[发明专利]一种基于管间土拱特性的注浆管幕变形计算方法

说明书

本发明提供一种基于管间土拱特性的注浆管幕变形计算方法，首先分析注浆管幕横向土拱特性确定支护荷载；再分析注浆管幕轴向成梁效应确定控制方程；然后建立注浆管幕长梁理论模型确定荷载分布；再通过注浆管幕差分计算方法求解挠曲变形。本发明提出了注浆管幕挠曲变形的计算理论，能够定量化分析注浆管幕实际工作状态下的力学响应，较少依赖工程经验，具有良好的普适性，为设计施工提供科学依据；并建立了考虑土拱特性的注浆管幕受力计算方法，将管间土拱承载减跨作用进行了数学解析表达，避免了偏于危险的既有设计理念，保障施工安全；同时采用了双参数Pasternak模型，更加合理地考虑地基弹簧横向剪切作用、基床系数差异性、荷载释放分段性和地基弹塑性，使得注浆管幕变形连续，更可靠模拟出隧道开挖荷载的分布释放，进而预测某一位置处隧道注浆管幕的管体变形大小，为注浆管幕的设计及施工提供理论依据。

技术领域

本发明涉及隧道与地下工程技术领域，具体涉及一种基于管间土拱特性的注浆管幕变形计算方法。

背景技术

大跨隧道在通过不良地层或下穿既有建筑时，若未采取有效的工程防护措施，极易导致掌子面挤出失稳、隧道坍塌破坏等严重事故。因此在具体的施工中，为保障工程安全，一般采用注浆管幕对前方岩土体进行预加固，即注浆管幕超前支护，通过注浆管幕承担松动岩土的荷载，防止围岩过大变形，从而减少风险隐患。

现有技术下，关于大注浆管幕的作用模式及变形机理尚未完全明确，设计施工仍过度依赖工程经验，难以保证工程质量。针对注浆管幕变形规律，学界已开展了一些研究：在理论推导方面，一般采用弹性地基梁模型对单根注浆管幕进行分析，认为注浆管幕是作用在相互独立Winkler弹簧的梁，进而研究注浆管幕的受载变形；在现场实测方面，通常利用钢筋应变计或测斜仪，获得开挖过程中注浆管幕变形的实时数据；在数值模拟方面，常规借助实体单元来模拟注浆管幕，并等效加固注浆地层，分析三维开挖下注浆管幕的时空位移。

但既有研究大多只对注浆管幕支护效果进行定性描述，而较少涉及到注浆管幕受力机制和挠度分布的定量分析。此外，以往注浆管幕变形计算理论认为注浆管幕承载范围仅仅只为管径投影上方区域，并没有考虑相邻注浆管幕之间的土拱特性，导致明显的局限性，与实际情况相差较大。

发明内容

本发明的目的提供一种基于管间土拱特性的注浆管幕变形计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于管间土拱特性的注浆管幕变形计算方法，包括以下步骤：

S1、分析注浆管幕横向土拱特性，确定支护荷载；

S2、分析注浆管幕轴向成梁效应，确定控制方程；

S3、建立注浆管幕长梁理论模型，确定荷载分布；

S4、通过注浆管幕差分计算方法，求解挠曲变形。

进一步地，所述步骤S1具体通过以下方法实现：

S11、根据普氏压力拱理论考虑相邻注浆管幕之间的土拱特性，建立相应的力学模型：注浆管幕视为圆柱形钢管且在隧道拱部外圈环向等距离分布；H_t和B_t分别是开挖隧道的高度和跨度，隧道外径为R，围岩重度为γ，注浆管幕外径为D，相邻两注浆管幕距离为D₁，净间距为D₂，相邻两个注浆管幕的夹角为α，为围岩摩擦角，R+g为注浆管幕圆弧半径；

S12、从拱顶向两侧依次将每根注浆管幕进行编号，将压力拱区松动岩体重力看作注浆管幕荷载，则任一编号为C_n的注浆管幕对应的荷载高度为H_dn，与C_n号注浆管幕相邻两个注浆管幕的编号记为C_n-1和C_n+1，且与C_n号注浆管幕的水平夹角记为θ_n-1和θ_n+1；