一种黄土隧道竖向变形控制结构及施作方法技术领域
本发明专利涉及一种隧道初期支护中钢拱架的锁定结构，特别适用于黄土隧道的竖向变形控制。
背景技术
随着我国在黄土地区交通建设的飞速发展，出现了大量的铁路、公路黄土隧道。由于黄土的特点：大孔隙、垂直节理发育、天然含水率时强度较高、很高的湿陷性，使得在黄土地层中修建隧道存在一定的技术难题，其中在黄土隧道开挖过程中产生的竖向变形尤为显著，所以如何控制黄土隧道开挖过程中的竖向变形成为必要。
黄土隧道开挖后，使原有围岩的应力重新分布，进而使围岩产生了塑性变形和松弛，为了阻止被扰动后围岩的过度位移和变形，必须采用合理的支护结构来承受围岩的压力。钢拱架是黄土隧道初期支护结构中重要的组成部分，同时又是永久支护的一部分，钢拱架本身具有较大刚度和较强的承载能力，能够在喷射混凝土未达到要求强度之前，有效的控制围岩的变形和位移，承担地层压力和约束变形。
坑道开挖后由于黄土的垂直节理发育，钢拱架需要坚固的基础支撑，才能有效阻止钢拱架在新的应力场形成过程产生的下沉。通过施做大直径的锁脚锚管与钢拱架进行牢固的连接，使锁脚锚管与钢拱架形成一个整体，将钢拱架锚固于围岩深部，在一定程度上限制钢拱架的竖向位移，充分发挥钢拱架的刚度和强度，以便对坑道周边围岩提供较大的支护抗力，防止围岩产生有害的过度变形。
现有在软弱围岩中控制钢拱架竖向变形的结构，是在一榀钢拱架两侧布置两根与水平面成一定夹角的锁脚锚管，通过锁脚锚管与围岩的之间的摩擦阻力及法向力，尽可能的为钢拱架提供竖向支撑，限制钢拱架的竖向下沉，尽早发挥钢拱架的刚度和强度，使其承担围岩变形引起的压力，保证隧道初期的稳定性。
但是由于黄土地层较软弱，在黄土地层中修建的隧道，其竖向变形比在软弱围岩地层中修建隧道的竖向变形要大，若采用现有的控制变形结构，则锁脚锚管很难为钢拱架提供有效的竖向支撑，从而降低支护结构的安全性，导致围岩的过大变形，甚至会造成失稳、塌方等工程事故。
发明内容
为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种黄土隧道竖向变形控制结构，可以有效的阻止坑道开挖过程中的竖向变形，提高施工的安全性和结构的稳定性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种黄土隧道竖向变形控制结构，包括钢拱架（4）和钢拱架（5）、槽钢（3）、大直径灌浆锁脚锚管（2）、钢筋连接件（1），其特征在于：钢拱架（4）和钢拱架（5）之间纵向连接槽钢（3），大直径灌浆锁脚锚管（2）位于槽钢（3）下侧，通过连接于槽钢（3）上的大直径灌浆锁脚锚管（2），将钢拱架（4）和钢拱架（5）锚固于围岩深部，大直径灌浆锁脚锚管（2）端部焊接于钢筋连接件（1），钢筋连接件（1）焊接于槽钢（3），钢筋连接件（1）由钢筋弯曲而成，其中大直径灌浆锁脚锚管（2）打入围岩角度为15°~30°。
一种黄土隧道竖向控制结构的施作方法，其特征在于：黄土隧道开挖后，先架立钢拱架，随后在每两榀钢拱架之间施做钢筋网、锚杆以及直径较大的灌浆锁脚锚管，接着用纵向连接件（即槽钢）纵向连接两榀钢拱架，最后用钢筋连接件将大直径灌浆锁脚锚管与纵向连接件（即槽钢）进行牢固连接。
与现有结构相比，本发明具有的优点和效果如下：
1、本发明结构在传力方面比较明确，大直径灌浆锁脚锚管与围岩产生的作用通过锚管与槽钢的连接传至槽钢，槽钢再通过焊缝将竖向的作用传至钢拱架，从而有效的控制隧道的竖向变形。
2、本发明结构具有良好的整体性，两榀钢拱架通过槽钢纵向连接，然后大直径灌浆锁脚锚管的的作用施加在两榀钢拱架上，使得围岩的作用不是施加在单独一榀钢拱架上，而是通过两榀钢拱架共同进行分担。
3、本发明结构在隧道纵向亦提供支撑，取代以往在两榀钢拱架之间设置钢筋连接件，而设置槽钢作为纵向连接件，不仅使锁脚锚管与钢拱架的连接更加牢固，而且也提供了有效的纵向支撑。
4、本发明结构更加经济合理，取代现有结构中在一榀钢拱架两侧设置两根锁脚锚管，而是设置一根直径较大的锁脚锚管作用于两榀钢拱架上，不仅降低了锁脚锚管的造价，而且节省了打锚的时间。
附图说明
图1 本发明的结构示意图(实体图) 。
图2 本发明的结构示意图(立面图) 。
图3 图2的A-A剖视图。
图4 本发明的结构示意图（俯视图）。
图5 三维总模型图。
图6 结构模型总图。
图7 细部模型图。
图8 无竖向变形控制结构竖向位移图。
图9 有竖向变形控制结构竖向位移图。
图10 无竖向变形控制结构围岩最大主应力图。
图11 无竖向变形控制结构围岩最小主应力图。
图12 有竖向变形控制结构围岩最大主应力图。
图13 有竖向变形控制结构围岩最小主应力图。
具体实施方式
本发明专利是一种黄土隧道竖向变形控制结构，参照图1~4，本实施方式中，包括钢拱架（4）和钢拱架（5）、槽钢（3）、大直径灌浆锁脚锚管（2）、钢筋连接件（1），其特征在于：钢拱架（4）和钢拱架（5）之间纵向连接槽钢（3），大直径灌浆锁脚锚管（2）位于槽钢（3）下侧，通过连接于槽钢（3）上的大直径灌浆锁脚锚管（2），将钢拱架（4）和钢拱架（5）锚固于围岩深部，大直径灌浆锁脚锚管（2）端部焊接于钢筋连接件（1），钢筋连接件（1）焊接于槽钢（3），钢筋连接件（1）由钢筋弯曲而成，其中大直径灌浆锁脚锚管（2）打入围岩角度为15°~30°。
在实际工程中的具体实现方法：隧道围岩开挖后，先架立钢拱架，随后在每两榀钢拱架之间施做钢筋网、锚杆以及直径较大的灌浆锁脚锚管，接着用纵向连接槽钢连接两榀钢拱架，最后用钢筋连接件将大直径灌浆锁脚锚管与纵向连接件进行牢固连接。
工作原理：在两榀钢拱架之间焊接纵向槽钢，再通过钢筋连接件将大直径灌浆锁脚锚管焊接于槽钢上，两侧的钢拱架与大直径灌浆锁脚锚管共同受力，连接体现整体性，传力明确，极限承载能力得到提高。
以下为本发明在MIDAS- GTS软件中进行的有限元数值模拟
（一）计算模型与计算参数
模型假定为在Q3黄土地层中采用三台阶七步开挖法修建的隧道，本次模拟取全断面初支施做完成一个循环进行说明，分为两种工况比较分析本发明是否在控制竖向变形以及围岩稳定性方面有突出的效果。
（1）计算模型假定
MIDAS- GTS中认为黄土材料是均质、连续、各向同性的，并且采用莫尔-库伦准则的材料模拟；喷射混凝土用板单元进行模拟，钢拱架、槽钢及锁脚锚管均采用梁单元进行模拟，纵向连接筋采用桁架单元模拟。
① 取平面100*100m2及纵向15m的三维有限元模型；边界条件为：左右侧水平约束、下侧竖向约束、前后两侧纵向约束；三维模拟的直接埋深为44.18m，另外在上表面施加换算覆土重1000KN的表面压力作为模拟102m埋深。
② 本次模拟取两种工况模型进行对比分析：第一种是在初支中包括钢拱架、喷射混凝土及纵向连接筋，即无竖向变形控制结构；第二种是在初支中除了包括钢拱架和喷射混凝土之外，还要在两榀钢拱架拱脚之间打入锁脚锚管，再用纵向槽钢进行钢拱架与锁脚锚管的连接，同时也包括纵向连接筋，即设置竖向变形控制结构。
③ 有限元模型大样见图5-三维总模型图，结构模型见图6-结构模型总图以及图7-竖向变形控制结构细部模型图。
（2）计算参数假定
本装置是在黄土隧道的前提下进行结构设计，故在有限元模拟中围岩的计算参数取Q3黄土的物理力学参数；隧道支护（钢拱架、槽钢、纵向连接筋、锁脚锚管、喷射混凝土）材料参数按现行规范取值。黄土与支护参数见表1。
表1 黄土与支护材料参数表
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其中，钢拱架型号选择I25b，间距为0.5m；槽钢型号选择20；纵向连接筋型号选择φ25：锁脚锚管长度L=6m，直径D=108mm，其壁厚t=14mm，锚管下斜θ=15°打入围岩；喷射混凝土厚度300mm。
（二）计算结果对比分析
对两种结构采用MIDAS- GTS有限元软件分别建模并进行数值计算，提取结果数据。通过对比两种结构下隧道的位移场、应力场以及结构受力情况，来说明本发明的是否有效合理。（注：计算结果提取略去边界面，取距纵向零面1m处剖断面提取计算结果，以避免边界条件对计算结果的影响。）
（1）竖向位移对比分析
取两种工况的位移云图进行比较，结果分析图见图8-无竖向变形控制结构围岩竖向位移图及图9-竖向变形控制结构围岩竖向位移图。从位移云图提取结果整理得表2。
表2 两种模型关键点竖向位移
单位：cm
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通过表2的得出以下结论：
从无竖向变形控制结构到竖向变形控制结构，各关键点处竖向位移：拱顶减少1.4cm、左拱腰减少2.5cm、右拱腰减少3.0cm、左边墙减少7.2cm、右边墙减小7.1cm。对比可知所有关键点处的竖向沉降都在减小，且边墙处变化幅度较大，所以竖向变形控制结构对控制竖向沉降有着明显的效果。
（2）对围岩应力场分析
同样取两种模型围岩应力场进行比较，结果分析图见图10~11-无竖向控制结构围岩主应力图及图12~13-竖向变形控制结构围岩主应力图。从应力图提取结果整理得表3。
表3 两种模型隧道周边围岩最大和最小主应力值
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通过表3的得出以下结论：
从无竖向变形控制结构到竖向变形控制结构，拱顶的最大主应力不发生变化，但隧道两侧及拱脚的最大主应力都在变大，并且隧道周围的最小主应力也在增大，说明竖向变形控制结构对围岩稳定性的控制起到相应的作用。
（3）对关键点处竖向位移随施工阶段变化分析
提取各关键点在不同施工阶段时的计算结果，整理竖向位移结果数据，绘制各关键点竖向位移随施工阶段变化图表，其中关键点处竖向位移图表见表4~8。
表4 拱顶竖向位移表
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表5 左拱腰竖向位移表
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表6 右拱腰竖向位移表
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表7 左边墙竖向位移表
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表8 右边墙竖向位移表
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从各关键点的竖向位移表可以看出：有竖向变形控制结构和无竖向变形控制结构随着施工阶段的变化在控制竖向位移上的差别，从而证明本发明即竖向变形控制结构所起的作用是有效的。
（三） 模拟结论
通过拟定Q3黄土地层的材料参数及黄土隧道的开挖方法，使用MADIS-GTS软件对黄土隧道竖向变形控制结构进行三维有限元的模拟分析，得出结论如下：
（1）经模拟结果分析可以看出，施做与未施做本发明在竖向变形控制方面有着明显的差异，施做本装置可以有效的控制黄土隧道开挖过程中的竖向沉降。
（2）施做与未施做本装置在围岩稳定性方面亦有明显的差异。未施做本发明时隧道周边围岩的稳定性较差，在隧道开挖过程中，不能保证规范的安全系数，即无法确保安全施工；施做本装置时隧道周边围岩较稳定，保证了隧道在施工过程中的安全性。