基于对盾构掘进影响的玻璃纤维筋锚杆的选配设计方法与流程

1.本发明涉及盾构施工技术领域，具体涉及一种基于对盾构掘进影响的玻璃纤维筋锚杆的选配设计方法。


背景技术：

2.地铁隧道工程目前多采用盾构法施工。地铁盾构区间连接的基坑一般较深。基坑端头一般设置盾构“始发”或“吊出井”。基坑一般采用地下连续墙或者排桩进行围护后“挡土挡水”。
3.目前将玻璃纤维筋作为地连墙或桩的配筋以避免盾构始发和出洞时人工凿除围护结构的高强度、高风险施工情况，已得到较成熟的应用。然而，当基坑位于较为完整和稳定的岩层中时，通常采用锚杆支护，常用的钢筋锚杆当盾构(如全断面硬岩隧道掘进机)穿越时并不能有效切割，反而容易缠绕或卡在刀盘、刀具中，影响盾构掘进，严重时会困住刀盘致其不能转动，给盾构施工带来极大麻烦。
4.基于盾构施工如何选配玻璃纤维筋锚杆参数，现有技术主要为概念性的认识和经验性的总结，尚未形成较为完备理论研究和实用的计算方法。
5.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

6.为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种基于对盾构掘进影响的玻璃纤维筋锚杆的选配设计方法，以解决基于盾构施工如何选配玻璃纤维筋锚杆参数，现有技术主要为概念性的认识和经验性的总结，尚未形成较为完备理论研究和实用的计算方法的问题。
7.为实现上述目的，提供一种基于对盾构掘进影响的玻璃纤维筋锚杆的选配设计方法，包括以下步骤：
8.基于基坑侧壁的支护要求，预选玻璃纤维筋锚杆，并确定破断基坑侧壁的锚杆支护的盾构的型号；
9.基于所述玻璃纤维筋的直径，通过公式一计算获得所述玻璃纤维筋在达到最终弯曲状态过程中的弯曲破断次数，所述公式一为：
[0010][0011]
其中，δ为盾构刀盘上的滚刀与切刀间的刀高差，为滚刀贯入岩体深度，d为玻璃纤维筋直径，fu为玻璃纤维筋的抗拉强度，e为玻璃纤维筋弹性模量；
[0012]
构建玻璃纤维筋锚杆在盾构作用下产生脆性破坏后残余拉力计算模型，所述残余拉力计算模型为：
[0013]
[0014]
其中，γ为经验计算系数；
[0015]
基于盾构破除基坑围护结构区域内的玻璃纤维筋锚杆的残余拉力，计算获得所述玻璃纤维筋锚杆对所述盾构刀盘的阻力扭矩；
[0016]
基于所述盾构机刀盘的额定扭矩与盾构正常掘进扭矩的扭矩差值，判断所述阻力扭矩是否小于所述扭矩差值，进而判断所述预选玻璃纤维筋锚杆是否符合设计要求。
[0017]
进一步的，所述γ的取值为0.05。
[0018]
本发明的有益效果在于，本发明的基于对盾构掘进影响的玻璃纤维筋锚杆的选配设计方法，针对基坑支护锚杆与盾构掘进相互影响机理形成较为系统的理论模型，建立基坑锚杆参数与盾构掘进参数间的相关关系并给出实用计算公式，具有较强的指导性。另一方面，提供了基于盾构影响时基坑锚杆的选配流程、方法，具有较好的实操性，在一定程度上填补了此方面在理论、方法上的空白和不足。
附图说明
[0019]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0020]
图1为本发明实施例的盾构机掘进与基坑侧壁的玻璃纤维筋锚杆关系示意图。
[0021]
图2为本发明实施例的玻璃纤维筋锚杆对盾构机刀盘的阻力关系示意图。
[0022]
图3为本发明实施例的刀盘作用下玻璃纤维筋锚杆变形和受力示意图。
具体实施方式
[0023]
下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
[0024]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0025]
参照图1至图3所示，本发明提供了一种基于对盾构掘进影响的玻璃纤维筋锚杆的选配设计方法，包括以下步骤：
[0026]
s1：基于基坑侧壁2的支护要求，预选玻璃纤维筋锚杆，并确定破断基坑侧壁2的锚杆支护的盾构1的型号。
[0027]
s2：基于所述玻璃纤维筋3的直径，通过公式一计算获得所述玻璃纤维筋在达到最终弯曲状态过程中的弯曲破断次数，所述公式一为：
[0028][0029]
其中，δ为盾构刀盘11上的滚刀12与切刀13间的刀高差，为滚刀贯入岩体深度，d为玻璃纤维筋直径，fu为玻璃纤维筋的抗拉强度，e为玻璃纤维筋弹性模量。
[0030]
s3：构建玻璃纤维筋锚杆在盾构作用下产生脆性破坏后残余拉力计算模型，所述残余拉力计算模型为：
[0031]
[0032]
其中，γ为经验计算系数。
[0033]
s4：基于盾构破除基坑围护结构区域a内的玻璃纤维筋锚杆的残余拉力，计算获得所述玻璃纤维筋锚杆对所述盾构刀盘的阻力扭矩。
[0034]
s5：基于所述盾构机刀盘的额定扭矩与盾构正常掘进扭矩的扭矩差值，判断所述阻力扭矩是否小于所述扭矩差值，进而判断所述预选玻璃纤维筋锚杆是否符合设计要求。
[0035]
当玻璃纤维筋作为边墙锚杆时，如图1所示，盾构机刀盘正面压力近似沿着玻璃纤维筋的轴向，而刀盘转动方向的力作用于玻璃纤维筋的侧向。随着刀盘刀具对岩体的破碎和剥落，纤维锚杆面向刀盘的一端出露岩面形成自由端，背向刀盘的另一端仍然锚固于岩体中。在刀盘接触到玻璃纤维筋后，由于滚刀刃口高于切刀和刀盘面板14，导致刀盘11转动过程中刀梁和切刀并不能对纤维筋进行理论意义上的切割，而是纤维筋出露的自由端在刀梁、切刀形成的侧向力作用下沿接触点旋转轨迹圆的切向发生偏转使得锚固端附近发生弯曲变形，在刀盘转动过程中锚杆对刀盘产生相应的阻力，该阻力主要包括：
[0036]
①
锚杆在刀盘转动作用下弯曲所产生的抵抗力；
[0037]
②
锚杆弯曲变形后杆体对刀盘的摩檫力；
[0038]
③
玻璃纤维筋锚杆弯曲后缠绕、卡嵌在刀盘、刀具中，随着刀盘转动玻璃纤维筋中产生拉力形成对刀盘转动的阻力。
[0039]
由于玻璃纤维筋锚杆的抗弯承载力远低于其抗拉承载力，实际上述阻力中的
①
、
②
项阻力对刀盘转动的影响十分微小，因此可以认为锚杆对刀盘的阻力主要为上述第
③
项，即锚杆的拉力。
[0040]
基于以上论述，对玻璃纤维筋锚杆在盾构机作用下的受力情况及对盾构机的影响进行研究，并提出基于玻璃纤维筋抗拉承载力对盾构机刀盘扭矩影响的力学模型。
[0041]
假定每根锚杆对刀盘转动的阻力为f
ti
，锚杆距离刀盘旋转中心的距离为ri，对刀盘产生的阻力扭矩为ti，如图2所示，刀盘的开挖轮廓为c，刀盘开挖范围内锚杆产生的阻力扭矩为：
[0042][0043]
式(1)中，t为开挖范围锚杆对刀盘转动产生的总的阻力扭矩，kn
·
m；n为开挖范围内锚杆数量。
[0044]
刀盘旋转受到锚杆的阻力主要来自刀盘拉扯锚杆在锚杆内形成的拉力，如图3所示，因此，主要分析和研究锚杆的拉力f。
[0045]
f＝f
·
a(2)，
[0046]
式(2)中，f为锚杆抗拉强度，mpa；a为锚杆截面积，mm2。
[0047]
对于玻璃纤维筋，弯曲后的抗拉强度与其直径和弯曲半径相关，参照何唯平、李明等在地方标准db44-t497《土木工程用玻璃纤维增强复合材料(gfrp)筋》资料性附录e中给出的弯曲部位抗拉强度设计值公式，本发明提出玻璃纤维筋弯曲部位的抗拉强度公式如下：
[0048][0049]
式(3)中，f为玻璃纤维筋弯曲部位的抗拉强度，mpa；γ为经验计算系数，取0.05；r为玻璃纤维筋弯曲半径，mm；d为玻璃纤维筋直径，mm；fu为玻璃纤维筋抗拉强度，mpa。
[0050]
锚杆在刀盘转动作用下弯曲部位简化的按照圆弧考虑，则：
[0051][0052]
式(4)中，δ为滚刀与切刀间的刀高差，mm；为滚刀贯入岩体深度，mm，图3中掌子面为d。
[0053]
将式(3)、式(4)代入式(2)中进行推导后得到：
[0054][0055]
或，将γ＝0.05代入上式进一步化简得：
[0056][0057]
在忽略玻璃纤维筋锚杆对盾构掘进的其他微小影响因素，当盾构掘削开挖范围内锚杆采用相同直径时，不考虑锚杆间材料、施工等方面的差异，则所有锚杆对刀盘的阻力都是相同的，即：
[0058]fti
＝f(7)，
[0059]
则刀盘克服锚杆阻力的扭矩，即式(1)又可写作：
[0060][0061]
进一步的，对玻璃纤维筋弯曲的应力-应变分析可知，玻璃纤维筋弯曲时，弯曲外缘出现拉伸形变产生拉应力，随着弯曲幅度增大，外缘拉伸形变和拉应力逐步增大，当拉应力超过抗拉强度后，玻璃纤维筋外缘将出现断裂破坏，可认为弯曲破坏时外缘弧长相对中线弧长的增长率即为玻璃纤维筋极限弯曲应变，据此可得：
[0062][0063]
式(9)中，lu为极限弯曲应变下玻璃纤维筋外缘弧长，mm；l为极限弯曲应变下玻璃纤维筋中线弧长，mm。
[0064]
进一步可得：
[0065][0066]
式(10)中，α为玻璃纤维筋弯曲圆弧对应的圆心角，弧度；ru为玻璃纤维筋极限弯曲应变下的弯曲半径，mm。
[0067]
根据规范jg-t406-2013《土木工程用玻璃纤维增强筋》给出的极限应变公式：
[0068][0069]
式中，ε为玻璃纤维筋极限拉应变，％；fu为极限抗拉承载力，n；e为玻璃纤维筋弹性模量，gpa。
[0070]
由式(10)和式(11)可得玻璃纤维筋极限弯曲半径为：
[0071][0072]
玻璃纤维筋属于脆性材料，根据式(12)可知其极限弯曲半径远大于其直径，即玻
璃纤维筋在达到其极限弯曲半径时便会在弯曲外缘首先发生断裂破坏，随后沿拉应力截面延申至截面中轴线，即玻璃纤维筋锚杆在刀盘转动作用下达到其最终弯曲状态前将会多次发生截面拉应力区断裂破坏现象，其残余的可提供拉力的截面积将逐次递减。这里简化的将其残余面积等效为圆面积，其等效圆直径定义为d
x
，则玻璃纤维筋在刀盘作用下达到最终弯曲状态时，根据图3和式(4)可得：
[0073][0074]
基于上文论述，其每次弯曲断裂后的残余面积与等效直径间的关系可表达为：
[0075][0076]
式中，x为玻璃纤维筋弯曲破断次数，取0、1、2、3
……
。
[0077]
化简可得：
[0078]
即，
[0079]
以式(13)中r作为玻璃纤维筋极限半径代入式(12)可得：
[0080][0081]
根据式(15)和式(16)可得对应直径d的玻璃纤维筋锚杆在盾构机作用下达到最终弯曲状态过程中的弯曲破断次数(即公式一)为：
[0082][0083]
上式中x所求数值向下取整。
[0084]
进一步，将式(13)、式(15)代入式(3)后，与式(14)一同代入式(2)推导可得：
[0085][0086]
亦可将常数γ＝0.05代入上式化简得：
[0087][0088]
上述式(17)～式(19)即为考虑玻璃纤维筋锚杆在盾构作用下产生脆性破坏后残余拉力计算模型。
[0089]
实际应用中选配盾构进、出洞范围玻璃纤维筋锚杆时，结合基坑壁支护要求预选锚杆规格、直径、间距等，利用公式一计算x，然后利用残余拉力计算模型计算锚杆拉力即锚杆对盾构机的阻力，之后利用式(8)计算锚杆阻力对刀盘的扭矩，以盾构机刀盘额定扭矩为控制边界，通过式(20)判断选取锚杆参数是否满足要求。
[0090]
t
合
＝t+t
掘
≤t
额
(20)，
[0091]
式中，t
合
为作用于刀盘上的总扭矩；t为锚杆对刀盘的阻力扭矩；t
掘
为盾构正常掘进时所需的扭矩；t
额
为盾构机设计额定扭矩。
[0092]
本发明的基于对盾构掘进影响的玻璃纤维筋锚杆的选配设计方法，提出玻璃纤维筋锚杆在盾构作用下非剪切破坏，而是弯曲变形后在拉力作用下的断裂破环，并将锚杆拉
力转换为盾构机刀盘扭矩以表示锚杆对盾构的影响，建立锚杆弯曲变形后的抗拉强度公式并给出锚杆弯曲抗拉承载力计算公式，并从应力应变角度分析并构建玻璃纤维筋在弯曲脆性破坏下的残余抗拉承载力计算模型，建立将玻璃纤维筋锚杆弯曲破环后的残余抗拉承载力转换为盾构刀盘扭矩的边界条件公式，并给出基于盾构影响的基坑玻璃纤维筋锚杆参数选配方法。
[0093]
本发明的基于对盾构掘进影响的玻璃纤维筋锚杆的选配设计方法，针对基坑支护锚杆与盾构掘进相互影响机理形成较为系统的理论模型，建立基坑锚杆参数与盾构掘进参数间的相关关系并给出实用计算公式，具有较强的指导性。另一方面，提供了基于盾构影响时基坑锚杆的选配流程、方法，具有较好的实操性，在一定程度上填补了此方面在理论、方法上的空白和不足。
[0094]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

技术特征：
1.一种基于对盾构掘进影响的玻璃纤维筋锚杆的选配设计方法，其特征在于，包括以下步骤：基于基坑侧壁的支护要求，预选玻璃纤维筋锚杆，并确定破断基坑侧壁的锚杆支护的盾构的型号；基于所述玻璃纤维筋的直径，通过公式一计算获得所述玻璃纤维筋在达到最终弯曲状态过程中的弯曲破断次数，所述公式一为：其中，δ为盾构刀盘上的滚刀与切刀间的刀高差，为滚刀贯入岩体深度，d为玻璃纤维筋直径，f
u
为玻璃纤维筋的抗拉强度，e为玻璃纤维筋弹性模量；构建玻璃纤维筋锚杆在盾构作用下产生脆性破坏后残余拉力计算模型，所述残余拉力计算模型为：其中，γ为经验计算系数；基于盾构破除基坑围护结构区域内的玻璃纤维筋锚杆的残余拉力，计算获得所述玻璃纤维筋锚杆对所述盾构刀盘的阻力扭矩；基于所述盾构机刀盘的额定扭矩与盾构正常掘进扭矩的扭矩差值，判断所述阻力扭矩是否小于所述扭矩差值，进而判断所述预选玻璃纤维筋锚杆是否符合设计要求。2.根据权利要求1所述的基于对盾构掘进影响的玻璃纤维筋锚杆的选配设计方法，其特征在于，所述γ的取值为0.05。

技术总结
本发明公开了一种基于对盾构掘进影响的玻璃纤维筋锚杆的选配设计方法，针对基坑支护锚杆与盾构掘进相互影响机理形成较为系统的理论模型，建立基坑锚杆参数与盾构掘进参数间的相关关系并给出实用计算公式，具有较强的指导性。另一方面，提供了基于盾构影响时基坑锚杆的选配流程、方法，具有较好的实操性，在一定程度上填补了此方面在理论、方法上的空白和不足。本发明解决了基于盾构施工如何选配玻璃纤维筋锚杆参数，现有技术主要为概念性的认识和经验性的总结，尚未形成较为完备理论研究和实用的计算方法的问题。用的计算方法的问题。用的计算方法的问题。


技术研发人员：李兆国 李海阳 陈久强 张立波 段鹏 李培
受保护的技术使用者：中建八局轨道交通建设有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/13