隧道钢架喷混凝土支护安全性评价方法研究

北京交通大学硕士学位论文隧道钢架喷混凝土支护安全性评价方法研究姓名：王志超申请学位级别：硕士专业：地质工程指导教师：杨成永20080601隧道钢架喷混凝土支护安全性评价方法研究作者：王志超学位授予单位：北京交通大学相似文献(6条)1.学位论文张晅考虑干缩和徐变的施工期隧道初期支护安全性评估方法2007隧道施工中，利用支护位移的监控量测数据及时地进行支护结构的安全性评价是隧道动态设计的关键，对保证隧道结构的安全具有重要意义。在隧道监控量测参数中，支护位移由于测量方便、花费低和可信度高，在工程实践中被广泛采用。本文针对以位移为基础的隧道支护结构安全性分析方法，探讨了喷射混凝土的收缩和徐变变形对隧道安全性的影响。叙述了喷射混凝土的干缩和徐变特性，推导了考虑干缩和徐变时支护内力的计算公式，给出了支护结构截面失效的功能函数，并进行了工程实例分析。分析结果表明，干缩与徐变均使隧道支护结构的可靠指标有所增加，不考虑干缩与徐变时的计算结果是偏于保守的。相比而言，干缩使可靠指标增大不多，一般情况下可忽略其影响。徐变对可靠指标的影响，在喷层受力不大时，影响不显著，实际工作中可以不考虑；反之，则建议考虑徐变的影响。本文的工作提高并完善了施工期隧道喷射混凝土支护安全性评价位移方法。2.学位论文吕记斌考虑温度影响的隧道初期支护安全性评估方法研究2008隧道施工中，利用支护位移的监控量测数据及时地进行支护结构的安全性评价是隧道动态设计的关键，对保证隧道结构的安全具有重要意义。在隧道监控量测参数中，支护位移由于测量方便、花费低和可信度高，在工程实践中被广泛采用。本文针对以位移为基础的隧道支护结构安全性分析方法，探讨了喷射混凝土温度变形对隧道安全性的影响。叙述了喷射混凝土的温度场的特性，推导了考虑温度时支护内力的计算公式，给出了支护结构截面失效的功能函数，并进行了工程实例分析。分析结果表明，考虑温度使隧道支护结构的可靠指标有所降低，不考虑温度的计算结果是偏于不安全的。温度对可靠指标的影响，在温差不大时，影响不显著，温差较大时，影响较为明显，因此在实际工作中有必要考虑温度的影响。本文的工作提高并完善了施工期隧道喷射混凝土支护安全性评价位移方法。3.学位论文蔡来炳软弱围岩浅埋偏压连拱隧道力学效应研究2008经过十几年的工程实践，连拱隧道已在我国公路工程得到广泛应用。然而，作为一种新颖的结构形式，连拱隧道在应用过程中也存在不少问题。本文通过对国内外222座连拱隧道的调查，分析了连拱隧道工程应用的主要特点和相关参数，进而研究连拱隧道应用中的主要问题和影响因素，认为软弱围岩、浅埋和偏压是引起连拱隧道施工事故和结构病害的主要客观因素。本文以云南省思(茅)小(勐养)高速公路连拱隧道为工程背景，采用室内试验、模型试验、现场试验和数值模拟方法研究了软弱围岩的力学性质、偏压连拱隧道的力学特性和稳定性问题，探讨了偏压连拱隧道的时间效应，提出了相应的荷载设计计算方法。选择背景工程所处地层的泥岩A和泥岩B作为Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩代表性围岩介质，通过室内试验方法，研究泥岩的物理力学性质和参数取值。泥岩具有较高含水量和易风化特性，在自然空气中易发生表层水份挥发而产生裂隙或岩块剥落现象。泥岩的抗压强度与泥岩含水量、试件是否存在软弱面有关。室内试验发现，无软弱结构面泥岩的单轴压缩应力．应变全过程曲线可以分为5个区段：岩石内微裂隙闭合Ⅰ区段、线弹性发展Ⅱ区段、剪胀萌发Ⅲ区段、不稳定裂隙增长Ⅳ区段和峰值后Ⅴ区段。各变形区段的明显程度随岩石材料种类有所差异，如A组泥岩微裂缝闭合Ⅰ区段明显；而B组泥岩的Ⅰ区段不显著，但B组泥岩的峰值后Ⅴ区段长度大于A组泥岩，峰值后残余强度与峰值比大于A组泥岩。不同于无结构面泥岩试件，存在软弱结构面的试件应力-应变全过程曲线显现出软弱结构面压缩、结构面剪切和结构面软化等三个阶段，充分印证了岩石力学与工程理论中关于软弱结构面控制的假设。通过泥岩的单轴压缩蠕变试验研究发现，泥岩具有很高的蠕变变形特征，蠕变量随着泥岩试件的含水量增加而增大。泥岩的蠕变性质与泥岩的排水条件有关。在不排水条件下，泥岩的流变特性可以采用Burgers模型以反映泥岩蠕变量随时间增大和蠕变破坏发生的规律；在排水压缩条件下，泥岩的流变特性可用广义Kelvin模型予以描述。另外，在排水蠕变作用下，泥岩通常产生硬化作用。通过1:100小比例模型试验、现场试验和数值模拟，对无、有偏压连拱隧道的力学和变形特性进行了较为详尽和深入的研究。无偏压作用状态下，连拱隧道的内力和变形受隧道施工工艺顺序影响较大。隧道开挖过程是围岩应力发生急剧变化的阶段，也是隧道发生大变形而引起失稳的阶段。仰拱开挖过程中，由于侧墙部位的支护结构支撑减弱，初衬支护结构下沉，引起上拱圈部位的围岩压力减小，侧墙部位初衬围岩压力增加。混凝土二衬与仰拱、中墙等部位的衬砌结构形成闭合，有效地限制隧道周边变形，明显增强了隧道支护的稳定性；期间，隧道二衬结构和初衬支护共同承担围岩松弛和蠕变产生的应力。后行隧道施工过程的应力和变化与先行隧道施工过程相似，但围岩应力释放程度明显小于先行隧道，拱顶下沉、边墙水平位移等变形比先行隧道变形小。出现这一现象的原因在于先行隧道开挖产生应力释放，使得后行隧道的初始应力水平大为降低。在地形偏压作用下，连拱隧道整体向浅埋侧移动，浅埋侧和深埋侧的围岩出现被动压力和主动压力作用；隧道结构处于不均衡受力状态，即浅埋侧隧道边墙围岩应力大于深埋侧隧道，这种不均衡作用随着地形坡度比增加而增大；当连拱隧道在严重不均衡力作用下，结构将产生较大变形，最终导致隧道结构出现裂缝或渗漏水。地形偏压作用下连拱隧道浅埋部位拱顶沉降大于深埋部位拱顶沉降；随着地形坡度比增加，先行隧道初衬拱顶下沉变化量增加。连拱隧道偏压作用程度随隧道埋深增加而减小。当隧道埋深大于1.6倍隧道开挖宽度时，因地形坡度产生的偏压作用可以忽略不计。地形偏压作用越大，中墙偏心作用越显著，承受的弯矩也越大。无地形偏压作用时连拱隧道地表沉降槽呈现以中墙中线为中点的非对称形状，先行隧道顶部的地表沉降影响范围大于后行隧道顶部的地表沉降影响范围，且发生在先行隧道顶部的最终地表沉降量大于后行隧道顶部。地表沉降主要发生于先行隧道和后行隧道的主洞室开挖阶段，中导洞施工阶段和隧道后期稳定阶段产生的地表沉降较小，约为最终地表沉降的10％左右。连拱隧道时效性与地形偏压作用有相关性，无偏压连拱隧道承受的围岩压力、衬砌结构内力和隧道变形与时间成对数关系，最终趋于稳定；地形偏压作用下初衬支护位移与时间成增大变化，且受地形坡度比和埋深制约。本文在模型试验、现场试验和数值模拟结果分析基础上，结合坡形地层自重应力与围岩强度分析，探索性提出了以地形偏压系数作为判别偏压连拱隧道的标准。结合我国行业规范《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)，从围岩应力作用率、地形偏压系数和深浅隧道不同受力角度，提出了偏压连拱隧道围岩压力计算方法，以及中墙荷载和偏心距计算公式。该计算方法，以及提出的相应工程措施与建议，可以为浅埋偏压连拱隧道的设计与施工所参考采用。4.学位论文徐明新隧道初期支护安全性评价理论与方法研究2009由于隧道工程的复杂性，在施工过程中需要对围岩和支护结构进行监控量测，并根据量测数据适时地对构筑物的安全程度做出正确评价。支护位移由于其代表性强，要求的测量设备简单，对工程施工干扰小，测量成本低，是目前工程实践中使用最广泛的监控量测参数。现行的隧道技术规范已对施工中位移的量测和使用做出了具体规定。但是，按目前规范中给出的方法进行施工期隧道支护结构的安全性评估，存在不足之处：规范的安全性评估方法是定值的，没有考虑影响因素的变异性；规范中给出的极限位移范围较宽，使用起来有不便之处；由于极限位移与各个隧道的形状和尺寸有关，规范提出的极限位移难以适用于不同隧道断面。因此，如何更好地、更充分地、定量客观地利用位移量测数据进行施工期隧道支护结构的安全性评估，使其成为更具广泛适用性的隧道施工监控量测手段，具有重要的理论和实践意义。本文初步建立了通过初期支护实测位移进行施工期隧道安全性评估的理论和方法。具体内容包括：（1）推导了根据测量位移计算隧道初期支护内力的公式，提出了隧道支护的极限状态方程，给出了计算可靠指标的步骤。讨论了随机变量的变异性，确定了基本随机变量的统计特征。（2）研究了曲线形式对可靠指标的影响。认为抛物线最适合在位移法中使用，正弦曲线次之，圆曲线要有所限制，而双曲线则不宜采用。（3）推导了考虑干缩、徐变、温度时隧道支护内力的计算公式，探讨了这些影响因素对隧道支护安全性的影响。认为干缩使可靠指标提高的幅度不大，在工程计算中一般可不考虑其影响。徐变使可靠指标提高的幅度与支护内力的大小和持续时间有关。支护内力越大，持续时间越长，可靠指标的提高幅度越大；反之，可靠指标的提高幅度就小。在工程计算中应考虑徐变对计算结果的影响。温度对可靠指标的影响取决于日间温度差和日内温度差。温度差越大，对可靠指标的影响幅度越大。当温度差超过5度时，计算中应考虑温度的影响。（4）编制了计算隧道断面可靠指标的计算机程序，并用编制的程序对多个隧道工程进行了实例计算。实例计算结果均与隧道的实际安全状态一致，证实了本文所建立的施工期隧道喷混凝土支护安全性评价方法的正确性。本文工作可使施工期隧道结构安全性从定值评价发展为概率评价，更充分地利用位移量测数据，增强评价的客观性，提高施工技术水平。同时，通过对位移测量信息的有效利用，可减轻对其它监控测量参数的依赖，节省工程费用，提高经济效益。5.期刊论文徐明新.杨成永.张强.XUMingxin.YANGChengyong.ZHANGQiang施工期隧道喷混凝土支护安全性评价-北京交通大学学报(自然科学版)2008,32(1)隧道施工中,利用支护位移的监控量测数据及时地进行支护结构的安全性评价是隧道动态设计的关键,对保证隧道结构的安全具有重要意义.在隧道监控量测参数中,由于支护位移测量方便、花费低和可信度高,在工程实践中被广泛采用.本文欲以隧道施工中喷混凝土支护的量测位移为基础来建立一个隧道结构的安全性评价方法.文章给出了支护结构截面失效的功能函数及计算支护内力的计算公式,讨论了基本随机变量的概率特征,叙述了通过测量位移计算可靠指标的步骤.在此基础上进行了实例分析,总结了所提方法的特点,并给出了今后研究工作的建议.本文方法可用于施工期隧道喷混凝土支护的安全性评价,具有较好的理论和实用价值.6.学位论文郭军客运专线大断面黄土隧道施工力学及支护设计理论研究2008随着国内大规模基础设施的投资建设，西部将建设一大批大断面黄土隧道。先期建设的郑西铁路客运专线包含大量黄土隧道，其单洞开挖断面达170m2，为我国黄土历史上第一，且黄土地层具有特殊性和软弱性，工程难度大。我国目前尚无相关工程的施工与设计经验，缺少规范的指导，因此对其施工技术和支护理论的研究显得尤为迫切。本文依托该工程，率先对大断面黄土隧道的力学行为展开研究，主要开展了以下工作：1．通过调查和分析客专黄土围岩的特殊性质，指出黄土的结构性强度可概括为双线性屈服准则，而垂直节理可视为遍布节理，两者在新、老黄土中具有不同的赋存状况和发育程度。2．提出应按考虑黄土特性的双线性本构模型进行黄土隧道的力学分析，结果认为，结构强度主要影响塑性区和位移量值，对形态影响不大，而垂直节理对深、浅埋黄土隧道的位移模式与破坏形态有很大影响。3．采用三维数值仿真方法，并结合试验工点监测数据，研究了大断面黄土隧道中双侧壁、CRD、弧形导坑法的施工力学动态，揭示出深、浅埋皆为不利情况，开挖前围岩位移释放率高、支护位移量大、早期变形快、持续时间长、支护受力大等是其主要特点；给出了施工监测控制基准值，指出浅埋应按变形控制，深埋应按变形与受力双重标准控制。4．针对三种工法提出改进与优化，并进行了力学验证。5．针对黄土围岩中锚杆的拉拔试验，修正了基于剪滞理论的锚杆轴力与剪力计算式，并用于评价锚杆一围岩界面强度；基于中性点理论研究了锚杆一黄土围岩的相互作用机制，指出围岩不同部位的变形模