[发明专利]一种膨胀性围岩隧道底板的设计方法

摘要

本发明公开了一种膨胀性围岩隧道底板的设计方法，包括步骤：1)获取在无锚杆加固作用下的围岩总变形；2)选择膨胀性围岩隧道底板采用锚杆支护；3)当锚杆支护不能接受时，选择开放式底板支护；4)当开放式底板支护不能接受时，选择柔性复合式底板支护；5)当柔性复合式底板支护不能接受时，选择刚性仰拱支护。本发明通过获取在无锚杆加固作用下的围岩变形、有锚杆加固作用下的围岩变形、以及在膨胀作用下的围岩变形，进而获得了底板荷载，通过对比底板荷载和底板失稳临界荷载，来确定底板支护的形式和参数，使得底板支护的设计参数更可靠、更合理，能提高隧道底板质量，节约底板支护建造费用。

主权项

1.一种膨胀性围岩隧道底板的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：1)获取在无锚杆加固作用下的膨胀性围岩的总变形1.1)根据膨胀性围岩变形情况，将膨胀性围岩划分为塑性区和弹‑膨胀区，由圆形轴对称隧道弹‑塑性解得到塑性圈的半径RP的大小如下：式中：P₀为原岩地应力力，φ为内摩擦角，c为内聚力，R₀为隧道开挖半径，P_s为支护力；围岩塑性区和弹‑膨胀区的交界处在弹塑性作用下的径向位移为：式中G为剪切模量；则此时，隧道临空面的径向位移Uep为：式中R0为隧道开挖半径；1.2)获取在膨胀作用下的围岩变形由基于圆形轴对称隧道弹‑膨胀围岩解析解，得到围岩塑性区和弹‑膨胀区的交界处在膨胀作用下的径向位移：式中：α为线膨胀系数；Es为膨胀模量，Ee为弹性模量，W为地下水分布函数；r为围岩的半径，υ为泊松比；1.3)当隧道无锚杆加固时，隧道围岩在膨胀作用下的总变形Utot为：2)选择锚杆作为膨胀性围岩隧道底部的支护2.1)获取在锚杆加固下隧道的仰拱荷载与仰拱临界失稳荷载在隧道圆周方向均匀设置锚杆，将锚杆对围岩的作用简化为一个均匀的支护应力σA；式中：r为围岩的半径；R0为锚杆内端至围岩中心的距离；A为单支锚杆的锚固力；n为单位隧道长度的锚杆数量；通过以下公式计算在锚杆加固作用下的围岩变形Ubolt：式中：υ为泊松比，E为弹性模量；σA0是锚杆外端点处的支护应力，即式(5)中r＝R0时σA的取值；当隧道存在锚杆加固时，隧道围岩在锚固支护作用和膨胀作用下的总变形Utot：▽U＝Ri‑(R0‑Utot)   (8)式中：R0为隧道开挖半径，Ri为隧道实际界面；在隧道底部设计仰拱，仰拱荷载q为：q＝k0▽U   (9)式中：k0为弹性地基系数；根据结构力学，获得仰拱失稳临界荷载qcr为：式中：Ei为仰拱材料弹性模量，I为惯惯性矩，γ为仰拱两端法线与中轴线夹角；2.2)对比仰拱荷载q与仰拱失稳临界荷载qcr，调整单支锚杆的锚固力A、锚杆长度l、以及单位隧道长度的锚杆数量n，使q＜qcr；2.3)根据步骤2.2)获得的锚固力A、锚杆长度l、以及单位隧道长度的锚杆数量n，并根据所获得锚杆参数评判采用锚杆加固的成本是否可以接受；3)当步骤2.2)的成本评判结果不能接受时，选择膨胀性围岩隧道底部采用开放式底板支护；开放式底板支护即预先预留出容纳膨胀性围岩隧道底部全部变形的空间，然后在预留空间之上建造底板支护；根据隧道围岩在膨胀作用下的总变形Utot，设计预留空间的高度h≥Utot，并评判采用开放式底板支护的成本是否可以接受；4)当步骤3)的成本评判结果不能接受时，选择膨胀性围岩隧道底板采用柔性复合式底板支护；柔性复合式底板支护即预先留出容纳膨胀性围岩隧道底部部分变形的空间，然后在预留空间之上建造仰拱，设计预留空间的高度h＜Uep；根据隧道围岩在膨胀作用下的总变形为则仰拱的荷载q为：q＝k₀U_tot，通过调整仰拱的弹性模量、惯性矩、仰拱两端法线与中轴线夹角，使仰拱的失稳临界荷载q_cr＞q；并根据预留空间的高度h、弹性模量Ei，惯性矩I，以及γ评判采用柔性复合式底板支护的成本是否可以接受；5)当步骤4)的成本评判结果不能接受时，选择膨胀性围岩隧道底部采用刚性仰拱支护；根据隧道围岩在膨胀作用下的总变形为则刚性仰拱的荷载q为：q＝k₀U_tot，通过调整仰拱材料弹性模量、惯性矩、仰拱两端法线与中轴线夹角γ，使刚性仰拱支护的失稳临界荷载q_cr＞q。