[发明专利]超前管棚-钢拱架-锁脚锚杆一体化力学模型设计方法及其模型

权利要求书

1.一种超前管棚-钢拱架-锁脚锚杆一体化力学模型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)据实际施工工况，假定支护结构初始设计参数，建立隧道初期支护结构一体化力学分析模型；

2)根据当前施工状态以及约定的计算方法确定作用于隧道初期支护结构一体化力学分析模型的荷载，并进行结构内力及变形计算，得到各典型物理量；所述作用于隧道初期支护结构一体化力学分析模型的荷载包括：管棚竖向及侧向围岩压力、管棚围岩弹性抗力、锁脚锚杆以及大拱脚的支撑反力；其中竖向及侧向围岩压力直接作用于管棚；作用于隧道拱顶2θ范围内任意单根管棚的竖向及侧向围岩压力计算公式为：q(θ)＝q_n/d；其中，d为管棚直径；q_i为任意单根管棚受到的竖向围岩压力；e_i为任意单根管棚受到的侧向围岩压力；

3)判断各典型物理量是否超出允许值，若超出，则根据未满足要求的物理量加强相应支护结构设计参数，返回步骤2)重新计算；若未超过，则逐步减弱相应支护结构设计参数并返回步骤2)重新计算，直至当前支护参数条件下得到的典型物理量大小均接近允许值时，则结束计算；所述典型物理量包括管棚最大拉应力、管棚最大挠度、初期支护拱顶沉降、拱脚位移、锁脚锚杆最大拉应力及最大剪应力；

4)根据上述步骤2)、3)进行下一工况状态计算，直至全部循环工序分析完成，则输出优化后最终的支护结构参数设计值；

步骤3)中，各典型物理量超出允许值时，根据未满足要求的物理量加强相应支护结构设计参数，具体分为以下五种情况：

当管棚最大拉应力超出钢管的屈服应力时，提高管棚强度或刚度；

当管棚最大挠度值超出允许范围时，加强管棚的刚度；

当拱脚位移超出允许范围时，增大锁脚锚杆直径或加大拱脚与地基的接触面积；

当初期支护拱顶沉降超出允许范围时，提高钢拱架的刚度；

当锁脚锚杆最大拉应力超出钢管的屈服应力或最大剪应力超出其极限抗剪强度时，提高锁脚锚杆强度或刚度。

2.根据权利要求1所述的超前管棚-钢拱架-锁脚锚杆一体化力学模型设计方法，其特征在于，步骤3)中，所述典型物理量大小接近允许值是指各典型物理量计算值为允许值的0.8～0.9倍。

3.一种超前管棚-钢拱架-锁脚锚杆一体化力学模型结构，其特征在于，该力学模型结构包括隧道超前管棚、锁脚锚杆、钢拱架、大拱脚及其相互之间的约束；其中，管棚采用弹性地基梁模型模拟；锁脚锚杆采用摩擦桩单元模拟；钢拱架采用梁单元模拟；大拱脚结构采用弹性支座单元模拟；力学模型中相互作用关系包括：超前管棚与上一榀钢拱架间采用固结约束，与后续钢拱架间设置为土弹簧连接；锁脚锚杆与钢拱架间采用固结约束；大拱脚与地基间相互作用，采用法向弹簧和切向弹簧单元模拟；作用于隧道初期支护结构一体化力学分析模型的荷载包括：管棚竖向及侧向围岩压力、管棚围岩弹性抗力、锁脚锚杆以及大拱脚的支撑反力；其中竖向及侧向围岩压力直接作用于管棚；作用于隧道拱顶2θ范围内任意单根管棚的竖向及侧向围岩压力计算公式为：q(θ)＝q_n/d；其中，d为管棚直径；q_i为任意单根管棚受到的竖向围岩压力；e_i为任意单根管棚受到的侧向围岩压力；根据当前施工状态以及约定的计算方法确定作用于隧道初期支护结构一体化力学分析模型的荷载，并进行结构内力及变形计算，得到各典型物理量；所述典型物理量包括管棚最大拉应力、管棚最大挠度、初期支护拱顶沉降、拱脚位移、锁脚锚杆最大拉应力及最大剪应力；

各典型物理量超出允许值时，根据未满足要求的物理量加强相应支护结构设计参数，具体分为以下五种情况：

当管棚最大拉应力超出钢管的屈服应力时，提高管棚强度或刚度；

当管棚最大挠度值超出允许范围时，加强管棚的刚度；

当拱脚位移超出允许范围时，增大锁脚锚杆直径或加大拱脚与地基的接触面积；

当初期支护拱顶沉降超出允许范围时，提高钢拱架的刚度；

当锁脚锚杆最大拉应力超出钢管的屈服应力或最大剪应力超出其极限抗剪强度时，提高锁脚锚杆强度或刚度。