一种隧道钢架辅助支撑体系的设计分析方法技术

本发明专利技术涉及隧道工程领域，具体涉及一种隧道钢架辅助支撑体系的设计分析方法。根据钢架辅助支撑体系的作用机制，建立了钢架辅助支撑体系的力学分析模型，经力法求解可得到钢架辅助支撑体系支护作用下不同工况时钢架各拱脚的地基荷载、拱脚沉降量、连接纵梁各截面的内力、各锁脚构件及其下伏地基的受力和变形情况。隧道设计人员可利用所得钢架各拱脚的地基荷载、各拱脚沉降量、连接纵梁各截面内力、锁脚构件及其下伏地基的受力和变形，对不同工况时钢架各拱脚地基的承载力、各拱脚沉降量、连接纵梁和各锁脚构件的强度以及锁脚构件下伏地基的承载力进行验算，最终完成钢架辅助支撑体系的设计。

【技术实现步骤摘要】
一、
：本专利技术涉及隧道工程领域，具体涉及一种隧道钢架辅助支撑体系的设计分析方法。二、
技术介绍
：钢架是软弱破碎地层隧道常用的一种初期支护型式，由于它具备较大的早期刚度，在架设后就能够立即给予围岩强有力的支护，因此在维持隧道开挖后的围岩初期稳定方面，钢架能够发挥重要作用。然而，考察软弱地层隧道施工中出现的塌方或洞顶大幅沉降，问题则多发生在钢架的拱脚支承上，如拱脚地基承载力不足或拱脚悬空等均会对钢架拱脚的稳定性造成不利影响。钢架的辅助支撑体系是目前常用的一种隧道拱脚沉降控制措施，但仍缺乏一套可供隧道设计人员采用的设计分析和评价方法，致使应用上仅凭经验而存在较大的盲目性。三、
技术实现思路
本专利技术的提供一种隧道钢架辅助支撑体系的设计分析方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种隧道钢架辅助支撑体系的设计分析方法，其特征在于：所述的方法步骤为：步骤1)：建立钢架辅助支撑体系的力学分析模型，所述的钢架辅助支撑体系由连接纵梁和锁脚构件构成；步骤2)：根据步骤1)建立的力学分析模型，确定钢架辅助支撑体系中连接纵梁上方各钢架传递的竖向作用荷载；步骤3)：根据步骤1)建立的力学分析模型和步骤2)确定的竖向作用荷载，采用力法确定钢架辅助支撑体系中连接纵梁各处的多余未知力；步骤4)：根据步骤3)所得的多余未知力，确定不同工况时钢架各拱脚的地基荷载、各拱脚沉降量、连接纵梁各截面的内力、锁脚构件及其下伏地基的受力情况；步骤5)：根据步骤4)确定的钢架各拱脚的地基荷载、各拱脚沉降量、连接纵梁各截面的内力、锁脚构件及其下伏地基的受力情况，对不同工况时各拱脚的地基承载力、各拱脚沉降量、连接纵梁的强度、锁脚构件的强度及其下伏地基的承载力进行验算，若不满足验算要求，则须调整钢架辅助支撑体系的设计参数，重新验算直至满足验算要求。所述步骤1)建立的钢架辅助支撑体系的力学分析模型满足以下条件：A：将连接纵梁在钢架落底接长处视为固定端，钢架未接长段的连接纵梁视为悬臂梁结构；B：钢架未接长段自上而下传递的竖向作用荷载由连接纵梁、锁脚构件和拱脚地基共同支承。对于连接纵梁而言，受到纵梁上方各钢架传递的竖向作用荷载，同时还受到各锁脚构件提供的竖向支承反力，以及纵梁下方钢架各拱脚传递的竖向地基反力。所述锁脚构件和钢架拱脚地基提供的支承均视为弹性支承，所受的地基反力均服从温克尔假定，其中钢架各拱脚地基的弹性支承刚度分别为K1、K2、K3、K4和K5等，各锁脚构件提供的弹性支承刚度分别为Ks1、Ks2、Ks3、Ks4、Ks5和Ks6；C：通过令钢架拱脚地基的弹簧刚度K1＝0，以考虑台阶下部开挖至悬空引起的地基支承力损失。所述步骤2)确定钢架辅助支撑体系中连接纵梁上方各钢架传递的竖向作用荷载，所述竖向荷载取两种极端情况进行包络取值。所述步骤3)中多余未知力包括钢架各拱脚的竖向地基反力以及各锁脚构件对连接纵梁的支承反力。根据所述步骤5)的验算要求为：A、各拱脚地基荷载小于地基允许荷载或应力；B、各拱脚沉降量小于允许值；C、连接纵梁的应力小于纵梁材料的屈服强度；D、锁脚构件的应力小于构件材料的屈服强度；E、锁脚构件下伏地基受力小于地基允许荷载或应力。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和效果：本专利技术通过建立钢架辅助支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)的力学分析模型，计算得到钢架辅助支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)支护下钢架各拱脚的地基荷载、各拱脚沉降量、连接纵梁各截面的内力、锁脚构件及其下伏地基的受力情况，进而可对不同工况时钢架辅助支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)设计的合理性进行验算，最终完成钢架辅助支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)的设计。本专利技术的钢架辅助支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)设计分析方法可为钢架辅助支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)的设计提供理论依据，避免了目前钢架辅助支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)在设计和应用上仅凭经验而存在的盲目性。钢架的连接纵梁、锁脚构件等是钢架常用的拱脚沉降控制措施，与连接纵梁或锁脚构件单独使用相比，二者联合使用显然具有更好的沉降控制效果。该支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)的支护作用主要表现在以下两方面：一是通过连接纵梁和锁脚构件对上部钢架的共同支承作用，分担或减少上部钢架传递给拱脚的地基荷载，从而避免由于地基承载力不足而导致的钢架拱脚失稳；二是当台阶下部开挖至钢架拱脚悬空时，由连接纵梁和锁脚构件共同为悬空状态的钢架提供支承，从而确保钢架在台阶下部施工过程中的稳定性。四、附图说明：图1为一种隧道钢架辅助支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)的设计分析方法的流程图；图2a为钢架辅助支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)沿隧道纵向的示意图；图2b为钢架辅助支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)沿隧道横向的示意图；图3a为现实中的钢架辅助支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)力学示意图；图3b为钢架辅助支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)的理想化模型示意图；图4a为围岩荷载沿纵向均匀分布时的荷载分配示意图；图4b为拱脚荷载传递示意图；图5a为围岩荷载沿纵向呈三角形分布的示意图；图5b为围岩荷载沿纵向呈三角形分布时的荷载分配示意图；图6为钢架辅助支撑体系(连接纵梁+锁脚构件)多余未知力求解的力法基本体系示意图。五、具体实施方式下面结合具体的实施方式来对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：一种隧道钢架辅助支撑体系的设计分析方法步骤为：步骤1)：建立钢架辅助支撑体系的力学分析模型，所述的钢架辅助支撑体系由连接纵梁和锁脚构件构成；所述步骤1)建立的钢架辅助支撑体系的力学分析模型满足以下条件：A：将连接纵梁在钢架落底接长处视为固定端，钢架未接长段的连接纵梁视为悬臂梁结构；B：钢架未接长段自上而下传递的竖向作用荷载由连接纵梁、锁脚构件和拱脚地基共同支承。对于连接纵梁而言，受到纵梁上方各钢架传递的竖向作用荷载，同时还受到各锁脚构件提供的竖向支承反力，以及纵梁下方钢架各拱脚传递的竖向地基反力。所述锁脚构件和钢架拱脚地基提供的支承均视为弹性支承，所受的地基反力均服从温克尔假定，其中钢架各拱脚地基的弹性支承刚度分别为K1、K2、K3、K4和K5等，各锁脚构件提供的弹性支承刚度分别为Ks1、Ks2、Ks3、Ks4、Ks5和Ks6；C：通过令钢架拱脚地基的弹簧刚度K1＝0，以考虑台阶下部开挖至悬空引起的地基支承力损失。步骤2)：根据步骤1)建立的力学分析模型，确定钢架辅助支撑体系中连接纵梁上方各钢架传递的竖向作用荷载，竖向荷载取两种极端情况进行包络取值。步骤3)：根据步骤1)建立的力学分析模型和步骤2)确定的竖向作用荷载，采用力法确定钢架辅助支撑体系中连接纵梁各处的多余未知力；多余未知力包括钢架各拱脚的竖向地基反力以及各锁脚构件对连接纵梁的支承反力。步骤4)：根据步骤3)所得的多余未知力，确定不同工况时钢架各拱脚的地基荷载、各拱脚沉降量、连接纵梁各截面的内力、锁脚构件及其下伏地基的受力情况；步骤5)：根据步骤4)确定的钢架各拱脚的地基荷载、各拱脚沉降量、连接纵梁各截面的内力、锁脚构件及其下伏地基的受力情况，对不同工况时各拱脚的地基承载力、各拱脚沉降量、连接纵梁的强度、锁脚构件的强度及其下伏地基的承载力进行验算，若不满足验算要求，则须调整钢架辅助支撑体系的设计参数，重新验算直至满足验算要求。验算要求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隧道钢架辅助支撑体系的设计分析方法，其特征在于：所述的方法步骤为：步骤1)：建立钢架辅助支撑体系的力学分析模型，所述的钢架辅助支撑体系由连接纵梁和锁脚构件构成；步骤2)：根据步骤1)建立的力学分析模型，确定钢架辅助支撑体系中连接纵梁上方各钢架传递的竖向作用荷载；步骤3)：根据步骤1)建立的力学分析模型和步骤2)确定的竖向作用荷载，采用力法确定钢架辅助支撑体系中连接纵梁各处的多余未知力；步骤4)：根据步骤3)所得的多余未知力，确定不同工况时钢架各拱脚的地基荷载、各拱脚沉降量、连接纵梁各截面的内力、锁脚构件及其下伏地基的受力情况；步骤5)：根据步骤4)确定的钢架各拱脚的地基荷载、各拱脚沉降量、连接纵梁各截面的内力、锁脚构件及其下伏地基的受力情况，对不同工况时各拱脚的地基承载力、各拱脚沉降量、连接纵梁的强度、锁脚构件的强度及其下伏地基的承载力进行验算，若不满足验算要求，则须调整钢架辅助支撑体系的设计参数，重新验算直至满足验算要求。

【技术特征摘要】
1.一种隧道钢架辅助支撑体系的设计分析方法，其特征在于：所述的方法步骤为：步骤1)：建立钢架辅助支撑体系的力学分析模型，所述的钢架辅助支撑体系由连接纵梁和锁脚构件构成；步骤2)：根据步骤1)建立的力学分析模型，确定钢架辅助支撑体系中连接纵梁上方各钢架传递的竖向作用荷载；步骤3)：根据步骤1)建立的力学分析模型和步骤2)确定的竖向作用荷载，采用力法确定钢架辅助支撑体系中连接纵梁各处的多余未知力；步骤4)：根据步骤3)所得的多余未知力，确定不同工况时钢架各拱脚的地基荷载、各拱脚沉降量、连接纵梁各截面的内力、锁脚构件及其下伏地基的受力情况；步骤5)：根据步骤4)确定的钢架各拱脚的地基荷载、各拱脚沉降量、连接纵梁各截面的内力、锁脚构件及其下伏地基的受力情况，对不同工况时各拱脚的地基承载力、各拱脚沉降量、连接纵梁的强度、锁脚构件的强度及其下伏地基的承载力进行验算，若不满足验算要求，则须调整钢架辅助支撑体系的设计参数，重新验算直至满足验算要求。2.根据权利要求1所述的一种隧道钢架辅助支撑体系的设计分析方法，其特征在于：所述步骤1)建立的钢架辅助支撑体系的力学分析模型满足以下条件：A：将连接纵梁在钢架落底接长处视为固定端，钢架未接长段的连接纵梁视为悬臂梁结构；B：钢架未接长段自上而下传递的竖向作用荷载由连接纵梁、锁脚构件和拱脚地...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建勋，陈丽俊，张运良，罗彦斌，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61