含水弱胶结砂岩隧道预筑拱荷载特性及开挖面稳定性研究

含水弱胶结砂岩是广泛分布于兰州地区的一种工程性质特殊的地层，其原始状态密度高，但经开挖扰动则极易出现流砂、垮塌现象，由于砂层密实，传统的小导管及管棚注浆均效果不明显，实践证明横向连续性好、施工快速的预支护在该种地层能发挥重要作用。本项目以含水弱胶结砂岩隧道预筑拱荷载特性及开挖面稳定性研究为题，进行含水弱胶结砂岩基本物理力学特性研究，并在此基础上，研究预切槽施工隧道过程地层物理场的变化规律及上覆地层成拱条件和特征，研究预筑拱类型、参数对于预筑拱荷载特性的影响；基于广义塑性理论和极限有限元分析研究预筑拱作用下开挖面的稳定性，研究正面支护方法、参数及渗流力对于开挖面稳定性的影响；采用大比例模型试验进行预切槽施工过程实验室模拟，研究施工过程地层物理场变化规律及预衬砌的受力特性；通过对理论、数值计算和模型试验成果的综合分析，提出预筑拱设计计算方法、正面支护的设计方法，填补我国在该领域的研究空白。

我国软弱围岩大断面隧道的施工存在着超前支护措施单一、断面划分太小、大量使用临时支护、机械化程度不高等问题，随着国家对施工安全、质量、环保等要求的提高以及劳动力成本的日益增长，大力提升隧道建设的机械化水平已经势在必行。机械预切槽法是软弱围岩隧道施工中极具优势的一种方法。本项目结合兰渝铁路含水弱胶结砂岩隧道和宝兰客专大断面黄土隧道，取得了以下研究成果：.（1）基于荷载—结构模型，从结构安全的角度出发，分析研究了不同预筑拱厚度、不同钢拱架支撑间隔距离以及不同混凝土强度条件下预筑拱安全系数的变化情况，为预筑拱支护参数的合理选取提供了支持。.（2）基于拱效应理论及数值计算，根据地层变形曲线、拱顶上方地层压力-深度曲线、拱顶上方压力拱发展及分布形式，分析了预筑拱控制预收敛变形、围岩收敛变形、应力释放等的特点，计算出预筑拱作用下隧道开挖过程中拱顶上方坍落拱发展过程及分布情况，得到了预筑拱控制软弱围岩的变形机理。得出了不同围岩条件、隧道埋深及预支护参数下预筑拱对于围岩变形、应力释放及重分布过程、拱顶上方坍落拱的发展过程等的控制效果。.（3）根据收敛-约束法，基于弹塑性理论，得出了弹性及弹塑性条件下围岩收敛曲线（围岩特征曲线），在此基础上求出了预筑拱支护下的围岩收敛曲线；在考虑隧道开挖过程中掌子面附近三维空间效应的基础上，引入围岩应力释放系数，得出了掌子面掘进过程中预筑拱与围岩的相互作用关系，求出了预筑拱与围岩相互作用荷载，并基于安全性得出了预筑拱混凝土强度与适用埋深的关系，为预筑拱支护设计理论的建立奠定基础。.（4）分析了影响掌子面稳定性的因素和掌子面的失稳形式，验证了掌子面约束力与掌子面挤出量之间的关系。基于数值计算得到了预切槽法隧道合理的开挖方式和合理的仰拱封闭距离。.（5）通过预切槽法隧道施工室内相似模型试验，获得了预切槽法施工过程地层变形规律及预支护结构受力特性，直观了解施工过程的难点和关键问题，研究可为预切槽技术的发展提供建议。.（6）通过离心模型试验，研究了黄土隧道采用预切槽法施工时，预筑拱脚部不同处理方式下地层的变形规律和预筑拱结构的受力，为预切槽法隧道的合理设计提供建议。.（7）通过在宝兰客专黄土隧道附近的测试试验，进一步了解了中心轴式预切槽机械的机械性能和优缺点，可为将来机械设备的优化提供建议。