[发明专利]一种确定竖井衬砌安全性与优化的计算方法

权利要求书

1.一种确定竖井衬砌安全性与优化的计算方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将竖井分成若干个分段；

(2)计算每分段竖井最下端处的围岩竖向应力；

(3)计算每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力；

(4)计算每分段竖井衬砌所提供的最大支护力；

(5)计算每分段竖井衬砌的安全系数；

(6)调整优化每段竖井衬砌参数；

步骤(2)中，所述每分段竖井最下端处的围岩竖向应力按照式(1)计算：

式(1)中：σ_z为每分段竖井最下端处的围岩竖向应力，q为地表超载，i为每分段底部以上第i层围岩，m为每分段底部以上分层围岩的个数，γ_i为每分段底部以上第i层围岩的重度，h_i为每分段底部以上第i层围岩的厚度；

步骤(3)中，所述每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力按照式(2)计算：

式(2)中：e_z为每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力，σ_z为每分段竖井最下端处的围岩竖向应力，为围岩的计算内摩擦角；

步骤(4)中，所述每分段竖井衬砌所提供的最大支护力的计算方法如下：

(a)对于圆形竖井，每分段竖井衬砌所提供的最大支护力为：

式(3)中：p_max为每分段圆形竖井衬砌所提供的最大支护力，t为圆形竖井衬砌的厚度，r₀为圆形竖井的内半径，σ_c为竖井衬砌的抗压强度；

(b)对于矩形竖井，则首先按照下述方法进行等代圆处理：

r₀＝0.29(a+b) (4)；

式(4)中：r₀为矩形竖井等代圆半径，a为矩形竖井断面的长度，b为矩形竖井断面的宽度；

将竖井等代圆半径r₀带入公式(3)，即可求得矩形竖井衬砌所提供的最大支护力；

步骤(5)中，所述每分段竖井衬砌的安全系数按照式(5)计算：

式(5)中：K为每分段竖井衬砌的安全系数，p_max为每分段圆形竖井衬砌所提供的最大支护力，e_z为每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力；

步骤(6)中，所述调整优化每段竖井衬砌参数按照下述方法进行：

(Ⅰ)若每分段竖井衬砌的安全系数K小于规范允许的安全系数[K]，则表明衬砌不安全，根据公式(5)可知，可以从两方面入手，一是提高每分段竖井衬砌所提供的最大支护力，二是降低每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力；

其中，在围岩情况和衬砌厚度不变的情况下，可以提高衬砌的强度等级，如衬砌强度等级从C20提高到C25，或者提高到C30；

其中，在围岩情况和衬砌强度等级不变的情况下，可以提高衬砌厚度，如从15cm厚的衬砌，提高到20cm厚的衬砌；

其中，在衬砌支护参数不变的情况下，对围岩进行注浆或者减轻地表超载，从而减小竖井衬砌所承受的围岩水平压力；

在实际施工中，一般改变竖井衬砌厚度比改变衬砌强度等级容易，令每分段竖井衬砌的安全系数K等于规范允许的安全系数[K]，由式(3)和式(5)，可以得到满足安全性的喷层的最小厚度为t_min：

式(6)中，t_min为安全性的喷层的最小厚度，[K]为规范允许的安全系数，e_z为每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力，σ_c为竖井衬砌的抗压强度，r₀为圆形竖井的内半径或矩形竖井等代圆半径；

(Ⅱ)若每分段竖井衬砌的安全系数K大于规范允许的安全系数[K]，则表明衬砌安全；若每分段竖井衬砌的安全系数K比规范允许的安全系数[K]大很多，表明竖井衬砌偏保守，支护过强，浪费材料，从经济安全的角度，可以降低支护参数，如降低衬砌强度等级或者减少衬砌厚度，直到略大于或者等于规范允许的安全系数[K]。

2.根据权利要求1所述确定竖井衬砌安全性与优化的计算方法，其特征在于：所述竖井分段按5m高度或者不同的地层厚度进行分段。