一种隧道初期支护承担全部设计荷载的初期支护设计计算方法，其特征在于，以“两铰拱+2×2链杆+弹性抗力”、“两铰拱+10×2链杆”两种方法对隧道初期支护承担全部设计荷载的初期支护设计计算，该法的计算使得“结构”完全对应“荷载”，使得现场制定的“措施”与“问题”的对应关系更清晰，目的更明确；该法采用力法计算，可以得出完整的结构内力以及位移函数关系，明白反映结构内力以及位移的变化规律；采用为大众熟悉的普通理论，可以方便现场的技术人员对隧道初期支护进行设计计算，制定施工方案有了理论依据。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工程计算
，具体设计一种隧道初期支护承担全部设计荷载的初期支护设计计算方法，更具体说是一种软岩隧道初期支护承担全部设计荷载的初期支护采用结构力学力法设计计算的方法。
技术介绍
实践证明，软岩隧道开挖后围岩即呈松动状态，所以“新奥法”原理应用的基本条件——围岩呈弹—塑性条件不具备。因此，当前技术条件下，软岩隧道，尤其浅埋隧道不宜应用“新奥法”原理进行设计和施工，而应使用结构力学按照“荷载—结构”的模式进行设计以及施工。《铁路隧道设计规范》(TB1003—2005)规定：计算隧道衬砌时，围岩压力按松散压力考虑。并将上述荷载打折后按承载结构设计二次衬砌。目前铁路隧道采用的二次衬砌荷载折减系数围岩级别折减系数β说明Ⅱ，Ⅲ0.3二次衬砌作为安全储备Ⅳ，Ⅴ0.5～0.7二次衬砌作为承载结构这个规定兼顾了“新奥法”和“矿山法”的优点，但从安全角度看，似乎十分牢靠，其实不然。现今软岩隧道施工多采取台阶法分段开挖、支护，全断面支护全部形成后再按照先仰拱然后拱、墙两部整体式衬砌，也就是说衬砌端头与支护端头有一定距离，按照目前有关规定约为45m左右，然而，隧道的荷载大小是与开挖断面宽度、面积相关的，一旦全断面开挖出来，那么，隧道按照规范规定的荷载也就全部形成了，此时全部荷载由初期支护承担，而设计初期支护只承担一小部分荷载，其实际承受的荷载是设计荷载的两倍以上，初期支护必然破坏，结果就是塌方，此逻辑错误一；其二，现场常有这样的现象，当发现初期支护破坏严重，比如开裂、剥落，严重变形时，多采取尽快按照原设计参数的衬砌的措施处理，既然初期支护已经破坏，说明其已经失去了承载能力了，此时作用在二次衬砌上的荷载已经不是0.5～0.7了，而是全部荷载，所以结果必然导致二次衬砌的破坏。看来这个看似十分安全的规定安全隐患极大。首先对于目前较流行的“钢架+锁脚锚杆”的隧道初期支护施工方法，建立“两铰拱+2×2链杆+弹性抗力”的模型来计算，经此法计算，这种施工方法初期支护抗力基本达到极限状态，如果围岩稍有恶化(如地下水增大)以及初期支护背后回填不密实等，围岩无法提供有效的弹性抗力，则支护就会失稳破坏，所以，这是一种安全风险较高的支护方式。因此提出“钢架+系统受压锚杆”的更安全支护方式，相应的计算模型是“两铰拱+10×2链杆”，经计算，此法有足够的安全保障，是较理想的隧道初期支护方式。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提出一种隧道初期支护承担全部设计荷载的初期支护设计计算方法，建立计算模型，采用结构力学之力法进行计算，三台阶分三部分别进行计算。采用该法计算，关键是解决弹性抗力问题。传统的“假定抗力法”对于结构设计来说，是偏于安全的，但也同时造成初期支护结构无法完全承载的错误，这与现场严重不符。本法按照牛顿“作用力与反作用力”定律，将侧压力与弹性抗力综合考虑，实现了初期支护承担全部荷载的设计计算目的。该法的计算使得“结构”完全对应“荷载”，使得现场制定的“措施”与“问题”的对应关系更清晰，目的更明确；该法采用力法计算，可以得出完整地结构内力以及位移函数关系，明白反映结构内力以及位移的变化规律；采用为大众熟悉的普通理论，可以方便现场的技术人员对隧道初期支护进行设计计算，制定施工方案有了理论依据。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是:一种隧道初期支护承担全部设计荷载的初期支护设计计算方法，其特征在于，以“两铰拱+2×2链杆+弹性抗力”、“两铰拱+10×2链杆”两种方法对隧道初期支护承担全部设计荷载的初期支护设计计算，包括以下步骤：1)两铰拱+2×2链杆+弹性抗力法：a、载荷分析：垂直匀布压力按照三台阶法施工，施工拱部上台阶时，产生的荷载为总荷载的0.5倍，施工中台阶产生的荷载为总荷载的0.75倍，施工下台阶时，总荷载全部产生；水平均布压力有3种压力组成：主动土压力、围岩压碎后产生的碎涨力、支护结构位移受到围岩的阻碍而产生的弹性抗力，这三种压力综合采取侧压力系数λ来考虑；支护结构与围岩之间的摩阻力由锚杆和支护与围岩之间的摩擦力两种，但这两种摩阻力不同时起作用，当支护与围岩之间没有相对位移时，期间的摩阻力是二者之间的摩擦力，当支护与围岩之间有相对位移时，期间的摩阻力是由锚杆产生的，弯矩计算不考虑摩阻力；b、计算模型：初期支护底脚置于围岩上，其部分变形受到围岩的限制，所以拱脚实际型式为弹性无铰拱，但是，由于软岩的弹性抗力较小以及初期支护截面较薄，拱脚变形受到围岩的影响很小，可以忽略不计，所以，拱脚型式为活动铰，拱结构计算模型为两铰拱，按照三台阶法施工，下面分三部分别计算；中心夹角120°时，①内力计算，则力法方程如式(1)所示，并做Mi图；δ11X1+Δ1P＝0式中，MP为外荷载作用下的弯矩；为单位力X1＝1作用下的弯矩；为与中心线的夹角；λ为侧压力系数：Mi为结构弯矩；②位移计算制作位移计算简图，根据简图，结构位移f可式(2)所示，式中，为单位荷载P＝1作用下的弯矩，f为结构位移；③轴力计算制作位移计算简图，根据简图，轴力Νι如式(3)所示，弯矩最大处的轴力④承载力及弹性抗力计算按容许应力法设计，混凝土的弹性模量EC与混凝土立方体强度fcu,k之间的关系由式(4)所示，参照式(4)，乘以0.83系数，按照内插原理，确定低于C15强度的喷射混凝土弹性模量；分别计算弯曲变形，轴向变形；此断面的垂直荷载为规定的荷载的一半；在进行下一步计算：荷载计算，承载力检算，分别按喷射混凝土和钢架按如式(5)、式(6)所示；式中，Mh为混凝土所承担的弯矩；Nh为混凝土所承担的轴力；Ih为长度1.0m混凝土截面惯性矩；Ah为长度1.0m混凝土截面面积；fctd为混凝土设计抗压强度；Ms为型钢钢架所承担的弯矩；Ns为钢架所承担的轴力；Is为型钢钢架的截面惯性矩；As为型钢钢架的截面面积；f′scd为型钢钢材设计强度；⑤支座反力及地基承载力要求计算，根据支座反力计算简图计算合力、基地应力、与水平轴夹角；⑥考虑初期支护背后摩擦阻力的承载力计算，计算弯矩最大处的轴力，承载力检算；⑦按钢架单独承载计算；中心夹角180°时根据步骤①到⑦再经行计算；中心夹角240°时根据步骤①到⑦再经行计算；2)两铰拱+10×2链杆法围岩弹性抗力和初期支护背后的摩阻力是增强初期支护支撑能力的关键因素，如果围岩客观上无法有效提供弹性抗力和摩阻力，就必须采取人为的增设链杆支座。每增设一根锚杆(链杆支座)，弯矩就会减小一点，按照这个规律以及间距均匀和弯矩均匀的原则，以总应力(由弯矩和轴力产生)小于材料强度为条件，布置锚杆(支座链杆)，侯建结构计算模型；利用对称性，得两铰拱+10×2链杆支护结构基本体系图，力法方程式如下式所示：按照三台阶施工，按中心夹角120°、180°、240°分别计算结构弯矩、轴力；①中心夹角120°时，承载力计算，分别按式(5)、式(6)所示计算喷射混凝土和钢架承载力；②中心夹角180°时，承载力计算，分别按式(5)、式(6)所示计算喷射混凝土和钢架承载力；③中心夹角240°时，承载力计算，分别按式(5)、式(6)所示计算喷射混凝土和钢架承载力；3)按照三台阶法施工，分三部分别计算后，得出喷射混凝土的承载能力大于钢架，喷射混凝土应作为主要本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种隧道初期支护承担全部设计荷载的初期支护设计计算方法，其特征在于，以“两铰拱+2×2链杆+弹性抗力”、“两铰拱+10×2链杆”两种方法对隧道初期支护承担全部设计荷载的初期支护设计计算，包括以下步骤：1)两铰拱+2×2链杆+弹性抗力法：a、载荷分析：垂直匀布压力按照三台阶法施工，施工拱部上台阶时，产生的荷载为总荷载的0.5倍，施工中台阶产生的荷载为总荷载的0.75倍，施工下台阶时，总荷载全部产生；水平均布压力有3种压力组成：主动土压力、围岩压碎后产生的碎涨力、支护结构位移受到围岩的阻碍而产生的弹性抗力，这三种压力综合采取侧压力系数λ来考虑；支护结构与围岩之间的摩阻力由锚杆和支护与围岩之间的摩擦力两种，但这两种摩阻力不同时起作用，当支护与围岩之间没有相对位移时，其间的摩阻力是二者之间的摩擦力，当支护与围岩之间有相对位移时，其间的摩阻力是由锚杆产生的，弯矩计算不考虑摩阻力；b、计算模型：初期支护底脚置于围岩上，其部分变形受到围岩的限制，所以拱脚实际型式为弹性无铰拱，但是，由于软岩的弹性抗力较小以及初期支护截面较薄，拱脚变形受到围岩的影响很小，可以忽略不计，所以，拱脚型式为活动铰，拱结构计算模型为两铰拱，按照三台阶法施工，下面分三部分别计算；中心夹角120°时，①内力计算，则力法方程如式(1)所示，并做Mi图； δ11X1+Δ1P＝0X1=-Δ1Pδ11=0.018323(1-λ)qR2]]>式中，MP为外荷载作用下的弯矩；为单位力X1＝1作用下的弯矩；为与中心线的夹角；λ为侧压力系数：Mi为结构弯矩；②位移计算制作位移计算简图，根据简图，结构位移f可式(2)所示，式中，为单位荷载P＝1作用下的弯矩，f为结构位移；③轴力计算制作位移计算简图，根据简图，轴力Νι如式(3)所示，弯矩最大处的轴力④承载力及弹性抗力计算按容许应力法设计，混凝土的弹性模量EC与混凝土立方体强度fcu，k之间的关系由式(4)所示，Ec=1052.2+34.7fcu,k(N/mm2)---(4)]]>参照式(4)，乘以0.83系数，按照内插原理，确定低于C15强度的喷射混凝土弹性模量；分别计算弯曲变形，轴向变形；此断面的垂直荷载为规定的荷载的一半；在进行下一步计算：荷载计算，承载力检算，分别按喷射混凝土和钢架按如式(5)、式(6)所示；式中，Mh为混凝土所承担的弯矩；Nh为混凝土所承担的轴力；Ih为长度1.0m混凝土截面惯性矩；Ah为长度1.0m混凝土截面面积；fctd为混凝土设计抗压强度；Ms为型钢钢架所承担的弯矩；Ns为钢架所承担的轴力；Is为型钢钢架的截面惯性矩；As为型钢钢架的截面面积；f′scd为型钢钢材设计强度；⑤支座反力及地基承载力要求计算，根据支座反力计算简图计算合力、基地应力、与水平轴夹角；⑥考虑初期支护背后摩擦阻力的承载力计算，计算弯矩最大处的轴力，承载力检算；⑦按钢架单独承载计算；中心夹角180°时根据步骤①到⑦再经行计算；中心夹角240°时根据步骤①到⑦再经行计算；2)两铰拱+10×2链杆法围岩弹性抗力和初期支护背后的摩阻力是增强初期支护支撑能力的关键因素，如果围岩客观上无法有效提供弹性抗力和摩阻力，就必须采取人为的增设链杆支座；每增设一根锚杆(链杆支座)，弯矩就会减小一点，按照这个规律以及间距均匀和弯矩均匀的原则，以总应力(由弯矩和轴力产生)小于材料强度为条件，布置锚杆(支座链杆)，构建结构计算模型；利用对称性，得两铰拱+10×2链杆支护结构基本体系图，力法方程式如下式所示：δ11X1+δ12X2+δ13X3+δ14X4+δ15X5+δ16X6+δ17X7+δ18X8+δ19X9+δ110X10+δ111X11+Δ1P=0δ21X1+δ22X2+δ23X3+δ24X4+δ25X5+δ26X6+δ27X7+δ28X8+δ29X9+δ210X10+δ211X11+Δ2P=0δ31X1+δ32X2+δ33X3+δ34X4+δ35X5+δ36X6+δ37X7+δ38X8+δ39X9+δ310X10+δ311X11+Δ3P=0δ41X1+δ42X2+δ43X3+δ44X4+δ45X5+δ46X6+δ47...
【技术特征摘要】
1.一种隧道初期支护承担全部设计荷载的初期支护设计计算方法，其特征在于，以“两铰拱+2×2链杆+弹性抗力”、“两铰拱+10×2链杆”两种方法对隧道初期支护承担全部设计荷载的初期支护设计计算，包括以下步骤：1)两铰拱+2×2链杆+弹性抗力法：a、载荷分析：垂直匀布压力按照三台阶法施工，施工拱部上台阶时，产生的荷载为总荷载的0.5倍，施工中台阶产生的荷载为总荷载的0.75倍，施工下台阶时，总荷载全部产生；水平均布压力有3种压力组成：主动土压力、围岩压碎后产生的碎涨力、支护结构位移受到围岩的阻碍而产生的弹性抗力，这三种压力综合采取侧压力系数λ来考虑；支护结构与围岩之间的摩阻力由锚杆和支护与围岩之间的摩擦力两种，但这两种摩阻力不同时起作用，当支护与围岩之间没有相对位移时，其间的摩阻力是二者之间的摩擦力，当支护与围岩之间有相对位移时，其间的摩阻力是由锚杆产生的，弯矩计算不考虑摩阻力；b、计算模型：初期支护底脚置于围岩上，其部分变形受到围岩的限制，所以拱脚实际型式为弹性无铰拱，但是，由于软岩的弹性抗力较小以及初期支护截面较薄，拱脚变形受到围岩的影响很小，可以忽略不计，所以，拱脚型式为活动铰，拱结构计算模型为两铰拱，按照三台阶法施工，下面分三部分别计算；中心夹角120°时，①内力计算，则力法方程如式(1)所示，并做Mi图；δ11X1+Δ1P＝0X1=-Δ1Pδ11=0.018323(1-λ)qR2]]>式中，MP为外荷载作用下的弯矩；为单位力X1＝1作用下的弯矩；为与中心线的夹角；λ为侧压力系数：Mi为结构弯矩；②位移计算制作位移计算简图，根据简图，结构位移f可式(2)所示，式中，为单位荷载P＝1作用下的弯矩，f为结构位移；③轴力计算制作位移计算简图，根据简图，...
【专利技术属性】
技术研发人员：剧仲林，
申请(专利权)人：中铁十二局集团有限公司，中铁十二局集团第四工程有限公司，
类型：发明
国别省市：山西;14
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