一种预应力锚索连续钢梁结构、设计及施工方法

技术领域

本发明属于岩石工程加固技术领域，涉及一种适于加固软弱围岩地下洞室的预应力锚索连续钢梁结构，有利于提升软弱围岩地下洞室的整体稳定性，并实现快速施工的目的。

背景技术

地下工程一般选择在地质条件良好的地层内修建。但有限的地质勘探以及复杂的地质条件，导致地下洞室局部位于软弱围岩内。除加密普通锚杆、加厚混凝土喷层等常规措施，通常考虑采用预应力锚索将浅层松动圈岩石锚固到深部稳定岩层。当软弱围岩强度低引起围岩大变形时，还会采用刚性混凝土墙置换软弱围岩，再通过预应力锚索将混凝土墙拉住。刚性混凝土墙与孤立的预应力锚索形成一个主动支护体系，有利于提高软弱围岩的整体稳定。但混凝土墙和预应力锚索组合结构用于加固软弱围岩，需重点考虑避免软弱围岩大变形引起混凝土墙体开裂，另外混凝土墙体施工工序较多，包括立模、钢筋绑扎、浇筑、等强和拆模等，且都需要占用洞室工作面，对工期的影响需谨慎评估。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的混凝土墙和预应力锚索组合结构的上述不足之处，采用连续钢梁代替混凝土墙体，加强了锚索支护的整体性，提供了适于加固软弱围岩地下洞室，对于围岩大变形具有更强适应性的一种预应力锚索连续钢梁结构、设计及施工方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种预应力锚索钢梁结构，所述结构适用于加固软弱围岩地下洞室，包括锚索、钢锚头、钢梁，所述钢梁包括若干沿着围岩布置的型钢，钢梁侧面布置若干钢锚头，所述锚索一端插入围岩，锚索另一端通过钢锚头固定于所述钢梁。

作为优选，所述钢梁包括四根沿着围岩水平布置的工字形的型钢，在锚索上下分别布置两根并排布置的型钢。

作为优选，位于锚索上方的型钢和位于下方的型钢之间留有容纳锚索通过的间隙，在间隙内设置隔离垫块。

作为优选，在钢梁外侧设置连接钢板，所述连接钢板同时连接所有型钢的翼缘顶面。

作为优选，钢锚头包括顶部垫板、底面垫板、中部钢管以及肋板，中部钢管两端分别连接顶部垫板和底面垫板，顶部垫板和底面垫板之间的夹角角度对应锚索的倾斜角度，所述肋板呈放射性布置在中部钢管周围，肋板两端分别连接顶部垫板和底面垫板。

作为优选，所述底面垫板连接钢梁，底面垫板边界超过最上排和最下排型钢的腹板。

作为优选，钢梁下方设置若干临时钢牛腿，所述临时钢牛腿采用锚筋固定在围岩上。

作为优选，围岩表面铺设喷混凝土层，无收缩材料填充钢梁和喷混凝土层之间的间隙。

本发明同时提供一种预应力锚索钢梁结构的施工方法，所述方法包括以下步骤：

步骤101，在待布置钢梁开挖岩面区域表面喷混凝土层并找平；

步骤102，完成锚索钻孔、下索及灌浆；

步骤103，完成临时钢牛腿的锚筋的钻孔和注浆；安装临时钢牛腿；

步骤104，两根经过镀锌防腐处理的下方的钢梁吊运放置在临时钢牛腿上；在下方的钢梁顶部铺设隔离垫块；两根经过镀锌防腐处理的上方的钢梁吊运放置在隔离垫块上；

步骤105，安装钢锚头以及连接钢板；张拉锁定锚索；

步骤106，对钢梁与喷混凝土层间缝隙灌注无收缩材料；复喷混凝土覆盖外露钢结构。

本发明同时提供一种预应力锚索钢梁结构的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

步骤201，通过地下洞室数值计算结果中提取钢梁应承受的围岩变形，以及锚索受力，统计得到锚索之间最大不均匀变形以及最大锚索受力，所述钢梁承受的围岩变形以及锚索受力，均指钢梁和锚索安装后由于洞室进一步下挖引起的变形和受力；

步骤202，设计钢梁时，锚索概化为铰接支座，预应力锚索钢梁结构简化为连续梁计算模型，沿钢梁施加步骤1所得最大不均匀围岩变形，且在支座部位的钢梁上施加局部锚索力，锚索力为步骤1所得最大锚索受力和锚索设计吨位的最大值，假定所有钢梁均匀受力，由连续梁计算模型计算单根钢梁内力，并验算钢梁Von-Mises应力不大于钢梁屈服强度；

步骤203，设计钢锚头时，可采用有限元软件模拟钢锚头及钢梁，钢锚头底部钢梁的底面设置弹簧约束，弹簧刚度采用Barkan公式求解，考虑围岩变形模量、钢梁与围岩接触面的尺寸效应，沿钢梁施加步骤1所得最大不均匀围岩变形，且在支座部位的钢梁上施加局部锚索受力，锚索受力为步骤1所得最大锚索受力和锚索设计吨位的最大值，围岩变形方向与锚索受力方向相反，钢锚头Von-Mises应力应不大于钢材屈服强度；

步骤204，临时钢牛腿主要承担钢梁及其他配件的自重，锚筋直径、屈服强度以及锚固长度应通过验证杆体承载力、杆体与灌浆体间剪切力、灌浆体与钻孔间的剪切力计算确定。

因此，本发明具有如下有益效果：(1)采用具有足够刚度和强度的型钢钢梁，连接同一高程预应力锚索，共同承担、协调围岩变形，从而平衡锚索受力，降低锚索力超设计吨位的风险；(2)预应力锚索连续钢梁结构，将锚索提供的点支护力串联为条带支护力，更有利于提高洞室整体稳定；(3)相比混凝土结构，采用连续钢梁连接锚索对于围岩大变形具有更强适应性，且钢材强度高于混凝土，因此所需钢梁高度小，可以减少空间占用；(4)钢构件加工主要在工厂完成，不影响洞内施工。钢梁安装便捷，有利于节省工期。

附图说明

图1为本发明提供的一种适于加固软弱围岩地下洞室的预应力锚索连续钢梁结构示意图。

图2为本发明提供的一种适于加固软弱围岩地下洞室的预应力锚索连续钢梁结构的剖视图。

图中标注：1、锚索结构；2、钢锚头；201、顶部垫板；202、底面垫板；203、中部钢管；204、肋板；3、临时钢牛腿；4、型钢钢梁；5、无收缩材料灌注；6、喷混凝土层；7、开挖岩面；8、隔离垫块；9、连接钢板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

如图1、图2所示，本发明的一种预应力锚索钢梁结构，所述结构适用于加固软弱围岩地下洞室，其特征是，包括锚索1、钢锚头2、钢梁4，所述钢梁4包括若干沿着围岩布置的型钢，钢梁4侧面布置若干钢锚头2，所述锚索1一端插入围岩，锚索1另一端通过钢锚头2固定于所述钢梁4。

所述钢梁4包括四根沿着围岩水平布置的工字形的型钢，在锚索1上下分别布置两根并排布置的型钢。位于锚索1上方的型钢和位于下方的型钢之间留有容纳锚索1通过的间隙，在间隙内设置隔离垫块8。在钢梁4外侧设置连接钢板9，所述连接钢板9同时连接所有型钢的翼缘顶面。

钢锚头2包括顶部垫板201、底面垫板202、中部钢管203以及肋板204，中部钢管203两端分别连接顶部垫板201和底面垫板202，顶部垫板201和底面垫板202之间的夹角角度对应锚索1的倾斜角度，所述肋板204呈放射性布置在中部钢管203周围，肋板204两端分别连接顶部垫板201和底面垫板202。所述底面垫板202连接钢梁4，底面垫板202边界超过最上排和最下排型钢的腹板。

钢梁4下方设置若干临时钢牛腿3，所述临时钢牛腿3采用锚筋固定在围岩上。围岩1表面铺设喷混凝土层6，无收缩材料5填充钢梁4和喷混凝土层6之间的间隙。

本申请实施例同时提供针对上述的一种预应力锚索钢梁结构的施工方法，所述方法包括以下步骤：

步骤101，在待布置钢梁4开挖岩面7区域表面喷混凝土层6并找平。

步骤102，完成锚索1钻孔、下索及灌浆。

步骤103，完成临时钢牛腿3的锚筋的钻孔和注浆；安装临时钢牛腿3。

步骤104，两根经过镀锌防腐处理的下方的钢梁4吊运放置在临时钢牛腿3上；在下方的钢梁4顶部铺设隔离垫块8；两根经过镀锌防腐处理的上方的钢梁4吊运放置在隔离垫块8上。

步骤105，安装钢锚头2以及连接钢板9；张拉锁定锚索1。

步骤106，对钢梁4与喷混凝土层6间缝隙灌注无收缩材料5；复喷混凝土覆盖外露钢结构。

本申请实施例同时提供针对上述的一种预应力锚索钢梁结构的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

步骤201，通过地下洞室数值计算结果中提取钢梁4应承受的围岩变形，以及锚索1受力，统计得到锚索1之间最大不均匀变形以及最大锚索受力，所述钢梁4承受的围岩变形以及锚索1受力，均指钢梁4和锚索1安装后由于洞室进一步下挖引起的变形和受力。

步骤202，设计钢梁4时，锚索1概化为铰接支座，预应力锚索钢梁结构简化为连续梁计算模型，沿钢梁施加步骤1所得最大不均匀围岩变形，且在支座部位的钢梁上施加局部锚索1力，锚索1力为步骤1所得最大锚索受力和锚索1设计吨位的最大值，假定所有钢梁均匀受力，由连续梁计算模型计算单根钢梁内力，并验算钢梁Von-Mises应力不大于钢梁屈服强度。

步骤203，设计钢锚头2时，可采用有限元软件模拟钢锚头2及钢梁4，钢锚头2底部钢梁4的底面设置弹簧约束，弹簧刚度采用Barkan公式求解，考虑围岩变形模量、钢梁与围岩接触面的尺寸效应，沿钢梁4施加步骤1所得最大不均匀围岩变形，且在支座部位的钢梁4上施加局部锚索受力，锚索受力为步骤1所得最大锚索受力和锚索1设计吨位的最大值，围岩变形方向与锚索受力方向相反，钢锚头Von-Mises应力应不大于钢材屈服强度。

步骤204，临时钢牛腿3主要承担钢梁4及其他配件的自重，锚筋直径、屈服强度以及锚固长度应通过验证杆体承载力、杆体与灌浆体间剪切力、灌浆体与钻孔间的剪切力计算确定。

本发明具采用具有足够刚度和强度的型钢钢梁，连接同一高程预应力锚索，共同承担、协调围岩变形，从而平衡锚索受力，降低锚索力超设计吨位的风险；预应力锚索连续钢梁结构，将锚索提供的点支护力串联为条带支护力，更有利于提高洞室整体稳定；相比混凝土结构，采用连续钢梁连接锚索对于围岩大变形具有更强适应性，且钢材强度高于混凝土，因此所需钢梁高度小，可以减少空间占用；钢构件加工主要在工厂完成，不影响洞内施工。钢梁安装便捷，有利于节省工期。