CN115081149B - 一种公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法 - Google Patents

一种公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法，包括步骤一：确定初期让压支护结构初始设计轮廓线；步骤二：确定隧道围岩预留变形量；步骤三：确定可缩接头设计总滑移量值及拟定可缩接头数量；步骤四：可缩接头位置选取；步骤五：建立让压支护结构可缩接头性能评估数值模型；步骤六：评估让压支护结构各位置可缩接头滑移性能；步骤七：优化确定初期让压支护结构中可缩接头的设置位置。本发明所述的设置方法技术难度适中，可操作性强，可随时结合隧道施工过程中支护结构的变形监测结果及施工揭露围岩力学及变形特征，对让压支护结构可缩接头位置及滑移量进行优化，实现动态设计，可推广到各种形式让压结构可缩接头的设计，应用前景广泛。

Description

一种公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，特别是涉及一种公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法。
背景技术
随着我国高速公路建设规模的不断扩大，特别是高速公路建设向中国中西部山区延伸，高地应力软岩隧道不断涌现，其中挤压性围岩是较常遇到的一种典型不良地质。挤压性围岩是一种在高地应力条件下，隧道周边一定范围内产生显著塑性变形或流变的岩体，具有高地应力、低强度、强流变等显著特征。如对挤压大变形围岩区隧道的支护结构设计不当，将造成围岩压力持续增大并最终超出支护结构承载力，导致施工期出现变形侵限、塌方，甚至二次衬砌破坏失稳现象。同时，由于挤压性围岩具有的显著流变特性，也为后期运营期结构安全带来巨大隐患。因此，如何在隧道建设和运维期合理控制围岩变形成为困扰隧道建设者的突出难题。
实践表明，如设计中采用强支护来阻止挤压性围岩变形，将会诱发围岩抵抗的真实压力，其量值可能超出结构可控范围，进而诱发风险。因此，基于围岩能量吸收及耗散理念，以及充分发挥围岩自承能力的要求，目前公认的针对挤压性大变形围岩支护结构形式为让压支护，即支护结构尺寸具有可变性，在开挖初期可提供一定的支护抗力；围岩荷载持续增大时，当达到及超过一定临界值时，让压支护结构被压缩，从而释放部分围岩应力，进而将围岩变形控制在一定的塑性区范围内；如围岩荷载继续增大，当让压过程结束后，让压支护变为强支护，最终达到围岩压力与支护抗力的平衡；因此，让压支护结构是目前针对挤压性围岩比较合理的支护方式。
让压支护结构核心是在不同位置设置可缩滑移装置，以便产生可缩变形，实现支护结构整体让压效果，如目前较常见的各类型拱架及其可缩接头。但在实际使用过程中，常出现让压支护结构的可缩位置并未发生收缩滑移或实际滑移量与预设值偏小，进而导致整个让压支护结构未实现预设让压量，最终使得作用其上的围岩荷载过高，超出支护结构的承载能力，让压支护结构提前发生破坏。
上述现象发生的主要原因在于目前针对可缩接头布设位置及变形量设计无法可依，较为随意，设计人员通常直接按照软弱围岩的施工工法（通常为台阶法），将可缩接头设置在后一台阶与前一台阶分界处或隧道断面变直径处。实际上，由于接头是否滑动取决于接头处轴力与弯矩一起作用下沿支架轴线合力是否大于抗滑阻力。而支架内力分布取决于围岩荷载分部模式及支架断面形式。因此，要保证让压支护结构实现让压支护效应，可缩接头必须根据不同的围岩荷载分布模式及支架断面形式进行专门设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法，包括以下步骤：
步骤一：确定初期让压支护结构初始设计轮廓线；
步骤二：确定隧道围岩预留变形量；
步骤三：确定可缩接头设计总滑移量值及拟定可缩接头数量；
步骤四：可缩接头位置选取；
步骤五：建立让压支护结构可缩接头性能评估数值模型；
步骤六：评估让压支护结构各位置可缩接头滑移性能；
步骤七：优化确定初期让压支护结构中可缩接头的设置位置。
优选的，步骤一包括：
S11、确定二次衬砌结构厚度D1；
S12、确定初期让压支护结构的预留变形量Δr，初期让压支护结构的预留变形量与围岩预留变形量相等；
S13、确定初期让压支护结构变形前内轮廓线；
S14、通过喷射混凝土设计厚度D2确定初期让压支护结构变形前外轮廓线；
S15、将喷射混凝土截面高度中线作为初期让压支护结构初始设计轮廓线。
优选的，步骤二包括：
S21、计算岩体应力强度比GN，并确定围岩变形等级S；计算公式为
Figure 94137DEST_PATH_IMAGE001
其中，Rcm为地层岩石单轴抗压强度，σmax为地层岩石单轴最大初始地应力值；GN为岩体应力强度比；
S22、定义隧道断面高度H和断面跨度B；
S23、确定公路隧道围岩预留变形量Δr。
优选的，步骤三包括：
S31、确定让压支护变形前后断面高度H1和H2以及跨度B1和B2，满足公式
Figure 564433DEST_PATH_IMAGE002
其中，B1为让压支护变形前断面高度，B2为让压支护变形后断面高度；H1为让压支护变形前跨度，H2为让压支护变形后跨度；Δr为围岩预留变形量；
S32、计算得到初期让压支护变形前后截面中线的等效圆半径，计算公式为
Figure 435437DEST_PATH_IMAGE003
其中，R为让压支护截面中线的等效圆半径，B为让压支护断面高度；H为让压支护跨度；
S33、计算让压支护结构各可缩接头的总设计滑移量L，计算公式为
Figure 307578DEST_PATH_IMAGE004
其中，L为可缩接头的总设计滑移量L，R1为初期让压支护变形前截面中线的等效圆半径，R2为初期让压支护变形后截面中线的等效圆的半径；
S34、根据围岩变形等级S确定可缩接头数量NS。
优选的，步骤五包括：
S51、建立基于荷载结构法的平面数值模型；
S52、施加竖向载荷QV和侧向载荷QH，并定义侧压力系数λ，三者关系为
Figure 238625DEST_PATH_IMAGE005
；
S53、布置可缩接头。
优选的，步骤S53中，可缩接头数量为设计量的1.5-1.75倍，可缩接头的最大假定滑移量为设计滑移量的1.2-1.5倍。
优选的，步骤六包括：
S61、根据侧压力系数λ对让压支护结构进行逐级加载，直到出现塑性破坏后；
S62、记录加载过程中各可缩接头随荷载增加的滑移量变化；
S63、记录不同加载阶段下可缩接头滑移导致让压支护结构断面收缩后马蹄形的断面跨度B和断面高度H，并进一步计算等效圆半径R；
S64、确定各位置可缩接头出现的滑移的顺序和最终滑移量；
S65、评价可缩接头滑移性能。
优选的，步骤七包括：
S71、选取若干组可缩接头的设置方案和模拟位置；
S72、根据选取的可缩接头模拟位置和方案建模；
S73、对各组合的初期让压支护结构进行逐级加载，选取效果最佳的方案。
S74、在隧道施工过中根据前方地质信息对初期让压支护结构接头位置进行必要的调整。
本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法，根据地质条件和设计数据，建立让压支护结构的模型，通过模型模拟选择可缩接头的布置位置和布置方式，旨在使让压支护结构内的可缩接头位置及接头滑移量的选取准确合理，有据可依，实现了可缩接头精细化、定量化设计，从而有效保障让压支护结构及时发挥让压功能，实现合理控制围岩变形的技术效果。同时，本发明内容所述的设置方法技术难度适中，可操作性强，可随时结合隧道施工过程中支护结构的变形监测结果及施工揭露围岩力学及变形特征，对让压支护结构可缩接头位置及滑移量进行优化，实现动态设计，可推广到各种形式让压结构可缩接头的设计，应用前景广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明隧道复合衬砌结构组成及围岩预留变形量示意图；
图2为本发明初期让压支护结构初始设计轮廓线示意图；
图3为本发明隧道马蹄形断面当量圆计算参数示意图；
图4为本发明可缩接头位置建议设置位置示意图；
图5为本发明让压支护结构数值模型示意图；
其中，1、初期让压支护结构初始设计轮廓线；2、可缩接头；3、喷射混凝土；4、初期让压支护结构变形前外轮廓线；5、让压支护结构；6、初期让压支护结构变形前内轮廓线；7、二次衬砌结构；8、拱底；9、拱底侧；10、墙脚；11、边墙；12、拱腰；13、拱肩；14、拱顶侧；15、拱顶；16、隧道开挖轮廓线；17、隧道设计内轮廓线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-5，本发明提供一种公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法，包括以下步骤：
步骤一：确定初期让压支护结构初始设计轮廓线1；
步骤二：确定隧道围岩预留变形量；
步骤三：确定可缩接头2设计总滑移量值及拟定可缩接头2数量；
步骤四：可缩接头2位置选取；
步骤五：建立让压支护结构5可缩接头2性能评估数值模型；
步骤六：评估让压支护结构5各位置可缩接头2滑移性能；
步骤七：优化确定初期让压支护结构5中可缩接头2的设置位置。
本发明公开了一种公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法，根据地质条件和设计数据，建立让压支护结构5的模型，通过模型模拟选择可缩接头2的布置位置和布置方式，旨在使让压支护结构5内的可缩接头2位置及接头滑移量的选取准确合理，有据可依，实现了可缩接头2精细化、定量化设计，从而有效保障让压支护结构5及时发挥让压功能，实现合理控制围岩变形的技术效果。
进一步优化方案，步骤一包括：
S11、确定二次衬砌结构7厚度D1；同时由于喷射混凝土3将让压支护结构5裹覆，因此，让压支护结构5厚度与喷射混凝土3设计厚度相等，均为D2；
S12、确定初期让压支护结构5的预留变形量Δr，初期让压支护结构5的预留变形量与围岩预留变形量相等；围岩变形过程中喷射混凝土3与让压支护结构5发生协调变形，仅发生断面收缩，故初期让压支护结构5厚度不变，则初期让压支护结构5的预留变形量与围岩预留变形量相等；
S13、确定初期让压支护结构变形前内轮廓线6；根据隧道设计内轮廓线17，二次衬砌结构7设计厚度D1及预留变形量Δr，可确定初期让压支护结构变形前内轮廓线6；
S14、通过喷射混凝土3设计厚度D2确定初期让压支护结构变形前外轮廓线4；初期让压支护结构变形前外轮廓线4与隧道开挖轮廓线16重合；
S15、将喷射混凝土3截面高度中线作为初期让压支护结构初始设计轮廓线1。
进一步优化方案，步骤二包括：
S21、计算岩体应力强度比GN，并确定围岩变形等级S；计算公式为
Figure 196216DEST_PATH_IMAGE006
其中，Rcm为地层岩石单轴抗压强度，σmax为地层岩石单轴最大初始地应力值；GN为岩体应力强度比；
围岩变形等级S参考下表1划分：
Figure 136491DEST_PATH_IMAGE007
S22、定义隧道断面高度H和断面跨度B；定义公路隧道马蹄形断面拱顶15中部与拱底8中部间垂直距离为断面高度H，马蹄形断面两侧边墙11起拱线水平距离为断面跨度B；
S23、确定公路隧道围岩预留变形量Δr；预留变形量可参考下表2进行选择：
Figure 863138DEST_PATH_IMAGE008
进一步优化方案，步骤三包括：
S31、确定让压支护变形前后断面高度H1和H2以及跨度B1和B2，满足公式
Figure 230666DEST_PATH_IMAGE002
其中，B1为让压支护变形前断面高度，B2为让压支护变形后断面高度；H1为让压支护变形前跨度，H2为让压支护变形后跨度；Δr为围岩预留变形量；
S32、计算得到初期让压支护变形前后截面中线的等效圆半径，计算公式为
Figure 675553DEST_PATH_IMAGE009
其中，R为让压支护截面中线的等效圆半径，B为让压支护断面高度；H为让压支护跨度；
S33、计算让压支护结构5各可缩接头2的总设计滑移量L，计算公式为
Figure 91622DEST_PATH_IMAGE004
其中，L为可缩接头2的总设计滑移量，R1为初期让压支护变形前截面中线的等效圆半径，R2为初期让压支护变形后截面中线的等效圆的半径；
S34、根据围岩变形等级S确定可缩接头2数量NS；可缩接头2数量设置太多，易破坏喷射混凝土3整体性；设置太少易导致单个可缩接头2的设计滑移量较大，可缩接头2沿弧形较难达到设计滑移量，可缩接头2提前失效概率增加；因此需要综合考虑喷射混凝土3整体性、可缩接头2安装便捷性、可缩接头2易滑性来设计可缩接头2的数量；隧道开挖跨度B小于12m，取小值，隧道开挖跨度B大于12m，取大值；单个可缩接头2的最大滑移量LS建议控制在200-500mm；
可缩接头2数量可参考下表3选择：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
确定3组不同可缩接头2数量与滑移量组合：（LS1，NS1）、（LS2，NS2）、（LS3，NS3），可缩接头2数量NS与单个接头的最大滑移量LS满足公式：
Figure 407197DEST_PATH_IMAGE011
其中，N为可缩接头2数量，L为可缩接头2的总设计滑移量，LS为单个可缩接头2的最大滑移量。
进一步的，可缩接头2应尽量满足在支护结构荷载作用下发生平顺滑移，避免成为刚性连接，因此可缩接头2位置选择建议遵循以下原则：
1）考虑到让压支护结构5为弧形结构，可缩接头2位置应尽量设置于同一曲率半径弧线上以利于接头平顺滑移；
2）可缩接头2设置位置尽量与施工过程中钢架搭接位置保持一致：
3）可缩接头2位置最大限度地保证对称分布，便于分段支护结构加工及施工安装；
因此，在让压支护结构5设计断面上选定14个位置，用于设置可缩接头2，其中包括左右对称位置12个（6对），分别为拱顶侧14、拱肩13、拱腰12、边墙11、墙脚10、拱底侧9，还包括两个单独位置，包括拱顶15和拱底8。
进一步优化方案，步骤五包括：
S51、建立基于荷载结构法的平面数值模型；
S52、施加竖向载荷QV和侧向载荷QH，并定义侧压力系数λ，三者关系为：
Figure 945626DEST_PATH_IMAGE005
侧压力系数由实测最大初始地应力大小分布确定，无实测资料时可根据表4进行选择：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
S53、布置可缩接头2；可缩接头2只能收缩不能伸长，当收缩滑移至最大滑动量时，可缩接头2将变为刚性连接；仅当可缩接头2处滑动力大于抗滑阻力时，可缩接头2发生收缩滑移；可缩接头2抗滑阻力可由接头压缩试验或理论计算获得；
进一步优化方案，步骤S53中，可缩接头2数量为设计量的1.5-1.75倍，可缩接头2的最大假定滑移量为设计滑移量的1.2-1.5倍。上述的目的是充分评估不同位置和数量的可缩接头2的滑移量。
进一步优化方案，步骤六包括：
S61、根据侧压力系数λ对让压支护结构5进行逐级加载，直到出现塑性破坏后；
S62、记录加载过程中各可缩接头2随荷载增加的滑移量变化；
S63、记录不同加载阶段下可缩接头2滑移导致让压支护结构5断面收缩后马蹄形的断面跨度B和断面高度H，并进一步计算等效圆半径R；
S64、确定各位置可缩接头2出现的滑移的顺序和最终滑移量；绘制支护结构总荷载-接头滑移量-当量圆半径三者曲线关系；
S65、评价可缩接头2滑移性能；具体评价方法为：滑移量最大的可缩接头2滑移性能最好，当滑移量相等时，最先发生滑移的可缩接头2性能较好；然后按照可缩接头2滑移性能优劣进行排序。
进一步优化方案，步骤七包括：
S71、选取若干组可缩接头2的设置方案和模拟位置；选取S34中确定的3种组合形式，选取排序中排名靠前的NS1、NS2和NS3作为可缩接头2拟设置位置；
S72、根据选取的可缩接头2模拟位置和方案建模；对S34中确定的3种可缩接头组合方式及拟设置位置按照S51进行数值建模；
S73、对各组合的初期让压支护结构5进行逐级加载，选取效果最佳的方案；选取各组间让压支护结构5极限承载力最大的可缩接头2组合为可缩接头2设置方案；
S74、在隧道施工过中根据前方地质信息对初期让压支护结构5接头位置进行必要的调整；隧道施工过程中，应及时根据超前地质预报、现场围岩变形监测信息及可缩接头实际滑移情况，对初期让压支护结构5的可缩接头5位置进行必要的调整，方法按照步骤一-步骤七进行。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：确定初期让压支护结构初始设计轮廓线；
步骤二：确定隧道围岩预留变形量；
步骤三：确定可缩接头设计总滑移量值及拟定可缩接头数量；
步骤四：可缩接头位置选取；
步骤五：建立让压支护结构可缩接头性能评估数值模型；
步骤六：评估让压支护结构各位置可缩接头滑移性能；
步骤七：优化确定初期让压支护结构中可缩接头的设置位置；
步骤一包括：
S11、确定二次衬砌结构厚度D1；
S12、确定初期让压支护结构的预留变形量Δr，初期让压支护结构的预留变形量与围岩预留变形量相等；
S13、确定初期让压支护结构变形前内轮廓线；
S14、通过喷射混凝土设计厚度D2确定初期让压支护结构变形前外轮廓线；
S15、将喷射混凝土截面高度中线作为初期让压支护结构初始设计轮廓线；
步骤二包括：
S21、计算岩体应力强度比GN，并确定围岩变形等级S；计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，Rcm为地层岩石单轴抗压强度，σmax为地层岩石单轴最大初始地应力值；GN为岩体应力强度比；
S22、定义隧道断面高度H和断面跨度B；
S23、确定公路隧道围岩预留变形量Δr；
步骤三包括：
S31、确定让压支护变形前后断面高度H1和H2以及跨度B1和B2，满足公式
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，B1为让压支护变形前断面高度，B2为让压支护变形后断面高度；H1为让压支护变形前跨度，H2为让压支护变形后跨度；Δr为围岩预留变形量；
S32、计算得到初期让压支护变形前后截面中线的等效圆半径，计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，R为让压支护截面中线的等效圆半径，B为让压支护断面高度；H为让压支护跨度；
S33、计算让压支护结构各可缩接头的总设计滑移量L，计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，L为可缩接头的总设计滑移量L，R1为初期让压支护变形前截面中线的等效圆半径，R2为初期让压支护变形后截面中线的等效圆的半径；
S34、根据围岩变形等级S确定可缩接头数量NS；
步骤五包括：
S51、建立基于荷载结构法的平面数值模型；
S52、施加竖向载荷QV和侧向载荷QH，并定义侧压力系数λ，三者关系为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
S53、布置可缩接头。
2.根据权利要求1所述的公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法，其特征在于：
步骤S53中，可缩接头数量为设计量的1.5-1.75倍，可缩接头的最大假定滑移量为设计滑移量的1.2-1.5倍。
3.根据权利要求1所述的公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法，其特征在于：步骤六包括：
S61、根据侧压力系数λ对让压支护结构进行逐级加载，直到出现塑性破坏后；
S62、记录加载过程中各可缩接头随荷载增加的滑移量变化；
S63、记录不同加载阶段下可缩接头滑移导致让压支护结构断面收缩后马蹄形的断面跨度B和断面高度H，并计算等效圆半径R；
S64、确定各位置可缩接头出现的滑移的顺序和最终滑移量；
S65、评价可缩接头滑移性能。
4.根据权利要求3所述的公路隧道让压支护结构可缩接头设置方法，其特征在于：步骤七包括：
S71、选取若干组可缩接头的设置方案和模拟位置；
S72、根据选取的可缩接头模拟位置和方案建模；
S73、对各组合的初期让压支护结构进行逐级加载，选取效果最佳的方案；
S74、在隧道施工过中根据前方地质信息对初期让压支护结构接头位置进行调整。
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