超大断面隧道初期支护拱架承载作用机制研究.doc

超大断面隧道初期支护拱架承载作用机制研究近年来,公路建设规模日益扩大,致使单向四车道、双向八车道等超大断面公路隧道建设数量日益增加。但由于单向四车道、双向八车道隧道开挖跨度大、扁平率低、施工工序复杂、围岩多次扰动等易造成初期支护强度不足、承载力丧失等问题,进而导致掌子面失稳、隧道塌方等灾害的发生。出现上述灾害的主要原因是现行相关设计施工规范仍以工程类比为主,对超大断面隧道适用性不足,缺乏对其支护体系承载特性的研究和认识。在此背景下,基于超大断面隧道建设成功经验,通过室内试验、数值试验、现场试验相结合的手段进行以下研究工作。(1)拱架承载力学性能全比尺试验研究通过改进地下工程支护结构大型力学试验系统,开展拱架力学性能全比尺试验,分析拱架的整体变形形态及局部破坏特征、承载能力、平面内(外)失稳形态、应(内)力分布规律,研究拱架承载力学性能与变形破坏模式。结果表明,拱架属局部强度破坏致使整体失稳的破坏模式,拱架承受最大荷载为1242.43kN,呈现“拱顶下沉,拱腰外凸,拱脚扭曲”整体非对称变形失稳形态,数值试验和室内试验拱架承载力差值较小,数值差异率在10%以下。拱架在均压状态下,随荷载增加,拱顶逐渐下沉,荷载位移呈线性增长;拱肩位移较小,未有明显变形,荷载保持持续增长;拱腰逐渐外凸,变形和荷载较大且增长较快。右拱脚径向位移较小,荷载缓慢增加直至平稳,出现平面内扭曲变形现象;左拱脚侧向位移增长较快,荷载先增加后减小,出现平面外失稳现象,说明该部位发生强度破坏而丧失承载力,从而造成整体失稳。(2)超大断面隧道初期支护拱架承载力学特性研究针对室内试验单榀拱架易出现平面外失稳现象,采用数值试验建立以三榀拱架为代表的组合结构模型,考虑拱架组合间距、纵向连接分布间距,空间偏压状态等影响因素设置38组对比工况,研究不同因素对拱架组合结构承载力的影响规律。结果表明,拱架组合间距及纵向连接分布间距对拱架承载力影响显著。拱架间并联作用及纵向连接间串联作用,致使组合结构纵向刚度和强度明显增加,对承载力具有放大作用,为单榀拱架承载力3.14～3.92倍。不同拱架组合间距承载力差值相差数10倍;不同纵向连接分布间距承载力差值相差不到1倍。横向偏压比对组合结构承载力极值的影响与隧道高跨比相关,纵向偏压比对拱架结构的承载力具有明显减小趋势,不利于拱架发挥其良好的承载力。(3)超大断面隧道初期支护承载力学特性及变形控制研究以滨莱高速改扩建项目马公祠隧道为工程背景,针对超大断面隧道初期支护力学特性及对隧道变形的控制作用,建立以三榀初期支护为代表的隧道开挖支护模型,考虑不同强度混凝土喷层、不同拱架组合间距、不同纵向连接分布间距设置50组对比工况,研究初期支护承载力学特性及控制效果。结果表明,拱顶沉降及其差值随混凝土喷层强度增加逐渐减小。考虑到经济因素及强度利用率,混凝土喷层强度宜采用C25、C30。当拱架组合间距超过1.2m时,拱顶沉降差值过大;当纵向连接分布间距超过1.5m后,拱顶沉降差值变化较小。混凝土喷层承担更多的轴力,拱架承担更多的弯矩。拱架组合间距为0.4～0.8m时,拱架轴力和混凝土喷层弯矩分担比值过大。纵向连接分布间距为0.5～1.5m时,拱架轴力分担比和混凝土弯矩分担比值比较合理。因此,拱架组合间距在0.8～1.2m之间调整,纵向连接分布间距在0.5～1.5m之间调整。(4)支护方案现场对比试验研究为对比加密纵向连接与减小拱架间距初期支护的支护效果及对隧道结构稳定性的作用,在马公祠隧道围岩相对破碎区选择地质条件相当的试验段分别设计加密纵向连接分布间距与减小拱架间距两种支护方案,通过对比分析两种方案隧道开挖支护过程中隧道变形、围岩与初期支护接触压力释放规律、初期支护构件应力分布规律等,研究两种支护方案的支护效果。结果表明,两种支护方案的初期支护对隧道收敛及拱顶沉降调整控制作用相当,对围岩具有相同的约束效果,拱架有足够的强度储备和较高的安全系数,均能提供足够承载力,保证隧道结构在短时间内达到稳定。