一种隧道早高强岩锚喷协同作用承载拱主动支护设计方法

1.一种隧道早高强岩锚喷协同作用承载拱主动支护设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、确定岩锚承载拱作用荷载并建立岩锚承载拱计算模型；具体包括如下：S11、根据岩体内的径向应力应变、切向应力应变建立平衡方程，带入边界条件，再根据拉梅应力公式计算围岩弹性区的应力、根据经典硐室理论计算围岩塑性区的应力，同时计算岩锚承载的控制半径，最后求得岩锚承载拱的厚度，公式如下：L s ＝F 1 (R s ,R)    (1)式中：F 1 (x)为岩锚承载拱厚度的计算函数；R s 为岩锚承载的控制半径；L s 为岩锚承载拱的厚度；R为隧道半径；S12、根据岩锚承载拱的厚度计算得到岩锚承载拱的竖向荷载，再根据规范所提供的侧压力系数值求得岩锚承载拱的水平荷载，公式如下：q s ＝F 2 (L s ,γ)    (2)e s ＝F 2 (q s ,λ)    (3)；式中：F 2 (x)为岩锚承载拱的荷载计算函数；q s 为岩锚承载拱的竖向荷载；e s 为岩锚承载拱的水平荷载；γ为岩锚承载拱的重度；λ为侧压力系数；S13、根据岩锚承载拱底部受力状态确定岩锚承载拱计算模型，若岩锚承载拱底部受拉，则在喷射混凝土-围岩接触面产生切向力，岩锚承载拱模型的变形和应力分布会发生变化，此时，结构受松动压力和喷射混凝土-围岩接触面切向力的联合作用，则要建立综合考虑这两种荷载作用的力学模型；若岩锚承载拱底部受压，则在喷射混凝土-围岩接触面不产生切向力，此时，结构仅受松动压力的作用；S2、根据岩锚承载拱计算模型计算得到岩锚承载拱最不利截面位移及应力；S3、提出变形控制标准验证岩锚承载拱位移是否符合要求；S4、提出预应力锚杆安全性评价方法并根据岩锚承载拱计算结果评价预应力锚杆安全性；S5、根据岩锚承载拱计算位移确定喷射混凝土作用荷载；S6、建立喷射混凝土计算模型；S7、根据喷射混凝土计算模型计算得到喷射混凝土最不利截面应力；S8、提出喷射混凝土安全性和耐久性评价方法；S9、根据喷射混凝土计算模型计算结果判别喷射混凝土的安全性和耐久性；S10、根据岩锚承载拱计算结果和喷射混凝土计算结果确定主动支护参数。 2.根据权利要求1所述的隧道早高强岩锚喷协同作用承载拱主动支护设计方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：S21、根据岩锚承载拱的厚度、岩锚承载拱的竖向荷载和水平荷载，建立力学方程求得松动压力作用下岩锚承载拱最不利截面的应力、位移，公式如下：σ cs ＝G 1 (e s ,q s ,L s )    (4)σ ts ＝G 1 (e s ,q s ,L s )    (5)w Cs ＝G 1 (e s ,q s ,L s )    (6)式中：G 1 (x)为岩锚承载拱在松动压力作用下的最不利截面应力和位移计算函数；σ cs 为岩锚承载拱在松动压力作用下最不利截面的顶部应力；σ ts 为岩锚承载拱在松动压力作用下最不利截面的底部应力；w Cs 为岩锚承载拱在松动压力作用下最不利截面的位移；S22、根据岩锚承载拱的厚度、岩锚承载拱最不利截面底部拉应力值，建立力学方程求得喷射混凝土-围岩接触面切向力作用下岩锚承载拱最不利截面的应力、位移，公式如下：σ’ cs ＝G 2 (q t ,L s )    (7)σ’ ts ＝G 2 (q t ,L s )    (8)w’ Cs ＝G 2 (q t ,L s )    (9)式中：G 2 (x)为岩锚承载拱在喷射混凝土-围岩接触面切向力作用下的最不利截面应力和位移计算函数；q t 为松动压力作用下岩锚承载拱最不利截面的底部拉应力；σ’ cs 为岩锚承载拱在喷射混凝土-围岩接触面切向力作用下最不利截面的顶部应力；σ’ ts 为岩锚承载拱在喷射混凝土-围岩接触面切向力作用下最不利截面的底部应力；w’ Cs 为岩锚承载拱在喷射混凝土-围岩接触面切向力作用下最不利截面的位移；S23、根据岩锚承载拱底部受力状态确定岩锚承载拱计算模型，若岩锚承载拱底部受拉，结构受松动压力和喷射混凝土-围岩接触面切向力的联合作用，公式如下：σ cs总 ＝G 3 (σ cs ,σ’ cs )    (10)σ ts总 ＝G 3 (σ ts ,σ’ ts )    (11)w Cs总 ＝G 3 (w Cs ,w’ Cs )    (12)式中：G 3 (x)为岩锚承载拱在最不利截面为底部受拉状态下的应力和位移计算函数；σ cs总 为岩锚承载拱在最不利截面为底部受拉状态下的最终顶部应力；σ ts总 为岩锚承载拱在最不利截面为底部受拉状态下的最终底部应力；w Cs总 为岩锚承载拱在最不利截面为底部受拉状态下的最终位移；若岩锚承载拱底部受压，则在喷射混凝土-围岩接触面不产生切向力，此时，结构仅受松动压力的作用，此时岩锚承载拱在最不利截面为底部受压状态下的最终应力和位移与松动压力作用下的应力和位移相等。 3.根据权利要求1所述的隧道早高强岩锚喷协同作用承载拱主动支护设计方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：S31、根据规范确定围岩变形控制值u w ；S32、根据规范确定围岩变形控制值和岩锚承载拱最不利截面的总位移判断岩锚承载拱主动支护参数是否符合要求。 4.根据权利要求1所述的隧道早高强岩锚喷协同作用承载拱主动支护设计方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括：S41、根据规范确定预应力锚杆的极限延伸率，结合预应力锚杆长度，求得预应力锚杆的变形控制值u m ；S42、根据预应力锚杆的变形控制值、围岩变形值，确定预应力锚杆安全系数并评价预应力锚杆安全性，公式如下：k m ＝H 1 (u m ,w Cs总 )    (13)式中：H 1 (x)为预应力锚杆安全系数的计算函数；k m 为预应力锚杆安全系数，若大于1，则表示安全，小于1表示不安全。 5.根据权利要求1所述的隧道早高强岩锚喷协同作用承载拱主动支护设计方法，其特征在于：所述步骤S5具体包括：根据岩锚承载拱计算模型计算得到的围岩最终位移值，结合喷射混凝土的径向形变刚度和切向形变刚度，计算喷射混凝土受到的竖向荷载和水平荷载，公式如下：q p ＝I 1 (w Cs总 ,K s ,K l )    (14)e p ＝I 1 (q p ,λ)    (15)式中：I 1 (x)为喷射混凝土所受荷载的计算函数；q p 为喷射混凝土所受竖向均布荷载；e p 为喷射混凝土所受水平均布荷载；K s 为喷射混凝土的切向形变刚度；K l 为喷射混凝土的径向形变刚度。 6.根据权利要求1所述的隧道早高强岩锚喷协同作用承载拱主动支护设计方法，其特征在于：所述步骤S6具体包括：根据岩锚承载拱底部受力状态确定喷射混凝土计算模型，若岩锚承载拱底部受拉，喷射混凝土-围岩接触面产生切向力，考虑协调变形，此时喷射混凝土模型受形变荷载和喷射混凝土-围岩接触面切向力的联合作用，则要建立综合考虑这两种荷载作用的力学模型；若岩锚承载拱底部受压，则喷射混凝土-围岩接触面不产生切向力，则喷射混凝土模型仅受形变荷载的作用。 7.根据权利要求1所述的隧道早高强岩锚喷协同作用承载拱主动支护设计方法，其特征在于：所述步骤S7具体包括：S71、根据喷射混凝土的竖向均布荷载和水平荷载、喷射混凝土厚度，建立力学方程求得形变荷载作用下喷射混凝土最不利截面的应力，公式如下：σ cp ＝J 1 (e p ,q p ,h)    (16)σ tp ＝J 1 (e p ,q p ,h)    (17)式中：J 1 (x)为喷射混凝土在形变荷载作用下的最不利截面应力计算函数；σ cp 为喷射混凝土在形变荷载作用下最不利截面的顶部应力；σ tp 为喷射混凝土在形变荷载作用下最不利截面的底部应力；h为喷射混凝土厚度；S72、根据喷射混凝土厚度、岩锚承载拱最不利截面底部拉应力值，建立力学方程求得喷射混凝土-围岩接触面切向力作用下喷射混凝土最不利截面的应力，公式如下：σ’ cp ＝J 2 (q t ,h)    (18)σ’ tp ＝J 2 (q t ,h)    (19)式中：J 2 (x)为喷射混凝土在喷射混凝土-围岩接触面切向力作用下的最不利截面应力计算函数；σ’ cp 为喷射混凝土在喷射混凝土-围岩接触面切向力作用下最不利截面的顶部应力；σ’ tp 为喷射混凝土在喷射混凝土-围岩接触面切向力作用下最不利截面的底部应力；S73、根据岩锚承载拱底部受力状态确定喷射混凝土计算模型，若岩锚承载拱底部受拉，喷射混凝土模型受形变荷载和喷射混凝土-围岩接触面切向力的联合作用，公式如下：σ cp总 ＝J 3 (σ cp ,σ’ cp )    (20)σ tp总 ＝J 3 (σ tp ,σ’ tp )    (21)式中：J 3 (x)为喷射混凝土在最不利截面为底部受拉状态下的应力和位移计算函数；σ cp总 为喷射混凝土在最不利截面为底部受拉状态下的最终顶部应力；σ tp总 为喷射混凝土在最不利截面为底部受拉状态下的最终底部应力；若岩锚承载拱底部受压，则在喷射混凝土-围岩接触面不产生切向力，此时，喷射混凝土模型仅受形变荷载的作用，此时喷射混凝土在最不利截面为底部受压状态下的最终应力和位移与形变荷载作用下的应力和位移相等。 8.根据权利要求1所述的隧道早高强岩锚喷协同作用承载拱主动支护设计方法，其特征在于：所述步骤S8具体包括：S81、根据规范提出喷射混凝土的安全系数控制值k；S82、根据喷射混凝土强度、厚度确定喷射混凝土切向安全系数，公式如下：k q ＝K 1 (f t ,σ tp总 )    (22)式中：K 1 (x)为喷射混凝土切向安全系数计算函数；f t 为喷射混凝土强度；k q 为喷射混凝土切向安全系数；S83、根据规范提出喷射混凝土的径向安全系数计算方法，公式如下：k j压 ＝K 2 (f ck ,b,h)    (23)k j拉 ＝K 2 (f tk ,b,h)    (24)式中：K 2 (x)为喷射混凝土径向安全系数计算函数；f ck 为喷射混凝土的抗压极限强度；f tk 为喷射混凝土的抗拉极限强度；k j压 为喷射混凝土受压时的径向安全系数；k j拉 为喷射混凝土受拉时的径向安全系数；S84、提出喷射混凝土的耐久性评价方法，根据喷射混凝土重度、喷射混凝土的抗拉极限强度计算喷射混凝土的极限承载力，根据喷射混凝土的弯矩和轴力计算喷射混凝土的开裂荷载，公式如下：σ tk ＝K 3 (f tk ,γ)    (25)σ 裂 ＝K 3 (M,N,b,h)    (26)式中：K 3 (x)为喷射混凝土的承载力和开裂荷载计算函数；σ tk 为喷射混凝土的承载力；σ 裂 为喷射混凝土的开裂荷载；M为喷射混凝土的弯矩；N为喷射混凝土的轴力；若喷射混凝土的承载力大于开裂荷载，说明喷射混凝土未开裂，反之则说明开裂。