申请/专利权人：中铁四局集团有限公司;中铁四局集团第二工程有限公司

申请日：2023-05-25

公开（公告）日：2023-09-01

公开（公告）号：CN116677419A

主分类号：E21D11/18

分类号：E21D11/18

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2023.09.19#实质审查的生效;2023.09.01#公开

摘要：本发明涉及一种隧道的斜井转正洞三岔口支护设计及其挑顶施工方法，属于隧道掘进设计布置的方法技术领域。该方法预先设计三岔口的支护结构采用双拼工字钢拱架，在有限元软件中建立双拼工字钢拱架和正洞拱架的有限元计算模型，判断三岔口属于浅埋还是深埋后，计算双拼工字钢拱架的结构参数，并代入双拼工字钢拱架的有限元计算模型计算出双拼工字钢拱架的强度后判断双拼工字钢拱架是否可靠，如不可靠则采用增大拱架型号或者三拼拱架进行重新设计验算；如可靠则实施完成隧道挑顶施工。该方法在隧道施工前先试设计三岔口支护采用双拼工字钢拱架并验算其强度是否可靠，在可靠的基础上再完成隧道挑顶施工，从而保证了三岔口支护结构的稳定。

主权项：1.一种隧道的斜井转正洞三岔口支护设计及其挑顶施工方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1设计三岔口的支护结构，具体设计与验算如下，步骤1.1预先试设计三岔口的支护结构采用双拼工字钢拱架，在有限元软件中建立双拼工字钢拱架的有限元计算模型，步骤1.2正洞的支护结构采用拱架形成正洞拱架，正洞拱架的一侧全部安置于双拼工字钢拱架上，正洞拱架按照支护间距为计算单元，在有限元软件中建立正洞拱架的有限元计算模型；步骤1.3验算确定双拼工字钢拱架的结构参数步骤1.3.1判断所述三岔口属于浅埋还是深埋按照下式1计算隧道深浅埋分界深度HpHp＝1.125×2S-1w1式1中，S是围岩级别数；w是宽度影响系数，按照下式2计算，w＝1+iB-52式2中，B是隧道宽度单位m；i是围岩压力增减率，当B5m时，取i＝0.2，当B5m时，取i＝0.1；当隧道埋深hHp时判断为浅埋，当隧道埋深h≥Hp时判断为深埋；步骤1.3.2双拼工字钢拱架的结构参数包括支护结构自重、围岩垂直压力q、围岩水平压力e和围岩弹性抗力K，验算如下；A.当浅埋时A1.按照下式3计算围岩垂直压力q 式3中，γ是围岩重度，Ⅱ级围岩取27kNm3，Ⅲ级围岩取25kNm3，Ⅳ级取23kNm3，Ⅴ级取20kNm3；θ是支护结构的顶板土柱两侧摩擦角，当围岩级别是Ⅲ级时，当围岩级别是Ⅳ级时，当围岩级别是Ⅴ级时，是围岩计算摩擦角；λ是侧压力系数，按照下式4计算， 式4中，β是支护结构产生最大推力时的破裂角；A2.分别取支护结构区间隧道顶部和底部的围岩水平压力e，并按公式5线性插值计算围岩水平压力e，e＝γhλ5；B.当深埋时B1.按照下式6计算围岩垂直压力qq＝γ0.45×2S-1w6B.2围岩水平压力e根据围岩级别确定，当围岩级别是Ⅰ～Ⅱ级时，不考虑水平压力；当围岩级别是Ⅲ级时，e＝0.15q；当围岩级别是Ⅳ级时，e＝0.30q；当围岩级别是Ⅴ级时，e＝0.50q；C.确定围岩弹性抗力KⅡ级围岩时K取1800MPam，Ⅲ级围岩时K取1200MPam，Ⅳ级围岩时K取500MPam，Ⅴ级围岩时K取200MPam；步骤1.4将支护结构自重、围岩垂直压力q、围岩水平压力e和围岩弹性抗力K代入正洞拱架的有限元计算模型，其中围岩弹性抗力K采用仅受压的曲面弹簧约束模拟，计算可得每榀正洞拱架在双拼拱架上的集中力Q；步骤1.5将集中力Q代入双拼工字钢拱架的有限元计算模型，计算出双拼工字钢拱架的强度σ，当σ满足下式7时，验证双拼工字钢拱架是可靠的，否则采用增大工字钢型号或者采用三拼工字钢拱架再重复上述步骤进行重新设计验算；1.1σ≤f7式7中，1.1是安全系数，f是双拼工字钢拱架的材料抗弯和抗压强度设计值；步骤2，支护结构设计验证通过后，按照下面的步骤实施隧道挑顶施工；步骤2.1斜井开挖至距离正洞侧边接近10m时，上台阶以接近20％坡度挑顶开挖至斜井与正洞交界的三岔口，保证挖机、湿喷机械手等机械设备可以顺利爬坡进行出碴和喷浆支护；步骤2.2三岔口先上台阶安装三岔口拱架，三岔口拱架的拱顶范围预先焊接立柱式落脚平台和悬挑式落脚平台为正洞拱架提供支撑，所述落脚平台间距同正洞拱架支护间距一致，三岔口拱架的拱脚施打三组锁脚锚管并注水泥浆液进行加固，三岔口拱架的拱脚设置临时横向支撑连接形成整体；步骤2.3垂直正洞开挖导洞，导洞先折线上挑开挖一段距离后平坡开挖，导洞采用临时门架支护，临时门架的拱脚设锁脚锚管注浆加固并喷锚支护；同时安装正洞拱架与三岔口拱架立柱式落脚平台和悬挑式落脚平台相连，边开挖导洞边安装临时门架和正洞拱架直至正洞侧边；步骤2.4导洞开挖完成后，拆除临时门架，向正洞大里程或者小里程方向进行上台阶开挖和支护，形成大的工作面并达到安全开挖步距后，进行正洞其它台阶开挖；正洞开挖至下台阶底板标高时，斜井挑顶段下台阶同步开始开挖至三岔口处与正洞坑底标高相连接；下台阶的三岔口拱架的拱脚采用型钢扩大连接板并埋入地下后用混凝土浇筑密实，此时三岔口拱架的拱脚设置工字钢永久横撑；步骤2.5继续向正洞两端按台阶法施工正洞，待三岔口拱架的落脚平台范围内正洞初期支护全部封闭成环后，全部施工完成。

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