專利名稱：一種偏壓隧道初期支護(hù)參數(shù)的量化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隧道支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，具體涉及一種偏壓隧道初期支護(hù)參數(shù)的定量化設(shè)計(jì)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(duì)稱性，從而使支護(hù)結(jié)構(gòu)承受偏壓荷載的隧道。由于作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載呈不對(duì)稱分布，從而使得支護(hù)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(zāi)害。目前國內(nèi)外對(duì)于偏壓隧道初期支護(hù)的參數(shù)的設(shè)計(jì)主要還是在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上按工程類比法進(jìn)行，公路和鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范首先將圍巖級(jí)別分為六級(jí)，而后給定了每一級(jí)別圍巖的初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。然而，一方面隧道圍巖的級(jí)別是由地質(zhì)工程師根據(jù)其個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判定的，不同的工程師對(duì)圍巖級(jí)別的判定會(huì)存在一定的偏差，另一方面由于圍巖級(jí)別總共為六級(jí)，同一級(jí)別圍巖其內(nèi)部也會(huì)存在一定的差異，采用相同的設(shè)計(jì)參數(shù)必然會(huì)使某些地段在施工中存在風(fēng)險(xiǎn)，而在另一些地段則又偏于保守。此外，設(shè)計(jì)規(guī)范也提出了采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)隧道的初期支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，但眾所周知，數(shù)值計(jì)算方法難以對(duì)初期支護(hù)的實(shí)際作用效果進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，初期支護(hù)體系中錨桿、噴射混凝土、鋼架等所起的作用在數(shù)值計(jì)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(duì)稱性，其支護(hù)參數(shù)采用相應(yīng)的不對(duì)稱設(shè)計(jì)才能更好的發(fā)揮支護(hù)體系的支護(hù)效果，但是目前以經(jīng)驗(yàn)為主的設(shè)計(jì)方法，無法根據(jù)這種不對(duì)稱性進(jìn)行量化設(shè)計(jì)?？傮w來說，偏壓隧道初期支護(hù)的參數(shù)的設(shè)計(jì)目前還停留在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)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(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)長期依賴于經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀，提供一種設(shè)計(jì)參數(shù)的確定完全通過理論計(jì)算得到，使得得到的設(shè)計(jì)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(jià)的偏壓隧道初期支護(hù)參數(shù)的量化設(shè)計(jì)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(hù)參數(shù)的量化設(shè)計(jì)方法， 隧道施工過程中初期支護(hù)的破壞性態(tài)主要是剪切破壞，按抗剪破壞對(duì)偏壓隧道的初期支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不考慮二次襯砌的抗剪支護(hù)作用，隧道施工過程中的抗剪支護(hù)阻力完全由初期支護(hù)體系承擔(dān)。偏壓隧道施工過程中的剪切滑移力按照極限分析方法進(jìn)行求解選取隧道左半側(cè)進(jìn)行受力分析，對(duì)多邊形AA1O1A進(jìn)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(duì)滑塊AA1O1O2的剪力； -滑塊O1A1A2對(duì)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(duì)于滑塊AiO1Aw (i = 1,2, A,m)進(jìn)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(hù)參數(shù)的量化設(shè)計(jì)方法，其特征在于隧道施工過程中初期支 護(hù)的破壞性態(tài)主要是剪切破壞，按抗剪破壞對(duì)偏壓隧道的初期支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不考慮 二次襯砌的抗剪支護(hù)作用，隧道施工過程中的抗剪支護(hù)阻カ完全由初期支護(hù)體系承擔(dān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏壓隧道初期支護(hù)參數(shù)的量化設(shè)計(jì)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(jìn)行求解選取隧道左半側(cè)進(jìn)行受カ分析，對(duì)多邊形AA1O^2進(jìn)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(hù)參數(shù)的量化設(shè)計(jì)方法，其特征在于初期支護(hù)的抗剪支護(hù)阻力由組成初期支護(hù)體系的錨桿、噴射混凝土、鋼架所提供的抗剪支護(hù)阻力進(jìn)行疊加得到噴射混凝土的支護(hù)阻力可如下確定，設(shè)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(qiáng)度及厚度； 鋼架即鋼筋網(wǎng)、鋼拱支撐的支護(hù)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(qiáng)度及每米隧道的鋼材當(dāng)量面積；錨桿所提供的支護(hù)阻力Pa計(jì)算如下設(shè)錨桿間距為e和t，則錨桿的平均徑向支護(hù)阻力qA為^ =^- (20) et式中Fa——錨桿斷面積； O A——錨桿抗拉強(qiáng)度；如若為砂漿錨桿，則可能沿孔壁粘結(jié)破壞，故用下式計(jì)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(hù)參數(shù)的量化設(shè)計(jì)方法，該方法按抗剪破壞對(duì)偏壓隧道的初期支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，且隧道施工過程中的抗剪支護(hù)阻力完全由初期支護(hù)體系承擔(dān)，偏壓隧道施工過程中的剪切滑移力按照極限分析方法進(jìn)行求解，初期支護(hù)的抗剪支護(hù)阻力由組成初期支護(hù)體系的錨桿、噴射混凝土、鋼架等所提供的抗剪支護(hù)阻力進(jìn)行疊加得到。本發(fā)明改變了目前偏壓隧道初期支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)長期依賴于經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了隧道初期支護(hù)參數(shù)的定量化設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)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(xué)