一种基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法，所述方法包括确定所述复合式衬砌的围岩压力代表值；根据支护类型确定复合式衬砌的总安全系数；将确定的复合式衬砌的总安全系数初步分配，得到喷层、锚杆‑围岩承载拱和二次衬砌各自的安全系数；根据各安全系数的分配结果和其对应的荷载结构模型，确定喷层、锚杆和二次衬砌的参数；根据喷层、二次衬砌的参数，采用复合结构模型得出复合结构整体破坏阶段的荷载比例系数，通过比较荷载比例系数与喷层、二衬安全系数之和的关系可以得到各支护构件之间的强度匹配性；根据总安全系数多组分配结果拟定的多组支护参数，通过强度匹配性、经济性、可实施性比选，综合分析，选择最优支护方案。

A Design Method of Tunnel Composite Lining Based on Total Safety Factor Method

The present invention relates to a tunnel composite lining design method based on the total safety factor method, which includes determining the representative value of surrounding rock pressure of the composite lining, determining the total safety factor of the composite lining according to the type of support, preliminarily distributing the total safety factor of the determined composite lining, and obtaining the respective safety systems of the shotcrete, anchor, surrounding rock bearing arch and secondary lining. The parameters of shotcrete, bolt and secondary lining are determined according to the distribution results of each safety factor and the corresponding load structure model. According to the parameters of shotcrete and secondary lining, the load proportion coefficient of composite structure in the whole failure stage is obtained by using the composite structure model. By comparing the relationship between the load proportion coefficient and the sum of the safety factors of shotcrete and secondary lining, the supporting structures can be obtained. Strength matching between components; According to the results of multi-component allocation of total safety factor, the multi-group support parameters are drawn up. Through the comparison of strength matching, economy and practicability, the optimal support scheme is selected through comprehensive analysis.

【技术实现步骤摘要】
一种基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法
本专利技术属于隧道工程领域，具体涉及一种基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法。
技术介绍
复合式衬砌由系统锚杆或者锚索、喷射混凝土、钢拱架、防水层、模筑混凝土组成，是广泛应用在采矿、水工洞室、交通隧道的一种支护形式，在以往复合式衬砌的设计中主要依靠工程类比和经验取值，无法做到量化设计，对工程的安全性与经济性带来不利影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种隧道复合式衬砌的设计方法，将复合式衬砌支护构件分为锚杆-围岩承载拱、喷射混凝土层(包括喷射混凝土、钢筋网片和钢拱架等，下文统一简称：喷层)、二次衬砌三层承载结构，建立了喷层的荷载结构模型(模型一)、锚杆-围岩承载拱的荷载结构模型(模型二)、二次衬砌的荷载结构模型(模型三)，通过计算得到三者各自的安全系数，三者的安全系数相加即为复合式衬砌的总安全系数，使总安全系数满足施工期和运营期的设计要求，并通过对支护构件的强度匹配性、支护参数的经济性、可实施性进行比选，最终实现支护结构的优化设计，本专利技术的技术方案如下：一种基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法，所述方法包括以下步骤：S1，确定所述复合式衬砌的围岩压力代表值；S2，根据支护类型确定复合式衬砌的总安全系数的取值；S3，将所述S2中确定的复合式衬砌的总安全系数初步分配，得到多种分配组合，每组分配组合包括喷层安全系数、锚杆-围岩承载拱安全系数和二次衬砌安全系数；S4，根据每组分配组合中的喷层安全系数，采用喷层的荷载结构模型，计算对应每组分配组合对应的喷层参数，所述喷层参数包括喷层的强度等级、厚度和钢拱架参数等；S5，根据每组分配组合中的二次衬砌安全系数，采用二次衬砌的荷载结构模型，计算每组分配组合对应的二次衬砌参数，所述二次衬砌参数包括二次衬砌的混凝土等级、厚度和配筋参数等；S6，根据每组分配组合中的喷层、二次衬砌和锚杆-围岩承载拱的安全系数，采用锚杆-围岩承载拱荷载结构模型，计算每组分配组合对应的锚杆参数，所述锚杆参数包括锚杆的长度、直径、材质以及相邻锚杆的间距等；S7，根据每组分配组合中计算得出的喷层参数和二次衬砌的参数，采用复合结构模型，计算每组分配组合对应的复合结构整体破坏阶段的荷载比例系数以及喷层、二次衬砌的破坏顺序和对应的破坏荷载；S8，根据每组分配组合中的喷层安全系数、锚杆-围岩承载拱安全系数和二次衬砌安全系数以及每组分配组合计算出的喷层参数、二次衬砌参数、锚杆参数和荷载比例系数进行支护构件的强度匹配性、经济性、可实施性比选，综合分析，得到更为经济合理的支护方案。进一步地，所述S1具体为：当埋深H≥10～15倍洞径D时，围岩压力代表值的计算公式如下：竖向均布荷载：q＝αγ(Rpd-a)；水平均布荷载：e＝βλq；其中，其中，γ为围岩重度；λ为围岩侧压力系数；α、β分别为拱部和侧部围岩压力调整系数，一般不小于1.2，同时根据围岩产状等因素进行调整(如水平岩层，α可取大于1.0的系数，β可取小于1.0的系数)；Pi为支护力，计算时Pi＝0；Rpd为隧道塑性区的半径；P0为围岩初始应力；c为围岩粘聚力；为围岩内摩擦角；θ为与隧道横轴的夹角，计算时取45°；R0为隧道开挖半径，断面非圆形时取当量圆半径；a为当量圆圆心至45°位置处隧道开挖边界的距离；当2.5hq<H<(10～15)D时；其中，hq＝0.45×2S-1ω；其中，S为围岩级别；ω为宽度影响系数，ω＝1+i(B-5)；B为坑道宽度(m)；i为B每增减1m时的围岩压力增减率，当B<5m时，取i＝0.2；B>5m时，可取i＝0.1；采用实际埋深下的弹塑性有限元方法求解无支护时的塑性区范围，并取拱部90°范围内的平均塑性区高度作为围岩压力代表值的等效高度，为保证安全，也可直接采用H＝(10～15)D时的公式计算值；当H<2.5hq时；采用《隧道设计规范TB10003-2016》附录E中浅埋围岩压力公式E.0.2-1～E.0.2-1计算；软弱围岩的围岩压力代表值需要考虑空间效应(两侧较好围岩的夹持作用)以及超前注浆加固圈对围岩压力的折减作用。进一步地，所述S2中总安全系数的取值应满足：运营阶段总安全系数Kop≥3.0～3.6；施工阶段的总安全系数Kc≥1.8～2.1；总安全系数可以根据结构重要性、围岩具体条件以及施工质量控制因素进行调整；其中，在施工阶段无二次衬砌，总安全系数由喷层、锚杆-围岩承载拱的安全系数之和构成。进一步地，S3中对复合式衬砌的总安全系数初步分配的分配原则与分配方法采用以下公式计算：施工阶段：Kc＝K1+K2；运营阶段：采用耐久性锚杆时：Kop＝K1+K2+K3；采用非耐久性锚杆时：Kop＝K1+K3；其中，K1、K2、K3分别为喷层、锚-围承载拱、二次衬砌的安全系数；其中，在施工阶段无二次衬砌，总安全系数由喷层、锚杆-围岩承载拱的安全系数之和构成；在运营阶段，采用耐久性锚杆时的总安全系数由喷层、锚杆-围岩承载拱和二次衬砌的安全系数之和构成，采用非耐久性锚杆时的总安全系数由喷层和二次衬砌的安全系数之和构成。进一步地，S4中喷层的荷载结构模型的确定和每组分配组合中喷层参数的计算方法如下：喷层的荷载结构模型是基于有限元的计算模型，喷层采用梁单元模拟，结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧和切向弹簧模拟，切向弹簧刚度一般可取无拉径向弹簧刚度1/3左右，荷载采用所述步骤S1中的围岩压力代表值，求得喷层的内力后后，喷层参数和安全系数按现行《铁路隧道设计规范TB10003-2016》采用破损阶段法进行计算，当喷层内设置了钢架、钢筋网时，按钢筋混凝土或型钢-混凝土组合结构计算，喷层作为结构层的最小厚度不宜小于8cm，当厚度小于8cm时不计入喷层参数。进一步地，S5中二次衬砌的荷载结构模型的确定和每组分配组合中二次衬砌参数的计算方法如下：二次衬砌的荷载结构模型是基于有限元的计算模型，二次衬砌采用梁单元模拟，拱墙铺设防水板区域采用无拉径向弹簧模拟，仰拱区域与初支接触采用无拉径向弹簧和切向弹簧模拟，切向弹簧刚度一般可取无拉径向弹簧的1/3左右，荷载采用所述步骤S1中的围岩压力代表值；求得二次衬砌的内力后，二次衬砌参数和安全系数按现行《铁路隧道设计规范TB10003-2016》采用破损阶段法进行计算。进一步地，S6中锚杆-围岩承载拱的荷载结构模型的确定和每组分配组合中锚杆参数的计算方法如下：S61：锚杆的外端头按一定角度(根据围岩物理力学指标在30～45°角之间选择，强度高的围岩取大值)往隧道内侧进行压力扩散，相邻锚杆压力扩散后的交点所形成的连线即为承载拱的外边线，承载拱内边线为喷层外表面，采用梁单元模拟锚杆-围岩承载拱，采用无拉径向弹簧模拟围岩与承载拱的相互作用，拱脚处采用弹性支撑，荷载采用所述步骤S1中的围岩压力代表值；S62：求得承载拱的内力后，锚杆参数和锚杆-围岩承载拱安全系数按《隧道设计规范TB10003-2016》计算。其中，锚杆-围岩承载拱范围内围岩的极限强度仅考虑支护后增加的强度，计算公式如下：其中：[σc]为承载拱范围内围岩的极限强度，σ3为喷层与锚杆提供的支护力；由锚杆提供的支护力σ32，计算公式如下：σ32＝min[fyπ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1，确定所述复合式衬砌的围岩压力代表值；S2，根据支护类型确定复合式衬砌的总安全系数的取值；S3，将所述S2中确定的复合式衬砌的总安全系数初步分配，得到多种分配组合，每组分配组合包括喷层安全系数、锚杆‑围岩承载拱安全系数和二次衬砌安全系数；S4，根据每组分配组合中的喷层安全系数，采用喷层的荷载结构模型，计算对应每组分配组合对应的喷层参数；S5，根据每组分配组合中的二次衬砌安全系数，采用二次衬砌的荷载结构模型，计算每组分配组合对应的二次衬砌参数；S6，根据每组分配组合中的喷层、二次衬砌和锚杆‑围岩承载拱的安全系数，采用锚杆‑围岩承载拱荷载结构模型，计算每组分配组合对应的锚杆参数；S7，根据每组分配组合中计算得出的喷层参数和二次衬砌的参数，采用复合结构模型，计算每组分配组合对应的复合结构整体破坏阶段的荷载比例系数以及喷层、二次衬砌的破坏顺序和对应的破坏荷载；S8，根据每组分配组合中的喷层安全系数、锚杆‑围岩承载拱安全系数和二次衬砌安全系数以及每组分配组合计算出的喷层参数、二次衬砌参数、锚杆参数和荷载比例系数进行支护构件的强度匹配性、经济性、可实施性比选，综合分析，得到更为经济合理的支护方案。...

【技术特征摘要】
1.一种基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1，确定所述复合式衬砌的围岩压力代表值；S2，根据支护类型确定复合式衬砌的总安全系数的取值；S3，将所述S2中确定的复合式衬砌的总安全系数初步分配，得到多种分配组合，每组分配组合包括喷层安全系数、锚杆-围岩承载拱安全系数和二次衬砌安全系数；S4，根据每组分配组合中的喷层安全系数，采用喷层的荷载结构模型，计算对应每组分配组合对应的喷层参数；S5，根据每组分配组合中的二次衬砌安全系数，采用二次衬砌的荷载结构模型，计算每组分配组合对应的二次衬砌参数；S6，根据每组分配组合中的喷层、二次衬砌和锚杆-围岩承载拱的安全系数，采用锚杆-围岩承载拱荷载结构模型，计算每组分配组合对应的锚杆参数；S7，根据每组分配组合中计算得出的喷层参数和二次衬砌的参数，采用复合结构模型，计算每组分配组合对应的复合结构整体破坏阶段的荷载比例系数以及喷层、二次衬砌的破坏顺序和对应的破坏荷载；S8，根据每组分配组合中的喷层安全系数、锚杆-围岩承载拱安全系数和二次衬砌安全系数以及每组分配组合计算出的喷层参数、二次衬砌参数、锚杆参数和荷载比例系数进行支护构件的强度匹配性、经济性、可实施性比选，综合分析，得到更为经济合理的支护方案。2.根据权利要求1所述的基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述S1具体为：当埋深H≥10～15倍洞径D时，围岩压力代表值的计算公式如下：竖向均布荷载：q＝αγ(Rpd-a)；水平均布荷载：e＝βλq；其中，其中，γ为围岩重度；λ为围岩侧压力系数；α、β分别为拱部和侧部围岩压力调整系数；Pi为支护力，计算时取Pi＝0；Rpd为隧道塑性区的半径；P0为围岩初始应力；c为围岩粘聚力；为围岩内摩擦角；θ为与隧道横轴的夹角，计算时取θ＝45°；R0为隧道开挖半径，断面非圆形时取当量圆半径；a为当量圆圆心至45°位置处隧道开挖边界的距离；当2.5hq<H<(10～15)D时；其中，hq＝0.45×2S-1ω；其中，S为围岩级别；ω为宽度影响系数，ω＝1+i(B-5)；B为坑道宽度(m)；i为B每增减1m时的围岩压力增减率，当B<5m时，取i＝0.2；B>5m时，可取i＝0.1；采用实际埋深下的弹塑性有限元方法求解无支护时的塑性区范围，并取拱部90°范围内的平均塑性区高度作为围岩压力代表值的等效高度；当H<2.5hq时；采用浅埋围岩压力公式E.0.2-1～E.0.2-1计算。3.根据权利要求1所述的基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法，其特征在于，S2中总安全系数的取值应满足：运营阶段总安全系数Kop≥3.0～3.6；施工阶段的总安全系数Kc≥1.8～2.1；总安全系数可以根据结构重要性、围岩具体条件以及施工质量控制因素进行调整；其中，在施工阶段无二次衬砌，总安全系数由喷层、锚杆-围岩承载拱的安全系数之和构成。4.根据权利要求1所述的基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法，其特征在于，S3中对复合式衬砌的总安全系数初步分配的分配原则与分配方法采用以下公式计算：施工阶段：Kc＝K1+K2；运营阶段：采用耐久性锚杆时：Kop＝K1+K2+K3；采用非耐久性锚杆时：Kop＝K1+K3；其中，K1、K2、K3分别为喷层、锚-围承载拱、二次衬砌的安全系数；其中，在施工阶段无二次衬砌，总安全系数由喷层、锚杆-围岩承载拱的安全系数之和构成；在运营阶段，采用耐久性锚杆时的总安全系数由喷层、锚杆-围岩承载拱和二次衬砌的安全系数之和构成，采用非耐久性锚杆时的总安全系数由喷层和二次衬砌的安全系数之和构成。5.根据权利要求1所述的基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法，其特征在于，S4中喷层的荷载结构模型的确定和每组分配组合中喷层参数的计算方法如下：喷层的荷载结构模型是基于有限元的计算模型，喷层采用梁单元模拟，结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧和切向弹簧模拟，切向弹簧刚度取无拉径向弹簧刚度的1/3，荷载采用所述步骤S1中的围岩压力代表值，求得喷层的内力后，喷层参数和安全系数采用破损阶段法进行计算。6.根据权利要求1所述的基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法，其特征在于，S5中二次衬砌的...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖明清，徐晨，
申请(专利权)人：中铁第四勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42