基于双参数地基的隧道预支护拱棚壳体力学模型

石钰锋, 张涛, 曹成威, 阳军生, 陈祥胜

doi:10.15961/j.jsuese.202201107

工程科学与技术 ›› 2023, Vol. 55 ›› Issue (04) : 142 -152. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201107

基于双参数地基的隧道预支护拱棚壳体力学模型

石钰锋, 张涛, 曹成威, 阳军生, 陈祥胜

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摘要

隧道预支护技术作为重要施工辅助方法，除能够有效加固围岩外，还具有良好的承载、抑制变形作用。为了更好地模拟隧道预支护拱棚的真实受力，基于注浆管棚、水平旋喷拱棚所呈现出的壳体特性，首先，建立正交曲线坐标系，通过位移函数求解控制方程；然后，引入Pasternak地基模型，建立Pasternak双参数地基的拱棚壳体力学模型；最后，推导出拱棚挠度、内力、地基反力的解析解表达式。将所提模型进行案例计算和数值验证，再对预支护拱棚的变形、横纵向受力及地基接触反力进行分析，探讨了拱棚设计参数对旋喷拱棚变形的影响。与既有文献的分析方法对比表明，所提模型考虑了岩土体的连续性和注浆加固区整体性影响，相比传统方法理论上更贴近拱棚预支护真实受力状态；解析法和数值法得出的整体挠度曲线均呈勺形分布，结果吻合程度较好。力学分析表明：纵向上，拱棚能很好地调整压力分布，一定程度上使内部围岩处于免压状态；以开挖面为界，拱棚纵向弯矩、剪力的影响范围约为5倍开挖进尺。横向上，拱脚处剪应力起主导作用，拱顶处主要由正应力主导且容易发生材料破坏。不同参数对拱棚结构变形影响程度不同，总体表现为初始挠度>开挖进尺>桩径>开挖高度。