特大跨隧道支护结构变形与承载性能研究

我国高速铁路的总里程正在逐年增加。在高铁修建过程中,由于地形地貌等因素的影响,有时需要修建特大跨大断面的隧道以满足列车通行需求。在修建特大跨隧道的过程中,如何保证支护结构是否具有足够的承载能力以及围岩是否具有足够稳定性是保证隧道结构安全的重中之重,也是科学研究急需解决的问题。本文以杭绍台铁路下北山隧道为工程背景,通过调研分析、数值模拟、解析推导等方法,对隧道结构的变形特征、隧道和围岩的稳定性、复合拱的承载能力和二次衬砌的承载能力进行了研究,主要工作及研究成果如下:(1)选取不同的埋深和跨度,对隧道进行受力和变形分析,计算结果表明,随着隧道跨度和埋深的增大,结构变形和围岩塑性区的范围逐渐增大;对四线隧道拱顶上方120°范围内进行预加固,可以使隧道的拱顶沉降减少30%,但是对控制边墙收敛效果不明显。

(2)针对围岩的稳定性进行了研究,并得出四线隧道应该在应力释放达到75%之前施作支护;建议Ⅳ级围岩的四线隧道的预留变形量取值为120～160mm。研究了在不同时机施作边墙和仰拱,和在不同时机施作钢架和喷射混凝土的情况,结果表明,不同的支护时机对洞周变形会产生较大影响;当混凝土开始发挥支护作用时,拱顶沉降快速达到稳定,基本不再增长;在仰拱开始发挥支护作用之后,洞周变形基本上都停止了继续发展。(3)研究了系统锚杆、预应力锚杆与围岩共同组成的组合拱的承载能力,与衬砌的承载能力,推导了复合拱结构承载能力的计算公式。以下北山隧道为依托,将推导的公式使用matlab编程,计算了众多参数变化时的组合拱结构、衬砌和复合拱结构的承载能力。

对压力拱进行模拟,得到压力拱的内边界距离拱顶上方7.2m,外边界距离拱顶上方18.4m,预应力锚杆的长度可以取10米。(4)根据国内若干隧道的二次衬砌受到的荷载的实测数据,二次衬砌的承载比例主要分布于3.5%～87%之间,侧压力系数主要分布于0～4之间。对于二次衬砌,建议控制支护时机,保证二衬的承载比例不要超过70%。当二衬的侧压力系数在0到1之间时,二次衬砌整体都处于安全状态;当二衬的侧压力系数超过2.0时,建议对墙脚部位进行加固,防止这一部位出现破坏。