基于高地应力下片岩隧洞变形破坏机理的非对称支护理论及胎式钢拱架技术研究

The nonuniformity of the force on supporting structures in schist tunnel under high in-situ stress after excavation is remarkable, which leads to local failure happens the supporting structure of uniform arrangement can not make the best of its own strength. In view of this，with quartz mica schist as the study object，developing new test method and fixture under tensile and shear strength from multiple perspectives. Achieve a single rock sample under destructive test many times and data collection of schistosity angle under different intensity. In this study the Hill-48 yield criterion is amended. Combining with the in-situ stress test results under different schistosity angle correction technology and inverting the unloading parameter of anisotropic rock mass, then constructing the tunnel failure mode. Based on this, the design theory of asymmetric supporting structure is raised which substantial cost reduction. Furthermore, the creep value of tunnel walls can reach more than 30 centimeter. The steel arching after installation is under a huge pressure from the creep deformation of surrounding rock, which may lead to deformation and failure. In view of this, tire-steel arching supporting technology is developed based on rock creep variable calculation and field test. Using the tire temporary filling air or permanent filling sand can reduce cost. The research result above can not only be used in schist tunnel supporting design and construction and reducing cost but also can be generalized to soft rock tunnel under high in-situ stress.

高地应力片岩隧洞支护结构受力不均性显著，导致支护结构局部破坏时受力较小部位远未发挥自身强度。针对此，以石英云母片岩隧洞为研究对象，研发片岩多角度抗拉、抗剪强度测试新技术和试验夹具，实现对单个岩样多次破坏性试验及不同片理夹角下强度数据采集，并对Hill48屈服准则进行修正；结合地应力测试结果在不同片理夹角下的修正技术，通过多级岩体实测数据反演横观各向同性片岩卸荷参数，预测隧洞破坏模式，提出非对称支护设计理论，大量降低初衬锚杆和二衬配筋用量。此外，隧洞蠕变量可超过30cm，产生的巨大压力极可能导致钢拱架变形破坏。针对此，基于围岩蠕变量计算及现场测试，研发胎式钢拱架支护技术，利用临时充气及永久充砂胎体，在保证安全的前提下大幅降低钢拱架用钢量。上述研究成果不仅可运用于片岩隧洞支护设计和施工，还可在高地应力下其它软岩隧洞中推广。

基于高地应力软岩隧洞变形破坏特征提出流质充填衬砌支护技术，该技术支护过程分为3个阶段：衬砌安装阶段、低于卸压阈值的均化增压阶段和衬砌自动卸压阶段。基于该技术开展了胎式衬砌对隧洞侧壁支护作用试验研究，研究发现相同荷载下充气胎体使简支梁弯矩减小30%，挠度减小50%，传力效果优于充水式衬砌，并建立胎式衬砌简支梁的压力分布模型，得到了胎式衬砌将集中荷载均匀向端部分布的规律。研究了胎式衬砌对冲击荷载缓冲作用，试验得到胎式衬砌支护结构可降低约50%的冲击荷载。基于自主研发的模拟环形隧洞的试验装置进行环形隧道模拟试验，研究发现环形隧道胎式衬砌均化传力效果优于隧洞侧壁支护。创新性地提出胎式衬砌与泡沫混凝土集成支护技术，基于SMSolver提出优化支护结构的方法。开展了可抽吸充砂衬砌试验，研究发现可抽吸充砂式衬砌均化效果显著，跨中荷载降低了48.95%；泄砂减压效果显著，跨中位置抽砂时卸除压力效果最好，可卸除94.25%荷载；通过模拟围岩与可抽吸充砂式衬砌不同接触长度的简支梁试验，得到了衬砌与围岩不同接触长度的内力及挠度公式，通过SMSolver软件对中心角为120°、180°的圆拱进行抽砂模拟计算，得到跨中卸载效果最好的是中心角为180°、覆板长度为60cm的情况，卸载后弯矩的减少率达到83.44%。提出陶粒式缓冲层作用在预留变形量处的支护原理，开展了支护技术试验，研究发现陶粒在被压碎的过程中卸除压力效果显著，卸除率最高可达19.41%；研究发现低强陶粒的压缩率范围为47.13%~58.51%，高强陶粒的形变量极限压强值范围为9.63Mpa~10.75Mpa，并与具有同样强度及可压缩性的泡沫混凝土进行对比对比，得到陶粒作为预留变形量层的填充材料时性能要优于泡沫混凝土。.基于丹巴引水隧洞工程，以埋深1200m、洞径16m的隧洞为例进行数值模拟计算，得到胎式衬砌支护技术可至少卸除5%的围岩蠕变量带来的附加应力，缩短0.6年的工期，节约厚度50cm以上的二衬混凝土用量，节约820万元以上的费用，0.6年的售电收入达45亿元，利于工程成本回收。