输水隧洞让压柔性支护结构钢拱架最优间距研究.pdf
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1、 四 川 水 利输水隧洞让压柔性支护结构钢拱架最优间距研究胡小勇何春柳(中国水利水电第十工程局有限公司二分局成都)【摘 要】为充分发挥深埋软岩输水隧洞中柔性让压装置的功能以毗河工程为背景对柔性支护措施开展了室内物理模型试验探讨了不同钢拱架间距下围岩的受力变形和安全性 结果表明:当钢拱架间距为 时可以充分发挥让压装置的让压作用相比实际过程中采用的 间距可以节省 的钢材在保证足够安全的前提下可达到减少工程建设投资费用的目的因此建议在后续工程中将 间距调整为 间距【关键词】输水隧洞 柔性支护 让压装置 钢拱架 中图分类号:文献标志码:文章编号:()引言随着我国不断加大在水利工程建设领域的投入水利工程
2、建设数量不断增加的同时工程本身也不断向地质复杂地区扩展给施工设计和技术应用提出了更高的要求 例如我国为了解决水资源分布不均的问题建设了许多长距离引水工程其中的输水隧洞往往需要穿越地质复杂地区在穿越裂隙破碎岩地段时输水隧洞的围岩往往面临大变形破坏而传统的支护方式难以保证施工和运行安全 针对这一情况部分工程采用了高强度喷射混凝土、密集钢筋网及减小钢拱架间距的刚性支护设计同时利用注浆锚杆提高围岩的整体性并取得了一定的工程效果可以实现对围岩大变形的控制 但是工程经验也显示过小的钢拱架间距不仅会大幅提高施工成本还严重影响其他施工工序的正常开展施工进度大幅延后 因此诸多学者在该领域进行了广泛而深入的研究提
3、出了一系列解决思路和工程措施其中采用钢拱架上增设让压装置的柔性支护措施就是比较有代表性的思路 理论研究和工程实践显示与刚性支护方式相比采用让压装置的柔性支护措施可以让围岩塑性区、钢架应力及围岩应力分布更为均匀具有良好的工程效果和应用价值鉴于柔性支护在大变形隧洞开挖支护领域的价值和优势学者在该领域进行了诸多理论和实践层面的研究 从目前的研究情况来看主要集中于让压装置的设计、布置方式和布置位置的优化 显然在柔性支护结构中让压装置的设计和位置优化固然重要钢拱架的间距也是重要的影响因素间距过小不利于工程经济性和工期控制间距过大不利于保证工程安全 基于此针对柔性支护结构中钢拱架最优间距的研究具有重要的理
4、论意义和工程应用价值 工程背景毗河工程某输水隧洞 洞段围岩以千枚岩化炭质片岩为主且裂隙、节理发育岩体强度偏低给开挖施工带来较大的困难在施工开挖到 断面时出现围岩大变形经施工现场测量其拱顶沉降和水平收敛最大值分别为 和 由于围岩变形较大初支结构在应力作用下出现了不同程度的破坏 因此工程项目部拟采用基于让压装置的柔性支护方式 结合工程中使用的钢拱架的特点决定采用张传庆等人联合研发的新型恒阻让压装置在钢拱架的左右拱肩和左右拱腰设置 个该型让压装置 钢拱架间距影响的物理模型试验胡小勇何春柳:输水隧洞让压柔性支护结构钢拱架最优间距研究 相相似似比比的的确确定定在物理模型试验中必须要保证试验结果能够有效反
5、映原型工程的实际情况因此模型的形状、应力、应变和位移等均需要符合相应的相似比考虑工程本身的尺寸较大模型试验箱的体积较小容易产生显著的边界效应进而对试验结果造成影响因此选择大比尺试验箱进行模型试验 考虑到研究洞段的埋深 其断面的尺寸为 因此将模型的几何比尺设定为 综合考虑边界效应和场地因素模型的两侧和下部边界均取 倍开挖洞径因此确定模型试验箱的尺寸为 按照 的几何相似比以及 的容重相似率根据相似理论计算获取其余物理量的相似比限于篇幅这里不再敷述 相相似似材材料料的的选选择择工程中的围岩主要为微风化千枚岩化炭质片岩节理、裂隙较发育 因此研究中黏土、砂砾石和水进行模拟结合地质勘查资料和实验室试验三者
6、的配合比为 相关研究表明以石膏混合料为代表的脆性材料对衬砌混凝土模拟效果较好 因此试验中选择石膏混合料模拟衬砌结构水与石膏的配合比为 其弹性模量为 左右对于钢拱架和锚杆考虑到材料本身需要接近弹性模量的相似比因此研究中采用铝制拱架模型模拟钢拱架利用细铝丝模拟锚杆其弹性模量为 左右 试试验验装装置置研究中的试验台架主要由加载反力架、试验箱、加载控制系统和监测系统构成 其中试验箱尺寸为 由钢化玻璃制作其前后两侧需要预留隧道开挖轮廓 箱体中间利用钢板隔开以便两侧同时开展不同方案试验加快试验进度 在试验箱的外侧设有加固钢板保证试验箱在试验中的安全稳固 为了模拟工程中上覆岩土体的重量模型试验箱设置有安装了
7、测力计的加载反力架可以为试验箱的岩土体上施加均匀的压力 试验加载设备主要由控制平台和两个液压千斤顶组成其加载大小可以由配置的数显设备读取 试验台阶的结构如图 所示图 试验台架结构示意 监监测测内内容容与与监监测测点点布布置置试验中需要对不同钢拱架间距方案下的钢拱架和围岩的应力应变进行监测 其中钢拱架的应变使用应变片进行监测根据材料的弹性模量和材料力学知识进行计算 考虑到钢拱架受力和变形具有显著的对称性特点试验中在每环钢拱架上的拱顶、左拱肩、左拱脚、左拱脚和拱底设置 个应变片测点每个测点的内外侧均粘贴 片应变片 围岩压力利用土压力盒测量其布置位置和应变片相同 隧洞变形测量采用全站仪反光片的模式进
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