專利名稱：一種偏壓隧道初期支護參數(shù)的量化設計方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種隧道支護參數(shù)的設計方法，具體涉及一種偏壓隧道初期支護參數(shù)的定量化設計方法。
背景技術(shù)：
偏壓隧道是指由于地形、地質(zhì)構(gòu)造、施工等種種原因引起的圍巖壓力呈明顯的不對稱性，從而使支護結(jié)構(gòu)承受偏壓荷載的隧道。由于作用在支護結(jié)構(gòu)上的荷載呈不對稱分布，從而使得支護結(jié)構(gòu)受力極不均衡，在隧道施工過程中極易出現(xiàn)坍塌、冒頂、地表塌陷等工程災害。目前國內(nèi)外對于偏壓隧道初期支護的參數(shù)的設計主要還是在經(jīng)驗的基礎上按工程類比法進行，公路和鐵路隧道設計規(guī)范首先將圍巖級別分為六級，而后給定了每一級別圍巖的初期支護設計參數(shù)。然而，一方面隧道圍巖的級別是由地質(zhì)工程師根據(jù)其個人的經(jīng)驗進行判定的，不同的工程師對圍巖級別的判定會存在一定的偏差，另一方面由于圍巖級別總共為六級，同一級別圍巖其內(nèi)部也會存在一定的差異，采用相同的設計參數(shù)必然會使某些地段在施工中存在風險，而在另一些地段則又偏于保守。此外，設計規(guī)范也提出了采用數(shù)值計算方法對隧道的初期支護參數(shù)進行計算分析，但眾所周知，數(shù)值計算方法難以對初期支護的實際作用效果進行準確模擬，初期支護體系中錨桿、噴射混凝土、鋼架等所起的作用在數(shù)值計算中都難以得到充分體現(xiàn)。而且，偏壓隧道的荷載呈現(xiàn)明顯的不對稱性，其支護參數(shù)采用相應的不對稱設計才能更好的發(fā)揮支護體系的支護效果，但是目前以經(jīng)驗為主的設計方法，無法根據(jù)這種不對稱性進行量化設計?？傮w來說，偏壓隧道初期支護的參數(shù)的設計目前還停留在經(jīng)驗的基礎上，難以保證偏壓隧道的施工安全。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有偏壓隧道初期支護參數(shù)的設計長期依賴于經(jīng)驗的現(xiàn)狀，提供一種設計參數(shù)的確定完全通過理論計算得到，使得得到的設計參數(shù)更能滿足現(xiàn)場工程施工要求，從而一方面可保證隧道的施工安全，另一方面也可降低工程造價的偏壓隧道初期支護參數(shù)的量化設計方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的偏壓隧道初期支護參數(shù)的量化設計方法， 隧道施工過程中初期支護的破壞性態(tài)主要是剪切破壞，按抗剪破壞對偏壓隧道的初期支護參數(shù)進行設計，不考慮二次襯砌的抗剪支護作用，隧道施工過程中的抗剪支護阻力完全由初期支護體系承擔。偏壓隧道施工過程中的剪切滑移力按照極限分析方法進行求解選取隧道左半側(cè)進行受力分析，對多邊形AA1O1A進行受力分析有水平方向有m b N0 + τιο sin(;r -^Pi- arctan--Θ2) + Τλ sin φ
i-l f
(1)
m b =N1 cos彡 + TV10 cos(;r-^Pi- arctan--θ2)
i-l f
豎直方向
mJy
T0 + T1 cos彡 + T10 cos(;r-^Pi-arctan--θ2)
i-l f
(2)
mJy
= G0-N1 sin φ-N10 sin(;r-^Pi- arctan--θ2)
i-l f
Ti = tan Φ (i = 0,1)(3)
G0 — ^ AA1O1O2
式中=Ttl——隧道中線處所受到的剪切力； N0——隧道中線處所受到的水平壓力； T1——滑裂面AA1上所受到的剪切力； N1——滑裂面AA1上所受到的壓力；
10
一滑塊O1A1A2對滑塊AA1O1O2的剪力； -滑塊O1A1A2對滑塊AA1O1O2的壓力；
G0——滑塊AA1O1R的重力； θ 2——Z DO1D1的大??； b——隧道開挖寬度； f——隧道開挖弧形高度； Y——圍巖的重度；
⑷
c——圍巖粘聚力；
υ AA1O1O2— ——四邊形AA1O1R的面積。 對于滑塊AiO1Aw (i = 1,2, A,m)進行受力分析有 水平方向
mJymJy
sinO— YjPj -θ2 - arctan—) + 7；+1 sin(% - YjPj + arctan —-^2)
j=i+\J；'=z'+lJ
mbmJy
+ Ν1+λ cos(%+arctan--^2) + ^+u cos(;r— YjPj + arctan--^2)
z'+lJ；'=z'+lJ
mJymJy
-N^11 cos(^" -^Pj- arctan--θ2) + T^11 sin(^- -^Pj- arctan--θ2)
j=i f j=i f
豎直方向
mJym
G1 + Nt_u sin[Ti-YJ1+ arctan-~θ2] + Tt_u cos[；r-[β3 + βη+η+ι -θ2] j=iJ
(5)
j=i
權(quán)利要求
1.一種偏壓隧道初期支護參數(shù)的量化設計方法，其特征在于隧道施工過程中初期支 護的破壞性態(tài)主要是剪切破壞，按抗剪破壞對偏壓隧道的初期支護參數(shù)進行設計，不考慮 二次襯砌的抗剪支護作用，隧道施工過程中的抗剪支護阻カ完全由初期支護體系承擔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏壓隧道初期支護參數(shù)的量化設計方法，其特征在于偏壓 隧道施工過程中的剪切滑移力按照極限分析方法進行求解選取隧道左半側(cè)進行受カ分析，對多邊形AA1O^2進行受力分析有 水平方向有
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏壓隧道初期支護參數(shù)的量化設計方法，其特征在于初期支護的抗剪支護阻力由組成初期支護體系的錨桿、噴射混凝土、鋼架所提供的抗剪支護阻力進行疊加得到噴射混凝土的支護阻力可如下確定，設沿噴層剪切面的抗剪阻力為Ps，則 τ dPs(18)Sinai式中as、Ts、ds——噴層的剪切角、抗剪強度及厚度； 鋼架即鋼筋網(wǎng)、鋼拱支撐的支護阻力可根據(jù)同樣的方法求出，即Pst=( 19)式中ast、Ts0Fst——噴層內(nèi)鋼材的破壞剪切角、抗剪強度及每米隧道的鋼材當量面積；錨桿所提供的支護阻力Pa計算如下設錨桿間距為e和t，則錨桿的平均徑向支護阻力qA為^ =^- (20) et式中Fa——錨桿斷面積； O A——錨桿抗拉強度；如若為砂漿錨桿，則可能沿孔壁粘結(jié)破壞，故用下式計算qA=-f (21)et式中A——錨桿的抗拔力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種偏壓隧道初期支護參數(shù)的量化設計方法，該方法按抗剪破壞對偏壓隧道的初期支護參數(shù)進行設計，且隧道施工過程中的抗剪支護阻力完全由初期支護體系承擔，偏壓隧道施工過程中的剪切滑移力按照極限分析方法進行求解，初期支護的抗剪支護阻力由組成初期支護體系的錨桿、噴射混凝土、鋼架等所提供的抗剪支護阻力進行疊加得到。本發(fā)明改變了目前偏壓隧道初期支護參數(shù)的設計長期依賴于經(jīng)驗的現(xiàn)狀，實現(xiàn)了隧道初期支護參數(shù)的定量化設計。
文檔編號G06F17/50GK102392658SQ20111028671
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者劉正初, 彭立敏, 施成華, 楊偉超, 雷明鋒 申請人:中南大學