一种隧道钢拱架-锁脚锚管联合支护的设计分析方法
【专利说明】一种隧道钢拱架-锁脚锚管联合支护的设计分析方法
【背景技术】
[0001] 本发明属隧道工程领域，尤其涉及一种隧道钢拱架-锁脚锚管联合支护的设计分 析方法。
技术领域
[0002] 近年来，随着软弱围岩隧道的日益增多，台阶法施工中的拱脚沉降问题日益突出， 对隧道的沉降控制、整体稳定性以及施工安全等造成极为不利的影响。相应的，拱脚稳定性 以及下沉控制措施的研发也逐渐引起人们的重视。
[0003] 为减少因上台阶拱脚基底承载力不足或下台阶开挖而引起的钢拱架下沉，在拱脚 处设置锁脚锚管是控制沉降的有效措施之一。尤其在软弱地层中拱部系统锚杆的作用不显 著时，采用钢拱架拱脚连接处的锁脚锚管代替可取得显著的支护效果，这一点已初步形成 共识。随着锁脚锚管在软弱地层隧道初期支护中地位的不断凸显，目前已逐步发展成为以 钢拱架-锁脚锚管等为主要承载结构的初期支护形式，在保证开挖初期隧道稳定性方面发 挥着重要作用。锁脚锚管除了具有显著的支护效果外，还简单易行，符合软弱地层隧道快速 施工的技术要求，减少了施工工序、加快了施工进度，提高了施工安全性，而且降低了工程 造价。
[0004] 尽管锁脚锚管在隧道下沉治理中取得了显著成效，并已获得了一系列实用新型、 发明方面的专利，但目前锁脚锚管仍缺乏一套可供隧道设计人员采用的设计分析和评价方 法，致使目前的设计几乎完全依靠工程经验，其经济性和安全性不得而知，存在很大的盲目 性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种隧道钢拱架-锁脚锚管联合支护的设计分析方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种隧道钢拱架-锁脚锚管联合支护的设计分析方法，所述隧道钢拱架-锁脚锚 管联合支护的设计分析方法适用于浅埋隧道和偏压隧道，所述分析设计方法包括以下步 骤：
[0008] 步骤1):建立钢拱架-锁脚锚管的力学分析模型；
[0009] 步骤2):根据步骤1)建立的模型，首先确定钢拱架承受的竖向和侧向分布的围岩 荷载；
[0010] 步骤3):根据步骤2)确定的围岩荷载，采用力法确定钢拱架的多余未知力；
[0011] 步骤4)根据步骤3)确定的未知力，确定隧道两侧拱脚的竖向地基荷载、拱脚下沉 量和传递给锁脚锚管端部的荷载；
[0012] 步骤5)根据步骤4)确定的隧道两侧拱脚的竖向地基荷载、拱脚下沉量和传递给 锁脚锚管端部的荷载，对拱脚地基的承载力、拱脚下沉量和锁脚锚管的强度进行验算和评 价。
[0013] 进一步地，所述步骤1)建立的钢拱架-锁脚锚管的力学分析模型满足以下条件：
[0014] A :两侧拱脚处锁脚锚管对称布置，并注水泥浆，锁脚锚管端部与初支钢拱架拱脚 处牢固焊接，在钢拱架拱脚处采用钢垫板；
[0015] B :钢拱架视为支座可移动的弹性固定无铰拱，分别承受竖向和侧向分布的围岩荷 载；
[0016] C :钢拱架拱脚处沿锁脚锚管横向的支承反力只能由锁脚锚管提供，而锚管轴力不 起控制作用，进而将锁脚锚管视为仅横向受力的弹性地基直梁；
[0017] D :在钢拱架拱脚处设置竖向弹性链杆，以考虑拱脚地基对钢拱架的弹性支承作 用。
[0018] 进一步地，所述未知力包括拱顶截面的弯矩、拱顶截面的轴力、拱顶截面的剪力、 深埋侧拱脚地基反力和浅埋侧拱脚地基反力。
[0019] 进一步地，所述步骤2)确定钢拱架承受的竖向和侧向分布的围岩荷载，所述钢拱 架承受的竖向分布的围岩荷载表示为：
[0020] Qh= γ nhit Q0= T nh〇it qh，=ynh' Φ
[0021] 所述钢拱架承受的侧向围岩荷载可表示为：
[0022] O1=Aqhy θ2=λη (h+f) γ
[0023] e/ = λ ' η]ι' γ e2' = λ ' η (h' +f) γ
[0024] 所述η为钢拱架承担的围岩荷载比例；所述f为开挖高度或拱架高度，单位为m ; 所述γ为围岩容重，单位为kN/m3;所述h、h'分别为隧道深埋侧和浅埋侧由拱顶水平至地 表的高度，单位为m;所述1为上台阶开挖宽度，单位为m;所述λ、λ'分别为隧道埋深侧 和浅埋侧的侧压力系数。
[0025] 进一步地，所述多余未知力的确定，以全拱为基本结构，得出所述多余未知力关系 式：
[0051] 所述X2、X3、\和X 5分别表示拱顶截面的弯矩、拱顶截面的轴力、拱顶截面的剪 力、深埋侧拱脚地基反力和浅埋侧拱脚地基反力；所述1、&分别为钢拱架左右两侧拱脚基 底的地基反力系数，单位为N/m 3;所述A ^Ar分别为钢拱架左右两侧拱脚与基底地基的接触 面积，单位为m2;所述δ ik为拱脚刚性固定时，基本结构在Xk=I作用下，沿未知力X1方向 产生的变位，其中i、k = 1、2、3,其中δ 13= δ 31= δ 23= δ 32= 〇 ;所述Δ ip为拱脚刚性 固定时，基本结构在围岩荷载作用下，沿未知力&方向产生的变位，其中i = 1、2、3 ;所述 β P β 1R、Up u1R、va、^分别为左右拱脚截面处作用有单位力矩时所引起的拱脚处转角、 水平位移和竖向位移；所述β?、β 21!、Ua、U2R、Va、V2r分别为左右拱脚截面处作用有单位水 平力时所引起的拱脚处转角、水平位移和竖向位移；所述βρ PpUpUp Vp V3r分别为左 右拱脚截面处作用有单位竖向力时所引起的拱脚处转角、水平位移和竖向位移；所述β5、 β4、u5、u4、v5、￥4分别为左右拱脚截面处作用X 5= 1和X4= 1时所引起的拱脚处转角、水 平位移和竖向位移；所述β#、PpR、iV、upR、vpl^、v pR分别为围岩荷载作用下，基本结构左右拱 脚处转角、水平位移和竖向位移。
[0052] 进一步地，所述λ、λ '的表示形式为：
[0055] 所述β、β '分别为深埋测和浅埋侧产生最大推力时的劈裂角；所述Θ。为地面 坡坡角，单位为°，当θ<：=〇°时，可退化为非偏压情况；所述％为围岩计算摩擦角；所述 Θ为岩或土柱两侧摩擦角单位为° ;
[0056] 所述λ、λ '不为〇,适用于一般浅埋或偏压隧道围岩荷载的计算；所述λ = λ' = 0,且当0。=〇°时，则可适用于超浅埋非偏压隧道围岩荷载的计算。
[0057] 进一步地，所述地面倾角分两种情况进行分析：
[0058] 当地面倾角不为零时，即Δ3ρ不等于〇,为隧道偏压情况下的计算，适用于偏压隧 道锁脚锚管的设计；
[0059] 当地面倾角为零时，即A3p= 〇,则可退化为隧道非偏压情况下的计算，适用于一 般非偏压隧道锁脚锚管的设计。
[0060] 进一步地，根据所述步骤4)钢拱架多余未知力，确定拱脚竖向地基荷载、拱脚下 沉量及递给锁脚锚管端部的荷载，包括以下步骤：
[0061] 步骤4. 1):确定隧道两侧拱脚的竖向地基荷载：
[0062] 由拱脚竖向地基反力可知，初支钢拱架传递给两侧拱脚地基的竖向荷载分别为：
[0064] 所述Nd^5为深埋侧拱脚地基的竖向荷载，所述N shallOT为浅埋侧拱脚地基的竖向荷 载。
[0065] 步骤4. 2):确定拱脚下沉量：
[0066] 按Winkler假定，得两侧拱脚地基的竖向压缩变形，即拱脚下沉