包括多荷载作用下二次衬砌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包括多荷载作用下二次衬砌的隧道复合式衬砌设计方法，二次衬砌不仅承担围岩压力，还承担水压力、结构附加恒载等荷载；通过安全系数分配，得出锚杆‑围岩承载拱、喷射混凝土层、二次衬砌的安全系数，并通过各自的计算模型以及围岩压力求出相应的初始设计参数。重新拟定二衬参数，使二衬在围岩压力、水压力、结构附加恒载等荷载组合下的安全系数不低于所分配的二衬安全系数。然后根据二衬施作时机校核该二衬参数能否满足作为单一结构时规范对其安全系数的要求并得到满足要求的二衬参数，与二衬的初始设计参数对比，校核并调整锚杆围岩承载拱与喷层的安全系数分配值，从而确定锚杆和喷层参数，实现复合式衬砌的量化设计。

Design Method of Tunnel Composite Lining Including Secondary Lining under Multiple Loads

The present invention relates to a tunnel composite lining design method including secondary lining under multiple loads. Secondary lining not only bears surrounding rock pressure, but also water pressure and additional dead load of structure. Through the allocation of safety factor, the safety factor of anchor bolt, surrounding rock bearing arch, shotcrete layer and secondary lining is obtained, and the safety factor of secondary lining is calculated by respective calculation models and surrounding rock pressure. The corresponding initial design parameters are obtained. The parameters of secondary lining are redefined so that the safety factor of secondary lining under combined loads of surrounding rock pressure, water pressure and additional dead load of structure is not lower than the safety factor of secondary lining allocated. Then, according to the operation time of the second lining, it checks whether the parameters of the second lining can meet the safety factor requirements of the code when it is used as a single structure and obtains the required parameters of the second lining. Compared with the initial design parameters of the second lining, it checks and adjusts the distribution values of the safety factor of the supporting arch and spray layer of the surrounding rock of the anchor, so as to determine the parameters of the anchor and spray layer and realize the quantitative design of the composite lining.

【技术实现步骤摘要】
包括多荷载作用下二次衬砌的隧道复合式衬砌设计方法
本专利技术属于隧道工程
，具体涉及一种包括多荷载作用下二次衬砌的隧道复合式衬砌设计方法。
技术介绍
目前高速铁路隧道复合式衬砌支护参数主要采用工程类比法进行设计，其设计理念是：Ⅱ、Ⅲ级围岩初期支护为承载主体，二次衬砌作为安全储备；Ⅳ、Ⅴ级围岩初期支护和二次衬砌都是承载主体，二次衬砌分担50～70％的围岩压力。其本质为将围岩压力乘以折减系数，以及自重、设备荷载作为主要荷载，气动力等作为附加荷载，对二次衬砌进行单独计算，并满足规范的安全系数要求。该方法在二衬围岩压力分担比例选取上具有较强的主观性，且无法得出复合式衬砌总的安全系数，所以该方法无法做到定量设计，从而无法保证工程的安全性与经济性。还有研究按照总安全系数法对复合式衬砌仅承担围岩压力进行了设计，但二次衬砌除承受围岩压力外，在某些条件下还承受水压力、振动荷载、设备荷载、铁路隧道空气动力学效应产生气动荷载等，这些荷载的特性与围岩压力不同，围岩压力由锚杆围岩承载拱、喷射混凝土层、二次衬砌共同承担，而水压力、振动荷载、设备荷载一般仅由二衬单独承担，因此需要有相应的设计方法。
技术实现思路
本专利技术实施例涉及一种包括多荷载作用下二次衬砌的隧道复合式衬砌设计方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。本专利技术实施例涉及一种包括多荷载作用下二次衬砌的隧道复合式衬砌设计方法，复合式衬砌包括由锚杆围岩承载拱、喷射混凝土层和二次衬砌组成的三层复合结构，所述设计方法包括如下步骤：步骤一，计算复合式衬砌承担的围岩压力代表值q0；步骤二，确定复合式衬砌的总安全系数K；步骤三，将所述总安全系统分配为锚杆围岩承载拱安全系数K10、喷层安全系数K20和二衬安全系数K30；步骤四，建立锚杆围岩承载拱计算模型、喷射混凝土层计算模型和二衬计算模型，基于所述围岩压力代表值q0的作用，分别计算出锚杆参数X10、喷层参数X20和二衬初始参数X30；步骤五，计算二次衬砌所承担的除围岩压力之外的其余荷载，所述其余荷载包括水压力q1、结构附加恒载q2和气动力q3；步骤六，按照安全系数法设计原理对q0、q1、q2及q3进行荷载组合，并基于组合荷载Q1，通过所述二衬计算模型，计算二衬设计参数X31，并校核在所述Q1作用下所述X31所对应的二衬安全系数是否不低于所述K30，若是，则保留该X31，若否，则调整二次衬砌的结构参数，直至得到满足要求的X31；步骤七，计算在二次衬砌施作时机下所述X31所对应的二衬安全系数K31，校核所述K31是否满足该二次衬砌作为单一结构时铁路隧道设计规范对其安全系数的要求，若是，则将该X31作为最终二衬参数X32，若否，则调整二次衬砌的结构参数，直至得到满足要求的最终二衬参数X32；步骤八，若X32＝X30，则将所述X10和所述X20作为初期支护参数；若X32≠X30，则通过所述二衬计算模型，计算所述X32所对应的二衬安全系数K32，并重新分配锚杆围岩承载拱安全系数和喷层安全系数，继而重新计算锚杆参数X10和喷层参数X20。作为实施例之一，步骤七中，所述K31的计算方法包括：确定二次衬砌施作时机时二次衬砌所承受的组合荷载Q2，并基于所述X31，通过所述二衬计算模型，计算出所述K31；其中，若二次衬砌在围岩变形稳定前施作，则确定二次衬砌提前承受的围岩压力q01，所述Q2为q01、q1、q2及q3的组合；若二次衬砌在围岩变形稳定后施作，所述Q2为q1、q2及q3的组合。作为实施例之一，所述q01的确定方法为：施工监控测量得到的围岩稳定时的位移值为Ud，二次衬砌施工时围岩的位移为Us，所述q01按如下公式计算：作为实施例之一，步骤七中，二次衬砌作为单一结构时，若其为素混凝土结构且由抗压强度控制，则要求其安全系数不低于2.0；若其为素混凝土结构且由抗拉强度控制，则要求其安全系数不低于3.0；若其为钢筋混凝土结构且由钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度控制，则要求其安全系数不低于1.7；若其为钢筋混凝土结构且由混凝土抗拉强度控制，则要求其安全系数不低于2.0。作为实施例之一，步骤八中，锚杆围岩承载拱安全系数和喷层安全系数的重新分配方法包括：将所述总安全系数K减去所述K32后的剩余安全系数值重新分配给锚杆围岩承载拱和喷射混凝土层，若所述剩余安全系数值小于2.1，该剩余安全系数值取2.1。作为实施例之一，所述总安全系数K＞3.6；步骤三中，安全系数分配时，控制K10+K20+K30＝K，且K10+K20大于2.1。作为实施例之一，所述二衬计算模型是基于有限元的计算模型，其建立方法包括：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，切向弹簧刚度取径向弹簧刚度的1/3；求得二次衬砌的内力后，采用破损阶段法计算二衬安全系数，并与所述K30进行比较，不断调整二次衬砌的结构参数直到所得的二衬安全系数等于所述K30。作为实施例之一，所述锚杆围岩承载拱计算模型是基于有限元的计算模型，其建立方法包括：锚岩承载拱采用梁单元模拟，采用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；其中，锚岩承载拱的厚度为锚杆的外端头按设定角度往隧道内侧进行压力扩散时相邻锚杆压力扩散后的交点所形成的连线与喷层的距离；求得承载拱的内力后，采用破损阶段法计算锚杆围岩承载拱安全系数，并与所述K10进行比较，不断调整锚杆参数直到所得的锚杆围岩承载拱安全系数等于所述K10。作为实施例之一，所述喷射混凝土层计算模型是基于有限元的计算模型，其建立方法包括：喷射混凝土层采用梁单元模拟，结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧和切向弹簧模拟，切向弹簧刚度取径向弹簧刚度的1/3；求得喷射混凝土层的内力后，采用破损阶段法计算喷层安全系数，并与所述K20进行比较，不断调整喷射混凝土层的结构参数直到所得的喷层安全系数等于所述K20。作为实施例之一，所述q0的计算方法包括：1)当隧道埋深H≥nD时，D为洞径，n为自然数且在10～15范围内取值，所述q0的计算公式包括：竖向均布荷载：q竖向＝αγ(Rpd-a)水平均布荷载：q水平＝βλq其中，Rpd采用如下公式计算：Rpd为Pi＝0时，θ位置处隧道塑性区半径，θ为与隧道横轴的夹角，取45°；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；P0为围岩初始应力；c为围岩粘聚力；为围岩内摩擦角；R0为隧道开挖半径；a为当量圆圆心至45°位置处隧道开挖边界的距离；2)当2.5hq<H<nD时，其中，hq＝0.45×2S-1ω，式中：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，i为B每增减1m时的围岩压力增减率；所述q0的计算方法包括：采用实际隧道埋深下的弹塑性有限元方法求解无支护时的隧道塑性区范围，并取拱部90°范围内的隧道平均塑性区高度作为围岩压力代表值的等效高度；3)当H<2.5hq时，采用浅埋围岩压力公式计算所述q0。本专利技术实施例至少具有如下有益效果：本实施例提供的复合式衬砌隧道的设计方法，至少具有如下有益效果：(1)基于围岩压力及其他荷载的多荷载组合作用，以及基于安全系数法分配的二衬安全系数，通过二次衬砌计算模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包括多荷载作用下二次衬砌的隧道复合式衬砌设计方法，复合式衬砌包括由锚杆围岩承载拱、喷射混凝土层和二次衬砌组成的三层复合结构，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：步骤一，计算复合式衬砌承担的围岩压力代表值q0；步骤二，确定复合式衬砌的总安全系数K；步骤三，将所述总安全系统分配为锚杆围岩承载拱安全系数K10、喷层安全系数K20和二衬安全系数K30；步骤四，建立锚杆围岩承载拱计算模型、喷射混凝土层计算模型和二衬计算模型，基于所述围岩压力代表值q0的作用，分别计算出锚杆参数X10、喷层参数X20和二衬初始参数X30；步骤五，计算二次衬砌所承担的除围岩压力之外的其余荷载，所述其余荷载包括水压力q1、结构附加恒载q2和气动力q3；步骤六，按照安全系数法设计原理对q0、q1、q2及q3进行荷载组合，并基于组合荷载Q1，通过所述二衬计算模型，计算二衬设计参数X31，并校核在所述Q1作用下所述X31所对应的二衬安全系数是否不低于所述K30，若是，则保留该X31，若否，则调整二次衬砌的结构参数，直至得到满足要求的X31；步骤七，计算在二次衬砌施作时机下所述X31所对应的二衬安全系数K31，校核所述K31是否满足该二次衬砌作为单一结构时铁路隧道设计规范对其安全系数的要求，若是，则将该X31作为最终二衬参数X32，若否，则调整二次衬砌的结构参数，直至得到满足要求的最终二衬参数X32；步骤八，若X32＝X30，将所述X10和所述X20作为初期支护参数；若X32≠X30，则通过所述二衬计算模型，计算所述X32所对应的二衬安全系数K32，并重新分配锚杆围岩承载拱安全系数和喷层安全系数，继而重新计算锚杆参数X10和喷层参数X20。...

【技术特征摘要】
1.一种包括多荷载作用下二次衬砌的隧道复合式衬砌设计方法，复合式衬砌包括由锚杆围岩承载拱、喷射混凝土层和二次衬砌组成的三层复合结构，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：步骤一，计算复合式衬砌承担的围岩压力代表值q0；步骤二，确定复合式衬砌的总安全系数K；步骤三，将所述总安全系统分配为锚杆围岩承载拱安全系数K10、喷层安全系数K20和二衬安全系数K30；步骤四，建立锚杆围岩承载拱计算模型、喷射混凝土层计算模型和二衬计算模型，基于所述围岩压力代表值q0的作用，分别计算出锚杆参数X10、喷层参数X20和二衬初始参数X30；步骤五，计算二次衬砌所承担的除围岩压力之外的其余荷载，所述其余荷载包括水压力q1、结构附加恒载q2和气动力q3；步骤六，按照安全系数法设计原理对q0、q1、q2及q3进行荷载组合，并基于组合荷载Q1，通过所述二衬计算模型，计算二衬设计参数X31，并校核在所述Q1作用下所述X31所对应的二衬安全系数是否不低于所述K30，若是，则保留该X31，若否，则调整二次衬砌的结构参数，直至得到满足要求的X31；步骤七，计算在二次衬砌施作时机下所述X31所对应的二衬安全系数K31，校核所述K31是否满足该二次衬砌作为单一结构时铁路隧道设计规范对其安全系数的要求，若是，则将该X31作为最终二衬参数X32，若否，则调整二次衬砌的结构参数，直至得到满足要求的最终二衬参数X32；步骤八，若X32＝X30，将所述X10和所述X20作为初期支护参数；若X32≠X30，则通过所述二衬计算模型，计算所述X32所对应的二衬安全系数K32，并重新分配锚杆围岩承载拱安全系数和喷层安全系数，继而重新计算锚杆参数X10和喷层参数X20。2.如权利要求1所述的包括多荷载作用下二次衬砌的隧道复合式衬砌设计方法，其特征在于，步骤七中，所述K31的计算方法包括：确定二次衬砌施作时机时二次衬砌所承受的组合荷载Q2，并基于所述X31，通过所述二衬计算模型，计算出所述K31；其中，若二次衬砌在围岩变形稳定前施作，则确定二次衬砌提前承受的围岩压力q01，所述Q2为q01、q1、q2及q3的组合；若二次衬砌在围岩变形稳定后施作，所述Q2为q1、q2及q3的组合。3.如权利要求2所述的包括多荷载作用下二次衬砌的隧道复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述q01的确定方法为：施工监控测量得到的围岩稳定时的位移值为Ud，二次衬砌施工时围岩的位移为Us，所述q01按如下公式计算：4.如权利要求1至3中任一项所述的包括多荷载作用下二次衬砌的隧道复合式衬砌设计方法，其特征在于，步骤七中，二次衬砌作为单一结构时，若其为素混凝土结构且由抗压强度控制，则要求其安全系数不低于2.0；若其为素混凝土结构且由抗拉强度控制，则要求其安全系数不低于3.0；若其为钢筋混凝土结构且由钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度控制，则要求其安全系数不低于1.7；若其为钢筋混凝土结构且由混凝土抗拉强度控制，则要求其安全系数不低于2.0。5.如权利要求1所述的包括多荷载作用下二次衬砌的隧道复合式衬砌设计方法，其特征在于，步骤八中，锚杆围岩承载拱安全系数和喷层安全系数的重新分配方法包括：将所述总安全系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖明清，徐晨，孙文昊，邓朝辉，薛光桥，
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