一种让压锚杆设计参数综合经验确定方法与流程

本发明涉及一种让压锚杆设计参数综合经验确定方法，属于隧道及地下建筑工程技术领域。

背景技术：

让压锚杆作为地下工程的一种新型支护形式，目前在交通、水利、土木等领域应用迅速。其工作机理与普通锚杆相比，有较大的不同。普通锚杆在进行岩体加固后，锚杆的变形量受到限制(一般不超过锚杆材料的弹性变形量)。例如，对于q235制作的普通锚杆，其屈服强度为235mpa，弹性模量200gpa，则其弹性应变量约为1.175×10^-3。若假定普通锚杆自由段长度为10m，则允许变形量不大于11.75mm，这个变形量非常小。而让压锚杆则不同，它是一种主动支护锚杆，在对围岩提供一定支护力的同时，还可以有较大的变形量，这个变形量可达300-500mm，远远大于普通锚杆变形量。让压锚杆能够产生很大的让压量，在于它的让压装置结构，如图1所示。

由于目前让压锚杆在实际工程中的应用还不是太多，因此在具体工程中，进行让压锚杆支护设计和施工时，会存在以下问题：

1、让压锚杆的设计长度l确定；

2、如何确定让压锚杆的让压力f；

3、让压锚杆的设计让压量δ确定。

如前所述，由于让压锚杆目前在公路隧道工程中的应用时间不长，并且其力学机理和变形特性，与常规锚杆有显著的不同。因此，在让压锚杆设计、施工参数确定方面，如让压锚杆的设计长度l、让压锚杆的让压力f以及设计让压量δ等，目前均没有有效的确定方法，给隧道支护的设计、施工带来困难，也限制了让压锚杆在隧道工程中的进一步广泛应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种让压锚杆设计参数综合经验确定方法，采用全新设计构思，能够快速高效实现锚杆设计参数的确定，保证锚杆的实际工作效率。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种让压锚杆设计参数综合经验确定方法，用于针对隧道支护所使用的让压锚杆，确定让压锚杆的设计长度l，包括如下步骤：

步骤a.基于预设各种塑性区半径与隧道总支护力的经验公式，确定隧道开挖后，围岩塑性区半径与隧道支护所提供总支护力之间分别对应各种经验公式下的关系，然后进入步骤b；

步骤b.根据各种塑性区半径与隧道总支护力的经验公式、以及围岩塑性区半径与隧道支护所提供总支护力之间分别对应各种经验公式下的关系，基于隧道断面直径d0，确定隧道开挖后，隧道总支护力为零时，围岩塑性区分别对应各种经验公式下的半径，并结合隧道开挖半径r0，获得围岩塑性区该各半径分别对应的厚度，然后选择其中最小厚度，作为让压锚杆设计长度的上限值lmax，并进入步骤c；

步骤c.根据隧道开挖后各种支护类型，以及让压锚杆的让压力f，获得隧道支护所提供的总最大支护力pmax，并依据围岩塑性区半径与隧道支护所提供总支护力之间分别对应各种经验公式下的关系，获得总最大支护力pmax分别对应各种经验公式下的围岩塑性区半径，并根据隧道开挖半径r0，获得围岩塑性区该各半径分别对应的厚度，然后选择其中最大厚度，作为让压锚杆设计长度的下限值lmin，并进入步骤d；

步骤d.根据让压锚杆设计长度的下限值lmin、上限值lmax，确定让压锚杆的设计长度l。

作为本发明的一种优选技术方案：所述预设各种塑性区半径与隧道总支护力的经验公式包括如下经验公式(1)、(2)、(3)；

式中，表示围岩有效内摩擦角，σcm表示围岩单轴抗压强度，rp表示围岩塑性区半径，p0表示初始地应力，p表示隧道支护所提供的总支护力；

式中，dp表示围岩塑性区直径，d0表示隧道断面直径；

式中，c表示原围岩塑性区黏聚力，cr表示隧道开挖后围岩塑性区内黏聚力，表示隧道开挖后围岩塑性区内摩擦角。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括按如下步骤i至步骤iv，确定让压锚杆的设计让压量δ；

步骤i.基于预设各种围岩径向应变与隧道总支护力的经验公式，确定隧道开挖后，围岩径向应变与隧道总支护力之间分别对应各种经验公式下的关系，然后进入步骤ii；

步骤ii.根据各种围岩径向应变与隧道总支护力的经验公式、以及围岩径向应变与隧道总支护力之间分别对应各种经验公式下的关系，确定隧道开挖后围岩分别对应各种经验公式下的径向应变，并结合隧道开挖半径r0，获得隧道总支护力为零，即毛洞情况下围岩该各径向应变分别对应的径向位移量，然后选择其中最小径向位移量，作为让压锚杆设计让压量的上限值δmax，并进入步骤iii；

步骤iii.根据隧道支护所提供的总最大支护力pmax，结合围岩径向应变与隧道总支护力之间分别对应各种经验公式下的关系，获得总最大支护力pmax分别对应各种经验公式下的径向应变，并根据隧道开挖半径r0，获得围岩该各径向应变分别对应的径向位移量，然后选择其中最大径向位移量，作为让压锚杆设计让压量的下限值δmin，并进入步骤iv；

步骤iv.根据让压锚杆设计长度的下限值δmin、上限值δmax，确定让压锚杆的设计让压量δ。

作为本发明的一种优选技术方案：所述预设各种围岩径向应变与隧道总支护力的经验公式包括如下经验公式(4)、(5)、(6)；

式中，表示围岩有效内摩擦角，δ表示围岩的径向位移量，v表示围岩泊松比，e表示围岩弹性模量，p0表示初始地应力，rp表示围岩塑性区半径，p表示隧道支护所提供的总支护力；

式中，d0表示隧道断面直径，σcm表示围岩单轴抗压强度；

式中，表示围岩内摩擦角，t表示围岩塑性区剪胀系数，c表示原围岩塑性区黏聚力。

本发明所述一种让压锚杆设计参数综合经验确定方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计让压锚杆设计参数综合经验确定方法，采用全新设计构思，通过预设各经验公式下围岩塑性区半径、围岩径向应变分别与隧道支护所提供总支护力之间的关系，结合隧道总支护力为零状态、以及隧道总最大支护力状态，分别获得让压锚杆设计长度的上限值、下限值，以及让压锚杆设计让压量的上限值、下限值，由此进而实现让压锚杆设计长度的确定、以及实现让压锚杆设计让压量的确定；如此在实际应用中，能够快速高效实现锚杆设计参数的确定，保证锚杆的实际工作效率。

附图说明

图1是让压锚杆的结构示意图；

图2是隧道开挖后塑性区半径rp与总支护力pi关系示意图；

图3是本发明设计确定让压锚杆设计长度l的取值区间；

图4是隧道开挖后，洞壁径向变形ε与总支护力pi关系示意图；

图5是确定让压锚杆的设计让压量δ的取值区间；

图6是本发明所设计让压锚杆设计参数综合经验确定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计了一种让压锚杆设计参数综合经验确定方法，用于针对隧道支护所使用的让压锚杆，确定让压锚杆的设计长度l，如图6所示，结合工程经验，具体执行如下步骤a至步骤d，简便快捷。

步骤a.基于预设各种塑性区半径与隧道总支护力的经验公式，确定隧道开挖后，围岩塑性区半径与隧道支护所提供总支护力之间分别对应各种经验公式下的关系，如图2所示，然后进入步骤b。

实际应用中，预设各种塑性区半径与隧道总支护力的经验公式包括如下经验公式(1)、(2)、(3)；

式中，表示围岩有效内摩擦角，σcm表示围岩单轴抗压强度，rp表示围岩塑性区半径，p0表示初始地应力，p表示隧道支护所提供的总支护力。

式中，dp表示围岩塑性区直径，d0表示隧道断面直径。

式中，c表示原围岩塑性区黏聚力，cr表示隧道开挖后围岩塑性区内黏聚力，表示隧道开挖后围岩塑性区内摩擦角。

步骤b.根据各种塑性区半径与隧道总支护力的经验公式、以及围岩塑性区半径与隧道支护所提供总支护力之间分别对应各种经验公式下的关系，基于隧道断面直径d0，确定隧道开挖后，隧道总支护力为零时，围岩塑性区分别对应各种经验公式下的半径，并结合隧道开挖半径r0，获得围岩塑性区该各半径分别对应的厚度，然后选择其中最小厚度，作为让压锚杆设计长度的上限值lmax，并进入步骤c。

实际应用中，诸如假设隧道设计直径为11m，此时由图2、以及经验公式(1)、(2)、(3)，计算得塑性区半径大小及塑性区厚度如下表1所示，其中r0＝5.5m。

表1

由上表1，即可确定让压锚杆设计长度的上限值lmax为15.09m。

步骤c.根据隧道开挖后各种支护类型，以及让压锚杆的让压力f，获得隧道支护所提供的总最大支护力pmax，并依据围岩塑性区半径与隧道支护所提供总支护力之间分别对应各种经验公式下的关系，获得总最大支护力pmax分别对应各种经验公式下的围岩塑性区半径，并根据隧道开挖半径r0，获得围岩塑性区该各半径分别对应的厚度，然后选择其中最大厚度，作为让压锚杆设计长度的下限值lmin，并进入步骤d。

对于让压锚杆的让压力f来说，让压锚杆生产厂商一般均进行让压锚杆的让压力f厂内测定，从而得到让压锚杆让压力f确定值，以此作为设计值。

实际应用中，不同隧道支护结构能提供的最大支护力估算如下表2所示。

表2

表2中，d为隧道直径，s为间距，单位m。

根据表2，可以按隧道工程的设计支护类型和规格估算总的支护力pimax。例如：某一隧道，拟采用让压锚杆支护，让压锚杆让压力f经生产厂商试验测试为300kn，让压锚杆设置间距为纵、环向100cm×100cm，则根据表2，可计算出让压锚杆可提供的最大支护力pimax为0.3mpa。初期支护为喷射c25早强混凝土厚300mm，查表2计算，其能够提供最大支护力pimax为2.1mpa。工字钢钢架支护(152×203mm)沿纵向间距1m布设，同理查表2可计算最大支护力pimax为0.46mpa。因此隧道支护结构能提供的总的最大支护力为三者之和，为2.86mpa。

由总的最大支护力pimax＝2.86mpa，查图2，得到此时的隧道塑性区半径，如下表3所示。由于计算时按隧道支护所能提供的最大支护力考虑，因此表3值作为让压锚杆设计长度的下限值lmin，即可确定让压锚杆设计长度的下限值lmin为10.16m。

表3

即得到让压锚杆设计长度的取值区间如图3所示，为[10.16m，15.09m]。

步骤d.根据让压锚杆设计长度的下限值lmin、上限值lmax，再结合具体工程实际，确定让压锚杆的设计长度l，实际应用中，结合现场施工条件，最终取让压锚杆的设计长度l＝11m。

如图6所示，本发明所设计一种让压锚杆设计参数综合经验确定方法，还包括按如下步骤i至步骤iv，确定让压锚杆的设计让压量δ。

步骤i.基于预设各种围岩径向应变与隧道总支护力的经验公式，确定隧道开挖后，围岩径向应变与隧道总支护力之间分别对应各种经验公式下的关系，如图4所示，然后进入步骤ii。

实际应用中，预设各种围岩径向应变与隧道总支护力的经验公式包括如下经验公式(4)、(5)、(6)；

式中，表示围岩有效内摩擦角，δ表示围岩的径向位移量，v表示围岩泊松比，e表示围岩弹性模量，p0表示初始地应力，rp表示围岩塑性区半径，p表示隧道支护所提供的总支护力。

式中，d0表示隧道断面直径，σcm表示围岩单轴抗压强度。

式中，表示围岩内摩擦角，t表示围岩塑性区剪胀系数，c表示原围岩塑性区黏聚力。

步骤ii.根据各种围岩径向应变与隧道总支护力的经验公式、以及围岩径向应变与隧道总支护力之间分别对应各种经验公式下的关系，确定隧道开挖后围岩分别对应各种经验公式下的径向应变，并结合隧道开挖半径r0，获得隧道总支护力为零，即毛洞情况下围岩该各径向应变分别对应的径向位移量，然后选择其中最小径向位移量，作为让压锚杆设计让压量的上限值δmax，并进入步骤iii。

实际应用中，当pi＝0时，为隧道开挖后无支护毛洞时工况。基于图4、以及经验公式(4)、(5)、(6)，计算的洞壁径向应变及位移量如下表4所示，其中r0＝5.5m

表4

因为表4中隧道开挖后没有考虑任何支护，因此表4中洞壁径向应变及位移量可作为让压锚杆让压量设计的上限值，即这里确定让压锚杆设计让压量的上限值δmax为70.38cm。

步骤iii.根据隧道支护所提供的总最大支护力pmax，结合围岩径向应变与隧道总支护力之间分别对应各种经验公式下的关系，获得总最大支护力pmax分别对应各种经验公式下的径向应变，并根据隧道开挖半径r0，获得围岩该各径向应变分别对应的径向位移量，然后选择其中最大径向位移量，作为让压锚杆设计让压量的下限值δmin，并进入步骤iv。

基于表2、以及前述确定隧道支护结构能提供最大支护力的计算方法，由前述计算结果可知，该隧道总的最大支护力为pi＝2.86mpa。查图4，可得最大支护力pi＝2.86mpa条件下，隧道开挖后，洞壁径向应变及位移大小，如下表5所示，其中r0＝5.5m

表5

由于表5中计算值对应支护所能提供的最大支护力情况，因此表5洞壁位移量可作为作为让压锚杆设计让压量的下限值δmin＝31.89cm。

基于上述即获得让压锚杆设计长度的取值范围如图3所示，为[31.89cm，70.38cm]，

步骤iv.根据让压锚杆设计长度的下限值δmin、上限值δmax，结合具体工程实际，确定让压锚杆的设计让压量δ，实际应用中，结合现场施工条件，最终取让压锚杆设计让压量δ为40cm。

上述技术方案所设计让压锚杆设计参数综合经验确定方法，采用全新设计构思，通过预设各经验公式下围岩塑性区半径、围岩径向应变分别与隧道支护所提供总支护力之间的关系，结合隧道总支护力为零状态、以及隧道总最大支护力状态，分别获得让压锚杆设计长度的上限值、下限值，以及让压锚杆设计让压量的上限值、下限值，由此进而实现让压锚杆设计长度的确定、以及实现让压锚杆设计让压量的确定；如此在实际应用中，能够快速高效实现锚杆设计参数的确定，保证锚杆的实际工作效率。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。