软弱围岩隧道锁脚锚杆支护优化研究

作     者：邢亮 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐东强

授予年度：2020年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：软弱围岩 FLAC3D 系统锚杆 锁脚锚杆 支护方案 

摘      要：在软弱围岩地质状况下设计以及施工的过程中,隧道容易出现大变形问题。因软弱围岩强度较低,故当隧道处在地质不良的条件时,更容易受到破坏。目前的《公路隧道设计规范》(JTG-D70)、《公路隧道施工技术规范》(JTG-F60)对隧道的支护要求钢拱架和锚杆各自独立的发挥作用,支护效果较差,施工过程中时有发生塌方事故。在软弱围岩隧道中用系统锚杆支护对围岩的扰动大,支护时间长,容易导致围岩发生大变形。本文以延崇高速公路隧道Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩段为背景,运用FLAC3D软件对实际工程状况进行模拟,其中系统锚杆在Ⅳ级围岩中采用砂浆锚杆,Ⅴ级围岩中采用注浆锚杆,锁脚锚杆均采用注浆锚杆。研究内容及结论如下:(1)根据试验埋深段或各方案支护特性曲线随埋深变化的规律,选取特定埋深下的支护方案进行具体分析。(2)运用FLAC3D软件选择合理的本构模型,通过改变锚杆布置方式,分析不同围岩级别下的围岩塑性区、二衬主应力、位移、应力以及锁脚锚杆轴力并结合理论分析选出软弱围岩隧道中替代系统锚杆支护的最优锁脚锚杆支护方案。(3)基于现场试验数据,验证数值模拟的最优方案,评价数值模型的合理性。(4)在Ⅳ级围岩150 m埋深段中,在塑性区范围方面,锁脚锚杆支护方案的塑性区范围最小。在二衬主应力方面,各支护方案大小主应力符合安全性要求。在围岩位移方面,锁脚锚杆支护方案与系统锚杆支护方案抑制竖向位移的效果相近。锁脚锚杆抑制水平收敛的效果更佳。在锁脚锚杆轴力方面,拱腰处轴力最大,起主要支承效果。综合理论分析选用Ⅳ级围岩最优方案为左右拱肩、拱腰、拱脚各打设2根锁脚锚杆,现场试验也证实了Ⅳ级围岩方案模拟的可行性。Ⅳ级围岩最优方案为左右拱肩各打设4根,左右拱腰与拱脚各打设2根锁脚锚杆。(5)在Ⅴ级围岩200 m埋深段中,在塑性区范围方面,系统锚杆方案塑性区范围最小,锁脚锚杆方案塑性区范围与系统锚杆相比差距不大。在二衬主应力方面,各方案大小主应力符合安全性要求。在围岩位移方面,锁脚锚杆支护方案与系统锚杆支护方案抑制竖向位移的效果相近。系统锚杆抑制水平收敛的效果更佳。在锁脚锚杆轴力方面,各锁脚锚杆模型拱腰处拉应力较大,都发挥了锁脚锚杆的支承效果。综合理论分析选用拱顶60°范围打设系统锚杆,左右拱肩各打设4根锁脚锚杆,左右拱腰与拱脚各打设2根锁脚锚杆作为该埋深段的合理支护方案。