高地应力软岩隧道可缩性支护结构体系及其作用机理研究

The problem of surrounding rock large deformation of tunnel in soft rock under high ground pressure is focused in this study. The distribution characteristics and changing rules of surrounding rock pressure, the mechanical property of tunnel support are studied by tests and numerical simulations, and then yieldable support system of high ground pressure tunnel is proposed. By model test, theory and numerical simulation, close-type yieldable support is designed and optimized, the calculating method of bearing capacity of close-type yieldable support is established, and also the bearing character and stability of yieldable support is analyzed. The interaction mechanism between yieldable support and surrounding rock, the influence of filling material on yieldable support effect, the bearing feature of yieldable support and secondary support, and the constructing occasion of secondary support can be clarified and analyzed in this study. Theoretical basis of tunnel support in soft rock under high ground stress can be provided by this study.

针对高地应力条件下软岩隧道围岩大变形问题，采用室内力学性质实验及数值模拟的方法，深入分析高地应力隧道围岩压力分布特征及大变形过程中围岩压力变化规律，研究高地应力条件下隧道支护结构力学性能。在上述研究的基础上，提出高地应力隧道可缩性支护结构体系，借助物理模拟试验、理论分析、数值分析等手段，开展封闭式可缩性支护结构设计及优化，建立封闭式可缩性支架承载能力计算方法，分析可缩性支架承载特性及其整体稳定性。同时，揭示封闭式可缩性支架与围岩相互作用机理，分析壁后充填材料力学性能对可缩性支架支护效果的影响，阐明可缩性支架与二次衬砌受力特征及二衬施作时机，从而为解决高地应力条件下软岩隧道支护难题提供理论基础。

近年来，随着交通基础设施建设规模的不断扩大，深埋长大隧道越来越多，深埋隧道高地应力引发的软岩大变形问题越来越突出，并已成为工程建设的重大技术难题。本项目针对高地应力条件下软岩隧道围岩大变形问题，采用理论分析、室内试验、数值模拟等方法，对高地应力隧道围岩压力特征及变化规律、高地应力条件下隧道围岩可缩性支护结构体系、可缩性支架承载特性及其整体稳定性、可缩性支护结构体系作用机理进行了研究。通过研究，揭示了高地应力软岩隧道施工过程中围岩受力特性，分析了围岩压力拱范围、围岩变形及围岩压力的关系，给出了高地应力条件下隧道围岩压力分布特征及其变化规律、隧道支护结构力学性能。开展了公路隧道封闭式可缩性支架支护结构设计，推导得到了支架承载力计算公式，分析了搭接长度、接头刚度、接头位置及侧压系数对支架承载力的影响。采用室内试验、数值模拟等方法，研究提出了封闭式可缩性支架接头位置、接头性能及断面形式优化方案，阐明了封闭式可缩性支架承载特性，给出了侧压系数、卡揽预紧力、接头滑移量及壁后空洞对支架承载性能的影响，揭示了封闭式可缩性支架破坏形态及失稳特征，分析了可缩性支架与围岩相互作用，给出了充填材料强度、弹性模量及厚度对围岩应力、可缩支架及二衬受力的影响，阐明了可缩性支架与二次衬砌受力特征，研究分析了可缩性支护结构二衬施作时机。项目研究成果为解决高地应力条件下软岩隧道支护难题、开展公路隧道可缩性支护设计提供了理论基础和参考，为进一步完善相关标准规范提供了技术支撑。