[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

说明书

本发明涉及一种基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法，所述方法包括确定所述复合式衬砌的围岩压力代表值；根据支护类型确定复合式衬砌的总安全系数；将确定的复合式衬砌的总安全系数初步分配，得到喷层、锚杆‑围岩承载拱和二次衬砌各自的安全系数；根据各安全系数的分配结果和其对应的荷载结构模型，确定喷层、锚杆和二次衬砌的参数；根据喷层、二次衬砌的参数，采用复合结构模型得出复合结构整体破坏阶段的荷载比例系数，通过比较荷载比例系数与喷层、二衬安全系数之和的关系可以得到各支护构件之间的强度匹配性；根据总安全系数多组分配结果拟定的多组支护参数，通过强度匹配性、经济性、可实施性比选，综合分析，选择最优支护方案。

技术领域

本发明属于隧道工程领域，具体涉及一种基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法。

背景技术

复合式衬砌由系统锚杆或者锚索、喷射混凝土、钢拱架、防水层、模筑混凝土组成，是广泛应用在采矿、水工洞室、交通隧道的一种支护形式，在以往复合式衬砌的设计中主要依靠工程类比和经验取值，无法做到量化设计，对工程的安全性与经济性带来不利影响。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种隧道复合式衬砌的设计方法，将复合式衬砌支护构件分为锚杆-围岩承载拱、喷射混凝土层(包括喷射混凝土、钢筋网片和钢拱架等，下文统一简称：喷层)、二次衬砌三层承载结构，建立了喷层的荷载结构模型(模型一)、锚杆-围岩承载拱的荷载结构模型(模型二)、二次衬砌的荷载结构模型(模型三)，通过计算得到三者各自的安全系数，三者的安全系数相加即为复合式衬砌的总安全系数，使总安全系数满足施工期和运营期的设计要求，并通过对支护构件的强度匹配性、支护参数的经济性、可实施性进行比选，最终实现支护结构的优化设计，本发明的技术方案如下：

一种基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法，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，所述喷层参数包括喷层的强度等级、厚度和钢拱架参数等；

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，所述二次衬砌参数包括二次衬砌的混凝土等级、厚度和配筋参数等；

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，所述锚杆参数包括锚杆的长度、直径、材质以及相邻锚杆的间距等；

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。

进一步地，所述S1具体为：

当埋深H≥10～15倍洞径D时，围岩压力代表值的计算公式如下：

竖向均布荷载：q＝αγ(R_pd-a)；

水平均布荷载：e＝βλq；

其中，