土压力盒安装方法及隧道支护结构主被动荷载的计算方法与流程

本发明涉及隧道围岩压力监测设备与隧道支护结构，具体为土压力盒安装方法及隧道支护结构主被动荷载的计算方法。

背景技术：

1、在进行隧道围岩压力现场监测时，往往采用土压力盒作为监测装置；

2、依据目前的隧道围岩压力现场监测情况来看，由于隧道爆破，施工等情况的影响，造成了监测设备线材的损耗，其中就包括土压力盒，以至于不能持续、完整地对隧道整个支护结构所承担围岩压力的监测；

3、且现有的围岩压力计算方法，只考虑了主动荷载作用于支护结构的情况，而实际工程中，除了围岩施加给支护结构的主动荷载外，当支护结构处于内侧受压状态时，支护结构向外变形，挤压围岩，此时支护结构会承担来自围岩的被动荷载；

4、因此需要对以上问题提出一种新的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对背景技术中现有技术存在的问题，通过提供土压力盒安装方法及隧道支护结构主被动荷载的计算方法，保证土压力盒在隧道围岩压力长期监测中具有较高留存率的同时，达到精准测得围岩压力的目的；且在考虑围岩主动压力的基础上，分区域考虑支护结构所承担荷载，达到计算承受荷载接近真实受力情况的目的。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：土压力盒安装方法，至少包括以下步骤：

3、步骤一：土压力盒安装装置准备；

4、步骤二：土压力盒安装位置选取；

5、步骤三：土压力盒固定方式，采用土压力盒安装装置中的钢筋与初支结构上的纵筋或工字钢垂直焊接连接；

6、步骤四：初支内土压力盒线材走线保护方式，在临近土压力盒范围内的线材，预留一部分线材长度，线材全部采用扎带固定的方式，将线沿着工字钢走线，捆绑于钢筋网后，从左右拱脚处出；

7、步骤五：确定土压力盒线材保护方式。

8、优选的，所述步骤一中至少包括以下步骤：采用大小10cm*10cm、厚度5mm的钢板与长40cm，直径18mm的钢筋垂直相连制作支撑器，将土压力盒置于钢板上，并采用电工胶带缠绕压力盒与钢板，使压力盒与钢板相连接，制作成土压力盒安装装置。

9、优选的，所述步骤二至少包括以下步骤：首先观测预埋设点位置围岩情况，挑选预埋设点范围内平整岩面，采用在土压力盒外侧涂抹锚固剂的方式，确定土压力盒与围岩的紧密接触，当遇埋设点范围内无平整岩面，则采用加厚锚固剂涂抹厚度，同时在固定好土压力盒安装装置以后采用锚固剂填充的方式，从侧面将锚固剂塞入保证接触。

10、优选的，所述步骤五包括埋设型土压力盒线材保护方式和悬挂型土压力盒线材保护方式；

11、所述埋设型土压力盒线材保护方式至少包括以下步骤：

12、超挖过大或采用双层钢筋网片，形成围岩与最外层钢筋网片之间净距较大时，将波纹管埋设于初支之中，波纹管与围岩成空间方向上垂直，波纹管长度为波纹管出口与喷完浆之后初支平面平行，采用扎带或6mm钢筋弯曲为u字形焊接于网片之上固定波纹管，将线材置于波纹管中，两端用土工布封闭，待初支喷混6h之后拆除端口处土工布；

13、所述悬挂型土压力盒线材保护方式至少包括以下步骤：

14、超挖较小、未超挖、单层钢筋网片，围岩与最外层钢筋网片之间净距较小时，将波纹管横置于靠近线材出口处，方向与隧道掘进方向平行，采用在初支上凿钉钢筋固定，裸露在外的部分线材采用土工布包裹，波纹管两端均采用土工布包裹。

15、隧道支护结构主被动荷载的计算方法，至少包括以下步骤：

16、步骤一：统计隧道工程参数，所述隧道工程参数至少包括地应力场大小及方向，围岩的物理力学参数，支护信息，开挖工法和轮廓大小；

17、步骤二：采用节点加载法，通过有限元分析，输入支护结构设计参数、围岩物理参数，以施加节点力的方式对整个隧道衬砌加载，计算出围岩压力以及初支内力，其中围岩主动压力分为竖向的qx和侧向ex；

18、步骤三：基于步骤二计算结果，通过有限元分析，得出节点反力大小k、节点变形特征，以此两点作为判别依据，将支护结构分为承受围岩抗力区域、无围岩抗力区域；

19、步骤四：将支护结构承受围岩抗力范围，起拱线范围作为判别依据，将隧道整个支护结构分为四个部分，分别为：起拱线上无围岩抗力区、起拱线上围岩抗力区、起拱线下无围岩抗力区、起拱线下围岩抗力区；

20、步骤五：对无围岩抗力区域支护结构主被动荷载计算，在所有无围岩抗力区域，支护结构仅受到围岩的主动压力；

21、步骤六：对承受围岩抗力区域支护结构主被动荷载计算，在支护结构承受围岩抗力区域，依据支护结构受力特性，支护结构除承担围岩的主动压力以外，同时承担围岩抗力，其中承担围岩的主动压力为主动荷载，承担围岩抗力为被动荷载，依据起拱线上下两部分受力形式的不同分为两种情况进行计算，所述两种情况进行计算包括起拱线以上区域支护结构主被动荷载计算和起拱线以下区域支护结构主被动荷载计算。

22、优选的，所述步骤五中对无围岩抗力区域支护结构主被动荷载计算方法如下：

23、起拱线以上目标点支护结构所受真实力为f：

24、f＝qx*cos(α)+ex*sin(α)

25、其中ɑ值为目标点位与隧道中线连线夹角，qx为围岩竖向压力，ex为围岩侧向压力；

26、起拱线以下支护结构仅受到围岩侧向压力，目标点支护结构所受真实力为f：

27、f＝ex*cos(α)。

28、优选的，所述起步骤六中拱线以上承受围岩抗力区域支护结构主被动荷载计算方法如下：

29、按线性插值法提取目标位置竖向力qx以及侧向力ex，此时目标点支护结构所受真实力为f：

30、f＝qx*cos(α)+ex*sin(α)+k

31、其中ɑ值为目标点位与隧道中线连线夹角，k为步骤二中提取的节点力；

32、依据之前现场监测的结果，实际工程中目标点位的围岩压力c也由三部分组成：

33、c＝c1+c2+c3

34、其中c1为围岩竖向压力的径向分量，c2为围岩侧向压力的径向分量，c3为围岩抗力；

35、计算模型与实体工程中隧道支护结构受力承担比例应相同即：

36、(qx*cos(α))/(ex*sin(α))/k＝c1/c2/c3

37、依据侧压力系数可得出竖向压力与侧向压力之间的关系：

38、ex＝qx*λ

39、其中λ为侧压力系数；

40、将公式ex＝qx*λ和公式c＝c1+c2+c3代入公式(qx*cos(α))/(ex*sin(α))/k＝c1/c2/c3可得：

41、c2＝c1*λ*tan(α)

42、将公式c2＝c1*λ*tan(α)，公式ex＝qx*λ和公式c＝c1+c2+c3代入公式(qx*cos(α))/(ex*sin(α))/k＝c1/c2/c3可得：

43、c1＝(ex*c*cos(α))/(λk+ex*cos(α)+ex*sin(α)*λ)

44、可得到目标点处围岩竖向压力qc的实测值：

45、qc＝c1/cos(α)

46、可得到目标点处围岩侧向压力ec的实测值：

47、ec＝c2/sin(α)

48、真实被动荷载c3为：

49、c3＝c-c1-c2。

50、优选的，所述步骤六中起拱线以下承受围岩抗力区域支护结构主被动荷载计算方法如下：

51、按线性插值法提取目标位置侧向压力ex，此时目标点支护结构所受真实力为f：

52、f＝ex*sin(α)+k

53、k为步骤二中提取的节点力；

54、依据之前现场监测的结果，实际工程中目标点位的围岩压力c由两部分组成：

55、c＝c1+c2

56、c1为围岩侧向压力的径向分量，c2为围岩抗力；

57、计算模型与实体工程中隧道支护结构受力承担比例应相同即：

58、(ex*cos(β))/k＝c1/(c-c1)

59、式中β为目标点与起拱线之间的夹角；

60、将公式c＝c1+c2代入公式(ex*cos(β))/k＝c1/(c-c1)可得到围岩侧向压力的径向分量c1为：

61、c1＝c(ex*cos(β))/(k+ex*cos(β))

62、可得到目标点处围岩侧向压力的实测值：

63、ec＝c1/cos(β)

64、可得到实际工程中支护结构所受主动荷载的侧向压力为ec，被动荷载为：

65、c2＝c-c1。

66、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

67、1、本发明通过土压力盒安装方法的设计，在更完整的保护监测器材的同时，更加精准的对围岩压力进行量化监测；

68、2、本发明通过基于支护结构受力特性的衬砌结构主被动荷载计算方法，更加精确的确定了隧道衬砌结构所受主被动荷载，使衬砌结构所受荷载的计算值更接近隧道衬砌结构所受荷载的真实值，使隧道开挖工法和支护的设计更加合理，便于更加准确地评估支护结构的安全性。