基于壳体模型的富水砂层隧道水平旋喷拱棚预支护力学机制研究

Sub-horizontal jet-grouting arched shed has good stratum reinforcement and seepage control function, is widely used in water-rich sandy and other tunnels for pre-supporting, but with its geometric and mechanical properties of large discreteness, poor integrity, the complexity of stress, which can easily lead to problems like pile breaking and seepage failure. Therefore, further research on the scientific simplified theory of its mechanics mechanism is needed. The project is going to further investigation based on experiments, use Monte Carlo algorithm to obtain acceptable geometry and mechanics discrete characteristics and function expression of sub-horizontal jet-grouting arched shed, and then build elastic foundation shell correction model characterizing sub-horizontal jet-grouting mechanism, to deduce the equation of shell and the formula of stress, strain and foundation reaction force, and to analyze the influence law of soil pressure, shell thickness and rigidity, cross section curvature radius and other factors on the mechanical behavior of arched shed. Through three-dimensional numerical simulation method, taking fluid-structure interaction and the pile soil contact into consideration, build refined 3D-model to analyze the influence law of soil pressure and water pressure, stratum parameters, supporting stiffness etc. mechanics behavior of arched shed, in order to further reveal the effect and mechanical mechanism of sub-horizontal jet-grouting arched shed pre-supporting. The expected research results can provide theoretical basis for thorough understanding on mechanical mechanism of sub-horizontal jet-grouting arched shed pre-supporting and its optimization design.

水平旋喷拱棚因具有良好的地层加固及防渗功能，被广泛用于富水砂层等隧道工程预支护，但因拱棚具有几何及力学性质离散性大、完整性差、受力复杂等特点而易出现断桩及防渗失效等问题，为此对其作用力学机制的科学简化理论尚需进一步开展深入研究。本课题拟在室内外试验研究基础上，采用Monte Carlo算法获得具有一定可信度的水平旋喷拱棚几何及力学离散特征及空间特征函数，进而建立表征水平旋喷作用机理的弹性地基壳体修正模型，推导拱棚壳体的挠度方程及应力、应变与地基反力计算公式，并分析总结上覆土压、壳体厚度及刚度、壳截面曲率半径等因素对拱棚力学行为的影响规律；通过三维数值仿真方法，建立考虑流固耦合及桩土接触的精细化三维模型，分析上覆土压、水压、地层参数、支护刚度等对拱棚力学行为的影响规律，揭示水平旋喷拱棚预支护作用及力学机制。预期研究成果可为深入认识水平旋喷预支护拱棚的力学机制及优化设计提供理论基础。

水平旋喷技术已广泛应用于富水软弱围岩隧道预支护中，但囿于隧道掘进过程受力工况不断变化、力学响应复杂，力学机制研究尚未取得显著进展。为此，本课题将水平旋喷拱棚结构简化为弹性地基上的柱壳结构，引入Pasternak双参数地基模型，推导得到拱棚壳体的挠度、内力、地基反力解析解，并将拱棚壳体力学模型运用到相关隧道工程案例中，并与前人研究理论对比分析，结合具体工程，探讨水平旋喷拱棚结构受力与变形，分析设计参数对其力学影响规律，同时展开富水砂层隧道水平旋喷拱棚模型试验，在考虑桩土接触效应和流固耦合作用下，探究不同拱棚设计参数在隧道开挖下及不同水位工况下，对水平旋喷拱棚力学特征影响。最后，对水平旋喷桩和开挖面组合预支护下进行数值模拟分析。结果表明：理论解析解在实测结果范围内，与前人学者规律类似，计算精度进一步得到提高；纵向上，水平旋喷桩拱顶处旋喷桩挠度变形最大，向拱脚方向逐渐减小，空间上，起到调整压力分布作用；桩径、初始挠度、开挖高度、开挖进尺、隧道埋深对拱棚自身结构体受力有直接影响；旋喷拱棚预支护结合预留核心土法施工，可有效改善开挖面受力状态，台阶长度、核心土长度，拱棚布置范围均存在最佳值，在设计和施工时，应结合实际情况，控制合理参数；考虑桩土接触效应下，拱棚桩间咬合厚度增大，可有效减小地层沉降、自身挠度及隧道开挖时对周围地层的影响范围，同时减小其自身结构受力，拱棚纵向受拉区域减小，受压区域增大；基于流固耦合作用下，不同静水位直接影响拱棚受力及变形，其值随水位高度升高均匀增加，桩间咬合厚度越大其受影响程度越小。本课题采用理论解析、模型试验、数值分析等手段，建立了三维壳体简化力学模型，针对旋喷桩的几何、力学参数，和施工要素进行了分析，模型试验中考虑了桩土接触及流固耦合效应，进一步补充和揭示了力学机理，研究成果可为优化设计提供科学依据，具有理论及实践意义。