顯不同的力學(xué)行為,導(dǎo)致大斷面隧道出現(xiàn)如下幾個(gè)典型的問題:①初支拱架由于剛度低、縱向約束不足、噴層開裂,常常導(dǎo)致拱架局部彎扭失穩(wěn)繼而整體失穩(wěn)側(cè)傾,不能充分發(fā)揮其材料強(qiáng)度;②由于初期支護(hù)體系發(fā)生破壞,導(dǎo)致噴層開裂、掉塊,進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)體系出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié),發(fā)生大范圍破壞甚至塌方;③工人在上述危險(xiǎn)環(huán)境中作業(yè),安全成本高,往往會造成施工效率低、人員傷亡頻繁、圍巖得不到有效控制等。針對以上問題,本文基于大斷面隧道典型工程問題基本特征,研究各工程問題發(fā)生機(jī)制,針對性的提出一種行之有效的支護(hù)方式和施工技術(shù):裝配式約束混凝土支護(hù)體系,重點(diǎn)圍繞約束混凝土拱架節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)計(jì)、組合拱架空間布設(shè)參數(shù)設(shè)計(jì)、約束混凝土組合拱架穩(wěn)定承載試驗(yàn)及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承載特性開展研究,研發(fā)了配套機(jī)械化施工關(guān)鍵技術(shù),形成了裝配式約束混凝土支護(hù)體系現(xiàn)場機(jī)械化施工工藝。主要研究工作及成果如下:(1)大斷面隧道典型工程問題及發(fā)生機(jī)制結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)踐,在充分的現(xiàn)場調(diào)研和分析基礎(chǔ)上,歸納總結(jié)了目前大斷面隧道典型的幾類工程問題的破壞形式及發(fā)生特點(diǎn),分析了大斷面隧道工程問題發(fā)生的誘導(dǎo)因素,根據(jù)其主要特征和力學(xué)機(jī)制進(jìn)行分類研究,針對性的分析各類工程問題發(fā)生機(jī)制,提出了“高強(qiáng)、高剛、完整”的支護(hù)理念和“安全、高效、經(jīng)濟(jì)”的施工理念,建立了裝配式約束混凝土支護(hù)體系。(2)約束混凝土拱架節(jié)點(diǎn)承載機(jī)制開展了純彎和壓彎作用下的約束混凝土基本構(gòu)件、套管節(jié)點(diǎn)及裝配式節(jié)點(diǎn)構(gòu)件理論分析及室內(nèi)力學(xué)性能試驗(yàn),明確了各類節(jié)點(diǎn)構(gòu)件典型破壞模式及力學(xué)特性;建立了兩類節(jié)點(diǎn)簡化計(jì)算模型,推導(dǎo)了節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度承載判據(jù),形成了兩類節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法。(3)約束混凝土組合拱架穩(wěn)定承載機(jī)制及空間影響規(guī)律分析基于靜力平衡法推導(dǎo)了多心約束混凝土拱架在平面外失穩(wěn)狀態(tài)下的平衡方程、幾何方程、物理方程,得到了多心拱架穩(wěn)定臨界承載力計(jì)算方法;開展了多心約束混凝土拱架及拱架的空間組合支護(hù)體系的平面外穩(wěn)定性研究,明確了拱架間距、拱架剛度、縱向連接環(huán)距、縱向連接強(qiáng)度等約束混凝土支護(hù)體系空間布設(shè)參數(shù)對拱架承載能力的影響機(jī)制,建立了拱架空間布設(shè)參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)。(4)約束混凝土組合拱架穩(wěn)定承載對比試驗(yàn)改造研發(fā)了地下工程組合拱架力學(xué)性能試驗(yàn)系統(tǒng),系統(tǒng)開展了約束混凝土組合拱架與傳統(tǒng)工字鋼組合拱架的力學(xué)性能對比試驗(yàn),通過對組合拱架的極限荷載、受力變形進(jìn)行分析,深入研究了兩類組合拱架的受力變形規(guī)律、失穩(wěn)破壞模式,明確了兩類拱架在組合狀態(tài)下的穩(wěn)定承載與變形破壞機(jī)制。(5)約束混凝土初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承載機(jī)制開展了約束混凝土噴射混凝土復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)純彎試驗(yàn),從變形破壞形態(tài)、荷載位移曲線及極限承載力等方面,分析其受力性能和變形破壞特性,明確了不同約束混凝土拱架形式、鋼筋網(wǎng)片布設(shè)方案對支護(hù)體系整體承載力學(xué)特性的影響機(jī)制;結(jié)合數(shù)值模擬,考慮不同混凝土噴層強(qiáng)度、不同約束混凝土組合拱架間距,不同縱向連接的環(huán)距等因素,設(shè)置不同計(jì)算工況,研究約束混凝土支護(hù)承載力學(xué)特性及圍巖控制效果。(6)大斷面隧道機(jī)械化施工關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用針對大斷面隧道拱架安裝過程中人力施工效率低、安全性差等問題,研發(fā)了拱架智能安裝機(jī)以及自動(dòng)裝配式節(jié)點(diǎn)、縱向定位連接等裝配式拱架配套裝置,形成了機(jī)械化施工的配套工藝;進(jìn)行了裝配式拱架施工全過程力學(xué)分析,研究了拱架舉升全過程中各截面應(yīng)力及變形的變化規(guī)律,明確了舉升全過程中拱架的受力機(jī)制;進(jìn)行了裝配式拱架機(jī)械化施工現(xiàn)場應(yīng)用,施工效率和安全性顯著提升。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U454
【圖文】：

大斷面隧道裝配式約束混凝土支護(hù)穩(wěn)定承載機(jī)制及關(guān)鍵技術(shù)研究第一章緒論逡逑究背景與意義逡逑著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，交通需求量劇增，隧道作為一種高效便捷的基發(fā)展速度越來越快，建設(shè)數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大［１，２］。如圖１．１２０１８年底，全國公路隧道１７７３８處、總里程丨７２３．６１萬米，比２０１７年增加５．１０萬米，其中特長隧道１０５８處、４７０．６６萬米，長隧道４３１５處、７４２．道形式也由單洞兩車道逐步向雙洞四車道、六車道、八車道隧道向八車道及以上車道隧道工程更是由于其斷面大、車道多，滿足車加的現(xiàn)狀需求。逡逑１８隊(duì)

１．１研究背景與意義逡逑隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，交通需求量劇增，隧道作為一種高效便捷的基礎(chǔ)設(shè)逡逑施形式發(fā)展速度越來越快，建設(shè)數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大［１，２］。如圖１．１所示，逡逑截止到２０１８年底，全國公路隧道１７７３８處、總里程丨７２３．６１萬米，比２０１７年增加１５０９逡逑處、１９５．１０萬米，其中特長隧道１０５８處、４７０．６６萬米，長隧道４３１５處、７４２．１８萬逡逑米［３］。隧道形式也由單洞兩車道逐步向雙洞四車道、六車道、八車道隧道發(fā)展，逡逑其中，雙向八車道及以上車道隧道工程更是由于其斷面大、車道多，滿足車流量逡逑日益增加的現(xiàn)狀需求。逡逑１８「邐隊(duì)ｄ逡逑丨ｋ＿逡逑２０１０邋２０１１邋２０１２邋２０１３邋２０１４邋２０１５邋２０１６邋２０１７邋２０１８逡逑年份逡逑圖１．１公路隧道發(fā)展?fàn)顩r逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｑｕａｎｔｉｔｙ邋ｏｆ邋ｈｉｇｈｗａｙ邋ｔｕｎｎｅｌｓ逡逑目前現(xiàn)行的公路隧道設(shè)計(jì)、施工規(guī)范無法適用于四車道及以上大斷面隧道，逡逑其支護(hù)方式和施工方案的選擇主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，借鑒已有隧道支護(hù)參數(shù)和施工逡逑方法。錨網(wǎng)噴及其結(jié)合格柵鋼架、Ｈ型鋼或工字鋼拱架聯(lián)合支護(hù)方式在大斷面隧逡逑道中廣泛應(yīng)用，鋼拱架作為聯(lián)合支護(hù)的核心組成部分，通過縱向連接鋼筋沿隧道逡逑軸向連成整體

凝土等組成的完整隧道初期支護(hù)體系。逡逑媂逡逑圖１．２隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｉｎｉｔｉａｌ邋ｓｕｐｐｏｒｔ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｕｎｎｅｌ逡逑由于大斷面隧道斷面面積大、跨度大及偏平率低等，尤其在穿越斷層破碎帶、逡逑軟弱圍巖等復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)，在圍巖賦存環(huán)境、跨度等多種因素交互影響下，常逡逑出現(xiàn)圍巖頻繁掉塊、拱頂冒落、支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞等工程難題［４—９１。初期支護(hù)結(jié)逡逑構(gòu)作為隧道穩(wěn)定性的關(guān)鍵措施，大量工程實(shí)踐及室內(nèi)試驗(yàn)表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破逡逑壞也主要表現(xiàn)在上述兩個(gè)階段，拱架承載階段失穩(wěn)破壞常表現(xiàn)為局部屈曲造成的逡逑瞬間失穩(wěn)，空間約束不足導(dǎo)致的平面外失穩(wěn)，忽略了支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，不能逡逑充分發(fā)揮其材料強(qiáng)度特性。拱架噴射混凝土支護(hù)階段失穩(wěn)破壞表現(xiàn)為噴層開裂、逡逑掉塊，進(jìn)而導(dǎo)致初支體系出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，對于隧道設(shè)計(jì)及施工安全性帶來極大的逡逑威脅。逡逑目前我國隧道施工方式主要以人工為主，機(jī)械為輔，尤其是支護(hù)拱架安裝逡逑需要大量工人協(xié)作

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本文編號：2778328