随着我国经济高速发展,交通需求量剧增,大断面隧道建设已经成为一种新常态。锚网喷与型钢拱架联合支护方式在大断面隧道中广泛应用,由于大断面隧道与常规断面隧道在围岩受力、变形上有明显不同的力学行为,导致大断面隧道出现如下几个典型的问题:①初支拱架由于刚度低、纵向约束不足、喷层开裂,常常导致拱架局部弯扭失稳继而整体失稳侧倾,不能充分发挥其材料强度;②由于初期支护体系发生破坏,导致喷层开裂、掉块,进而导致支护体系出现薄弱环节,发生大范围破坏甚至塌方;③工人在上述危险环境中作业,安全成本高,往往会造成施工效率低、人员伤亡频繁、围岩得不到有效控制等。针对以上问题,本文基于大断面隧道典型工程问题基本特征,研究各工程问题发生机制,针对性的提出一种行之有效的支护方式和施工技术:装配式约束混凝土支护体系,重点围绕约束混凝土拱架节点参数设计、组合拱架空间布设参数设计、约束混凝土组合拱架稳定承载试验及初期支护结构承载特性开展研究,研发了配套机械化施工关键技术,形成了装配式约束混凝土支护体系现场机械化施工工艺。主要研究工作及成果如下:(1)大断面隧道典型工程问题及发生机制结合现场工程实践,在充分的现场调研和分析基础上,归纳总结了目前大断面隧道典型的几类工程问题的破坏形式及发生特点,分析了大断面隧道工程问题发生的诱导因素,根据其主要特征和力学机制进行分类研究,针对性的分析各类工程问题发生机制,提出了“高强、高刚、完整”的支护理念和“安全、高效、经济”的施工理念,建立了装配式约束混凝土支护体系。(2)约束混凝土拱架节点承载机制开展了纯弯和压弯作用下的约束混凝土基本构件、套管节点及装配式节点构件理论分析及室内力学性能试验,明确了各类节点构件典型破坏模式及力学特性;建立了两类节点简化计算模型,推导了节点强度承载判据,形成了两类节点承载力计算方法。(3)约束混凝土组合拱架稳定承载机制及空间影响规律分析基于静力平衡法推导了多心约束混凝土拱架在平面外失稳状态下的平衡方程、几何方程、物理方程,得到了多心拱架稳定临界承载力计算方法;开展了多心约束混凝土拱架及拱架的空间组合支护体系的平面外稳定性研究,明确了拱架间距、拱架刚度、纵向连接环距、纵向连接强度等约束混凝土支护体系空间布设参数对拱架承载能力的影响机制,建立了拱架空间布设参数设计依据。(4)约束混凝土组合拱架稳定承载对比试验改造研发了地下工程组合拱架力学性能试验系统,系统开展了约束混凝土组合拱架与传统工字钢组合拱架的力学性能对比试验,通过对组合拱架的极限荷载、受力变形进行分析,深入研究了两类组合拱架的受力变形规律、失稳破坏模式,明确了两类拱架在组合状态下的稳定承载与变形破坏机制。(5)约束混凝土初期支护结构承载机制开展了约束混凝土喷射混凝土复合支护结构纯弯试验,从变形破坏形态、荷载位移曲线及极限承载力等方面,分析其受力性能和变形破坏特性,明确了不同约束混凝土拱架形式、钢筋网片布设方案对支护体系整体承载力学特性的影响机制;结合数值模拟,考虑不同混凝土喷层强度、不同约束混凝土组合拱架间距,不同纵向连接的环距等因素,设置不同计算工况,研究约束混凝土支护承载力学特性及围岩控制效果。(6)大断面隧道机械化施工关键技术研究及应用针对大断面隧道拱架安装过程中人力施工效率低、安全性差等问题,研发了拱架智能安装机以及自动装配式节点、纵向定位连接等装配式拱架配套装置,形成了机械化施工的配套工艺;进行了装配式拱架施工全过程力学分析,研究了拱架举升全过程中各截面应力及变形的变化规律,明确了举升全过程中拱架的受力机制;进行了装配式拱架机械化施工现场应用,施工效率和安全性显著提升。