黄土隧道支护失效机理及新型支护体系施工受力分析

传统支护结构在隧道开挖中得到广泛应用,但在复杂地质条件下表现出局部节理断裂、面外失稳、拱喷界面滑移等现象,严重削弱了支护结构的整体强度,导致严重的工程灾害。基于此,通过有限元软件ANSYS建立平面应变模型揭示了传统支护结构的失效机理,提出一种新型组合结构支护(包含“π”型钢架),建立三维数值模型探讨了构件参数对新型钢架截面细部受力的影响规律,同时对比分析了不同支护体系下二次衬砌结构的受力情况,对结构安全做出了评价。结果表明：复杂受力环境下,传统型钢支护由于面内、面外刚度差异难以保证围岩及隧道结构的稳定性;拱架壁厚和围岩释放率对截面细部受力的不均匀性具有显著影响;较传统支护体系相比,新型支护体系下二次衬砌轴力、弯矩均得到大幅改善,结构的安全度提升了56%。该研究可进一步为相关隧道支护结构设计提供参考。     

黄土隧道新型组合结构支护效果分析及参数优化研究

黄土隧道在开挖过程中经常发生支护结构破坏或过度变形。依托某黄土隧道，提出一种新型组合结构支护体系(π形拱架),采用理论计算对比了π形拱架与传统工字钢提供的支护反力，结合现场监测和数值模拟分析了不同支护体系下围岩控制效果，优化新型组合结构的构造参数，同时基于正交试验探究了构造参数对围岩支承效果影响显著性大小。结果表明：π形拱架提供的支护反力是型钢钢架的3.14倍，具有强度大、承载力高的优势；建立对比分析模型，较传统支护体系相比，新型支护体系下的拱顶沉降降幅达到53.8%,等效塑性应变减少约64.4%,初期支护最大压应力和拉应力分别减少约35.3%、35.9%;进而建立参数优化模型，通过对围岩竖向位移和塑性区的综合评估，建议拱架壁厚取6 mm,灌浆强度选择C30,翼板长度以200 mm为宜；结合正交试验结果，各因素影响程度由小到大依次为因素B(灌浆强度)<因素A(钢管壁厚)<因素C(翼板长度)。本研究可进一步促进新型拱架在黄土隧道施工支护中的应用。