CN107704675B - 超前管棚-钢拱架-锁脚锚杆一体化力学模型设计方法及其模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超前管棚‑钢拱架‑锁脚锚杆一体化力学模型设计方法及其模型，包括以下步骤：根据实际施工工况，建立隧道初期支护结构一体化力学分析模型；根据当前施工状态以及约定的计算方法确定作用荷载值，进行结构内力及变形计算；判断各典型物理量是否超出允许值，若超出，则根据未满足要求的物理量加强相应支护结构设计参数，返回并重新计算，若未超过，则逐步减弱相应支护结构设计参数并返回重新计算，直至当前支护参数条件下得到的典型物理量大小均接近允许值时，则结束；进行下一工况状态计算，直至全部循环工况分析完成，输出最终的支护结构参数设计值。本发明在保证安全的前提下降低了成本。

Description

超前管棚-钢拱架-锁脚锚杆一体化力学模型设计方法及其 模型

技术领域

本发明涉及隧道设计领域，特别是一种考虑超前管棚、钢拱架、锁脚锚杆(管)及大拱脚等构件协同作用的浅埋隧道支护结构一体化力学模型及其设计方法。

背景技术

近年来，随着我国基础设施建设的大力发展，出现了越来越多的浅埋软弱围岩隧道。为了保证隧道施工的快速进行，许多工程实践中采用了基于管棚超前支护措施的台阶法进行施工，而由于软弱围岩条件下拱脚地基承载力不足，隧道拱脚沉降、钢架下沉问题在实际施工中频繁出现。针对施工中可能发生的上述问题，施工中往往将台阶两侧钢架设计为大拱脚形式并同时设置锁脚锚杆(管)，有效地控制了结构和围岩的变形，保证了隧道施工的安全。

尽管在浅埋软弱围岩隧道中，已经逐步形成了上述超前支护管棚-钢拱架-锁脚锚杆(管)-大拱脚协同工作的一体化支护结构形式，而且在工程实践中也取得了显著的效果，但目前对于支护结构各项参数的选取并不像一般的隧道支护结构一样具有一套合理、完善的设计方法，同时进行计算的过程中未考虑到各构件的相互协同作用效应。因此施工中为了严格控制沉降，往往采用安全系数较大的支护结构设计参数，虽然保证了隧道施工的安全，但不能完全发挥各构件的承载能力，造成了严重的资源及资金浪费。

因此，如何完善现有的隧道初期支护结构的设计方法以充分发挥材料承载性能、节省造价，是当前隧道初期支护设计领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种超前管棚-钢拱架-锁脚锚杆一体化力学模型设计方法及力学模型，充分考虑由于施工工况(序)的改变而导致的隧道支护结构受力状态的变化，使得设计结果更加安全合理。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种超前管棚-钢拱架-锁脚锚杆一体化力学模型设计方法，包括以下步骤：

1)据实际施工工况，假定支护结构初始设计参数，建立隧道初期支护结构一体化力学分析模型；

2)根据当前施工状态以及约定的计算方法确定作用于隧道初期支护结构一体化力学分析模型的荷载，并进行结构内力及变形计算，得到各典型物理量；

3)判断各典型物理量是否超出允许值，若超出，则根据未满足要求的物理量加强相应支护结构设计参数，返回步骤2)重新计算；若未超过，则逐步减弱相应支护结构设计参数并返回步骤2)重新计算，直至当前支护参数条件下得到的典型物理量大小均接近允许值时，则结束计算；

4)根据上述步骤2)、3)进行下一工况状态计算，直至全部循环工序分析完成，则输出优化后最终的支护结构参数设计值。

步骤2)中，所述作用于隧道初期支护结构一体化力学分析模型的荷载包括：管棚竖向及侧向围岩压力、管棚围岩弹性抗力、锁脚锚杆以及大拱脚的支撑反力；其中竖向及侧向围岩压力直接作用于管棚。

作用于隧道拱顶2θ范围内任意单根管棚的竖向及侧向围岩压力计算公式为：q(θ)＝q_n/d；其中，d为管棚直径；

q_i为任意单根管棚受到的竖向围岩压力；e_i为任意单根管棚受到的侧向围岩压力。

步骤3)中，所述典型物理量包括管棚最大拉应力、管棚最大挠度、初期支护拱顶沉降、拱脚位移、锁脚锚杆最大拉应力及最大剪应力。

步骤3)中，各典型物理量超出允许值时，根据未满足要求的物理量加强相应支护结构设计参数，具体分为以下五种情况：

当管棚最大拉应力超出钢管的屈服应力时，提高管棚强度或刚度；

当管棚最大挠度值超出允许范围时，加强管棚的刚度；

当拱脚位移超出允许范围时，增大锁脚锚杆直径或加大拱脚与地基的接触面积；

当初期支护拱顶沉降超出允许范围时，提高钢拱架的刚度；

当锁脚锚杆最大拉应力超出钢管的屈服应力或最大剪应力超出其极限抗剪强度时，提高锁脚锚杆强度或刚度。

步骤3)中，所述典型物理量大小接近允许值是指各典型物理量计算值为允许值的0.8～0.9倍。

相应地，本发明还提供了一种超前管棚-钢拱架-锁脚锚杆一体化力学模型，该力学模型包括隧道超前管棚、锁脚锚杆、钢拱架、大拱脚及其相互之间的约束；其中，管棚采用弹性地基梁模型模拟；锁脚锚杆采用摩擦桩单元模拟；钢拱架采用梁单元模拟；大拱脚结构采用弹性支座单元模拟；力学模型中相互作用关系包括：超前管棚与上一榀钢拱架间采用固结约束，与后续钢拱架间设置为土弹簧连接；锁脚锚杆与钢拱架间采用固结约束；大拱脚与地基间相互作用，采用法向弹簧和切向弹簧单元模拟。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、传统的隧道初期支护设计方法并没有针对超前支护管棚、锁脚锚杆(管)及大拱脚结构进行定量的计算，其参数的选取完全依赖于设计经验，而本发明中，上述参数完全通过理论计算得到，同时通过考虑各构件的承载能力特性能够对支护结构的参数进行优化，使其能够最大程度上发挥各构件的材料性能，保证了设计参数的经济性；

2、传统的隧道初期支护结构的设计一般都是基于全断面开挖的前提进行，没有针对实际分部施工中不同工序下隧道的实际受力情况进行单独分析，其设计的合理性存在争议，而本发明提出的动态设计方法，充分考虑了由于施工工况(序)的改变而导致的隧道支护结构受力状态的变化，使得设计结果更加安全合理。

本发明不仅能够通过计算验证不同工序下支护结构的安全性，同时还能够充分考虑到各构件的协同效应，从而优化支护结构设计参数保证其经济性，适用于浅埋软弱围岩隧道的初期支护结构设计，同时能够指导后续施工，对于隧道支护结构的设计与施工均具有较高的指导性意义。

附图说明

图1本发明设计方法流程图。

图2为隧道初期支护一体化力学模型。

图3-A为钢拱架与管棚间固结约束接触示意图。

图3-B为钢拱架与管棚间土弹簧模拟示意图。

图3-C为钢拱架与锁脚锚杆(管)间接触示意图。

图4为超前管棚纵向弹性地基梁模型。

图5-A为上台阶初期支护横向力学分析模型。

图5-B为上台阶+中台阶初期支护横向力学分析模型。

图5-C为上台阶+中台阶+下台阶初期支护横向力学分析模型。

图6为锁脚锚杆(管)的力学分析模型。

图中：

1——超前支护管棚。

2——初期支护钢拱架。

3——钢拱架两侧的大拱脚结构。

4——焊接于钢拱架拱脚的锁脚锚杆(管)。

5——模拟围岩弹性抗力的土体弹簧。

6——各构件间的焊接接触。

具体实施方式

如图1，本发明方法流程如下：

(1)据实际施工工况(序)，假定支护结构初始设计参数，建立隧道初期支护结构一体化力学分析模型；

(2)根据当前施工状态以及约定的计算方法确定作用荷载值，并进行结构内力及变形计算；

(3)判断各典型物理量是否超出允许值，若超出，则根据未满足要求的物理量加强相应支护结构设计参数，返回至第二步重新计算，若未超过，则逐步减弱相应支护结构设计参数并返回至第二步重新计算，直至当前支护参数条件下得到的典型物理量大小均接近允许值时，则结束计算；

(4)根据上述步骤进行下一工况(序)状态计算，直至全部循环工况(序)分析完成，则输出优化后最终的支护结构设计参数设计值。

本发明中，作用于隧道初期支护结构一体化力学分析模型的荷载包括：管棚竖向及侧向围岩压力、管棚围岩弹性抗力、锁脚锚杆(管)以及大拱脚的支撑反力。其中管棚围岩弹性抗力、锁脚锚杆(管)以及大拱脚的支撑反力为未知力，通过模型计算求解。

作用于管棚上的围岩荷载采用如下方式进行计算：

从隧道横向上分析，单根管棚支护范围内的径向荷载为：

式中，q_i为任意单根管棚受到的竖向围岩压力(作用范围内上方土柱体的重力)；e_i为任意单根管棚受到的侧向围岩压力(侧压力系数与竖向围岩压力的乘积)。

将上述径向荷载等效到管棚直径上，则作用于隧道拱顶2θ范围内任意单根管棚上的荷载为：

q(θ)＝q_n/d

式中，d为管棚直径。

用于判断支护结构设计参数安全性及合理性的典型物理量包括：管棚最大拉应力、管棚最大挠度、初期支护拱顶沉降、拱脚位移、锁脚锚杆(管)最大拉应力及最大剪应力。

当各典型物理量的计算结果超出允许值时，根据未满足要求的物理量加强支护结构设计参数，具体分为以下五种情况：

①当管棚最大拉应力超出钢管的屈服应力时，提高管棚强度或刚度，如提高管棚钢管的强度等级或增大管棚直径、壁厚；

②当管棚最大挠度值超出允许范围时，加强管棚的刚度，如增大管棚直径、管棚壁厚；

③当拱脚位移超出允许范围时，增大锁脚锚杆(管)直径或加大拱脚与地基的接触面积；

④当初期支护拱顶沉降超出允许范围时，提高钢拱架的刚度，如提高钢拱架工字钢的规格；

⑤当锁脚锚杆(管)最大拉应力超出钢管的屈服应力或最大剪应力超出其极限抗剪强度时，提高锁脚锚杆(管)强度或刚度，如提高锁脚锚杆(管)的强度等级或增大锁脚锚杆(管)直径、壁厚。

当各典型物理量的计算结果均未超出允许值时，依次减弱支护结构各构件的强度或刚度等参数，循环计算后当各典型物理量计算值均在其允许值的0.8～0.9倍范围内时，则完成本施工工况(序)的支护结构设计。

如图2所示，所述隧道初期支护一体化力学模型包括隧道超前管棚1、钢拱架2、大拱脚3、锁脚锚杆(管)4及其相互之间的约束A、B、C，其中q(x,y)为作用于支护结构的围岩竖向压力，e(z)表示作用于支护结构的围岩侧压力。如图3-A所示，管棚1与上一榀钢拱架2间采用固结约束；如图3-B所示，管棚1与后续钢拱架2间设置为土弹簧连接；如图3-C所示，锁脚锚杆(管)4与钢拱架2间采用固结约束。

如图4所示，管棚1纵向采用弹性地基梁模型模拟，根据不同阶段管棚的受力特性可将其分为已支护段AB、未支护段BC、未开挖围岩松动段CD，q(x)代表作用于管棚1的围岩竖向荷载；p(x)为钢拱架或围岩的弹性抗力。q(x)及p(x)采用如下方法确定：

单根管棚所受竖向围岩荷载为：

q(x)＝γH_x

式中，γ为围岩容重；H_x为对应xm处的管棚埋深。

超前管棚的弹性抗力分别为：

p(x)＝kω(x)

式中，k根据施工工序的不同分别表示为钢拱架及围岩的弹性抗力系数；ω(x)为管棚纵向挠度函数。

如图5-A～图5-B所示，钢拱架2视为平面无铰拱，采用梁单元模拟，拱脚与地基间采用采用地基法向与切向弹簧模拟；图5-A为仅开挖上台阶的工况(序)下钢拱架2的横向力学分析模型，其中q₁(θ)表示此工况(序)下管棚1作用于钢拱架2上的荷载，P_1L、P_1R分别表示，此工况(序)下上台阶左右两侧锁脚锚杆(管)4作用于钢拱架2上的荷载；图5-B为已开挖上、中台阶的工况(序)下钢拱架2的横向力学分析模型，其中q₂(θ)表示此工况(序)下管棚1作用于钢拱架2上的荷载，P_2L、P_2R分别表示，此工况(序)下，上台阶左右两侧锁脚锚杆(管)4作用于钢拱架2上的荷载；Q_2L、Q_2R分别表示，此工况(序)下、中台阶左右两侧锁脚锚杆(管)作用于钢拱架2上的荷载；图5-C为已开挖上、中、下台阶的工况(序)下钢拱架2的横向力学分析模型，其中q₃(θ)表示此工况(序)下管棚1作用于钢拱架2上的荷载，P_3L、P_3R分别表示，此工况(序)下，上台阶左右两侧锁脚锚杆(管)4作用于钢拱架2上的荷载；Q_3L、Q_3R分别表示，此工况(序)下、中台阶左右两侧锁脚锚杆(管)4作用于钢拱架2上的荷载。q(θ)采用如下方式确定：

单根管棚支护范围内的径向荷载为：

式中，q_i为任意单根管棚受到的竖向围岩压力(作用范围内上方土柱体的重力)；e_i为任意单根管棚受到的侧向围岩压力(侧压力系数与竖向围岩压力的乘积)。

将上述径向荷载等效到管棚直径上，作用于隧道拱顶2θ范围内任意单根管棚上的荷载为：

q(θ)＝q_n/d

式中，d为管棚直径。

参见图5-A、5-B、5-C，针对不同的施工工况(序)，管棚1横向围岩荷载分别为：q₁(θ)、q₂(θ)、q₃(θ)。

如图6所示，锁脚锚杆(管)4采用摩擦桩单元模拟，α表示锁脚锚杆(管)4下插脚，P₀表示钢拱架作用于锁脚锚杆(管)4的荷载；f表示作用于锁脚锚杆(管)4表面的围岩摩擦力。

Claims (3)

1.一种超前管棚-钢拱架-锁脚锚杆一体化力学模型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)据实际施工工况，假定支护结构初始设计参数，建立隧道初期支护结构一体化力学分析模型；

2)根据当前施工状态以及约定的计算方法确定作用于隧道初期支护结构一体化力学分析模型的荷载，并进行结构内力及变形计算，得到各典型物理量；所述作用于隧道初期支护结构一体化力学分析模型的荷载包括：管棚竖向及侧向围岩压力、管棚围岩弹性抗力、锁脚锚杆以及大拱脚的支撑反力；其中竖向及侧向围岩压力直接作用于管棚；作用于隧道拱顶2θ范围内任意单根管棚的竖向及侧向围岩压力计算公式为：q(θ)＝q_n/d；其中，d为管棚直径；

q_i为任意单根管棚受到的竖向围岩压力；e_i为任意单根管棚受到的侧向围岩压力；

3)判断各典型物理量是否超出允许值，若超出，则根据未满足要求的物理量加强相应支护结构设计参数，返回步骤2)重新计算；若未超过，则逐步减弱相应支护结构设计参数并返回步骤2)重新计算，直至当前支护参数条件下得到的典型物理量大小均接近允许值时，则结束计算；所述典型物理量包括管棚最大拉应力、管棚最大挠度、初期支护拱顶沉降、拱脚位移、锁脚锚杆最大拉应力及最大剪应力；

4)根据上述步骤2)、3)进行下一工况状态计算，直至全部循环工序分析完成，则输出优化后最终的支护结构参数设计值；

步骤3)中，各典型物理量超出允许值时，根据未满足要求的物理量加强相应支护结构设计参数，具体分为以下五种情况：

当管棚最大拉应力超出钢管的屈服应力时，提高管棚强度或刚度；

当管棚最大挠度值超出允许范围时，加强管棚的刚度；

当拱脚位移超出允许范围时，增大锁脚锚杆直径或加大拱脚与地基的接触面积；

当初期支护拱顶沉降超出允许范围时，提高钢拱架的刚度；

当锁脚锚杆最大拉应力超出钢管的屈服应力或最大剪应力超出其极限抗剪强度时，提高锁脚锚杆强度或刚度。

2.根据权利要求1所述的超前管棚-钢拱架-锁脚锚杆一体化力学模型设计方法，其特征在于，步骤3)中，所述典型物理量大小接近允许值是指各典型物理量计算值为允许值的0.8～0.9倍。

3.一种超前管棚-钢拱架-锁脚锚杆一体化力学模型结构，其特征在于，该力学模型结构包括隧道超前管棚、锁脚锚杆、钢拱架、大拱脚及其相互之间的约束；其中，管棚采用弹性地基梁模型模拟；锁脚锚杆采用摩擦桩单元模拟；钢拱架采用梁单元模拟；大拱脚结构采用弹性支座单元模拟；力学模型中相互作用关系包括：超前管棚与上一榀钢拱架间采用固结约束，与后续钢拱架间设置为土弹簧连接；锁脚锚杆与钢拱架间采用固结约束；大拱脚与地基间相互作用，采用法向弹簧和切向弹簧单元模拟；作用于隧道初期支护结构一体化力学分析模型的荷载包括：管棚竖向及侧向围岩压力、管棚围岩弹性抗力、锁脚锚杆以及大拱脚的支撑反力；其中竖向及侧向围岩压力直接作用于管棚；作用于隧道拱顶2θ范围内任意单根管棚的竖向及侧向围岩压力计算公式为：q(θ)＝q_n/d；其中，d为管棚直径；

q_i为任意单根管棚受到的竖向围岩压力；e_i为任意单根管棚受到的侧向围岩压力；根据当前施工状态以及约定的计算方法确定作用于隧道初期支护结构一体化力学分析模型的荷载，并进行结构内力及变形计算，得到各典型物理量；所述典型物理量包括管棚最大拉应力、管棚最大挠度、初期支护拱顶沉降、拱脚位移、锁脚锚杆最大拉应力及最大剪应力；

各典型物理量超出允许值时，根据未满足要求的物理量加强相应支护结构设计参数，具体分为以下五种情况：

当管棚最大拉应力超出钢管的屈服应力时，提高管棚强度或刚度；

当管棚最大挠度值超出允许范围时，加强管棚的刚度；

当拱脚位移超出允许范围时，增大锁脚锚杆直径或加大拱脚与地基的接触面积；

当初期支护拱顶沉降超出允许范围时，提高钢拱架的刚度；

当锁脚锚杆最大拉应力超出钢管的屈服应力或最大剪应力超出其极限抗剪强度时，提高锁脚锚杆强度或刚度。

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