基于收敛-约束法的隧道钢架的支护特征曲线计算方法技术

本发明专利技术涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种基于收敛

【技术实现步骤摘要】
基于收敛
‑
约束法的隧道钢架的支护特征曲线计算方法


[0001]本专利技术涉及隧道施工
，具体涉及一种基于收敛
‑
约束法的隧道钢架的支护特征曲线计算方法
。

技术介绍

[0002]目前，隧道因其在改善公路技术状态
、
缩短运行距离
、
提高运输能力
、
减少事故等方面起到重要的作用，被广泛应用于交通建设中
。
在隧道的修建过程中，预应力锚杆虽然施工工艺相对复杂
、
施工造价相对较高，但具有承载能力高
、
控制基坑变形能力强的特点，因而隧道施工经常用到它
。
锚杆一般按照是否施工预应力可分为预应力锚杆和非预应力锚杆
。
预应力锚杆由自由段和锚固段组成，一般采用钢绞线作为锚杆杆体
。
施工流程上应先成孔，其后放置锚杆杆体，之后进行锚杆浆体的施工，浆体施工完毕并达到设计要求的强度之后，对钢绞线进行张拉施工预应力
。
由于预应力锚杆需进行张拉的程序，锚杆在下层土方开挖之前便可提供支护锚固力，因此该类型锚杆具有控制变形能力强的特点，而且前期的张拉工序能预先检验锚杆的承载力，质量更容易得到保证
。
[0003]锚杆与喷射混凝土等新型支护系统的出现与应用促进了隧道新奥法的发展，同时形成了一些适用于锚喷支护的计算与设计方法
。
这些计算方法不再采用传统的荷载假定，而是通过分析结构与岩体间的相互作用来分析围岩的稳定特征，其中收敛
‑
约束法
(
又称为特征曲线法
)
是经常用到的一种方法
。
收敛
‑
约束法认为隧道支护体系由支护结构和周围岩体构成，围岩作为主要的承载单元与支护构成共同承载体，它们之间互相依存，协调变形，其基本原理是利用围岩特征曲线和支护结构特征曲线交会的办法来决定支护体系的最佳平衡条件
。
[0004]随着隧道工程在开挖中对变形控制要求越来越严格，钢架支护配合预应力锚杆在隧道施工中被应用，然而传统的收敛
‑
约束法中没有考虑到钢架支护与预应力锚杆配合使用的情况，使得采用传统的收敛
‑
约束法获取支护特征曲线，再将该支护特征曲线与围岩特征曲线交会，获得的支护体系的最佳平衡条件不够准确
。
[0005]因此，亟需一种支护特征曲线计算方法，将钢架支护和预应力锚杆配合情况考虑在内，使得支护特征曲线更符合目前的隧道施工情况，从而提高计算的准确性，以能够在使用收敛
‑
约束法时，更加准确地计算支护体系的最佳平衡条件
。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的不足，本专利技术提出一种基于收敛
‑
约束法的隧道钢架的支护特征曲线计算方法，提高支护特征曲线计算的准确性
。
[0007]本专利技术采用的技术方案是，一种基于收敛
‑
约束法的隧道钢架的支护特征曲线计算方法
。
[0008]在第一种可实现方式中，基于收敛
‑
约束法的隧道钢架的支护特征曲线计算方法，包括：
[0009]构建考虑预应力的隧道钢架系统，考虑预应力的隧道钢架系统包括钢架
、
锚杆和垫块；
[0010]获取考虑预应力的隧道钢架系统的结构参数和预应力常量；结构参数包括隧道参数
、
钢架参数
、
垫块参数和锚杆参数；
[0011]根据结构参数和预应力常量获取隧道钢架系统的位移特性；
[0012]根据位移特性获取隧道位移量；
[0013]根据位移特性和隧道位移量获取隧道钢架的支护特征曲线
。
[0014]结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，预应力常量包括预应力值和受力变形特征量，受力变形特征量通过以下方式获取：
[0015]在锚杆拉拔实验中，分别施加多个不同的拉力，测量各拉力对应的锚杆实测伸长值；
[0016]计算各拉力对应的锚杆计算伸长值；
[0017]根据各拉力及各拉力对应的锚杆实测伸长值和锚杆计算伸长值获取受力变形特征量
。
[0018]结合第一种可实现方式，在第三种可实现方式中，根据结构参数和预应力常量获取隧道钢架系统的位移特性，包括：
[0019]根据隧道参数
、
钢架参数
、
垫块参数获取第一备选位移特性；
[0020]根据锚杆参数和预应力常量获取第二备选位移特性；
[0021]根据第一备选位移特性和第二备选位移特性确定最终的位移特性
。
[0022]结合第三种可实现方式，在第四种可实现方式中，第一备选位移特性通过以下公式获取：
[0023][0024]在上式中，
K
s
为第一备选位移特性，
a
为隧道半径，
s
为沿隧道长度方向的支撑间距，
θ
为楔点之间夹角的一半，
w
为支撑翼缘宽度，
A
s
为钢架截面积，
I
s
为钢架截面惯性矩，
E
s
为钢的弹性模量，
t
B
为垫块厚度，
E
B
为垫块材料的弹性模量
。
[0025]结合第三种可实现方式，在第五种可实现方式中，第二备选位移特性通过以下公式获取：
[0026][0027]在上式中，
K
b
为第二备选位移特性，
s
c
为锚杆的环向间距，
s1为锚杆的纵向间距，
d
b
为锚杆的直径，
l
b
为锚杆的净长度，
E
b
为锚杆的弹性模量，
f
pre
为拟施加的预应力值，
Q
为受力变形特征量
。
[0028]结合第三种可实现方式，在第六种可实现方式中，根据第一备选位移特性和第二备选位移特性确定最终的位移特性，包括：
[0029]将第一备选位移特性和第二备选位移特性相加，获得第三备选位移特性；所述最终的位移特性包括第一备选位移特性
、
第二备选位移特性和第三备选位移特性
。
[0030]结合第六种可实现方式，在第七种可实现方式中，根据位移特性获取隧道位移量，包括：
[0031]根据隧道参数
、
钢架参数和垫块参数获取第一最大支护抗力；
[0032]根据锚杆参数和预应力变量获取第二最大支护抗力；
[0033]根据第一最大支护抗力
、
第二最大支护抗力和位移特性获取隧道位移量
。
[0034本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于收敛
‑
约束法的隧道钢架的支护特征曲线计算方法，其特征在于，包括：构建考虑预应力的隧道钢架系统，考虑预应力的隧道钢架系统包括钢架
、
锚杆和垫块；获取考虑预应力的隧道钢架系统的结构参数和预应力常量；结构参数包括隧道参数
、
钢架参数
、
垫块参数和锚杆参数；根据结构参数和预应力常量获取隧道钢架系统的位移特性；根据位移特性获取隧道位移量；根据位移特性和隧道位移量获取隧道钢架的支护特征曲线
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预应力常量包括预应力值和受力变形特征量，受力变形特征量通过以下方式获取：在锚杆拉拔实验中，分别施加多个不同的拉力，测量各拉力对应的锚杆实测伸长值；计算各拉力对应的锚杆计算伸长值；根据各拉力及各拉力对应的锚杆实测伸长值和锚杆计算伸长值获取受力变形特征量
。3.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据结构参数和预应力常量获取隧道钢架系统的位移特性，包括：根据隧道参数
、
钢架参数
、
垫块参数获取第一备选位移特性；根据锚杆参数和预应力常量获取第二备选位移特性；根据第一备选位移特性和第二备选位移特性确定最终的位移特性
。4.
根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一备选位移特性通过以下公式获取：在上式中，
K
s
为第一备选位移特性，
a
为隧道半径，
s
为沿隧道长度方向的支撑间距，
θ
为楔点之间夹角的一半，
w
为支撑翼缘宽度，
A
s
为钢架截面积，
I
s
为钢架截面惯性矩，
E
s
为钢的弹性模量，
t
B
为垫块厚度，
E
B
为垫块材料的弹性模量
。5.
根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第二备选位移特性通过以下公式获取：在上式中，
K
b
为第二备选位移特性，
s
c
为锚杆的环向间距，
s1为锚杆的纵向间距，
d
b
为锚杆的直径，
l
b
为锚杆的净长度，

【专利技术属性】
技术研发人员：刘敏，江星宏，余国红，李科，何江陵，邱志雄，黄哲学，曾鹏，
申请(专利权)人：广东省高速公路有限公司，
类型：发明
国别省市：