本發(fā)明涉及隧道錨噴支護(hù)，尤其涉及一種膨脹性黃土隧道錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，圍巖膨脹變形成為困擾隧道建設(shè)的重大工程問題。膨脹性土顆粒是一種具有高分散性且以親水性黏土礦物為主要成分的礦物顆粒，對(duì)于所在環(huán)境的干濕變化敏感度極高。在我國(guó)北方黃土高原黃土-古土壤序列中，古土壤的礦物成分、力學(xué)性質(zhì)及其他物理力學(xué)性能指標(biāo)與膨脹土有相似的地方。古土壤中含有黏粒，導(dǎo)致古土壤有弱膨脹性。古土壤由于其特殊的礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)，造成了其特殊的工程特性，具有和膨脹土類似的脹縮性能。

2、膨脹性黃土隧道開挖后，圍巖受到擾動(dòng)，產(chǎn)生體積膨脹，導(dǎo)致圍巖向洞內(nèi)塑性擠出或底板隆起，同時(shí)對(duì)隧道構(gòu)筑物產(chǎn)生膨脹壓力，進(jìn)而導(dǎo)致隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞失效，影響隧道穩(wěn)定性。

3、但是現(xiàn)有的脹性黃土隧道錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)主要采用經(jīng)驗(yàn)類比的方法，不能充分考慮黃土的膨脹性，缺乏一種系統(tǒng)的、科學(xué)的、能夠準(zhǔn)確定量錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、1.要解決的技術(shù)問題

2、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中脹性黃土隧道錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)主要采用經(jīng)驗(yàn)類比的方法，不能充分考慮黃土膨脹性的問題，而提出的一種膨脹性黃土隧道錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)方法。

3、2.技術(shù)方案

4、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

5、一種膨脹性黃土隧道錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

6、步驟1：計(jì)算并繪制不同膨脹力作用下圍巖響應(yīng)曲線，具體步驟為根據(jù)圍巖變形情況，將圍巖劃分為塑性區(qū)和彈性區(qū)，基于圓形軸對(duì)稱隧道彈塑性解析解，引入膨脹力psw，建立求解黃土隧道位移的公式，得到其臨空面徑向位移與支護(hù)力間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即黃土隧道圍巖響應(yīng)曲線；

7、步驟2：輸入錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算并繪制支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線，具體步驟包括：

8、s2.1：根據(jù)支護(hù)單元特征方程計(jì)算各支護(hù)單元支護(hù)力；

9、s2.2：計(jì)算組合支護(hù)結(jié)構(gòu)極限支護(hù)力和極限變形；

10、s2.3：確定組合支護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度；

11、s2.4：計(jì)算支護(hù)起始位置處臨空面位移；

12、s2.5：繪制支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線；

13、步驟3：聯(lián)立圍巖響應(yīng)曲線與支護(hù)特征曲線，確定平衡時(shí)的臨空面位移，并計(jì)算安全系數(shù)；

14、步驟4：判段安全系數(shù)是否可接受；

15、步驟5：若不可接受，持續(xù)調(diào)整支護(hù)參數(shù)直至計(jì)算出的安全系數(shù)滿足要求。

16、優(yōu)選地，所述步驟1中黃土隧道位移的公式，如下式：

17、

18、

19、psep＝(p0+psw)(1-sinφ)-ccosφ???????(3)

20、式中r0為圓形隧道半徑，p0為地應(yīng)力，ps為支護(hù)力，σr為徑向應(yīng)力，σθ為環(huán)向應(yīng)力；開挖后，靠近臨空面處圍巖環(huán)向應(yīng)力顯著增大，徑向應(yīng)力顯著減小，rp為圍巖塑性變形區(qū)域，ur0是臨空面處的徑向位移；c是粘聚力；φ是內(nèi)摩擦角；e是彈性模量；ν是泊松比；psep是圍巖彈塑性交界處的徑向應(yīng)力，psw是黃土膨脹力。

21、優(yōu)選地，所述s2.1中噴射混凝土最大支護(hù)力

22、

23、式中τc為混凝土抗剪強(qiáng)度，一般為抗壓強(qiáng)度的20％～43％；thc是噴層厚度；為噴射混凝土的剪切破壞角，一般取30°；φ是巖土的內(nèi)摩擦角；

24、錨桿最大支護(hù)力：

25、

26、

27、

28、

29、式中l(wèi)為錨桿長(zhǎng)度，sc為錨桿環(huán)向平均間距，s1為沿隧道軸向平均間距，tbf為錨桿抗拔試驗(yàn)中最終破壞荷載，θ0為巖石滑移線最大傾倒角，為巖石剪切破壞角，thr為巖石承壓拱厚度。

30、優(yōu)選地，所述s2.2中在不考慮支護(hù)間協(xié)調(diào)變形特性，把各支護(hù)單元的最大支護(hù)力相加，得到組合支護(hù)的極限支護(hù)力pcom,lim為：

31、pcom,lim＝pshot+pbolt???????(9)

32、各單元中噴射混凝土的剛度最大，從而允許的變形最小，因此組合支護(hù)結(jié)構(gòu)極限變形為混凝土的極限變形，即：

33、ucom,lim＝ushot，lim???????(10)

34、式中噴射混凝土極限變形ushot，lim可根據(jù)噴射混凝土的剛度kshot和最大支護(hù)力pshot求出，如下：

35、ushot,lim＝pshot/kshot???????(11)

36、其中，kshot可由下式計(jì)算：

37、

38、式中ec、νc分別為噴射混凝土的彈性模量和泊松比。

39、優(yōu)選地，所述s2.3中鑒于隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提是其中各個(gè)支護(hù)單元沒有破壞，即組合支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖二次應(yīng)力釋放過程中極限變形若未超出混凝土的極限變形ushot,lim則支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此得出其支護(hù)抗力pcom,lim與其變形地關(guān)系：

40、pcom,lim＝ducom,lim??????(13)

41、式中，d為組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度，在圍巖與支護(hù)關(guān)系同中則表示支護(hù)特征曲線的斜率，即支護(hù)力/位移；d受到支護(hù)結(jié)構(gòu)材料的多樣性及相互間的耦合作用影響；把式9、式10和式11代入式13，可確定d。

42、優(yōu)選地，所述s2.4中支護(hù)起始位置與掌子面間距l(xiāng)與起始位置處臨空面徑向位移usd之間的關(guān)系，即沿著隧道開挖方向隧洞未支護(hù)段的臨空面徑向位移，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

43、

44、式中umaxr0為圍巖不垮塌條件下的最大臨空面徑向位移。

45、優(yōu)選地，所述s2.5中根據(jù)s2.1和s2.2中所述公式，確定復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)極限支護(hù)力pcom,lim；根據(jù)s2.3中方程確定關(guān)鍵參數(shù)d；根據(jù)s2.4中所述公式，確定隧道支護(hù)起始位置處臨空面徑向位移usd；結(jié)合參數(shù)pcom,lim、d和usd，繪制支護(hù)特征曲線。

46、優(yōu)選地，所述步驟3中聯(lián)立圍巖響應(yīng)曲線與支護(hù)特征曲線，確定兩曲線交點(diǎn)處的坐標(biāo)，即平衡時(shí)的臨空面位移ueq和支護(hù)力peq；

47、把pcom,lim和peq代入式中計(jì)算安全系數(shù)fs，

48、

49、優(yōu)選地，所述步驟4中若安全系數(shù)fs大于目標(biāo)安全系數(shù)值a(a≥1)，即：

50、fs＞a???????(16)

51、則隧道穩(wěn)定狀態(tài)可接受，支護(hù)設(shè)計(jì)可接受，結(jié)束設(shè)計(jì)。

52、優(yōu)選地，當(dāng)所述步驟4的評(píng)判結(jié)果不能接受時(shí)，即：

53、fs≤a??????(17)

54、調(diào)整錨噴支護(hù)的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括：τc混凝土抗剪強(qiáng)度；thc噴層厚度；l錨桿長(zhǎng)度，sc錨桿環(huán)向平均間距，s1錨桿沿隧道軸向平均間距，tbf錨桿抗拔破壞荷載，重復(fù)步驟2至步驟4。

55、3.有益效果

56、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

57、本發(fā)明中，通過獲取考慮膨脹力的黃土隧道圍巖響應(yīng)曲線、錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)的特征曲線，并以安全系數(shù)作為穩(wěn)定性指標(biāo)，提供了錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)方法，使得設(shè)計(jì)參數(shù)更可靠、更合理，能提高隧道穩(wěn)定性，節(jié)約錨噴支護(hù)費(fèi)用。