[发明专利]一种基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法

权利要求书

1.一种基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1，确定所述复合式衬砌的围岩压力代表值；

S2，根据支护类型确定复合式衬砌的总安全系数的取值；

S3，将所述S2中确定的复合式衬砌的总安全系数初步分配，得到多种分配组合，每组分配组合包括喷层安全系数、锚杆-围岩承载拱安全系数和二次衬砌安全系数；

S4，根据每组分配组合中的喷层安全系数，采用喷层的荷载结构模型，计算对应每组分配组合对应的喷层参数；

S5，根据每组分配组合中的二次衬砌安全系数，采用二次衬砌的荷载结构模型，计算每组分配组合对应的二次衬砌参数；

S6，根据每组分配组合中的喷层、二次衬砌和锚杆-围岩承载拱的安全系数，采用锚杆-围岩承载拱荷载结构模型，计算每组分配组合对应的锚杆参数；

S7，根据每组分配组合中计算得出的喷层参数和二次衬砌的参数，采用复合结构模型，计算每组分配组合对应的复合结构整体破坏阶段的荷载比例系数以及喷层、二次衬砌的破坏顺序和对应的破坏荷载；

S8，根据每组分配组合中的喷层安全系数、锚杆-围岩承载拱安全系数和二次衬砌安全系数以及每组分配组合计算出的喷层参数、二次衬砌参数、锚杆参数和荷载比例系数进行支护构件的强度匹配性、经济性、可实施性比选，综合分析，得到更为经济合理的支护方案；

其中，S4中喷层的荷载结构模型的确定和每组分配组合中喷层参数的计算方法如下：

喷层的荷载结构模型是基于有限元的计算模型，喷层采用梁单元模拟，结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧和切向弹簧模拟，切向弹簧刚度取无拉径向弹簧刚度的1/3，荷载采用所述步骤S1中的围岩压力代表值，求得喷层的内力后，喷层参数和安全系数采用破损阶段法进行计算；

其中，S5中二次衬砌的荷载结构模型的确定和每组分配组合中二次衬砌参数的计算方法如下：

二次衬砌的荷载结构模型是基于有限元的计算模型，二次衬砌采用梁单元模拟，拱墙铺设防水板区域采用无拉径向弹簧模拟，仰拱区域与初支接触采用无拉径向弹簧和切向弹簧模拟，切向弹簧刚度取无拉径向弹簧刚度的1/3，荷载采用所述步骤S1中的围岩压力代表值；求得二次衬砌的内力后，二次衬砌参数和安全系数采用破损阶段法进行计算；

其中，S6中锚杆-围岩承载拱的荷载结构模型的确定和每组分配组合中锚杆参数的计算方法如下：

S61：锚杆的外端头按一定角度往隧道内侧进行压力扩散，相邻锚杆压力扩散后的交点所形成的连线即为承载拱的外边线，承载拱内边线为喷层外表面，采用梁单元模拟锚杆-围岩承载拱，采用无拉径向弹簧模拟围岩与承载拱的相互作用，拱脚处采用弹性支撑，荷载采用所述步骤S1中的围岩压力代表值；

S62：求得承载拱的内力后，锚杆参数和锚杆-围岩承载拱安全系数按破损阶段法计算，其中，锚杆-围岩承载拱范围内围岩的极限强度仅考虑支护后增加的强度，计算公式如下：

其中：[σ_c]为承载拱范围内围岩的极限强度，σ₃为喷层、锚杆、二衬提供的支护力；

由锚杆提供的支护力σ₃₂，计算公式如下：

σ₃₂＝min[f_yπd²/(4bs·k_s),f_rbπd_gl_g/(bs·k_g)]；

其中，σ₃₂为锚杆提供的支护力；k_s为锚杆的屈服承载力安全系数，不小于2.0；kg为锚杆的抗拔安全系数，不小于2.5；f_y为锚筋钢材的屈服强度；d为锚筋直径；f_rb为砂浆锚固体与地层间的极限粘结强度；d_g为砂浆锚固体的外径；l_g为锚筋与砂浆的锚固长度；b、s分别为锚杆的环向间距和纵向间距；

由喷层提供的支护力σ₃₁，由二次衬砌提供支护力σ₃₁的计算公式如下：

σ₃₁＝0.5K₁·q；

σ₃₃＝0.5K₃·q；

其中，K₁、K₃分别为喷层、二次衬砌的安全系数；

当喷层厚度小于8cm时，喷层提供的σ₃₁可以忽略不计；

由锚杆、喷层、二次衬砌提供的总支护力作为σ₃，在施工期与运营期取值有所不同，可以采用σ_3c与σ_3op分别为施工期与运营期间支护体系为锚-岩承载拱内围岩提供的支护力，其计算公式如下：

σ_3c＝σ₃₁+σ₃₂；

σ_3op＝σ₃₁+σ₃₂+σ₃₃；

S63：当隧道喷层厚度小于8cm，喷层的支护作用忽略不计，锚杆除了需要满足所述S62中锚-岩承载拱所需全部的支护力σ₃以外，还需满足最小支护力的要求，计算公式如下：

min[f_yπd²/(4bs·k_s),f_rbπd_gl_g/(bs·k_g)]＞P_imin；