一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法技术

本发明专利技术公开了一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法，该方法通过建立外荷载模型，建立约束混凝土拱架结构力学模型，进行“外荷载—拱架支护”相互作用力学计算，确定拱架截面，设计节点、核心混凝土、纵向连接筋以及混凝土喷层等相关参数，以此来确立约束混凝土拱架支护设计方法。本发明专利技术在建立外荷载模型时，根据现场隧道开挖断面、埋深、围岩强度等级、侧压力系数，将围岩简化为外荷载模型。本发明专利技术在建立约束混凝土拱架结构力学模型时，根据隧道断面，预留初支变形量，设计拱架形状尺寸，建立约束混凝土拱架结构力学模型。对隧道围岩变形及控制机理研究具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于岩土工程
，尤其涉及一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法。
技术介绍
软弱破碎围岩的大变形控制是目前软岩隧道工程面临的一大技术难题。隧道穿越软弱破碎围岩时，开挖扰动必然会引起较大的围岩变形，如果支护承载力不足，围岩变形可能超过其容许范围，严重时引起掌子面失稳、隧道塌方，造成重大经济损失。针对软弱破碎围岩应采用高强支护措施来控制围岩的变形，从而达到保证隧道施工安全的目的。常规的隧道支护主要是根据经验方和工程类比法，尤其，约束混凝土拱架作为一种新型高强支护，在隧道中还未推广应用，正是缺少一种设计方法。为确保施工安全，常规隧道支护设计往往过于保守，造成浪费，然而支护设计过于薄弱又存在较大的安全隐患，给隧道工程的建设和后期的运营带来较大的安全风险。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法，本方法针对新型高强约束混凝土支护形式，根据建立的外荷载模型和拱架结构力学模型，进行“外荷载—拱架支护”相互作用计算，得到约束混凝土拱架内力大小及分布形态，并确定约束混凝土拱架的强度和稳定承载力，对隧道围岩变形及控制机理研究具有重要意义。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法，包括以下步骤：(1)根据现场地下隧洞开挖断面、埋深、围岩强度等级和侧压力系数，将围岩简化为外荷载模型；(2)根据隧道断面，预留初支变形量，确定拱架形状和尺寸，建立约束混凝土拱架结构力学模型；(3)根据建立的外荷载模型和拱架结构力学模型，计算外载荷与支护体系之间的相互作用，得到约束混凝土拱架内力大小及分布形态；(4)建立不同截面的约束混凝土压弯强度破坏力学判据，根据约束混凝土拱架内力大小及分布形态情况选择符合安全系数的拱架截面；(5)利用静力平衡法对多圆心不同刚度的约束混凝土拱架的稳定性进行分析，确定约束混凝土拱架的稳定临界荷载；(6)根据约束混凝土拱架的强度承载力、稳定临界荷载，确定约束混凝土拱架的节点形式、填充混凝土的强度以及两榀相邻拱架之间的纵向连接筋的设置方式；(7)根据前述确定的方案，对选定拱架进行全比尺或缩尺室内试验，对拱架承载能力和破坏模式的理论计算进行室内试验验证，校核设计方案。所述步骤(1)中，外荷载包括地层压力、附加荷载和特殊荷载，其中地层压力是最主要的荷载形式，而地层压力又包括松弛压力和形变压力，综合隧道开挖断面、埋深、围岩强度等级、侧压力系数的影响，将荷载按照等效原理简化为线荷载作用在拱架的上下和左右两侧。所述步骤(2)中，约束混凝土拱架结构力学模型，将约束混凝土拱架从拱架结构、支座、拱架各节连接节点的三个方面进行简化，拱架结构简化为一条曲线，支座设置为固定端支座、滑动支座和铰支座，节点利用等效刚度的原理将节点影响区域用等效的不同刚度截面杆来代替，最终建立的拱架结构力学计算模型。所述步骤(3)中，具体的计算方法包括通过求解力学计算模型，得到结构平衡方程，根据力法原理，求解未知的支座反力，并得出拱架的任意截面的弯矩和轴力，通过辅助软件计算得出截面内力的分布形态及大小。所述步骤(4)中，确认不同截面的约束混凝土压弯强度破坏力学判据，具体方法为：对不同的截面进行压弯力学试验和理论计算，得到各类截面的压弯强度承载力，明确构件不同压弯组合作用下的极限轴压荷载和弯矩荷载，绘制构件压弯强度承载包络线，得到不同截面的约束混凝土压弯强度破坏力学判据。所述步骤(4)中，根据内力计算公式，得到计算的外荷载作用下拱架不同位置的轴力弯矩值，结合不同截面的约束混凝土压弯强度破坏力学判据，对不同约束混凝土截面进行拱架不同位置所受轴力、弯矩强度校核，考虑一定的安全系数，得到满足该拱架各位置压弯组合下的约束混凝土截面，在满足条件的截面中确定最终拱架设计截面。所述步骤(5)中，拱架稳定性分析的具体方法为，根据曲杆的平衡微分方程、几何方程推知稳定微分方程，再带入边界条件，得到用径向位移表达的第i段稳定方程，根据拱架整体失稳时各段拱架径向位移不全为零，即各段稳定方程组成的方程组系数行列式等于零，得到拱架稳定临界荷载。所述步骤(6)中，确定约束混凝土拱架的节点形式的具体方法为：对约束混凝土拱架的节点进行纯弯力学性能试验，节点抗弯能力大于或等于构件抗弯能力时，节点参数满足强度要求，确定拱架节点参数包括节点厚度、节点联通孔直径、弹性挡圈型号。进一步的，所述步骤(6)中，节点有两种设计形式，一种适用于半自动化施工的法兰连接，每节拱架间通过焊接的法兰盘并利用高强螺栓进行连接；一种适用于自动化施工的铰接节点，两节钢管焊接的连接件由两个环形钢元件组成，通过铰链连接，两节拱架折叠时铰链闭合，利用卡簧进行位置固定。所述步骤(6)中，确定核心混凝土强度和配比的具体方法，是进行不同早强剂配比的约束混凝土结构，在核心混凝土凝结的若干个时间点进行强度试验，试验得到约束混凝土强度承载力分别超过约束混凝土最终强度承载力设定值时，认为满足设计要求。所述步骤(6)中，根据现场约束混凝土拱架是否拼装选择纵向连接筋的形式，如果为非自动化拼装，则直接在两榀拱架之间焊接纵向连接筋，在拱架靠围岩侧和靠隧道侧交替焊接纵向连接筋；否则，纵向连接筋的一端配有螺纹，在拱架安装前与拱架上接口连接，纵向连接筋另一端有突起，在拱架拼装时插入到前一榀已经拼装的拱架对应位置的接口，连接两榀拱架。所述步骤(7)中，具体方法为，对选定拱架全比尺或缩尺室内试验，根据现场实际侧压力系数利用加载油缸等加载设备进行多加载点室内试验，对拱架承载能力和破坏模式的理论计算进行室内试验验证；根据现场地质条件、围岩情况以及支护设计方案，利用数值软件进行实体建模数值试验，建立围岩控制指标，校核设计方案。进一步的，所述步骤(7)中，大比尺室内试验校核的具体步骤包括：首先根据现场侧压力系数确定加载方案，对拱架采用与现场侧压力系数一致的方案加载，在加载点处分别监测拱架荷载、位移和应变数据，将试验结果与理论计算比较，对比二者拱架极限承载能力和关键破坏部位，二者极限承载力差异率ζ小于等于设定值，则验证所选拱架承载力达到理论设计要求：进一步的，所述步骤(7)中，实体建模数值试验校核的具体方法为，根据现场实际地质条件、围岩情况以及支护设计方案利用数值软件进行实体建模数值试验，围岩、支护试验参数通过现场岩石取芯进行单轴、三轴和劈裂拉拔的室内试验获得，数值试验完成后建立支护效果评价指标，拱顶位移控制率η和塑性应变控制率δ，若两者都在各自的设定范围内，则认为所校验的设计方法满足要求，如果不能同时满足控制指标，则需重新对截面比选，选择承载能力高于原截面，含钢量最小的拱架截面进行数值校核。进一步的，拱顶位移控制率η和塑性应变控制率δ的计算方法如下：进一步的，根据上述方法构建的地下工程约束混凝土支护体系，包括多榀约束混凝土拱架，所述约束混凝土拱架支撑隧道围岩，沿隧道依次排布，相邻的约束混凝土拱架之间通过纵向连接筋连接，形成支撑体系；所述支撑体系上喷有混凝土喷层。优选的，所述支撑体系在围岩侧和隧道侧布设有若干层钢筋网，在支撑体系与钢筋网上涂有混凝土喷层。进一步的，所述约束混凝土拱架由多节钢管拼接组成，钢管之间通过节点连接，节点四周焊接多块加劲肋，对节点连接薄弱处进行加强本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法，其特征是：包括以下步骤：(1)根据现场地下隧洞开挖断面、埋深、围岩强度等级和侧压力系数，将围岩简化为外荷载模型；(2)根据隧道断面，预留初支变形量，确定拱架形状和尺寸，建立约束混凝土拱架结构力学模型；(3)根据建立的外荷载模型和拱架结构力学模型，进行外荷载和拱架支护相互作用力学计算，得到约束混凝土拱架内力大小及分布形态；(4)建立不同截面的约束混凝土压弯强度破坏力学判据，根据约束混凝土拱架内力大小及分布形态情况选择符合安全系数的拱架截面形式；(5)利用静力平衡法对多圆心不同刚度的约束混凝土拱架的稳定性进行分析，确定约束混凝土拱架的稳定临界荷载；(6)根据约束混凝土拱架的轴压承载力、稳定临界荷载，确定约束混凝土拱架的节点形式、填充混凝土的强度以及两榀相邻拱架之间的纵向连接筋的设置方式；(7)根据前述确定的方案，对选定拱架进行全比尺或缩尺室内试验，对拱架承载能力和破坏模式的理论计算进行室内试验验证，校核设计方案。

【技术特征摘要】
1.一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法，其特征是：包括以下步骤：(1)根据现场地下隧洞开挖断面、埋深、围岩强度等级和侧压力系数，将围岩简化为外荷载模型；(2)根据隧道断面，预留初支变形量，确定拱架形状和尺寸，建立约束混凝土拱架结构力学模型；(3)根据建立的外荷载模型和拱架结构力学模型，进行外荷载和拱架支护相互作用力学计算，得到约束混凝土拱架内力大小及分布形态；(4)建立不同截面的约束混凝土压弯强度破坏力学判据，根据约束混凝土拱架内力大小及分布形态情况选择符合安全系数的拱架截面形式；(5)利用静力平衡法对多圆心不同刚度的约束混凝土拱架的稳定性进行分析，确定约束混凝土拱架的稳定临界荷载；(6)根据约束混凝土拱架的轴压承载力、稳定临界荷载，确定约束混凝土拱架的节点形式、填充混凝土的强度以及两榀相邻拱架之间的纵向连接筋的设置方式；(7)根据前述确定的方案，对选定拱架进行全比尺或缩尺室内试验，对拱架承载能力和破坏模式的理论计算进行室内试验验证，校核设计方案。2.如权利要求1所述的一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法，其特征是：所述步骤(1)中，外荷载包括地层压力、附加荷载和特殊荷载，其中地层压力是最主要的荷载形式，而地层压力又包括松弛压力和形变压力，综合隧道开挖断面、埋深、围岩强度等级、侧压力系数的影响，将荷载按照等效原理简化为线荷载作用在拱架上。3.如权利要求1所述的一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法，其特征是：所述步骤(2)中，约束混凝土拱架结构力学模型，将约束混凝土拱架从拱架结构、支座、拱架各节连接节点的三个方面进行简化，拱架结构简化为一条曲线，支座设置为固定端支座、滑动支座和铰支座，节点利用等效刚度的原理将节点影响区域用等效的不同刚度截面杆来代替，最终建立的拱架结构力学计算模型。4.如权利要求1所述的一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法，其特征是：所述步骤(3)中，具体的计算方法包括通过求解力学计算模型，得到结构平衡方程，根据力法原理，求解未知的支座反力，并得出拱架的任意截面的弯矩和轴力，通过辅助软件计算得出截面内力的分布形态及大小。5.如权利要求1所述的一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法，其特征是：所述步骤(4)中，确认不同截面的约束混凝土压弯强度破坏力学判据，具体方法为：对不同的截面进行压弯力学试验和理论计算，得到各类截面的压弯强度承载力，明确构件不同压弯组合作用下的极限轴压荷载和弯矩荷载，绘制构件压弯强度承载包络线，得到不同截面的约束混凝土压弯强度破坏力学判据。6.如权利要求1所述的一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法，其特征是：所述步骤(4)中，根据内力计算公式，得到计算的外荷载作用下拱架不同位置的轴力弯矩值，结合不同截面的约束混凝土压弯强度破坏力学判据，对不同约束混凝土截面进行拱架不同位置所受轴力、弯矩强度校核，考虑一定的安全系数，得到满足该拱架各位置压弯组合下的约束混凝土截面，在满足条件的截面中确定最终拱架设计截面。7.如权利要求1所述的一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法，其特征是：所述步骤(5)中，拱架稳定性分析的具体方法为，根据曲杆的平衡微分方程、几何方程推知稳定微分方程，再带入边界条件，得到用径向位移表达的第i段稳定方程，根据拱架整体失稳时各段拱架径向位移不全为零，即各段稳定方程组成的方程组系数行列式等于零，得到拱架稳定临界荷载。8.如权利要求1所述的一种地下工程约束混凝土支护体系设计方法，其特征是：所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，江贝，李术才，秦乾，栾英成，孙会彬，于恒昌，高松，潘锐，王雷，邵行，鹿伟，高红科，胥洪彬，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37