浅论公路隧道复合支护结构与高地应力围岩相互作用分析与应用研究

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1、上海交通大学硕士学位论文公路隧道复合支护结构与高地应力围岩相互作用分析与应用研究专业名称：岩土工程作者姓名：陈祥林指导老师：徐永福；李浩申请上海交通大学硕士学位论文公路隧道复合支护结构与高地应力围岩相互作用分析与应用研究学校：上海交通大学院系：船舶海洋与建筑工程学院学科方向：岩土工程研究生：陈祥林学号：1070109127指导教师：徐永福（教授）协助导师：李浩(高工)上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院土木工程系2010年02月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityforMas

2、terDegreeTHEINTERACTIONANALYSISANDAPPLICATIONOFCOMPOSITESUPPORTANDSURROUNDINGROCKUNDERHIGHGEO-STRESSCONDITIONINHIGHWAYTUNNELSAuthor:ChenXianglinSpecialty:GeotechnicalEngineeringAdvisor:Prof.XuYongfuAssistantadvisor:LiHao(SeniorEngineer)SchoolofNavalArchitecture,OceanandCivilEngi

3、neeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaFebruary23,2010公路隧道复合支护结构与高地应力围岩相互作用分析与应用研究摘要公路隧道在开挖支护过程中经常遇到大变形、高地应力岩爆甚至拱顶塌方等工程问题，支护结构在高地应力条件下往往需要承受很大的支护压力，因此，对支护结构与围岩的相互作用进行深入研究，优化分析支护结构的设计参数和施作时机对提高工程安全性和经济性具有重要意义。锚杆支护作为围岩支护方式与传统的各类加固技术相比，主要优势是：由于锚固力学机理的本质是改造和利用岩体自身的力学性能，把

4、原来单纯的外荷岩体改为部分自承载体，保证工程整体的稳定性和安全性；改善周围环境和工程质量；节约工程材料、缩短工期。尽管锚杆支护技术的应用日渐成熟，然而对于锚杆作用机理的研究却仍处于探索阶段，现阶段锚杆支护参数的确定主要以工程类比法，缺少切实可行的理论分析方法，往往导致设计方案不甚合理。有的工程支护强度过大，造成浪费；有的则强度过低，给安全施工带来隐患。但由于现场试验费时、费力，同时受场地、地质、施工条件限制，造成试验结果不具代表性，很难推广于隧道不同位置。随着计算机技术的高速发展，近年来数值模拟方法已广泛应用于隧道锚杆分析中，数值模拟可以根据研究需要，

5、改变模型大小、材料性质及影响因素，通过数值处理显示锚杆和围岩的应力和变形。将数值模拟结果与实测数据结合，为锚杆设计提供依据。本文以连云港后云台山公路隧道为工程背景，对隧道开挖支护过程进行了多种工况的数值模拟。主要内容和取得的成果包括以下几点：（1）基于隧道围岩稳定性影响因素及其失稳破坏模式，对全长粘结第I页式砂浆锚杆的作用机理进行深入研究，运用有限元分析软件，对拉拔试验条件下的锚杆的应力分布进行数值模拟研究，分析荷载大小、岩石体弹性模量、锚杆直径、锚杆长度等参数对应力分布的影响。（2）通过改变锚杆的长度、间距和直径等参数，对不同围岩、不同埋深的隧道开挖

6、进行模拟，对隧道变形特性进行探讨。结合工程实例和现场实测数据，对云台山隧道锚杆设计进行优化；根据后云台山隧道设计资料和围岩参数，针对不同锚杆长度、锚杆间距、锚杆直径进行模拟分析，结果表明三者对围岩位移影响能力高低依次为：锚杆长度＞锚杆间距＞锚杆直径。（3）对隧道全断面开挖法、三台阶开挖法和双侧壁导坑开挖法的二次衬砌支护施作时间效应进行模拟，计算分析不同开挖方法下二衬与掌子面间距离变化对隧道开挖稳定性的影响。随着二衬距掌子面的距离不断增大，隧道拱顶沉降值也在逐渐增加，隧道剪应力、第一主应力、第二主应力、第三主应力也在加大。不同的开挖方法对隧道拱顶沉降影响

7、很明显，双侧壁导坑法有效地减小隧道拱顶沉降。（4）提出锚杆支护隧道的稳定性分析方法，分析云台山隧道的稳定性。模拟结果表明隧道围岩是稳定的，结构安全性满足设计要求。关键词：隧道，复合支护，锚杆，二次衬砌时间效应，拱顶纵向，围岩稳定性第II页THEINTERACTIONANALYSISANDAPPLICATIONOFCOMPOSITESUPPORTANDSURROUNDINGROCKUNDERHIGHGEO-STRESSCONDITIONINHIGHWAYTUNNELSABSTRACTHighwaytunnelexcavationandsupportpro

8、cessesoftenencounteredinlargedeformation,rockou