本發(fā)明專利涉及一種隧道初期支護(hù)中鋼拱架的鎖定結(jié)構(gòu)，特別適用于黃土隧道的豎向變形控制。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)在黃土地區(qū)交通建設(shè)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了大量的鐵路、公路黃土隧道。由于黃土的特點(diǎn)：大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育、天然含水率時(shí)強(qiáng)度較高、很高的濕陷性，使得在黃土地層中修建隧道存在一定的技術(shù)難題，其中在黃土隧道開挖過程中產(chǎn)生的豎向變形尤為顯著，所以如何控制黃土隧道開挖過程中的豎向變形成為必要。

黃土隧道開挖后，使原有圍巖的應(yīng)力重新分布，進(jìn)而使圍巖產(chǎn)生了塑性變形和松弛，為了阻止被擾動(dòng)后圍巖的過度位移和變形，必須采用合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)來承受圍巖的壓力。鋼拱架是黃土隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，同時(shí)又是永久支護(hù)的一部分，鋼拱架本身具有較大剛度和較強(qiáng)的承載能力，能夠在噴射混凝土未達(dá)到要求強(qiáng)度之前，有效的控制圍巖的變形和位移，承擔(dān)地層壓力和約束變形。

坑道開挖后由于黃土的垂直節(jié)理發(fā)育，鋼拱架需要堅(jiān)固的基礎(chǔ)支撐，才能有效阻止鋼拱架在新的應(yīng)力場(chǎng)形成過程產(chǎn)生的下沉。通過施做大直徑的鎖腳錨管與鋼拱架進(jìn)行牢固的連接，使鎖腳錨管與鋼拱架形成一個(gè)整體，將鋼拱架錨固于圍巖深部，在一定程度上限制鋼拱架的豎向位移，充分發(fā)揮鋼拱架的剛度和強(qiáng)度，以便對(duì)坑道周邊圍巖提供較大的支護(hù)抗力，防止圍巖產(chǎn)生有害的過度變形。

現(xiàn)有在軟弱圍巖中控制鋼拱架豎向變形的結(jié)構(gòu)，是在一榀鋼拱架兩側(cè)布置兩根與水平面成一定夾角的鎖腳錨管，通過鎖腳錨管與圍巖的之間的摩擦阻力及法向力，盡可能的為鋼拱架提供豎向支撐，限制鋼拱架的豎向下沉，盡早發(fā)揮鋼拱架的剛度和強(qiáng)度，使其承擔(dān)圍巖變形引起的壓力，保證隧道初期的穩(wěn)定性。

但是由于黃土地層較軟弱，在黃土地層中修建的隧道，其豎向變形比在軟弱圍巖地層中修建隧道的豎向變形要大，若采用現(xiàn)有的控制變形結(jié)構(gòu)，則鎖腳錨管很難為鋼拱架提供有效的豎向支撐，從而降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，導(dǎo)致圍巖的過大變形，甚至?xí)斐墒Х€(wěn)、塌方等工程事故。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述背景技術(shù)中的不足之處，提供一種黃土隧道豎向變形控制結(jié)構(gòu)，可以有效的阻止坑道開挖過程中的豎向變形，提高施工的安全性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種黃土隧道豎向變形控制結(jié)構(gòu)，包括鋼拱架（4）和鋼拱架（5）、槽鋼（3）、大直徑灌漿鎖腳錨管（2）、鋼筋連接件（1），其特征在于：鋼拱架（4）和鋼拱架（5）之間縱向連接槽鋼（3），大直徑灌漿鎖腳錨管（2）位于槽鋼（3）下側(cè)，通過連接于槽鋼（3）上的大直徑灌漿鎖腳錨管（2），將鋼拱架（4）和鋼拱架（5）錨固于圍巖深部，大直徑灌漿鎖腳錨管（2）端部焊接于鋼筋連接件（1），鋼筋連接件（1）焊接于槽鋼（3），鋼筋連接件（1）由鋼筋彎曲而成，其中大直徑灌漿鎖腳錨管（2）打入圍巖角度為15°~30°。

一種黃土隧道豎向控制結(jié)構(gòu)的施作方法，其特征在于：黃土隧道開挖后，先架立鋼拱架，隨后在每?jī)砷摴凹苤g施做鋼筋網(wǎng)、錨桿以及直徑較大的灌漿鎖腳錨管，接著用縱向連接件（即槽鋼）縱向連接兩榀鋼拱架，最后用鋼筋連接件將大直徑灌漿鎖腳錨管與縱向連接件（即槽鋼）進(jìn)行牢固連接。

與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和效果如下：

1、本發(fā)明結(jié)構(gòu)在傳力方面比較明確，大直徑灌漿鎖腳錨管與圍巖產(chǎn)生的作用通過錨管與槽鋼的連接傳至槽鋼，槽鋼再通過焊縫將豎向的作用傳至鋼拱架，從而有效的控制隧道的豎向變形。

2、本發(fā)明結(jié)構(gòu)具有良好的整體性，兩榀鋼拱架通過槽鋼縱向連接，然后大直徑灌漿鎖腳錨管的的作用施加在兩榀鋼拱架上，使得圍巖的作用不是施加在單獨(dú)一榀鋼拱架上，而是通過兩榀鋼拱架共同進(jìn)行分擔(dān)。

3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)在隧道縱向亦提供支撐，取代以往在兩榀鋼拱架之間設(shè)置鋼筋連接件，而設(shè)置槽鋼作為縱向連接件，不僅使鎖腳錨管與鋼拱架的連接更加牢固，而且也提供了有效的縱向支撐。

4、本發(fā)明結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)合理，取代現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中在一榀鋼拱架兩側(cè)設(shè)置兩根鎖腳錨管，而是設(shè)置一根直徑較大的鎖腳錨管作用于兩榀鋼拱架上，不僅降低了鎖腳錨管的造價(jià)，而且節(jié)省了打錨的時(shí)間。

附圖說明

圖1 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖(實(shí)體圖) 。

圖2 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖(立面圖) 。

圖3 圖2的A-A剖視圖。

圖4 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖）。

圖5 三維總模型圖。

圖6 結(jié)構(gòu)模型總圖。

圖7 細(xì)部模型圖。

圖8 無豎向變形控制結(jié)構(gòu)豎向位移圖。

圖9 有豎向變形控制結(jié)構(gòu)豎向位移圖。

圖10 無豎向變形控制結(jié)構(gòu)圍巖最大主應(yīng)力圖。

圖11 無豎向變形控制結(jié)構(gòu)圍巖最小主應(yīng)力圖。

圖12 有豎向變形控制結(jié)構(gòu)圍巖最大主應(yīng)力圖。

圖13 有豎向變形控制結(jié)構(gòu)圍巖最小主應(yīng)力圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明專利是一種黃土隧道豎向變形控制結(jié)構(gòu)，參照?qǐng)D1~4，本實(shí)施方式中，包括鋼拱架（4）和鋼拱架（5）、槽鋼（3）、大直徑灌漿鎖腳錨管（2）、鋼筋連接件（1），其特征在于：鋼拱架（4）和鋼拱架（5）之間縱向連接槽鋼（3），大直徑灌漿鎖腳錨管（2）位于槽鋼（3）下側(cè)，通過連接于槽鋼（3）上的大直徑灌漿鎖腳錨管（2），將鋼拱架（4）和鋼拱架（5）錨固于圍巖深部，大直徑灌漿鎖腳錨管（2）端部焊接于鋼筋連接件（1），鋼筋連接件（1）焊接于槽鋼（3），鋼筋連接件（1）由鋼筋彎曲而成，其中大直徑灌漿鎖腳錨管（2）打入圍巖角度為15°~30°。

在實(shí)際工程中的具體實(shí)現(xiàn)方法：隧道圍巖開挖后，先架立鋼拱架，隨后在每?jī)砷摴凹苤g施做鋼筋網(wǎng)、錨桿以及直徑較大的灌漿鎖腳錨管，接著用縱向連接槽鋼連接兩榀鋼拱架，最后用鋼筋連接件將大直徑灌漿鎖腳錨管與縱向連接件進(jìn)行牢固連接。

工作原理：在兩榀鋼拱架之間焊接縱向槽鋼，再通過鋼筋連接件將大直徑灌漿鎖腳錨管焊接于槽鋼上，兩側(cè)的鋼拱架與大直徑灌漿鎖腳錨管共同受力，連接體現(xiàn)整體性，傳力明確，極限承載能力得到提高。

以下為本發(fā)明在MIDAS- GTS軟件中進(jìn)行的有限元數(shù)值模擬

（一）計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

模型假定為在Q₃黃土地層中采用三臺(tái)階七步開挖法修建的隧道，本次模擬取全斷面初支施做完成一個(gè)循環(huán)進(jìn)行說明，分為兩種工況比較分析本發(fā)明是否在控制豎向變形以及圍巖穩(wěn)定性方面有突出的效果。

（1）計(jì)算模型假定

MIDAS- GTS中認(rèn)為黃土材料是均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的，并且采用莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則的材料模擬；噴射混凝土用板單元進(jìn)行模擬，鋼拱架、槽鋼及鎖腳錨管均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，縱向連接筋采用桁架單元模擬。

① 取平面100*100m²及縱向15m的三維有限元模型；邊界條件為：左右側(cè)水平約束、下側(cè)豎向約束、前后兩側(cè)縱向約束；三維模擬的直接埋深為44.18m，另外在上表面施加換算覆土重1000KN的表面壓力作為模擬102m埋深。

② 本次模擬取兩種工況模型進(jìn)行對(duì)比分析：第一種是在初支中包括鋼拱架、噴射混凝土及縱向連接筋，即無豎向變形控制結(jié)構(gòu)；第二種是在初支中除了包括鋼拱架和噴射混凝土之外，還要在兩榀鋼拱架拱腳之間打入鎖腳錨管，再用縱向槽鋼進(jìn)行鋼拱架與鎖腳錨管的連接，同時(shí)也包括縱向連接筋，即設(shè)置豎向變形控制結(jié)構(gòu)。

③ 有限元模型大樣見圖5-三維總模型圖，結(jié)構(gòu)模型見圖6-結(jié)構(gòu)模型總圖以及圖7-豎向變形控制結(jié)構(gòu)細(xì)部模型圖。

（2）計(jì)算參數(shù)假定

本裝置是在黃土隧道的前提下進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故在有限元模擬中圍巖的計(jì)算參數(shù)取Q₃黃土的物理力學(xué)參數(shù)；隧道支護(hù)（鋼拱架、槽鋼、縱向連接筋、鎖腳錨管、噴射混凝土）材料參數(shù)按現(xiàn)行規(guī)范取值。黃土與支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 黃土與支護(hù)材料參數(shù)表

其中，鋼拱架型號(hào)選擇I25b，間距為0.5m；槽鋼型號(hào)選擇20；縱向連接筋型號(hào)選擇φ25：鎖腳錨管長(zhǎng)度L=6m，直徑D=108mm，其壁厚t=14mm，錨管下斜θ=15°打入圍巖；噴射混凝土厚度300mm。

（二）計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)兩種結(jié)構(gòu)采用MIDAS- GTS有限元軟件分別建模并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，提取結(jié)果數(shù)據(jù)。通過對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)下隧道的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及結(jié)構(gòu)受力情況，來說明本發(fā)明的是否有效合理。（注：計(jì)算結(jié)果提取略去邊界面，取距縱向零面1m處剖斷面提取計(jì)算結(jié)果，以避免邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。）

（1）豎向位移對(duì)比分析

取兩種工況的位移云圖進(jìn)行比較，結(jié)果分析圖見圖8-無豎向變形控制結(jié)構(gòu)圍巖豎向位移圖及圖9-豎向變形控制結(jié)構(gòu)圍巖豎向位移圖。從位移云圖提取結(jié)果整理得表2。

表2 兩種模型關(guān)鍵點(diǎn)豎向位移 單位：cm

通過表2的得出以下結(jié)論：

從無豎向變形控制結(jié)構(gòu)到豎向變形控制結(jié)構(gòu)，各關(guān)鍵點(diǎn)處豎向位移：拱頂減少1.4cm、左拱腰減少2.5cm、右拱腰減少3.0cm、左邊墻減少7.2cm、右邊墻減小7.1cm。對(duì)比可知所有關(guān)鍵點(diǎn)處的豎向沉降都在減小，且邊墻處變化幅度較大，所以豎向變形控制結(jié)構(gòu)對(duì)控制豎向沉降有著明顯的效果。

（2）對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分析

同樣取兩種模型圍巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行比較，結(jié)果分析圖見圖10~11-無豎向控制結(jié)構(gòu)圍巖主應(yīng)力圖及圖12~13-豎向變形控制結(jié)構(gòu)圍巖主應(yīng)力圖。從應(yīng)力圖提取結(jié)果整理得表3。

表3 兩種模型隧道周邊圍巖最大和最小主應(yīng)力值

通過表3的得出以下結(jié)論：

從無豎向變形控制結(jié)構(gòu)到豎向變形控制結(jié)構(gòu)，拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力不發(fā)生變化，但隧道兩側(cè)及拱腳的最大主應(yīng)力都在變大，并且隧道周圍的最小主應(yīng)力也在增大，說明豎向變形控制結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的控制起到相應(yīng)的作用。

（3）對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)處豎向位移隨施工階段變化分析

提取各關(guān)鍵點(diǎn)在不同施工階段時(shí)的計(jì)算結(jié)果，整理豎向位移結(jié)果數(shù)據(jù)，繪制各關(guān)鍵點(diǎn)豎向位移隨施工階段變化圖表，其中關(guān)鍵點(diǎn)處豎向位移圖表見表4~8。

表4 拱頂豎向位移表

表5 左拱腰豎向位移表

表6 右拱腰豎向位移表

表7 左邊墻豎向位移表

表8 右邊墻豎向位移表

從各關(guān)鍵點(diǎn)的豎向位移表可以看出：有豎向變形控制結(jié)構(gòu)和無豎向變形控制結(jié)構(gòu)隨著施工階段的變化在控制豎向位移上的差別，從而證明本發(fā)明即豎向變形控制結(jié)構(gòu)所起的作用是有效的。

（三） 模擬結(jié)論

通過擬定Q₃黃土地層的材料參數(shù)及黃土隧道的開挖方法，使用MADIS-GTS軟件對(duì)黃土隧道豎向變形控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元的模擬分析，得出結(jié)論如下：

（1）經(jīng)模擬結(jié)果分析可以看出，施做與未施做本發(fā)明在豎向變形控制方面有著明顯的差異，施做本裝置可以有效的控制黃土隧道開挖過程中的豎向沉降。

（2）施做與未施做本裝置在圍巖穩(wěn)定性方面亦有明顯的差異。未施做本發(fā)明時(shí)隧道周邊圍巖的穩(wěn)定性較差，在隧道開挖過程中，不能保證規(guī)范的安全系數(shù)，即無法確保安全施工；施做本裝置時(shí)隧道周邊圍巖較穩(wěn)定，保證了隧道在施工過程中的安全性。