隧道下穿高速公路时超长大管棚支护技术及其变形规律研究

论文摘要

管棚超前预支护技术能够有效的限制地面沉陷，保持地层处于稳定状态。为了有效地解决在高速公路下大跨度、超浅埋、高地下水位隧道的开挖问题，采用管棚超前预支护技术作为隧道开挖的辅助工法。本文以晋祠隧道下穿高速公路段的工程实例作为依据，运用弹性地基梁理论分析了管棚的受力和变形；在隧道施工过程中进行了大量的现场测试，包括：管棚的挠度变形和受力、地表沉降和特殊断面的受力等；采用三维有限差分软件（FLAC3D）模拟了管棚与隧道开挖的相互作用。在理论分析、现场测试、数值模拟的基础上，提出了一些设计和施工建议。主要研究如下：（1）以晋祠隧道作为工程实例，运用双参数弹性地基梁（Pasternak）模型计算隧道开挖条件下的管棚的挠度曲线和受力特性，计算结果与实测值吻合较好。并对不同埋深和不同管径钢管的挠度曲线和受力曲线进行了比较，提出一些建议。（2）对晋祠隧道进行了详细的现场测试，采用60m长水平测斜管和钢筋计对管棚的挠度变形和受力进行了测试，根据现场测试的结果分析了管棚在隧道开挖过程中的作用机理。（3）采用三维有限差分软件（FLAC3D）对晋祠隧道开挖与管棚的相互作用进行模拟，计算中采用壳单元模拟管棚。同时对不设管棚情况下隧道的施工过程进行了模拟，对比两种计算结果，分析了开挖过程中隧道围岩的变形特征，对管棚的支护效果进行了评价。（4）本文通过对管棚超前支护技术的理论分析、现场测试、数值模拟等三方面的较为详细的研究，得出了隧道开挖过程中管棚的变形特征和加固机理，为以后管棚超前支护技术的设计和施工提供了依据。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超前预支护概念及其类型
• 1.2.1 超前预支护概念
• 1.2.2 超前预支护的分类及特点
• 1.3 管棚超前预支护
• 1.3.1 管棚的用途和布设
• 1.3.2 管棚支护的原理
• 1.3.3 管棚预支护的应用和发展
• 1.4 管棚作用机理研究现状
• 1.5 本文主要研究内容和意义
• 1.5.1 本文主要研究内容
• 1.5.2 本文研究意义
• 2 管棚支护的设计及施工方法
• 2.1 管棚支护的分类
• 2.2 管棚支护的设计
• 2.2.1 管棚支护参数
• 2.2.2 管棚的注浆
• 2.2.3 管棚支护的设计原则
• 2.3 管棚施工技术
• 2.3.1 施工方法概述
• 2.3.2 管棚的施工工艺流程
• 2.3.3 长管棚施工中产生的问题及处理方法
• 2.4 长大管棚工程实例施工
• 2.4.1 大管棚长距离施工钻孔精度控制
• 2.4.2 管棚注浆
• 2.5 小结
• 3 大管棚超前预支护效用数值模拟
• 3.1 FLAC（3D）的基本原理[81-82]
• 3.1.1 导数的有限差分近似
• 3.1.2 运动方程
• 3.1.3 应变、应力及节点不平衡力
• 3.1.4 计算循环
• 3.2 管棚超前支护的主要力学模拟
• 3.2.1 管棚的力学模拟
• 3.2.2 超前注浆小导管的力学模型
• 3.2.3 初期支护的力学模拟
• 3.3 隧道开挖过程的模拟
• 3.3.1 计算模型的建立
• 3.3.2 材料参数的选取
• 3.3.3 初始地应力模拟
• 3.3.4 隧道开挖与支护模拟
• 3.4 数值模拟的结果及对比
• 3.5 本章小结
• 4 管棚的力学模型及其验证
• 4.1 管棚结构的力学特点分析
• 4.1.1 软弱围岩隧道开挖过程力学特点分析
• 4.1.2 管棚结构的力学特征
• 4.2 管棚力学模型的建立
• 4.2.1 隧道围岩的分级及隧道围岩压力的确定
• 4.2.2 围岩介质的基本假定及接触界面性态
• 4.2.3 管棚作用荷载的确定
• 4.2.4 管棚力学模型建立的基本观点
• 4.3 管棚双参数弹性地基梁模型分析
• 4.3.1 模型的建立
• 4.3.2 双参数弹性地基梁上的微分方程
• 4.3.3 双参数弹性地基梁上的微分方程的求解
• 4.3.4 双参数弹性地基梁上挠度方程
• 4.4 工程实例计算结果分析
• 4.5 小结
• 5 管棚变形与隧道施工量测
• 5.1 工程简介
• 5.1.1 工程概况
• 5.1.2 工程地质条件
• 5.1.3 隧道施工概况
• 5.2 现场测试内容及方法
• 5.2.1 地表沉降量测
• 5.2.2 拱顶下沉量测
• 5.2.3 周边收敛量测
• 5.2.4 管棚变形和受力量测
• 5.2.5 初期支护内力量测
• 5.2.6 仰供及初期支护与围岩之间压力量测
• 5.2.7 仰拱及二衬混凝土内力量测
• 5.3 现场测试结果
• 5.3.1 地表沉降
• 5.3.2 拱顶下沉
• 5.3.3 周边收敛
• 5.3.4 管棚变形和受力
• 5.3.5 初期支护内力
• 5.3.6 仰拱及初期支护与围岩之间压力
• 5.3.7 仰拱及二衬混凝土内力
• 5.4 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集