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Aug 02, 2023

Optimización del soporte primario de grandes

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 7918 (2022) Citar este artículo 1314 Accesos Detalles de métricas Considerando la estación de metro de excavación subterránea de gran envergadura de la línea 6 del metro de Qingdao de

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 7918 (2022) Citar este artículo

1314 Accesos

Detalles de métricas

Teniendo en cuenta para el análisis la estación de metro de excavación subterránea de gran envergadura de la Línea 6 del Metro de Qingdao de China, es necesario optimizar el sistema de soporte tradicional investigando los códigos relevantes y otros proyectos de túneles. Basado en el concepto de soporte activo, se propone un sistema de soporte de pernos para roca de alto pretensado, y la dirección de optimización se define para aplicar una fuerza de pretensado alta a los pernos de roca, aumentando el espacio apropiado entre los arcos de soporte y fortaleciendo el soporte en partes clave como las grandes. zona del pie del arco, paredes laterales y uniones. Se realizan cálculos numéricos y seguimiento de campo para analizar y evaluar el nuevo sistema de soporte. Los resultados de la simulación numérica muestran que el nuevo sistema de soporte puede mejorar efectivamente el estado de tensión de la roca circundante; el área de tensión de tracción disminuye notablemente de tamaño o desaparece; y el área plástica también disminuye de tamaño. Los resultados del monitoreo de campo muestran que el asentamiento de la corona del arco se concentra entre 2 y 5 mm y las tasas de deformación son inferiores a 0,5 mm/día. Los arcos de soporte, el hormigón proyectado y los pernos de roca tienen un límite elástico inferior y una alta reserva de seguridad. Estos resultados verifican la seguridad y racionalidad del sistema de soporte propuesto, el cual puede ser utilizado como referencia para proyectos similares.

Con el desarrollo sostenido y saludable de la economía de China y la mejora continua de la fortaleza integral de China, la demanda real y la tecnología de ingeniería para la construcción del transporte han logrado avances importantes, y la construcción de túneles en China ha logrado un desarrollo sin precedentes. China ya tiene la industria de la construcción más grande, la mayor cantidad de túneles, las condiciones de construcción más complejas y las velocidades de construcción más rápidas del mundo. También se han construido muchos túneles de grandes luces que han utilizado generalmente revestimientos compuestos, y su soporte inicial utiliza generalmente el soporte combinado de pernos, hormigón proyectado y estructuras de acero.

Con el creciente número de construcciones de ingeniería y la amplia variedad de condiciones de trabajo, gradualmente se han identificado algunos problemas en el diseño de soporte inicial y la construcción de túneles. La baja eficacia de los sistemas de soporte de pernos es la más destacada1,2,3. En la ingeniería de túneles ferroviarios, generalmente se utilizan pernos para roca no pretensados ​​adheridos de longitud completa, pero el efecto de soporte de los pernos para roca no está claro. Sigue siendo impreciso bajo qué condiciones de trabajo los pernos de roca pueden funcionar o no, particularmente en el sistema de soporte de juntas de arco; su efecto de apoyo sigue siendo poco comprendido. Además, los pernos de túnel generalmente usan pernos de lechada huecos. La lechada de arcos es difícil, particularmente cuando se aplica pretensado. La calidad de los pernos de roca y la calidad de la construcción no son verificables y no se puede lograr el efecto de soporte activo esperado.

Muchos estudiosos han investigado el papel de los pernos de roca. Xia4 mejoró la teoría de coordinación del anclaje del túnel y propuso un mecanismo de sinergia mejorado. Zhang5 analizó las características mecánicas y el efecto de carga de la roca circundante del túnel; estableció el modelo mecánico estructural de la roca circundante profunda y poco profunda; y propuso la perspectiva de que los soportes de pernos de túnel tienen la función básica de movilizar y ayudar a soportar la roca circundante. Pinazzi6 propuso el criterio de falla de los pernos bajo una carga combinada, que proporciona una guía para el diseño de la capacidad portante de los pernos. Sun7 propuso un método para determinar los parámetros de anclaje de túneles basado en la sinergia de los sistemas de anclaje, que proporciona una base teórica para el diseño cuantitativo de sistemas de anclaje en ingeniería subterránea y de túneles. Xu8 comparó los efectos de anclaje de pernos pretensados ​​y pernos totalmente adheridos en macizos rocosos fracturados, y determinó la influencia de los dos tipos de pernos en el comportamiento mecánico de los macizos rocosos fracturados. Skrzypkowski9 estudió las características tensión-deformación de varias formas de soporte de pernos para seleccionar correctamente la forma de soporte de pernos de acuerdo con las condiciones geológicas específicas para aprovechar al máximo el efecto de perno. Yan10 dedujo la solución analítica de la curva característica de la roca circundante del macizo rocoso compuesto del túnel circular con refuerzo de pernos. Al comparar la curva característica de la roca circundante con o sin soporte de perno, el perno logró un buen control de la deformación de la roca circundante. Liu11 desarrolló un grupo de componentes cooperativos de anclaje para optimizar la estructura de anclaje de pernos y mejorar la capacidad de anclaje de pernos para controlar la deformación de la roca circundante. Mohammad Mohammadi12 estableció la teoría matemática del mecanismo de soporte de pernos utilizando el coeficiente de soporte de pernos, que proporcionó una nueva base teórica para explicar el efecto de soporte de pernos, y definió la capacidad de refuerzo de anclaje de un macizo rocoso determinado utilizando los parámetros de discontinuidad en el sistema Q. .

Las estaciones de metro subterráneas excavadas son esencialmente túneles que generalmente están enterrados a poca profundidad, tienen grandes luces y requieren mayores restricciones de seguridad en la construcción urbana. Qingdao se compone de un típico estrato de roca dura y los métodos de excavación subterránea se utilizan principalmente en la construcción de estaciones de metro. La estación de excavación subterránea tiene una gran envergadura, está compuesta de roca dura, está enterrada a poca profundidad y tiene características distintivas en el país y en el extranjero. Con base en los antecedentes de ingeniería del túnel enterrado poco profundo de roca dura de gran envergadura de la estación de excavación subterránea del Metro de Qingdao, el uso actual de pernos de lechada huecos convencionales se organiza sistemáticamente y, con base en el análisis del mecanismo de soporte de pernos de roca pretensados, el Se analizan las características tensión-deformación del soporte de pernos de roca, en este estudio se propone un sistema de soporte activo de pernos de roca pretensados. Por lo tanto, nuestro objetivo es investigar códigos relevantes y otros proyectos de túneles para optimizar el diseño del esquema, realizar prácticas de campo y monitorear, analizar y evaluar el nuevo sistema de soporte.

Qingdao es un centro económico, un moderno centro de servicios y un centro cultural de la región costera oriental de China. Para adaptarse a los cambios en el esquema urbano, Qingdao planificó 29 líneas de metro con una longitud total de aproximadamente 1232 km. La longitud total de la Línea 6 del Metro es de 57,56 kilómetros, y a lo largo de toda la línea se encuentran 38 estaciones, incluidas 6 estaciones de excavación subterránea.

Considerando como ejemplo una excavación subterránea de estaciones de metro (ver Fig. 1 para datos geológicos), la geología del sitio se compone de una capa de suelo llana, una capa de granito fuertemente erosionada, una capa de roca arenosa cataclástica, una capa de granito moderadamente erosionada y una capa de granito moderadamente erosionada. capa de granito y capa de pórfido de granito marginalmente erosionada de la superficie del suelo. Hay tres zonas de fractura dentro de la estación, numeradas fhg I-1, fhg I-2 y fhg I-3 respectivamente. El rumbo de las tres zonas de fractura es aproximadamente NE y el ancho es de aproximadamente 3 a 5 m. Entre ellos, la roca circundante de fhg I-2 y fhg I-3 está relativamente quebrada. El grado de roca circundante es grado III2 ~ IV2. La estructura primaria de la estación está ubicada en un estrato de roca marginalmente erosionado, la roca circundante está relativamente quebrada y los parámetros geotécnicos se muestran en la Tabla 1. El agua subterránea es principalmente agua de fisuras del lecho rocoso y el volumen de agua es generalmente pobre.

Fecha geológica de la excavación subterránea de la estación de metro.

Los métodos de construcción comúnmente utilizados para estaciones de metro de excavación subterránea en estratos incluyen el método de deriva de doble lado y el método de cubierta de arco.

El método de doble deriva lateral se aplica principalmente a proyectos de metro con estratos pobres y grandes secciones. El tramo de excavación se divide en numerosos bloques con una gran perturbación y un largo tiempo de cierre de todo el tramo del soporte inicial. El método de cubierta de arco se aplica principalmente a proyectos de metro con grandes secciones transversales, que forman la cubierta de arco superior a través de la estructura de soporte y luego excavan la parte inferior de la estación. El método de cobertura del arco se divide en el método de cobertura del arco de soporte primario (PCM) y el método de cobertura del arco de revestimiento secundario (SCM). El SCM forma el sistema de estructura de cubierta de arco a través de la estructura de revestimiento secundario permanente, mientras que el PCM a través del soporte primario. La comparación de los métodos de construcción anteriores se muestra en la Fig. 2, donde los dígitos representan los pasos de excavación.

Comparación del método de deriva de doble lado y método de cobertura de arco. a) El método de la deriva de doble cara; (b) el método de cobertura del arco de soporte primario (PCM); (c) el método de cubierta del arco de revestimiento secundario (SCM).

La calidad de la roca circundante en el área de Qingdao es buena. Sin embargo, la estructura principal del túnel es una estructura de arco único de gran luz; la capa superior de suelo blando y la capa de roca quebrada son más sensibles al asentamiento desigual; y las condiciones en la interfaz de estructuras auxiliares tales como conductos de aire y entradas y salidas son complejas. Según la comparación anterior y en combinación con los datos de exploración geológica, la estación utiliza SCM para la construcción.

La estructura principal de la estación está ubicada principalmente en granito marginalmente desgastado y utiliza una estructura de revestimiento compuesto de pared recta de un solo arco. La profundidad de entierro de la corona del arco es de aproximadamente 14,8 a 19,9 m, y el espesor de la sobrecarga es de 13 a 27 m. La luz de excavación del arco es de aproximadamente 23 m, la altura es de aproximadamente 5,7 m, la relación de luz de elevación es de aproximadamente 0,25 y el ancho del pie del arco grande es de 1,51 m. El ancho de excavación de la sección inferior de la estructura primaria es de 20 m y la altura es de aproximadamente 10,2 m. La sección de la estación se muestra en la Fig. 3, y los parámetros de soporte bajo la roca circundante de diferentes grados se muestran en la Tabla 2.

Una sección de la estructura primaria de la estación.

Con base en el análisis de las condiciones de ingeniería de la estación de excavación subterránea de la Línea 6, combinado con el juicio preliminar de la experiencia de ingeniería, el esquema propuesto es conservador; sin embargo, los problemas potenciales de desperdicio de material son evidentes. Por lo tanto, se realizó una investigación y análisis sistemático del esquema propuesto.

El Código para el diseño de túneles de carretera (en China)13 proporciona un método de diseño para pernos del sistema, que se basa en analogías de ingeniería y se complementa con cálculos y utiliza diseño dinámico. Sin embargo, la luz máxima de diseño es un túnel de tres carriles, que es más pequeña que la luz de una estación de excavación subterránea y, por lo tanto, tiene poca importancia en este estudio. Las Directrices para el diseño de túneles de carreteras (en China)14 brindan sugerencias sobre los parámetros de soporte de un túnel de cuatro carriles con una luz similar a la de una estación de excavación subterránea. La separación entre arcos es de 0,75 a 1 m. El Código para el Diseño de Túneles Ferroviarios (en China)15 sugiere que los parámetros de diseño deben determinarse de acuerdo con el método de analogía de ingeniería, y no deben proporcionarse arcos para la roca circundante de nivel III. El Código para el Diseño de Metros (en China)16 no establece restricciones sobre los parámetros de soporte, pero estipula que los parámetros de diseño y construcción deben optimizarse mediante el monitoreo dinámico de la roca circundante y el soporte. El Código Técnico para Ingeniería de Anclajes al Terreno y Soporte de Hormigón Proyectado (en China)17 estipula que la distancia entre pernos no debe ser mayor que la mitad de la longitud de los pernos para roca. El método noruego de construcción de túneles estipula que no se deben proporcionar arcos para las rocas circundantes de nivel III. Las estadísticas de encuestas estandarizadas se muestran en las Tablas 3 y 4. Se indican dos puntos de vista con base en estos análisis: (1) el diseño original se basa en la especificación, que considera el alto riesgo de las estaciones de metro, y el valor es generalmente igual a o excede el límite recomendado de la especificación; y (2) la especificación y el diseño original enfatizan la analogía de ingeniería, pero la analogía cuantitativa está en el diseño específico. Es difícil implementarlo.

La estructura principal de la sección de prueba del Metro de Qingdao (estación del Hospital Qingfang) es una estructura de arco único de gran luz, la profundidad enterrada de la estructura primaria de la estación es de aproximadamente 10 m y la caverna tiene un ancho × una altura de 18,5 m × 14,0 m. en forma de perno de roca y soporte de hormigón proyectado. Además, no se colocó ningún arco de soporte para las rocas circundantes de grados III y IV. El lecho de roca del túnel submarino de la bahía de Qingdao Jiaozhou está formado por granito y roca volcánica moderada y marginalmente erosionados. En el esquema de soporte del túnel, la roca circundante de grado III no estaba sostenida por un arco de soporte. El túnel de bifurcación de la tercera carretera de Qingdao Taixi tiene una luz de 28 m y una profundidad de enterramiento de 14 m. No se colocó ningún arco de soporte en la roca circundante de grados II y III. Se utiliza un revestimiento de una sola capa para la estación Xizhen de la línea 1 del metro de Qingdao. El estadio olímpico de hockey sobre hielo de Noruega en gjøvik tiene una luz de 61 m, el espesor de la capa de recubrimiento es de 25 a 50 m y el perno de roca y el cable de anclaje son de 2,5 m. × 2,5 m (circunferencial × longitudinal) y están dispuestos alternativamente, como se muestra en la Fig. 4. El perno de roca sistemático no se construyó en el campo final de Xiang'an del túnel submarino de Xiamen, no se colocó una viga en I en los alrededores. roca del túnel Baishan de grado III, y no se colocó ningún arco de soporte para el soporte inicial del túnel Yabao. La roca circundante del estrato de granito en Qingdao tiene buena autoestabilidad. Comparando estos informes, inferimos que la estación no debería establecer un arco de soporte en la roca circundante de grado III, y que el espaciamiento del arco de soporte en la roca circundante de grado IV no debería ser inferior a 1 m.

Disposición de los pernos de roca en el techo del estadio olímpico de hockey sobre hielo de Noruega en gjøvik18.

Con base en estas consideraciones, se debe mejorar el método de diseño tradicional y optimizar los parámetros. La optimización tiene como objetivo mejorar la efectividad del perno de roca utilizando fuerza de pretensado para garantizar la calidad de la construcción aumentando adecuadamente el espacio entre los arcos y fortaleciendo el soporte de partes clave, como la gran área de los pies del arco, las paredes laterales y las uniones. Se aclara el mecanismo de la roca circundante que forma el arco y el efecto de la estructura de soporte; se reduce la cantidad de trabajo del perno de arco; el perno de lechada hueco se transforma en un perno de roca pretensado; y en este estudio se optimizan el número y los parámetros de disposición de los pernos de roca y los arcos de soporte.

Después de excavar la roca circundante del túnel, la pérdida de tensión radial daña fácilmente la roca circundante, lo que no favorece la capacidad de carga ni la estabilidad. Utilizando pernos de roca altamente pretensados, la tensión tridimensional se puede compensar de forma rápida y activa para mejorar la integridad del macizo rocoso y formar un arco de carga combinado. Bajo la acción combinada de la sección libre, la sección de anclaje para roca y la plataforma, la tensión previa del perno para roca se difunde en la roca circundante del túnel y se forma una cierta gama de áreas de tensión de compresión en el extremo del perno para roca. El rango de extensión del pretensado aumenta y la roca circundante entre el perno para roca y el perno para roca queda efectivamente soportada. Como forma de soporte activo, los pernos de roca pretensados ​​pueden controlar efectivamente la deformación continua de la roca circundante, hacer que el soporte opere bajo todas las características de tensión-deformación19 y mantener la integridad y la capacidad de autosoporte de la roca circundante.

En circunstancias normales, hay tres estados de tensión típicos después de la excavación de la roca circundante (ver Fig. 5). Debido a la excavación del túnel, la tensión radial en el punto A desaparece y solo está sujeta a tensión unidireccional, que corresponde al punto A de la Fig. 5. Debido a la superficie vacía del túnel, la tensión de la roca circundante en la dirección radial sobre la El lado derecho del punto B es 0, mientras que la dirección tangencial del punto B está sujeta a compresión unidireccional. Correspondiente al punto B de la Fig. 5, el punto C está lejos de la superficie de excavación del túnel y casi no se ve afectado o no se ve afectado por la excavación del túnel y permanece en el estado de tensión original de la roca. El concepto de soporte de alta pretensión tiene como objetivo restaurar la roca circundante descargada al estado estable de la roca circundante o cerca del estado de tensión original de la roca a través de la fuerza de restricción inversa de alta resistencia para formar un arco de carga combinado20,21,22,23 ,24,25,26,27,28 (ver Fig. 6). El sistema de soporte combinado del hormigón proyectado y el arco de soporte garantiza la estabilidad de la roca circundante y logra el propósito de soporte del túnel.

Estado tensional de la roca circundante después de la excavación.

Arco portante combinado.

En comparación con un perno para roca tradicional (ver Tabla 5), ​​el perno para roca altamente pretensado es un soporte activo que tiene una mayor capacidad de carga, un diámetro de pozo más pequeño, uso simple de agente de anclaje, mayor resistencia, construcción más conveniente y una calidad más controlable. .

Basado en analogías de ingeniería, se utilizan cálculos numéricos para aumentar la base cuantitativa y los resultados de los cálculos numéricos se corrigen basándose en un monitoreo refinado para realizar un diseño dinámico y garantizar la seguridad. Realizamos así la primera ronda de simulaciones numéricas; determinar el esquema de optimización preliminar e implementarlo en el sitio; y corregir los parámetros de la mecánica de la formación con base en los resultados de las mediciones de campo. La segunda ronda de simulaciones numéricas detalladas y en profundidad se realiza con los valores corregidos para estudiar el mecanismo de arqueamiento de la roca circundante y la ley de influencia de los parámetros de soporte, y formar resultados de cálculo y esquemas de soporte más confiables.

El método tridimensional rápido de Lagrange es un método de análisis numérico que se basa en el método tridimensional explícito de diferencias finitas y puede simular las propiedades mecánicas tridimensionales de materiales geotécnicos u otros materiales. Este método utiliza el esquema explícito de diferencias finitas para resolver la ecuación diferencial de control del campo y aplica el modelo discreto de elementos mixtos, que puede simular con precisión el rendimiento del material, el flujo plástico, el ablandamiento y la gran deformación, particularmente en los campos de material elástico-plástico. análisis, análisis de grandes deformaciones y simulación del proceso constructivo.

A partir de secciones típicas, se simplifica el estrato sin considerar la influencia del estrés tectónico. El modelado adopta el criterio de rendimiento de Mohr-Coulomb. El modelo de cálculo tiene 100 m de longitud, 75,9 m de altura y 1 m de espesor cuando la roca circundante es de grado IV1. El modelo de cálculo fue establecido por CAD e importado a FLAC3D y contenía un total de 11.784 elementos y 15.070 nodos. El estrato de suelo, la capa de aspersión y el revestimiento secundario se simulan por zonas. El arco de soporte utiliza elementos de viga, la pared intermedia utiliza elementos de viga + sólidos, el perno de roca utiliza elementos de cable y la capa impermeable utiliza elementos de superficie de contacto. El modelo FLAC3D se muestra en la Fig. 7.

Modelo tridimensional del túnel. (a) Vista frontal del modelo de túnel y roca circundante, (b) PCM y (c) SCM.

De acuerdo con los parámetros de propiedades físicas y mecánicas de la masa de roca y suelo proporcionados en el informe del estudio, los parámetros de la roca circundante se utilizan como parámetros mecánicos requeridos por el modelo de cálculo. Los parámetros mecánicos individuales que no figuran en el informe de inspección se determinarán de acuerdo con los valores estándar recomendados. En la Tabla 6 se muestran los índices de parámetros del modelo de cálculo.

El hormigón proyectado y el revestimiento secundario están simulados por elementos sólidos, con módulo elástico de 29,5 GPa, índice de Poisson de 0,2, cohesión de 2,72 MPa y ángulo de fricción interna de 53,9°. El módulo de volumen del revestimiento secundario es 18,6 GPa, el módulo de corte es 13,9 GPa, la cohesión es 3,5 MPa y el ángulo de fricción interna es 54°. La pared divisoria intermedia está simulada por un elemento de viga y un elemento sólido. El hormigón proyectado tiene un espesor de 300 mm, utiliza sección de acero I22a, tiene un espaciamiento longitudinal de 0,5 m, tiene un área de sección transversal de 0,00421 m2 y un momento de inercia de 1,870 × 10–8. Los parámetros seleccionados se muestran en las Tablas 7 y 8, y el modelo de estructura de soporte se muestra en la Fig. 8.

Modelo tridimensional de estructura portante.

El elemento de la superficie de contacto sólo transmite la tensión normal, no la tensión tangencial. El SCM está provisto de un tablero impermeable entre el segundo revestimiento del arco y el soporte inicial para que no se transmita la acción tangencial y la tensión normal entre las dos estructuras de soporte. En el modelo, el elemento de superficie de contacto se utiliza para simular la capa impermeable, y el elemento de superficie de contacto se aplica entre el soporte primario y el soporte secundario para realizar las características de que la capa impermeable solo transmite tensión normal y no transmite tensión tangencial. La rigidez tangencial, el ángulo de fricción interna, la resistencia a la tracción y la cohesión de la superficie de contacto son 0 y la rigidez normal es 2 × 1010 N/m.

Los resultados de las condiciones más peligrosas en la construcción paso a paso (es decir, cuando el túnel ha sido excavado y el segundo revestimiento no ha sido instalado) se consideran a continuación.

El diagrama de nubes de desplazamiento vertical de los dos métodos de construcción se muestra en la Fig. 9. Cuando se completó toda la excavación del esquema original del SCM, el desplazamiento vertical de la corona del arco fue de −3,95 mm, el desplazamiento vertical del pie del arco izquierdo fue de -2,33 mm y el desplazamiento vertical del arco del pie derecho fue de -2,33 mm. Cuando se completó toda la excavación del método de cobertura del arco, el desplazamiento vertical de la corona del arco fue de -3,79 mm, el desplazamiento vertical del arco del pie izquierdo fue de -2,21 mm y el desplazamiento vertical del arco del pie derecho fue de -2,21 mm. El asentamiento de la corona del arco provocado por la excavación del arco de los dos métodos de construcción representó el 96,5% y el 93,4% del asentamiento total. Con los mismos parámetros, el desplazamiento vertical de la corona del arco de PCM fue de −3,79 mm, y el desplazamiento vertical de la corona del arco de los dos métodos de cobertura del arco de revestimiento fue de −3,95 mm. La liquidación del arco del PCM fue 4,8% menor que la del SCM.

Diagrama de nubes de desplazamiento vertical de los dos métodos de construcción. (a) El esquema original del SCM (IV1); (b) el esquema optimizado del PCM (IV1).

El diagrama de nube de desplazamiento horizontal de los dos métodos de construcción se muestra en la Fig. 10. Cuando se completó toda la excavación del esquema original del SCM, el desplazamiento horizontal del arco del pie izquierdo fue de 0,84 mm, el desplazamiento horizontal del arco del pie derecho fue de 0,84 mm. fue de 1,07 mm, y el desplazamiento de las paredes laterales izquierda y derecha fue de 0,79 mm, moviéndose ambas hacia el lado interno del arco. Cuando se completó toda la excavación del método de cubierta del arco, el desplazamiento horizontal de los pies del arco izquierdo y derecho fue de 0,36 mm, y el desplazamiento de las paredes laterales izquierda y derecha fue de 0,78 mm, todos moviéndose hacia el interior del arco.

Diagrama de nubes de desplazamiento horizontal de los dos métodos de construcción. (a) El esquema original del SCM (IV1); (b) el esquema optimizado del PCM (IV1).

El diagrama de fuerzas de la zona plástica y la estructura de soporte de los dos métodos de construcción se muestra en la Fig. 11 (el negro representa tensión y el rojo representa compresión). La fuerza axial máxima de los pernos de roca en el esquema original del SCM fue de 4,38 kN en el hombro derecho, y la fuerza axial máxima del arco de soporte fue de 47,29 kN. La fuerza axial máxima del perno de roca en el esquema optimizado del PCM fue de 55,58 kN, y el arco tuvo una fuerza axial máxima de 35,45 kN. La fuerza axial del perno de roca en el PCM aumentó notablemente debido al soporte activo. No existe zona plástica en el PCM, y el área de la zona plástica en el SC es de 5,52 m2. El SCM incluía sólo el peso propio y la capa impermeable se colocó entre él y la roca circundante. El peso actuó sobre el arco del pie; por tanto, había una zona plástica. La roca circundante de PCM no tenía zona plástica; el SCM tuvo una fuerza axial del arco ligeramente mayor debido al gran asentamiento de la corona del arco. Además, la distribución de la fuerza axial del arco en los dos métodos de construcción fue diferente debido a que la capa impermeable no transmite la fuerza cortante. El momento de flexión del arco era pequeño y similar al del estado de presión pura; y la fuerza axial del perno de roca pretensado aumentó notablemente debido al soporte activo.

Dos tipos de métodos constructivos: zona plástica y diagrama de fuerzas de estructura portante. (a) El esquema original del SCM (IV1); (b) el esquema optimizado del PCM (IV1).

La Figura 12 muestra los resultados del desplazamiento vertical obtenidos por los dos métodos constructivos basados ​​en el método de reducción de resistencia con diferentes coeficientes de reducción. En primer lugar, se encuentra el punto de inflexión de la curva de correlación entre el asentamiento de la corona del arco del túnel y el factor de reducción de resistencia. Luego, el factor de reducción de resistencia correspondiente al punto de inflexión se toma como factor de seguridad del método de reducción de resistencia. El factor de seguridad F del punto de catástrofe del asentamiento del esquema original (SCM) y del esquema de optimización (PCM) fue de aproximadamente 3,5.

Método de reducción de la curva de resistencia.

El desplazamiento, la fuerza axial de la estructura de soporte, el área de la zona plástica y las estadísticas del factor de seguridad de los dos métodos de construcción se muestran en la Tabla 9. Considerando los factores de fuerza, construcción y período de construcción, se debe utilizar PCM.

El esquema de la estructura de soporte toma como referencia cuantitativa los resultados del cálculo del túnel no soportado de grado IV1, realiza un diseño integral e implementa el diseño diferencial del arco de acuerdo con los datos de monitoreo. Para el espaciamiento de los arcos, si bien se cumplen los requisitos de la especificación, se debe considerar la conveniencia de la construcción y el espaciamiento debe aumentarse adecuadamente con referencia a la experiencia en ingeniería. Al mismo tiempo, el espesor de la capa de pulverización debe aumentarse adecuadamente para garantizar la rigidez y cumplir con los altos requisitos de prevención y control de riesgos de ingeniería del metro. Para los pernos de arco para roca, cuando la calidad de la roca circundante es buena, se controla principalmente el área de tensión de tracción. La roca circundante de nivel III puede reducir el perno de roca en la cintura del arco. Además, cuando la calidad de la roca circundante es pobre, se controlan el área de tensión de tensión del arco y la cintura del arco (cortante), y predomina la zona plástica.

El túnel es un túnel enterrado poco profundo, la relación de Poisson es de 0,26 y la relación de tensiones verticales a horizontales es de aproximadamente 2,85:1.

Cuando se completa la excavación de los escalones superiores en el medio del arco, la zona de tensión de tracción se ubica en la parte superior de la corona del arco con un valor máximo de 24 kPa. Cuando se completa la excavación del arco, la zona de tensión de tracción se ubica en la parte superior del arco con un valor máximo de 91 kPa. Además, cuando se completa toda la excavación, el área de tensión de tracción se ubica en la corona del arco y las paredes laterales, y la pequeña tensión principal se muestra en la Fig. 13.

Pequeño diagrama de tensiones principales. (a) Excavación de los escalones superiores en el medio del arco, (b) excavación del arco y (c) todas las excavaciones.

La Figura 14 es un diagrama vectorial de la tensión principal del túnel no soportado de grado IV1. La dirección de la línea representa la dirección de la tensión principal y la longitud representa el tamaño. El negro indica compresión y el rojo indica tensión. La zona de tensión de tracción se encuentra en la corona del arco y en las paredes laterales a ambos lados. La profundidad del esfuerzo de tracción en la corona del arco es de 1 m, el ángulo es de 33° y el esfuerzo principal pequeño σ3 es de 3,33 kPa; la profundidad de la tensión de tracción de las paredes laterales en ambos lados es de 3 m, y el valor máximo de la tensión principal pequeña σ3 es de 8,29 kPa; la zona plástica está ubicada en la cintura del arco, los pies del arco, las paredes laterales y los pies del arco tienen zonas plásticas significativas; todas las zonas plásticas son zonas plásticas de corte.

Diagrama vectorial de tensiones principales de un túnel no soportado de grado IV1.

Las Figuras 15a yb muestran el diagrama vectorial de la tensión principal de la cueva con diferentes espesores de la sobrecarga marginalmente erosionada. Cuando el espesor de la sobrecarga marginalmente erosionada es de 5 m, el ángulo de la zona plástica de la corona del arco es de 34°, la profundidad es de 1,6 m y la tensión máxima de tracción de la corona del arco es de 3,8 kPa. La profundidad de la zona plástica de la pared lateral es de 2,1 m y la tensión máxima de tracción de la pared lateral es de 59,12 kPa. Cuando la sobrecarga marginalmente erosionada es de 11,8 m, el ángulo de la zona plástica de la corona del arco es de 33°, la profundidad es de 1,5 m, la tensión máxima de tracción de la corona del arco es de 3,27 kPa y la zona plástica de la pared lateral tiene una profundidad de 2,1 m, y la tensión máxima de tracción de la pared lateral es 57,21 kPa. Cuando la sobrecarga de brisa es de 16 m, el ángulo de la zona plástica de la corona del arco es de 30°, la profundidad es de 1 m, la tensión máxima de tracción de la corona del arco es de 2,21 kPa, la profundidad de la zona plástica de la pared lateral es 2,1 m, y la pared lateral tiene un esfuerzo de tracción máximo de 31,57 kPa. Con un espesor creciente en la sobrecarga marginalmente erosionada, la zona de tensión de tracción de la corona del arco se reduce marginalmente, la zona plástica del pie del arco se reduce y la pared lateral básicamente no cambia.

Diagrama de vectores de tensiones principales del túnel no soportado en roca circundante de nivel IV1 en diferentes condiciones de trabajo. (a) sobrecarga ligeramente erosionada con una profundidad de 5 m; (b) sobrecarga ligeramente erosionada con una profundidad de 16 m; (c) profundidad enterrada de 13,8 m; (d) profundidad enterrada de 25 m.

Las Figuras 15c yd muestran el diagrama vectorial de la tensión principal de las madrigueras con diferentes profundidades de enterramiento. Cuando la profundidad enterrada de la roca circundante de grado IV1 es de 13,8 m, el ángulo de la zona plástica de la corona del arco es de 34°, la profundidad es de 3,7 m y la tensión máxima de tracción de la corona del arco es de 7,56 kPa. La profundidad de la zona plástica de la pared es de 2,1 m y el esfuerzo de tracción máximo de la pared lateral es de 51,48 kPa. Cuando la roca circundante de grado IV1 está enterrada a 18,8 m, el ángulo de la zona plástica del arco es de 33°, la profundidad es de 1,5 m, la tensión máxima de tracción de la corona del arco es de 3,27 kPa y la zona plástica de la pared lateral. Con una profundidad de 2,1 m, la tensión máxima de tracción de la pared lateral es de 57,21 kPa. Cuando la roca circundante de grado IV1 se entierra a una profundidad de 25 m, el ángulo de la zona plástica del domo es de 20°, la profundidad es de 0,2 m, la tensión máxima de tracción de la corona del arco es de 1,28 kPa y la profundidad de la zona plástica de la pared lateral es de 2,1 m. La tensión máxima de tracción de la pared lateral es 55,74 kPa. Cuando la roca circundante de grado IV1 está enterrada a una profundidad de 34 m, la tensión máxima de tracción de la corona del arco es de 1,28 kPa, la profundidad de la zona plástica de la pared lateral es de 2,1 m y la tensión máxima de tracción de la pared lateral es 40,26kPa. A medida que aumenta la profundidad del entierro, el área de tensión de tracción del arco disminuye, el área de tensión de tracción de la pared lateral permanece sin cambios y el área plástica aumenta significativamente, particularmente en la pared lateral.

De acuerdo con los resultados de excavación y soporte paso a paso, las tablas estadísticas del área de tensión de tracción y área plástica de cada nivel de roca circundante se muestran en la Tabla 10.

La Figura 16 muestra un diagrama del perno de roca y la zona plástica pretensada aplicada al orificio del túnel sin soporte de grado IV2. Cuando no hay soporte, el ángulo de la zona plástica de la corona del arco es de 30°, la profundidad es de 0,8 m, la tensión máxima de tracción de la corona del arco es de 2,66 kPa y la profundidad de la pared lateral es de 3,2 m. La tensión máxima de tracción de la pared lateral también es 57,42 kPa. Cuando sólo se utiliza un perno para roca (sin pretensado), la profundidad de la pared lateral es de 2,1 m y el esfuerzo de tracción máximo de la pared lateral es de 28,41 kPa. Cuando el pretensado es de 40 kN, el esfuerzo de tracción máximo de la pared lateral es de 23,26 kPa. Cuando el pretensado es de 80 kN, no hay área de tensión de tracción. Cuando el pretensado es de 100 kN, no hay área de tensión de tracción.

Pernos de roca y diagrama de zonas plásticas pretensadas de poros grado IV2. (a) túnel sin soporte; (b) perno de roca sin pretensado; (c) pretensado de 40 kN; (d) pretensado de 80 kN; (e) pretensado de 100 kN.

Considerando los resultados del cálculo como referencia cuantitativa, se realiza el diseño integral y primero se aumenta el espaciado del marco de acero de la rejilla. El espaciado de la rejilla se establece para cumplir con los requisitos de las especificaciones, considerando la conveniencia de la construcción y la experiencia en ingeniería. En cuanto al espesor de la capa de pulverización, se amplió el espacio de la rejilla y se aumentó adecuadamente el espesor de la capa de pulverización para garantizar la rigidez y cumplir con los altos requisitos de prevención y control de riesgos de ingeniería del metro. El espesor de la capa de pulverización de diseño de la rejilla del arco de roca circundante de grado III es de 350 mm y el espacio entre rejillas es de 1,2 m. El espesor de la capa de pulverización de diseño de la roca circundante de una rejilla de arco de grado IV1 es de 350 mm y el espaciamiento de la rejilla de 1,0 m. El espesor de la rejilla del arco de roca circundante de grado IV2 de la capa de pulverización diseñada es de 350 mm y el espacio de la rejilla es de 0,8 m.

Cuando la calidad de la roca circundante es de calidad suficiente, el área de tensión de tracción se controla como la razón principal, y la roca circundante de grado III puede reducir el perno de roca de la cintura del arco. Cuando la calidad de la roca circundante es pobre, controlamos el área de tensión de tracción del arco y el área plástica de corte de la cintura del arco, y llevamos a cabo un diseño diferencial del arco de acuerdo con los datos de monitoreo.

La zona de tensión de tracción calculada y la profundidad de desarrollo de la zona plástica son ambas inferiores a 1 m, el círculo suelto medido es inferior a 1 m y el perno de roca no es inferior a 3,5 m. Es factible que el espaciamiento longitudinal sea el mismo que el de los arcos de soporte, y el espaciamiento circunferencial sea de 1,5 m y no supere la mitad de la longitud. Se calcula la diferencia longitudinal bajo diferentes niveles de pretensado. Los resultados muestran que cuanto mayor es el pretensado, mayor es la influencia. Básicamente no hay una diferencia significativa después de 80 KN, por lo que el diseño de pretensado es de 80 kN. La longitud de diseño del perno de roca para el arco de roca circundante de grado III es de 3,5 m, la disposición quincunx es de 1,5 m × 1,2 m (anillo × longitudinal) y el pretensado es de 100 kN. La longitud de diseño del perno de roca para el arco de la roca circundante de grado IV1 es de 4,0 m, la disposición quincunx es de 1,5 m × 1,0 m (anillo × longitudinal) y el pretensado es de 100 kN. La longitud de diseño del perno de roca del arco de roca circundante de grado IV2 es de 4,5 m, la disposición en forma de flor de ciruelo es de 1,5 m × 0,8 m (anillo × longitudinal) y el pretensado es de 100 kN.

El nivel del ángulo del perno de roca es más favorable y la construcción puede inclinarse adecuadamente. La excavación del área de refuerzo del pie del arco controla estrictamente la vibración de la voladura. En términos de longitud, los cálculos muestran que una profundidad de 3 m es el límite de la zona de tensión del túnel sin soporte. Se considera que la longitud es de 3,5 mo 5,5 m. El área alargada del perno de roca se expande hacia abajo hasta la altura media de la pared lateral. En términos de ángulo y fuerza, los pernos de roca de las paredes laterales deben estar lo más horizontales posible. Los pernos de roca del pie del arco y los pernos de roca de las paredes laterales se cuentan desde el pie del arco, y 5 filas de pernos de roca de 5,5 m refuerzan el soporte; el resto de los pernos de roca de 3,5 m se colocan en una rejilla de 1,5 m × 1,5 m. Las condiciones especiales, como por ejemplo una zona rota y una superficie estructural desfavorable de la pared lateral debido a la excavación, deben reforzarse localmente.

Los dibujos de diseño de soporte de diferentes niveles de roca circundante se muestran en la Fig. 17.

Dibujos de diseño de apoyo de la roca circundante de diferentes grados.

Se verifica el efecto del esquema de optimización. La Figura 18 muestra los resultados de la simulación con roca circundante de grado IV2. Hay algunas áreas de tensión de tracción en la superficie del arco y la pared lateral, y la tensión es relativamente pequeña debido al soporte activo. Después de adoptar el esquema optimizado, la zona de tensión de tracción de la roca circundante desaparece, la zona plástica se controla y el perno pretensado tiene un efecto de soporte activo significativo.

Resultados de simulación de la roca circundante de nivel IV2. a) desplazamiento vertical; (b) desplazamiento horizontal; (c) tensión principal pequeña.

Después de la excavación del túnel, la posición del perno de roca pretensado alto se determinará después de que se tomen las medidas de seguridad necesarias. Después de perforar y limpiar el orificio, instale primero el agente de anclaje de resina, luego instale el perno para roca y luego mezcle el agente de anclaje de resina para unir el perno para roca con la roca circundante29,30,31. A continuación, instale la bandeja y la tuerca 32,33, y finalmente tense el perno para roca a través del tensor para completar la instalación del perno para roca pretensado alto, como se muestra en la Fig. 19. El nuevo tipo de soporte de perno adopta un agente de perno para roca de resina mineral para pernos pernos altamente pretensados. La longitud del empernado es de 1,2 m y el tiempo promedio de fraguado del agente de empernado de resina es de aproximadamente 20 s. El tiempo de solidificación logra el objetivo de movilizar rápidamente la capacidad de autoportación de la roca circundante y evita la expansión del arco colapsado34. En comparación con los pernos de lechada huecos35,36,37, los pernos altamente pretensados ​​se pueden aplicar con un pretensado de 150 a 200 kN. Después del empernado de roca con resina, se utiliza una máquina de tracción para aplicar rápidamente un alto pretensado. Los pernos pretensados ​​altos pueden interactuar con la roca circundante a tiempo lo antes posible para soportar la presión de la roca circundante. El perno para roca alto pretensado y la correa de acero W (o anillo reforzado) están dispuestos en la dirección circunferencial del túnel, complementados por la conexión longitudinal de la red flexible, y el arco de nervadura del perno para roca alto pretensado formado después de proyectar concreto puede mejorar notablemente la integridad de la capa de pulverización y la resistencia a la tracción circular para lograr una cobertura total de la superficie de soporte de la excavación del túnel. Este proceso también puede aumentar la tasa de construcción y reducir el costo de soporte. Utilizando un alto pretensado y un soporte activo para los pernos altamente pretensados, el espaciado longitudinal de los anillos de pernos para roca se optimiza en consecuencia y el cálculo preliminar reduce el número de pernos en un 20%.

Escena real de la máquina tensora y los pernos de roca. (a) Máquina tensora; (b) pernos para roca.

Cuando la resistencia del cuerpo de consolidación del perno para roca alcanza el 75% de la resistencia de diseño y no es inferior a 15 MPa, el perno para roca se puede tensar y bloquear. El perno de roca de hilo de acero de tipo tensión debe utilizar tensión integral y bloqueo del arnés de hilo de acero. Antes de bloquear el perno para roca, éste se pretensa y se carga suavemente. La fuerza de tracción del perno para roca durante el bloqueo debe considerar la pérdida de pretensado durante el bloqueo, y la cantidad de pérdida de pretensado debe determinarse probando la fuerza de tracción del perno para roca antes y después del bloqueo. Sin datos de prueba, la fuerza de tracción del perno de roca durante el bloqueo puede ser 1,1 del valor de bloqueo. El bloqueo con pernos para roca debe considerar la pérdida de pretensado causada por la tensión y el bloqueo de pernos para roca adyacentes. Cuando la pérdida de pretensado del perno para roca es alta, se debe bloquear nuevamente.

Durante la construcción del metro, se monitorearon la deformación y las fuerzas internas de importantes estructuras (estructuras) subterráneas y terrestres, incluidos los caminos terrestres alrededor del proyecto de la estructura del metro y la construcción a lo largo de la línea, para proporcionar información oportuna y confiable para todas las partes involucradas en el construcción para evaluación de seguridad e implementación de ingeniería del metro durante la construcción.

El impacto de la construcción en el medio ambiente circundante y los pronósticos oportunos y precisos de posibles peligros o accidentes pueden poner en peligro la seguridad de la construcción y el medio ambiente circundante, de modo que se puedan tomar medidas efectivas rápidamente para eliminar peligros ocultos y evitar accidentes.

Los elementos de monitoreo específicos de la estructura primaria incluyen el asentamiento de la corona del arco, la convergencia del espacio libre, la fuerza de los arcos de soporte, la fuerza axial de los pernos de roca, la fuerza del hormigón proyectado, etc. Sus puntos de medición están ubicados en la misma sección, lo cual es conveniente. para cada comparación y verificación de datos de artículos. Los elementos de seguimiento se muestran en la Tabla 11.

El instrumento de fuerza axial del arco de soporte monitorea la fuerza axial del arco, el instrumento de deformación del hormigón proyectado monitorea la deformación del concreto, el instrumento de fuerza axial del perno para roca monitorea la fuerza axial del perno para roca y el instrumento de desplazamiento de la roca circundante monitorea el desplazamiento en la cueva. El tipo y la disposición del equipo de monitoreo se muestran en la Fig. 20.

Tipo y disposición de los equipos de seguimiento.

Los instrumentos y equipos utilizados en el sitio son de uso común y confiables, y la cantidad cumple con los requisitos del trabajo de monitoreo. Se presentó un certificado de verificación para el equipo de monitoreo y el elemento de verificación (calibración) del instrumento y equipo tuvo verificación y calificación nacional. El certificado de verificación fue sellado con el sello oficial del elemento de verificación y el instrumento fue utilizado dentro del período de validez. Después de la instalación de los instrumentos y equipos de monitoreo de campo (ver Tabla 12), probamos y calibramos los instrumentos y registramos los valores iniciales de los diversos instrumentos y equipos del sistema de observación en condiciones de trabajo. Todos los instrumentos y equipos de monitoreo fueron inspeccionados y mantenidos periódicamente para garantizar buenas condiciones de trabajo.

Instalación de instrumentos de fuerza axial reforzados (arcos de soporte): al fabricar el arco de rejilla, el medidor de barras de refuerzo generalmente se suelda directamente a la barra de acero que se va a probar en pares. El medidor de barras de refuerzo tiene una longitud suficiente para evitar daños a la tensión interna. Sin embargo, se tuvo cuidado de garantizar que la parte central del calibre de la barra de refuerzo no esté demasiado caliente porque la bobina y la resina epóxica protectora pueden derretirse. Para evitar que esto suceda, es necesario colocar trapos húmedos cerca de la soldadura y de la parte media del calibre de la barra de refuerzo durante la soldadura. La instalación del medidor de barras de refuerzo y el equipo de monitoreo automático se muestran en la Fig. 21.

Instalación del instrumento de deformación de hormigón proyectado: Se instalaron galgas extensométricas de hormigón entre las dos rejillas utilizando correas para fijar las galgas extensométricas a la malla de acero. El sensor no se pudo soldar porque se habría estropeado. Por lo tanto, la instalación del sensor se realizó después de completar toda la soldadura. Para evitar la consolidación del hormigón proyectado primario y la galga extensométrica superficial de la malla de acero, lo que afectará los resultados de la prueba, se utilizó un dispositivo de cubierta protectora para proteger la galga extensométrica.

Método de medición.

Vista real de la instalación del medidor de refuerzo e instrumento de monitoreo automático.

Se utilizó un lector multifunción de cuerda vibrante para la medición, un frecuencímetro para medir la frecuencia del medidor de barras de refuerzo y el cambio en la fuerza axial se calculó de acuerdo con la fórmula \(P=K*({F}_{0} ^{2}-{F}_{i}^{2})\), donde K es el coeficiente de calibración, Fi es la frecuencia de prueba y F0 es la frecuencia inicial. La fuerza axial calculada P es la fuerza axial de los arcos de soporte, y la tensión de una sola barra de acero se puede obtener calculando la fuerza axial. La fórmula es \(\sigma = P/A\), donde A es el área de la sección transversal de una sola barra de acero de los arcos de soporte.

De manera similar, el instrumento de lectura multifunción de cuerda vibrante se utiliza para medir la deformación del concreto deformado por el frecuencímetro, y el cambio en la deformación se calcula mediante la fórmula \(P=K*({F}_{0}^{2 }-{F}_{i}^{2})\), donde K es el coeficiente de calibración y Fi es la frecuencia de prueba, F0 es la frecuencia inicial y la tensión del concreto se puede obtener calculando y midiendo la deformación del hormigón.

Frecuencia de seguimiento.

La frecuencia de seguimiento de este proyecto se basa en el principio de que puede describir sistemáticamente los cambios importantes del elemento supervisado sin omitir su tiempo de cambio.

La frecuencia del monitoreo tiene en cuenta el nivel de ingeniería, las diferentes etapas de construcción y los cambios en el entorno y las condiciones naturales. La frecuencia de monitoreo es la siguiente: cuando \(L\le 2B\), la frecuencia de monitoreo es una vez al día; cuando \(2B5B\), la frecuencia de monitoreo es una vez cada tres días. Donde B representa el ancho de excavación del túnel y L representa la distancia horizontal desde la superficie de excavación hasta el punto de monitoreo. Cuando el valor de monitoreo es relativamente estable, la frecuencia de monitoreo se puede reducir adecuadamente y cuando ocurren condiciones anormales o condiciones geológicas deficientes, se puede aumentar la frecuencia de medición de monitoreo.

Durante el monitoreo de campo, el instrumento de fuerza axial reforzada se utiliza para medir la tensión de la barra de acero de los arcos de soporte, donde un valor positivo es de compresión y un valor negativo es de tracción. El instrumento de deformación del hormigón proyectado se utiliza para medir la deformación del hormigón proyectado después de la pulverización inicial, donde una deformación positiva es de compresión y una negativa es de tracción. La fuerza axial del perno para roca pretensado se mide con el instrumento de fuerza axial del perno para roca, donde una fuerza axial positiva es tracción y una fuerza negativa indica presión. Luego se utiliza una estación total para medir el asentamiento de la corona del arco, donde un valor negativo indica asentamiento, y la convergencia del espacio libre, donde un valor negativo indica convergencia hacia la superficie vacía. A través de un período de monitoreo de campo, se obtuvo una gran cantidad de datos, y los datos de una determinada sección de la sección primaria se muestran en la Fig. 22.

Diagrama de datos de seguimiento de campo de una determinada sección de la sección primaria. (a) Tensión de los arcos de soporte; (b) cepa de hormigón proyectado; (c) fuerza axial de los pernos de roca; (d) desplazamiento de la roca circundante.

Se realiza un análisis completo combinando los resultados del monitoreo de campo y los resultados de la simulación numérica. La tensión del refuerzo del arco de soporte es principalmente de compresión, y la tensión de compresión máxima aparece en el área del arco del pie izquierdo, que es de aproximadamente 57,5 ​​MPa, muy por debajo del límite elástico de 400 MPa, y tiende a ser estable en aproximadamente 30 días. La fuerza axial de los pernos para roca pretensados ​​se produce principalmente bajo tensión y el valor máximo es de aproximadamente 103 kN. Después de monitorear la pérdida inicial de pretensado, hay una pequeña disminución que se estabiliza después de aproximadamente 10 días. La fuerza axial de los pernos de roca es mayor que el resultado del cálculo numérico y el efecto de soporte activo es significativo. La deformación del hormigón proyectado es principalmente de compresión, y la deformación máxima se produce en el área del arco del pie izquierdo, que es de aproximadamente 215 με. El cambio de deformación es pequeño y la deformación máxima es menor que la deformación de compresión última. La fuerza axial del refuerzo del arco de soporte, la fuerza axial de los pernos de roca y la deformación del hormigón proyectado son todas menores que su límite elástico.

Con el paso del tiempo, el asentamiento de la corona del arco aumenta rápidamente al principio, luego lentamente y finalmente tiende a ser estable. El asentamiento máximo de la corona del arco es de aproximadamente 4 mm, lo que es similar a los resultados de la simulación numérica. Esto demuestra que la nueva tecnología es más consistente con la situación real en el sitio y reduce la ocurrencia de accidentes de ingeniería.

Según las observaciones de campo (ver Fig. 23), no se produjo ninguna deformación importante en la corona del arco ni en otras posiciones. El valor monitorizado se encuentra dentro de un rango seguro y existe una cierta reserva de seguridad.

Vista real del túnel.

En comparación con la línea de metro existente (ver Tabla 13), la estación de metro de excavación subterránea de la Línea 6 se compara con las estaciones Hengshan Road, Zhiquan Road, Nanchang Road North, Jiadingshan, etc., mencionadas anteriormente, que son similares en grado a la roca circundante y el tramo de excavación. El asentamiento de la corona del arco se reduce en aproximadamente 3 a 8 mm (una reducción de aproximadamente 44 a 54%), lo que indica que el sistema de pernos altamente pretensados ​​puede controlar eficazmente la deformación continua de la roca circundante y favorece el mantenimiento de la integridad. de la roca circundante y dando rienda suelta a la capacidad de autosostenimiento de la roca circundante. Este método es más propicio para la organización de la voladura y efectos de voladura suaves, y el período de construcción se acorta entre 20 y 40 días.

Se analizan las condiciones de ingeniería, se estandariza el método tradicional de construcción de esquemas y se consideran la analogía de ingeniería y la investigación en papel. Los resultados muestran que el esquema de soporte original es conservador y debe optimizarse, y la optimización produce un sistema de soporte de pernos de roca altamente pretensado. Se utiliza soporte activo y se realiza un diseño de esquema optimizado. El efecto de los pernos para roca se mejora utilizando pretensado para garantizar la calidad de la construcción de los pernos para roca, aumentando adecuadamente el espacio entre los arcos de soporte y fortaleciendo el soporte de partes clave como la gran área del pie del arco, las paredes laterales y las uniones.

Se aclaró el mecanismo de soporte de los pernos de roca de alto pretensado, se estableció un sistema de soporte de alto pretensado y se realizaron cálculos y análisis numéricos del sistema de soporte. Los resultados muestran que después de utilizar el esquema de optimización, la fuerza axial máxima del perno de roca aumenta significativamente de 3,14 a 55,78 kN; la zona plástica disminuye significativamente de 5,52 m2 a 0. Esto muestra que el esquema de optimización puede mejorar el estado de tensión de la roca circundante de manera más obvia, el efecto del perno de roca mejora significativamente y el efecto de soporte activo del perno de roca altamente pretensado es alto.

Los resultados del monitoreo de campo muestran que los asentamientos de la corona del arco se concentran entre 2 y 5 mm y las tasas de deformación son inferiores a 0,5 mm/día. Los arcos de soporte, el hormigón proyectado y los pernos de roca son todos inferiores al límite elástico y tienen cierta reserva de seguridad. El monitoreo de campo indica que el nuevo sistema de soporte mejora la estabilidad de la roca circundante, tiene un costo menor y es más rápido de construir. Estos resultados verifican la seguridad y racionalidad del nuevo sistema de soporte, que puede usarse como referencia para proyectos similares.

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Bei Jiang

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QL, WL, JZ contribuyeron a la concepción del estudio; QZ, XY, YL, KW, YL realizaron el cálculo numérico y la práctica de campo; QF, QZ, YL contribuyeron significativamente al análisis y preparación del manuscrito; BJ, XY, YL, QF realizó los análisis de datos y escribió el manuscrito; WL, ZQ, XY, BJ, QF ayudaron a realizar el análisis con discusiones constructivas.

Correspondencia a Weiteng Li.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Liu, Q., Li, Y., Li, W. et al. Optimización del soporte primario de túneles enterrados de roca dura de gran luz y poco profundos basándose en el concepto de soporte activo. Informe científico 12, 7918 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11399-y

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Recibido: 18 de diciembre de 2021

Aceptado: 20 de abril de 2022

Publicado: 13 de mayo de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11399-y

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