一种基于解重构理论的巨跨蛏型地下洞库支护结构设计方法

摘要

本发明公开了一种基于解重构理论的巨跨蛏型地下洞库支护结构设计方法，如下：步骤一、原位测试确定待开挖洞库处的围岩应力σ

说明书

技术领域

本发明属于地下洞库技术领域，具体涉及一种基于解重构理论的巨跨蛏型地下洞库支护结构设计方法。

背景技术

目前对于中、小跨度隧道工程的设计理论和方法，已经比较成熟，采用这些成熟设计方法的隧道工程非常多，积累了大量的实测数据和丰富的工程经验。当前隧道及地下工程比较成熟的设计方法主要有：

(1)工程类比法

工程类比法主要是以经验为指导，通过建立大量的标准设计图集，极大降低了设计工作量，简化了设计工作，但其存着很多不足：经验为主的设计方法往往带来巨大的经济代价，或者导致结构不安全出现工程事故，同时工程类比法对于特殊边界条件的隧道工程，如超大断面、超高构造应力、特殊断面形式等，显得乏力。

(2)荷载-结构法

该方法进行设计时，首先是已知荷载，采用结构力学、弹性力学和土力学的理论知识，计算结构的内力和破坏，然后根据计算结果进行结构的选型和参数设计。该设计理念并未考虑围岩与结构之间的相互作用，单纯的把围岩荷载全部作用在结构上进行设计计算，无法考虑围岩自承载力，设计偏保守，经济性较差。目前该方法在隧道工程中应用最为广泛。

(3)地层-结构法

该方法设计时，考虑围岩和结构的相互作用，较能真实反映围岩和结构之间的受力变形相互作用，但目前应用不是很成熟。该方法需要对围岩未开挖时的一次应力场进行较为准确的测定，在此基础上还要选择合理的支护时机，确定应力释放率，一般需要大型数值方法进行计算才能得出较合理的结果，工程应用性较差。

上述设计理论和方法主要适用于中、小跨度隧道洞库，并且应用已经非常成熟。但对于超大跨或巨跨洞库工程，由于跨度大、洞室扁平率影响等，开挖后围岩应力场、位移场、塑性区发育等规律与中、小跨度隧道洞库有明显不同，因此不能盲目借鉴中、小跨度隧道洞库的设计理论方法，另外，由于当前我国尚没有修建跨度超过70m的巨跨洞库工程，没有相关的工程经验和实测数据，因此关于巨跨洞库的设计理论和标准还是一片空白。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于解重构理论的巨跨蛏型地下洞库支护结构设计方法，将超大跨度扁平蛏型断面地下洞库的开挖解构应力场划分为四个分区，有针对性的对每个分区进行支护设计，保证工程安全。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种基于解重构理论的巨跨蛏型地下洞库支护结构设计方法，适用于跨度大于70m，但小于75m的扁平蛏型硬岩洞库，矢跨比小于1/4；其围岩级别为Ⅱ级或Ⅲ级；该设计方法如下：

步骤一、原位测试确定待开挖洞库处的围岩应力σ

步骤二、计算洞库岩壁的切向应力σ

步骤三、根据切向应力σ

拱顶部位应力受拉区位于洞库拱顶部位，且σ

拱肩部位非应力集中区为两处，分别位于拱顶部位应力受拉区左右两侧，且与拱顶部位应力受拉区相邻，且0＜σ

拱墙部位应力集中区位于洞库左右拱墙处，且与对应侧的拱肩部位非应力集中区相邻，且σ

仰拱部位非应力集中区位于洞库拱底，左右两侧与拱墙部位应力集中区相邻，且σ

步骤四、洞库开挖后，在拱顶部位应力受拉区，施做支护，支护结构为预应力锚索、斜向短锚杆和钢筋网片喷射混凝土相结合；。

在拱肩部位非应力集中区，施做支护，支护结构为预应力锚索、系统径向锚杆和钢筋网片喷射混凝土相结合；在拱墙部位应力集中区，施做支护，支护结构为预应力锚索、径向导管注浆形成的注浆加固区(10)和钢筋网片喷射混凝土相结合。

在仰拱部位非应力集中区，施做支护，支护结构为预应力锚索、系统径向锚杆和钢筋网片喷射混凝土相结合。

进一步地，还包括，对洞库内壁一周及拱底均施做二次衬砌(11)，并按照由拱顶至拱肩、拱墙、拱底处，二次衬砌(11)截面高度依次由小变大。

进一步地，该σ

其中：a为扁平巨跨洞库断面长轴尺寸；

b为扁平巨跨洞库断面短轴尺寸；

轴比m＝b/a。

进一步地，该二次衬砌(11)采用现浇钢筋混凝土结构。

本发明具有如下优点：将超大跨度扁平蛏型断面地下洞库的开挖解构应力场划分为四个分区，有针对性的对每个分区进行支护设计，从而充分发挥结构的支护能力，不仅能够确保工程安全，还能最大限度节约建造成本。

附图说明

图1为巨跨蛏型地下洞库应力场分区示意图；

图2为拱顶部位应力受拉区支护结构示意图；

图3为拱肩部位非应力集中区支护结构示意图；

图4为拱墙部位应力集中区支护结构示意图；

图5为仰拱部位非应力集中区支护结构示意图；

图6二次衬砌及回填混凝土结构示意图。

其中：a.洞库；1.拱顶部位应力受拉区；2.拱肩部位非应力集中区；3.拱墙部位应力集中区；4.仰拱部位非应力集中区；5.预应力锚索；6.斜向短锚杆；7.钢筋网片喷射混凝土；8.系统径向锚杆，9.径向注浆孔；10.注浆加固区；11.二次衬砌。

具体实施方式

在本发明中，一种基于解重构理论的巨跨蛏型地下洞库支护结构设计方法，适用于跨度大于70m，但小于75m的扁平蛏型硬岩洞库a，矢跨比小于1/4；其围岩级别为Ⅱ级或Ⅲ级；该设计方法如下：

步骤一、原位测试确定待开挖洞库a处的围岩应力σ

步骤二、计算洞库岩壁的切向应力σ

步骤三、根据切向应力σ

上述拱顶部位应力受拉区1位于洞库拱顶部位，且σ

步骤四、洞库a开挖后，在拱顶部位应力受拉区1，施做支护，支护结构为预应力锚索5、斜向短锚杆6和钢筋网片喷射混凝土7相结合。

在拱肩部位非应力集中区2，施做支护，支护结构为预应力锚索5、系统径向锚杆8和钢筋网片喷射混凝土7相结合。；

在拱墙部位应力集中区3，施做支护，支护结构为预应力锚索5、径向导管注浆形成的注浆加固区10和钢筋网片喷射混凝土7相结合。

在仰拱部位非应力集中区4，施做支护，支护结构为预应力锚索5、系统径向锚杆8和钢筋网片喷射混凝土7相结合。

还包括，对洞库a内壁一周及拱底均施做二次衬砌11，并按照由拱顶至拱肩、拱墙、拱底处，所述二次衬砌11截面高度依次由小变大。

上述σ

其中：a为扁平巨跨洞库断面长轴尺寸；

b为扁平巨跨洞库断面短轴尺寸；

轴比m＝b/a。

上述二次衬砌11采用现浇钢筋混凝土结构。

在本发明中的巨跨蛏型地下洞库相比近圆形隧道洞库，巨跨蛏型扁平洞库应力场的解构技术主要表现在：巨跨洞库跨度极大导致开挖后应力场的影响范围也更大，洞库a呈扁平形状，应力场分布形式更复杂，往往出现极大的压应力集中现象和较大范围的围岩受拉等不利应力状态，其中压应力集中现象主要出现在洞库两侧边墙曲率较大的部位，并随着洞库扁平率的增加，应力集中系数急剧增大；拉应力多出现在拱部曲率较小的部位，围岩受拉破坏明显。

对于硬岩地下洞库工程，围岩的应力场状态和强度破坏类型决定了工程的安全稳定，洞库开挖前，围岩内已经存在了初始的应力σ

原位测试确定原围岩应力场σ

计算洞库岩壁的切向应力σ

根据切向应力σ

所述拱顶部位应力受拉区1位于洞库拱顶部位，且σ

所述拱肩部位非应力集中区2为两处，分别位于所述拱顶部位应力受拉区1左右两侧，且与所述拱顶部位应力受拉区1相邻，且0＜σ

所述拱墙部位应力集中区3位于洞库左右拱墙处，且与对应侧的所述拱肩部位非应力集中区2相邻，且σ

所述仰拱部位非应力集中区4位于洞库拱底，左右两侧与所述拱墙部位应力集中区3相邻，且σ

根据上述四个解构应力场分区的应力状态，针对性的进行支护结构设计，在确保洞库围岩安全的同时，节省支护结构耗材。

对上述四个解构应力场分区的支护结构设计如下，在拱顶部位应力受拉区1：主要在洞库拱部范围，围岩a在洞库表面1～2m范围内受拉甚至开裂，再向内部围岩应力转变为受压状态，设计采用预应力锚索5+斜向短锚杆6+钢筋网片喷射混凝土7支护，如图2所示，预应力锚索5主要起悬吊作用，斜向短锚杆6主要防止围岩受拉开裂。在拱肩部位非应力集中区2：应力状态介于拱顶部位应力受拉区1和拱墙部位应力集中区3之间，与近圆形洞库的解构应力场比较接近，设计采用预应力锚索5+系统径向锚杆8+钢筋网片喷射混凝土7支护，如图3所示，其中预应力锚索5支护强度比拱顶部位应力受拉区1有所减弱。在拱墙部位应力集中区3：主要是两侧大曲率拱墙部位的高应力集中区，应力集中系数较大，洞库表面一定深度范围内的围岩呈压-剪破坏，设计采用预应力锚索5+径向导管注浆形成的注浆加固区10+钢筋网片喷射混凝土7支护，径向注浆对压-剪破碎的围岩粘结呈整体，预应力锚索5对围岩表面提供主动的支护力，增大围岩的最小主应力状态，抑制围岩破坏，如图4所示；仰拱部位非应力集中区4：主要是仰拱部位的非应力集中区，设计采用预应力锚索5+系统径向锚杆8+钢筋网片喷射混凝土7支护，系统径向锚杆8加固开挖松动区，预应力锚索5对围岩表面提供主动的支护力，确保围岩应力状态在安全范围内，如图5所示。斜向短锚杆6对围岩开裂的控制作用、系统径向锚杆8和径向注浆对围岩强度和刚度的提升作用、预应力锚索对围岩的悬吊作用以及提供的主动支护力等，改变了原先的解构应力场，使得围岩和支护以整体的形式共同作用，即应力场重构过程，此重构过程使得围岩的应力状态处于安全范围内。

在施做支护后，在洞库内施做二次衬砌11，采用现浇钢筋混凝土结构，混凝土强度等级采用C50。衬砌采用变截面设计：拱部截面高度80cm，拱墙的截面高度100cm，拱底位置的衬砌截面高度设计为120cm，仰拱回填采用C30素混凝土。具体如图6。采用变截面高度设计主要考虑以下两方面：巨跨洞库跨度大，衬砌截面厚度越大，截面承载力越大，但自身重力产生的荷载作用也越大，支护结构材料性能利用不充分，为了解决这一矛盾，同时利用成拱效应，二次衬砌11截面主要承受较大轴向压力和较小弯矩的内力组合，故将拱部衬砌截面高度设计的较小；对于拱墙位置，解构应力场存在很大的集中，且该部位曲率较大，二次衬砌截面主要承受较小轴向压力和较大弯矩的内力组合，故衬砌截面高度适当增加；仰拱位置二次衬砌截面高度与拱墙相同。不同截面高度的衔接要保持平滑顺畅，避免截面高度突变导致的应力集中破坏。

上述拱顶部位应力受拉区1支护结构设计：：锚索25m@4m×4m，预加力1200kN；锚杆长度4m，锚杆直径φ40mm，间距2m，梅花形布置，锚杆方向与隧道表面岩壁的夹角为45°；喷射混凝土初喷厚度15cm，复喷厚度10cm，强度等级C25，两层喷射混凝土之间设计钢筋网片，φ8mm@150mm×150mm。

上述拱肩部位非应力集中区2支护结构设计：锚索20m@5m×5m，预加力1000kN；系统锚杆长度6m，直径φ40mm，间距2.5m，梅花形布置；喷射混凝土初喷厚度15cm，复喷厚度10cm，强度等级C25，两层喷射混凝土之间设计钢筋网片，φ8mm@150mm×150mm。

拱墙部位应力集中区3支护结构设计：喷射混凝土厚度25cm，强度等级C25，钢筋网片φ8mm@100mm×100mm；径向导管注浆加固深度3m，注浆孔间距2.5m，梅花形布置，注浆终止压力1.0MPa；锚索15m@3.5m×3.5m，预加力800kN。

仰拱部位非应力集中区4支护结构设计：锚索15m@6m×6m，预加力800kN，系统锚杆长度4m，直径φ40mm，间距3m，梅花形布置；喷射混凝土厚度25cm，强度等级C25，钢筋网片φ8mm@200mm×200mm。