CN106351674B - 一种隧道钢架的复合锁脚构件及其受力分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种隧道钢架的复合锁脚构件及其受力分析方法。该复合锁脚构件在作用效果上集钢管和H型钢的优点于一身，避免了现有锁脚构件技术方案的不足，使钢架锁脚的效果大幅提高。如果注浆充填型钢与钢管两者间的间隙，还可使其支护效果进一步提高。另外，该复合锁脚构件无论在制作工艺还是组成结构上均较为简单，而且它的组装(H型钢外套钢管)及其与钢架之间的固定钢板均可在钢架锁脚施做之前加工制作完毕，节省了钢架锁脚的施做时间，使锁脚构件更早地发挥支护作用。该受力分析方法，能够快速对复合锁脚构支护作用下钢架拱脚的沉降量、复合锁脚构件以及下伏地基的受力情况进行分析，方便工程设计人员采用和参考。

Description

一种隧道钢架的复合锁脚构件及其受力分析方法

一、技术领域：

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种隧道钢架的复合锁脚构件及其受力分析方法。

二、背景技术：

在软弱地层隧道施工中，极易因钢架拱脚地基的承载力不足或台阶下部开挖至拱脚悬空而造成隧道拱部的整体下沉，导致初期支护侵限，进而诱发隧道拱顶的大幅沉降甚至塌方。因此，对钢架进行锁脚，抑制其拱脚沉降就显得尤为必要。

早期钢架锁脚常采用锚杆，但由于其抗弯能力差，目前钢架锁脚多采用钢管(或钢花管)，并进行注浆锚固。以上锁脚构件一般称作锁脚锚杆或锁脚锚管，被广泛应用于软弱地层隧道拱脚的沉降控制，且已被证明在大多数情况下是有效的。然而，对于隧道拱脚地基极为软弱或遭遇异常大变形的情况，若仍采用锁脚锚杆或锁脚锚管则难免会发生钢架锁脚的失效。针对钢架锁脚失效的问题，目前已有专家提出当采用锁脚锚管效果不理想时，宜采用锁脚型钢。因为在长度和用钢量相同的条件下，锁脚型钢比锁脚锚管具有更大的抗弯能力。尽管如此，但要保证锁脚型钢能为钢架提供有效支承，在锁脚型钢安装时需要考虑其与钻孔间的匹配，而且型钢与孔周土体间的接触条件也并不利于孔周土体的受力。而原本锁脚用的钢管就不存在这一问题，能够与钻孔紧密接触，实现完好匹配。

三、发明内容

本发明的提供一种隧道钢架的复合锁脚构件及其受力分析方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种隧道钢架的复合锁脚构件，其特征在于：所述复合锁脚构件由H型钢外套热轧无缝钢管组成；

所述复合锁脚构件的安装过程为：在隧道上台阶开挖并架设钢架后，复合锁脚构件穿过钢架拱脚上方焊接的固定钢板，实现钢架的锁脚；所述固定钢板在与钢架焊接之前已按复合锁脚构件中钢管的外径大小和钻孔位置打设预留口，焊接位置位于拱脚上方30～50cm处，其加工制作均在洞外完成。

所述的方法步骤为：

步骤1)：建立复合锁脚构件的力学分析模型；

步骤2)：确定复合锁脚构件端部与钢架连接处的作用荷载；

步骤3)：根据步骤1)建立的力学分析模型和步骤2)确定的复合锁脚构件端部与钢架连接处的作用荷载，求得复合锁脚构件各截面的挠度、弯矩、剪力以及下伏地基反力的分布情况；

步骤4)：根据步骤3)得到的复合锁脚构件各截面的挠度、弯矩、剪力以及下伏地基反力，进一步得到拱脚的沉降量、复合锁脚构件的最大弯矩和剪力以及下伏地基的受力；

步骤5)：根据步骤4)得到的拱脚沉降量、复合锁脚构件的最大弯矩和剪力以及下伏地基的受力，对拱脚沉降量、复合锁脚构件的强度以及下伏地基的承载力进行验算，若不满足验算要求，须调整复合锁脚构件的设计参数，重新验算直至满足验算要求，最终完成复合锁脚构件的设计。

所述步骤1)建立的复合锁脚构件的力学分析模型满足以下条件：

A：复合锁脚构件主要依靠自身横向承载力以抑制钢架的下沉，视为弹性地基上的直梁进行分析，复合锁脚构件所受地基反力服从温克尔假定，地基反力系数沿深度方向不变；

B：取复合锁脚构件的最不利工况进行分析设计，即不考虑拱脚下部开挖前拱脚地基对钢架的竖向支承作用，由复合锁脚构件支承钢架拱脚传递的全部作用荷载。

所述步骤2)中所述复合锁脚构件端部与钢架连接处的荷载，主要为钢架拱脚处传递并作用于复合锁脚构件端部的竖向荷载。

所述步骤5)中所述验算要求为：

A、钢架拱脚沉降量应小于允许值；

B、复合锁脚构件下伏地基的受力未超过地基的允许荷载或应力；

C、复合锁脚构件的应力应小于构件材料的屈服强度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

1.本发明的复合锁脚构件集钢管和型钢的优点于一身，在满足锁脚构件所需刚度的同时，可保持与钻孔完好匹配，由此能够获得孔周土体的有效支承，避免了现有锁脚构件技术方案的不足，使钢架锁脚的效果大幅提高；

2.复合锁脚构件的制作工艺较为简单，而且复合锁脚构件(H钢外套钢管)及其与钢架之间的固定钢板均可在钢架锁脚施做之前加工制作完毕，节省了锁脚构件的施做时间，使其更早地发挥支护作用，从而有利于围岩的初期稳定；

3.通过注浆充填复合锁脚构件中型钢与钢管两者间的间隙，使二者组合成整体结构而更好地协同工作，同时也增大了复合锁脚构件的抗弯刚度，可进一步提高支护效果；

4.本发明的复合锁脚构件受力分析方法，能够快速对复合锁脚构支护作用下钢架拱脚的沉降量、复合锁脚构件以及下伏地基的受力进行分析，并对钢架拱脚沉降量、锁脚构件的强度以及下伏地基的承载力进行验算，为复合锁脚构件的设计提供理论依据。

四、附图说明：

图1为复合锁脚构件主视图；

图2为图1的侧视图；

图3为复合锁脚构件的力学分析模型示意图；

标号说明：1—H型钢，2—热压无缝钢管，3—钢架，4—固定钢板。

五、具体实施方式

下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种隧道钢架的复合锁脚构件，所述复合锁脚构件由H型钢1外套热轧无缝钢管2组成；

所述复合锁脚构件的安装过程为：在隧道上台阶开挖并架设钢架后，复合锁脚构件穿过钢架拱脚上方焊接的固定钢板4，实现钢架的锁脚；所述固定钢板4在与钢架焊接之前已按复合锁脚构件中钢管的外径大小和钻孔位置打设预留口，焊接位置位于拱脚上方30～50cm处，其加工制作均在洞外完成。

一种隧道钢架的复合锁脚构件的受力分析方法，所述的方法步骤为：

步骤1)：建立复合锁脚构件的力学分析模型；

步骤2)：确定复合锁脚构件端部与钢架连接处的作用荷载；

步骤3)：根据步骤1)建立的力学分析模型和步骤2)确定的复合锁脚构件端部与钢架连接处的作用荷载，求得复合锁脚构件各截面的挠度、弯矩、剪力以及下伏地基反力的分布情况；

步骤4)：根据步骤3)得到的复合锁脚构件各截面的挠度、弯矩、剪力以及下伏地基反力，进一步得到拱脚的沉降量、复合锁脚构件的最大弯矩和剪力以及下伏地基的受力；

步骤5)：根据步骤4)得到的拱脚沉降量、复合锁脚构件的最大弯矩和剪力以及下伏地基的受力，对拱脚沉降量、复合锁脚构件的强度以及下伏地基的承载力进行验算，若不满足验算要求，须调整复合锁脚构件的设计参数，重新验算直至满足验算要求，最终完成复合锁脚构件的设计。

所述步骤1)建立的复合锁脚构件的力学分析模型满足以下条件：

A：复合锁脚构件主要依靠自身横向承载力以抑制钢架的下沉，视为弹性地基上的直梁进行分析，复合锁脚构件所受地基反力服从温克尔假定，地基反力系数沿深度方向不变；

B：取复合锁脚构件的最不利工况进行分析设计，即不考虑拱脚下部开挖前拱脚地基对钢架的竖向支承作用，由复合锁脚构件支承钢架拱脚传递的全部作用荷载。

所述步骤2)中所述复合锁脚构件端部与钢架连接处的荷载，主要为钢架拱脚处传递并作用于复合锁脚构件端部的竖向荷载。

所述步骤5)中所述验算要求为：

A、钢架拱脚沉降量应小于允许值；

B、复合锁脚构件下伏地基的受力未超过地基的允许荷载或应力；

C、复合锁脚构件的应力应小于构件材料的屈服强度。

实施例：

如图1和图2所示，所述复合锁脚构件由H型钢1外套热轧无缝钢管2组成，其加工制作和组装均在洞外完成；所述复合锁脚构件在隧道开挖下一台阶前，穿过钢架3拱脚上方焊接的固定钢板4，实现钢架3的锁脚；所述固定钢板4在与钢架焊接之前已按复合锁脚构件中钢管2的外径大小和钻孔位置打设预留口，焊接位置位于拱脚上方30～50cm处，其加工制作均在洞外完成。所述复合锁脚构件在施做后，可通过注浆充填H型钢1与钢管2两者间的间隙，使二者形成整体结构而更好地协同工作，同时可增大锁脚构件的抗弯刚度，进一步提高支护效果。

本发明的复合锁脚构件的受力分析方法，包括以下步骤：

首先建立复合锁脚构件的力学分析模型，如图3所示。所述力学分析模型满足以下条件：

A：复合锁脚构件主要依靠自身横向承载力以抑制钢架的下沉，可视为弹性地基上的直梁进行分析，复合锁脚构件所受地基反力服从温克尔假定，地基反力系数沿深度方向不变。

B：取复合锁脚构件的最不利工况进行分析设计，即不考虑拱脚下部开挖前拱脚地基对钢架的竖向支承作用，由复合锁脚构件支承钢架拱脚传递的全部作用荷载。

所述作用荷载主要为钢架拱脚处传递并作用于复合锁脚构件端部的竖向荷载，确定方法如下：考虑围岩荷载的逐步释放，不同荷载释放系数η下单榀钢架所受的荷载集度可表示为：

q＝ηq₀L_s (1)

若复合锁脚构件在拱脚处设置为单排(共2根)，则单根复合锁脚构件所受的竖向荷载为：

所述η为钢架承担的围岩荷载比例；所述q₀为总的竖向围岩荷载，可按相关隧道设计规范进行计算，单位为N/m；所述L_s为钢架的纵向间距，单位为m；所述l为上台阶开挖宽度，单位为m；所述F为作用于复合锁脚构件端部的竖向荷载，单位为N。

根据建立的复合锁脚构件的力学分析模型，如图2所示，可得在端部F作用下复合锁脚构件的挠曲线微分方程式为：

式(3)的通解可表示为

y＝e^ax(A₁cosαx+B₁sinαx)+e^-ax(C₁cosαx+D₁sinαx) (4)

其中A₁、B₁、C₁和D₁为四个任意常数，可由边界条件确定。

相应地，复合锁脚构件各截面的弯矩、剪力和下伏地基反力可表示为：

式中

F₁(x)＝e^αx cosαx F₂(x)＝e^αx(cosαx-sinαx)

F₃(x)＝e^αx sinαx F₄(x)＝e^αx(cosαx+sinαx)

G₁(x)＝e^-αx cosαx G₂(x)＝e^-αx(cosαx+sinαx)

G₃(x)＝e^-αx sinαx G₄(x)＝e^-αx(cosαx-sinαx)

利用复合锁脚构件近端的边界条件：

可得

式中

所述EI为复合锁脚构件的等效抗弯刚度，单位为N·m²，且有EI＝E_pI_p+E_sI_s，其中E_pI_p和E_sI_s分别为复合锁脚构件中钢管和型钢的抗弯刚度，单位均为N·m²；所述K为复合锁脚构件下伏地基的地基反力系数，单位为MPa/m；所述D为复合锁脚构件中钢管的直径，单位为m；所述L为复合锁脚构件的长度，单位为m；y为复合锁脚构件各截面的挠度，单位为m；M为复合锁脚构件各截面的弯矩，单位为N·m；Q为复合锁脚构件各截面的剪力，单位为N；p为复合锁脚构件各截面所受的地基反力，单位为N/m；所述θ为复合锁脚构件的打设角度，即与水平面的夹角，单位为°。

在确定A₁、B₁、C₁和D₁为四个任意常数后，即可由式(4)和(5)得到在端部F作用下复合锁脚构件各截面的挠度、弯矩、剪力以及下伏地基反力，进而得到钢架拱脚的沉降量、复合锁脚构件的最大弯矩和剪力以及下伏地基反力，步骤为：

1.确定钢架拱脚的沉降量：

因为钢架拱脚的沉降量与复合锁脚构件端部挠度的竖向分量同步产生，可得

所述v_j为复合锁脚构件支护作用下钢架拱脚的沉降量，单位为m；y₀为复合锁脚构件的端部挠度，单位为m。

2.确定复合锁脚构件所受的最大弯矩和最大剪力：

比较复合锁脚构件各截面的弯矩和剪力，确定复合锁脚构件的最大弯矩和最大剪力。

3.确定复合锁脚构件下伏地基的最大地基反力：

复合锁脚构件所受地基反力位于其端部，有：

最后，利用得到的复合锁脚构件支护作用下钢架拱脚的沉降量、复合锁脚构件的最大弯矩和最大剪力以及受下伏地基的最大地基反力，对拱脚沉降量、复合锁脚构件的强度以及下伏地基的承载力进行验算。须满足以下验算要求：钢架拱脚沉降量应小于允许值；复合锁脚构件的下伏地基的受力未超过地基的允许荷载(或应力)；复合锁脚构件的应力应小于构件材料的屈服强度。若不满足验算要求，须调整复合锁脚构件的设计参数，重新验算直至满足验算要求，最终完成复合锁脚构件的设计。

Claims (4)

1.一种隧道钢架的复合锁脚构件的受力分析方法，其特征在于：所述复合锁脚构件由H型钢（1）外套热轧无缝钢管（2）组成；

所述复合锁脚构件的安装过程为：在隧道上台阶开挖并架设钢架后，复合锁脚构件穿过钢架拱脚上方焊接的固定钢板（4），实现钢架的锁脚；所述固定钢板（4）在与钢架焊接之前已按复合锁脚构件中钢管的外径大小和钻孔位置打设预留口，焊接位置位于拱脚上方30~50cm处，其加工制作均在洞外完成；

受力分析方法的方法步骤为：

步骤1）：建立复合锁脚构件的力学分析模型；

步骤2）：确定复合锁脚构件端部与钢架连接处的作用荷载；

步骤3）：根据步骤1）建立的力学分析模型和步骤2）确定的复合锁脚构件端部与钢架连接处的作用荷载，求得复合锁脚构件各截面的挠度、弯矩、剪力以及下伏地基反力的分布情况；

步骤4）：根据步骤3）得到的复合锁脚构件各截面的挠度、弯矩、剪力以及下伏地基反力，进一步得到拱脚的沉降量、复合锁脚构件的最大弯矩和剪力以及下伏地基的受力；

步骤5）：根据步骤4）得到的拱脚沉降量、复合锁脚构件的最大弯矩和剪力以及下伏地基的受力，对拱脚沉降量、复合锁脚构件的强度以及下伏地基的承载力进行验算，若不满足验算要求，须调整复合锁脚构件的设计参数，重新验算直至满足验算要求，最终完成复合锁脚构件的设计。

2.根据权利要求1所述的一种隧道钢架的复合锁脚构件的受力分析方法，其特征在于：所述步骤1）建立的复合锁脚构件的力学分析模型满足以下条件：

A：复合锁脚构件主要依靠自身横向承载力以抑制钢架的下沉，视为弹性地基上的直梁进行分析，复合锁脚构件所受地基反力服从温克尔假定，地基反力系数沿深度方向不变；

B：取复合锁脚构件的最不利工况进行分析设计，即不考虑拱脚下部开挖前拱脚地基对钢架的竖向支承作用，由复合锁脚构件支承钢架拱脚传递的全部作用荷载。

3.根据权利要求2所述的一种隧道钢架的复合锁脚构件的受力分析方法，其特征在于：所述步骤2）中所述复合锁脚构件端部与钢架连接处的荷载，主要为钢架拱脚处传递并作用于复合锁脚构件端部的竖向荷载。

4.根据权利要求3所述的一种隧道钢架的复合锁脚构件的受力分析方法，其特征在于：所述步骤5）中所述验算要求为：

A、钢架拱脚沉降量应小于允许值；

B、复合锁脚构件下伏地基的受力未超过地基的允许荷载或应力；

C、复合锁脚构件的应力应小于构件材料的屈服强度。