一種隧道鋼拱架-鎖腳錨管聯合支護的設計分析方法
【專利說明】一種隧道鋼拱架-鎖腳錨管聯合支護的設計分析方法
【背景技術】
[0001] 本發明屬隧道工程領域，尤其涉及一種隧道鋼拱架-鎖腳錨管聯合支護的設計分 析方法。
技術領域
[0002] 近年來，隨著軟弱圍巖隧道的日益增多，臺階法施工中的拱腳沉降問題日益突出， 對隧道的沉降控制、整體穩定性以及施工安全等造成極為不利的影響。相應的，拱腳穩定性 以及下沉控制措施的研發也逐漸引起人們的重視。
[0003] 為減少因上臺階拱腳基底承載力不足或下臺階開挖而引起的鋼拱架下沉，在拱腳 處設置鎖腳錨管是控制沉降的有效措施之一。尤其在軟弱地層中拱部系統錨桿的作用不顯 著時，采用鋼拱架拱腳連接處的鎖腳錨管代替可取得顯著的支護效果，這一點已初步形成 共識。隨著鎖腳錨管在軟弱地層隧道初期支護中地位的不斷凸顯，目前已逐步發展成為以 鋼拱架-鎖腳錨管等為主要承載結構的初期支護形式，在保證開挖初期隧道穩定性方面發 揮著重要作用。鎖腳錨管除了具有顯著的支護效果外，還簡單易行，符合軟弱地層隧道快速 施工的技術要求，減少了施工工序、加快了施工進度，提高了施工安全性，而且降低了工程 造價。
[0004] 盡管鎖腳錨管在隧道下沉治理中取得了顯著成效，并已獲得了一系列實用新型、 發明方面的專利，但目前鎖腳錨管仍缺乏一套可供隧道設計人員采用的設計分析和評價方 法，致使目前的設計幾乎完全依靠工程經驗，其經濟性和安全性不得而知，存在很大的盲目 性。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種隧道鋼拱架-鎖腳錨管聯合支護的設計分析方法。
[0006] 為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0007] -種隧道鋼拱架-鎖腳錨管聯合支護的設計分析方法，所述隧道鋼拱架-鎖腳錨 管聯合支護的設計分析方法適用于淺埋隧道和偏壓隧道，所述分析設計方法包括以下步 驟：
[0008] 步驟1):建立鋼拱架-鎖腳錨管的力學分析模型；
[0009] 步驟2):根據步驟1)建立的模型，首先確定鋼拱架承受的豎向和側向分布的圍巖 荷載；
[0010] 步驟3):根據步驟2)確定的圍巖荷載，采用力法確定鋼拱架的多余未知力；
[0011] 步驟4)根據步驟3)確定的未知力，確定隧道兩側拱腳的豎向地基荷載、拱腳下沉 量和傳遞給鎖腳錨管端部的荷載；
[0012] 步驟5)根據步驟4)確定的隧道兩側拱腳的豎向地基荷載、拱腳下沉量和傳遞給 鎖腳錨管端部的荷載，對拱腳地基的承載力、拱腳下沉量和鎖腳錨管的強度進行驗算和評 價。
[0013] 進一步地，所述步驟1)建立的鋼拱架-鎖腳錨管的力學分析模型滿足以下條件：
[0014] A :兩側拱腳處鎖腳錨管對稱布置，并注水泥漿，鎖腳錨管端部與初支鋼拱架拱腳 處牢固焊接，在鋼拱架拱腳處采用鋼墊板；
[0015] B :鋼拱架視為支座可移動的彈性固定無鉸拱，分別承受豎向和側向分布的圍巖荷 載；
[0016] C :鋼拱架拱腳處沿鎖腳錨管橫向的支承反力只能由鎖腳錨管提供，而錨管軸力不 起控制作用，進而將鎖腳錨管視為僅橫向受力的彈性地基直梁；
[0017] D :在鋼拱架拱腳處設置豎向彈性鏈桿，以考慮拱腳地基對鋼拱架的彈性支承作 用。
[0018] 進一步地，所述未知力包括拱頂截面的彎矩、拱頂截面的軸力、拱頂截面的剪力、 深埋側拱腳地基反力和淺埋側拱腳地基反力。
[0019] 進一步地，所述步驟2)確定鋼拱架承受的豎向和側向分布的圍巖荷載，所述鋼拱 架承受的豎向分布的圍巖荷載表示為：
[0020] Qh= γ nhit Q0= T nh〇it qh，=ynh' Φ
[0021] 所述鋼拱架承受的側向圍巖荷載可表示為：
[0022] O1=Aqhy θ2=λη (h+f) γ
[0023] e/ = λ ' η]ι' γ e2' = λ ' η (h' +f) γ
[0024] 所述η為鋼拱架承擔的圍巖荷載比例；所述f為開挖高度或拱架高度，單位為m ; 所述γ為圍巖容重，單位為kN/m3;所述h、h'分別為隧道深埋側和淺埋側由拱頂水平至地 表的高度，單位為m;所述1為上臺階開挖寬度，單位為m;所述λ、λ'分別為隧道埋深側 和淺埋側的側壓力系數。
[0025] 進一步地，所述多余未知力的確定，以全拱為基本結構，得出所述多余未知力關系 式：
[0051] 所述X2、X3、\和X 5分別表示拱頂截面的彎矩、拱頂截面的軸力、拱頂截面的剪 力、深埋側拱腳地基反力和淺埋側拱腳地基反力；所述1、&分別為鋼拱架左右兩側拱腳基 底的地基反力系數，單位為N/m 3;所述A ^Ar分別為鋼拱架左右兩側拱腳與基底地基的接觸 面積，單位為m2;所述δ ik為拱腳剛性固定時，基本結構在Xk=I作用下，沿未知力X1方向 產生的變位，其中i、k = 1、2、3,其中δ 13= δ 31= δ 23= δ 32= 〇 ;所述Δ ip為拱腳剛性 固定時，基本結構在圍巖荷載作用下，沿未知力&方向產生的變位，其中i = 1、2、3 ;所述 β P β 1R、Up u1R、va、^分別為左右拱腳截面處作用有單位力矩時所引起的拱腳處轉角、 水平位移和豎向位移；所述β?、β 21!、Ua、U2R、Va、V2r分別為左右拱腳截面處作用有單位水 平力時所引起的拱腳處轉角、水平位移和豎向位移；所述βρ PpUpUp Vp V3r分別為左 右拱腳截面處作用有單位豎向力時所引起的拱腳處轉角、水平位移和豎向位移；所述β5、 β4、u5、u4、v5、￥4分別為左右拱腳截面處作用X 5= 1和X4= 1時所引起的拱腳處轉角、水 平位移和豎向位移；所述β#、PpR、iV、upR、vpl^、v pR分別為圍巖荷載作用下，基本結構左右拱 腳處轉角、水平位移和豎向位移。
[0052] 進一步地，所述λ、λ '的表示形式為：
[0055] 所述β、β '分別為深埋測和淺埋側產生最大推力時的劈裂角；所述Θ。為地面 坡坡角，單位為°，當θ<：=〇°時，可退化為非偏壓情況；所述％為圍巖計算摩擦角；所述 Θ為巖或土柱兩側摩擦角單位為° ;
[0056] 所述λ、λ '不為〇,適用于一般淺埋或偏壓隧道圍巖荷載的計算；所述λ = λ' = 0,且當0。=〇°時，則可適用于超淺埋非偏壓隧道圍巖荷載的計算。
[0057] 進一步地，所述地面傾角分兩種情況進行分析：
[0058] 當地面傾角不為零時，即Δ3ρ不等于〇,為隧道偏壓情況下的計算，適用于偏壓隧 道鎖腳錨管的設計；
[0059] 當地面傾角為零時，即A3p= 〇,則可退化為隧道非偏壓情況下的計算，適用于一 般非偏壓隧道鎖腳錨管的設計。
[0060] 進一步地，根據所述步驟4)鋼拱架多余未知力，確定拱腳豎向地基荷載、拱腳下 沉量及遞給鎖腳錨管端部的荷載，包括以下步驟：
[0061] 步驟4. 1):確定隧道兩側拱腳的豎向地基荷載：
[0062] 由拱腳豎向地基反力可知，初支鋼拱架傳遞給兩側拱腳地基的豎向荷載分別為：
[0064] 所述Nd^5為深埋側拱腳地基的豎向荷載，所述N shallOT為淺埋側拱腳地基的豎向荷 載。
[0065] 步驟4. 2):確定拱腳下沉量：
[0066] 按Winkler假定，得兩側拱腳地基的豎向壓縮變形，即拱腳下沉