【摘 要】
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水平旋喷技术作为隧道预支护手段之一,除有效加固围岩外,还具有良好的承载、止水功能,尤其对于软弱富水地层隧道。实际工程中,由于地层条件和开挖方法等因素,随着开挖面掘进和支护结构施作,拱棚预支护力学响应复杂,设计参数多依据经验而定,作用机理以及建立在科学依据上的简化理论和方法方面还未取得显著进展。鉴于此,本文以软弱地层隧道为研究对象,将水平旋喷拱棚结构简化为弹性地基上的柱壳结构,采用理论推导、数值分析
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水平旋喷技术作为隧道预支护手段之一,除有效加固围岩外,还具有良好的承载、止水功能,尤其对于软弱富水地层隧道。实际工程中,由于地层条件和开挖方法等因素,随着开挖面掘进和支护结构施作,拱棚预支护力学响应复杂,设计参数多依据经验而定,作用机理以及建立在科学依据上的简化理论和方法方面还未取得显著进展。鉴于此,本文以软弱地层隧道为研究对象,将水平旋喷拱棚结构简化为弹性地基上的柱壳结构,采用理论推导、数值分析等手段,研究水平旋喷拱棚预支护受力机制和参数影响,并探讨预支护设计参数和施工因素对围岩稳定性影响,主要研究内容和成果如下:（1）系统总结了常用的围岩压力计算理论,对比不同围岩压力理论随埋深变化规律,针对软弱地层大跨度隧道水平旋喷拱棚荷载的确定,提出在现行隧道设计规范围压公式基础上的修正公式,以确定水平旋喷拱棚荷载模式,为壳体力学解析模型的建立提供理论基础。（2）根据开挖面与预支护拱棚结构位置关系,把预支护拱棚简化成两种类型:半无限长柱壳结构、有限长柱壳结构,基于围岩-结构作用特性,引入Pasternak地基模型,建立双参数地基上拱棚壳体力学解析模型,获得了挠度、内力、地基反力解析解,以实际隧道工程为算例,与同行学者相关理论对比分析,验证了本文壳体力学模型的合理性,由于考虑了岩土体的剪切变形作用（岩土体连续性）,理论上结果可更加接近真实受力状态。（3）依托铁路隧道工程,将壳体力学模型应用于预支护工程中,并与数值模拟结果对比验证,进一步研究了水平旋喷拱棚空间力学特性;基于壳体力学模型,开展水平旋喷拱棚参数影响性分析,不同参数影响程度不同,总体表现为:初始挠度＞开挖进尺＞桩径＞埋深＞开挖高度;并获得拱棚预支护下掌子面安全系数表达式,探讨围岩参数、施工因素、埋深对掌子面稳定性规律,不同参数影响程度不同,总体表现为:粘聚力＞摩擦角＞开挖高度＞初始挠度＞埋深,开挖进尺在不同参数变化区域,影响程度不一。（4）以环形开挖预留核心土工法为例,采用三维有限元软件MIDAS/GTS NX进行数值模拟分析,分别模拟软弱围岩隧道在有无旋喷拱棚预支护下,设置不同核心土长度、不同台阶长度的组合,考虑不同旋喷拱棚加固范围和开挖进尺,探究多参数变化下隧道围岩稳定性和开挖面变形和受力影响规律,研究表明,不同组合工况下的参数取值存在最优值,在工程中应该依据实际情况选择。
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