马蹄形预制初期支护结构生产及试验技术研究

传统的初期支护施工安全性低、劳动强度大、环境污染严重、质量难控制,为改善现有的作业环境,提高施工质量和进度,提出了一种马蹄形预制初期支护结构。从结构设计方案、预制方式、拼装方法以及试验实例4个方面做了详细介绍,并对关键技术进行了阐述,结果表明:型钢混凝土结构分块设计时要兼顾受力状态、加载模式、结构吊运等各方面因素,同时还要考虑型钢加工难度,单根型钢的弯曲半径不宜超过2种;柔性模板与刚性背楞有效组合,能够预制各类异形结构,材料也可重复利用,经济性良好;预制初期支护结构在2.3倍设计荷载时裂缝开始发展,在3.1倍设计荷载时出现连接节点失效,试验证明其承载能力满足工程需求。

马蹄形预制初期支护力学性能及设计方案研究

为了解决传统喷射混凝土初期支护洞内施工环境差、施工质量难控制、混凝土回弹浪费严重、强度提升慢等问题,提出一种新型预制装配式初期支护结构,结合马蹄形预制初期支护足尺试验,对预制初期支护的力学性能、变形规律进行研究,并根据试验结果和理论计算,对该新型初期支护进行设计方案研究。主要结论如下:(1)预制初期支护的极限承载能力为设计荷载的2.8倍,最大变形达115.6 mm,在满足施工安全的同时,具有良好的变形能力;(2)马蹄形预制初期支护采用奇偶环实现错缝拼装,拱脚处曲率较大,拼装难度大,凹凸榫会导致拼装时管片易发生破损,因此管片不宜设置凹凸榫;(3)预制初期支护拱脚处为受力最不利位置,需对拱脚处进行加强;(4)预制初期支护宜采用“先管后锚”方案;(5)预制初期支护拼装完成后,即以设计强度参与围岩受力,避免了喷射混凝土在强度提升阶段就承受围岩压力的情况,极大的改善了结构受力,减小裂缝发展,具有更优的力学性能。

马蹄形预制初期支护结构数值计算与试验研究

针对马蹄形隧道预制初期支护管片的特殊结构,采用荷载—结构—弹性抗力模型,进行了预制初期支护结构的受力影响计算分析。通过加载接触方程模拟混凝土与管片各结构件之间的接触关系及作用形态,结合对分块连接处的螺栓Mises应力进行分析,将三维仿真有限元分析结果与试验研究成果进行对比,结果表明:1)通过弯矩等效施加集中荷载可近似拟合深埋隧道预制初支结构的受力情况;2)通过等效集中荷载的施加,对预制初支结构的极限承载能力进行了分析计算,并在此基础上指导了试验的荷载施加梯度;3)结合足尺试验数据,进行了结构整体变形与受力的对比分析,验证了数值计算模型的可靠性,其结论可为同类隧道预制结构的仿真计算提供设计计算参考。