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中国矿业大学(北京)何满潮院士团队【TUST】:断层破碎带隧道NPR锚索-桁架耦合支护系统物理模型试验研究

2024年08月14日 点击量：650

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论文摘要

断层破碎带是隧道开挖过程中常见的复杂地质条件，对施工和运营阶段的安全性产生重大影响。本研究聚焦于塔拜依隧道断层破碎带内围岩和支护结构的变形与破坏特性。引入了一种新型的NPR锚索-桁架主动-被动耦合支护系统。通过物理模型实验研究评估该系统在减轻断层破碎带初始分支隧道显著变形和破坏方面的有效性。对比分析了模型试验与原支护条件下的工程测量结果，随后实施了NPR锚索-桁架模型试验以确保实验的精确性。接着，通过现场试验检验了NPR锚索-桁架耦合支护系统的效果。结果表明，传统锚索（通常称为PR锚索）缺乏高恒阻力和大变形所需的机械性能，这种缺陷导致围岩剪切滑移，锚索的破拱变形，从而使隧道不稳定。相比之下，隧道在NPR锚索-桁架耦合支护系统下保持完整。NPR锚索对围岩施加预应力，压实松散破碎的岩体形成拱结构，增强其抗弯刚度。通过调整节点和实施加固措施，桁架吸收并均衡围岩由于NPR锚索恒阻变形产生的压力，从而稳定了主要支护结构。在实际应用中，NPR锚索-桁架耦合支护系统显著减少了断层破碎带围岩的变形，从1400毫米减少到不足250毫米，并能支撑约87%的围岩荷载。

论文创新点

  • -NPR 锚索桁架系统：NPR 锚索桁架主动-被动耦合支撑系统的推出代表了专为断层断裂带设计的隧道支撑技术的一项重大创新。
  • -增强的承重能力：该系统有效增强了隧道结构的承载能力，使其能够支撑大约 87% 的围岩载荷，与传统方法相比，这是一个显著的改进。
  • -减少变形：创新的设计将围岩变形从 1400 mm 显著减少到 250 mm 以下，展示了其在管理高地应力条件方面的有效性。
  • -物理模型测试集成：使用物理模型实验来验证系统的性能是一项关键创新，为其在现实场景中的有效性提供了经验证据。
  • -与传统系统的比较：本文重点介绍了传统PR锚索的缺点，这些缺点缺乏足够的机械性能，并将其与NPR系统在维持隧道稳定性方面的卓越性能进行了对比。
  • -现场测试验证：该系统通过现场测试的成功实施和验证进一步凸显了其在恶劣地质条件下的实际适用性和可靠性。

研究方法

-物理模型测试：该研究进行了物理模型测试，以评估NPR锚索桁架耦合支撑系统在缓解断层断裂区内隧道变形方面的有效性 。
-比较分析：在原始支撑条件下对模型测试结果和工程测量结果进行了比较分析，确保了实验的精度 。
-监测技术：利用包括雷达测绘在内的现场监测数据来评估NPR锚索和桁架中的应力分布和轴向力，证实了周围岩石的稳定性 。
-失效标准应用：应用Hoek-Brown失效标准来确定塑性区域的范围和周围岩石的失效模式，允许调整支撑结构的强度 。
-加固措施：该研究涉及调整节点并在桁架中实施加固措施，通过均衡周围岩石施加的压力来稳定主要支撑结构 。
-现场测试评估：通过现场测试进一步评估了NPR锚索桁耦合支撑系统的有效性，表明围岩变形显著减少 。

主要结论

  •  NPR锚索通过恒阻变形吸收围岩释放的能量，桁架通过刚性约束抑制裂缝扩展，确保围岩和支护结构的稳定性。

  •  PR锚索支护下围岩的最大变形是NPR锚索-桁架耦合支护下的五倍，导致温度场分布不均匀。

  •  NPR锚索-桁架系统通过调整节点和加固措施，吸收并平衡围岩压力，有效控制不同埋深下的围岩变形。

  •  现场结果表明，NPR锚索-桁架耦合支护系统显著减少了围岩变形，确保了支护结构的稳定性。

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