阅读说明：本技术 用于隧道支护的预制装配式空间网架结构及其施工方法 (Prefabricated assembled space grid structure and its construction method for tunnel support ) 是由 雷升祥 张旭东 夏明锬 梅灿 彭星新 张志勇 杨旭 董云生 黄明利 宋远 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种用于隧道支护的预制装配式空间网架结构及施工方法。所述预制装配式空间网架支护结构包括至少两块预制的网架支护构件,网架支护构件之间通过连接构件连接形成截面与支护隧道断面形状相同的封闭支护结构；其施工时,根据隧道支护结构的各项参数设定值和隧道模型计算出隧道支护结构的内力参数,得到最终隧道支护结构的施工参数值,制备出每环预制装配式空间网架支护结构的网架支护构件,隧道开挖后,在已经完成的开挖段快速拼装预制的网架支护构件形成隧道支护闭合环,完成多环网架构件拼装再进行喷射混凝土。本发明的结构简单、组装方便,无需喷射混凝土,依靠网架结构自身即可承担全部隧道荷载,提高施工效率。(A kind of prefabricated assembled space grid structure and construction method for tunnel support provided by the invention.The prefabricated assembled space net rack supporting construction includes at least two blocks prefabricated rack support units, passes through connecting elements connection Formation cross-section closing supporting construction identical with supporting tunnel cross-section shape between rack support unit；When it is constructed, the interior force parameter of tunnel support structure is calculated according to the parameters setting value and tunnel model of tunnel support structure, obtain the construction parameter value of final tunnel support structure, prepare the rack support unit of the prefabricated assembled space net rack supporting construction of every ring, after tunnel excavation, tunnel support close ring is formed in the prefabricated rack support unit of the excavation section quick-assembling completed, the assembly of multi-ring network frame member is completed and carries out gunite concrete again.Structure of the invention is simple, easy to assembly, is not necessarily to gunite concrete, can undertake whole tunnel loads by grid structure itself, improve construction efficiency.)

用于隧道支护的预制装配式空间网架结构及其施工方法

技术领域

本发明属于隧道工程施工技术领域，具体涉及一种用于隧道支护的预制装配式空间网架结构及其施工方法。

背景技术

隧道工程施工因地形、地质条件复杂多变极易发生不同程度灾害，导致隧道支护结构发生变形，不同程度地对隧道稳定性产生威胁，严重的无法满足设计衬砌断面要求，影响隧道安全施工，尤其给跨度大、结构复杂、变形要求严格的隧道施工带来很大难度。目前传统的隧道初期支护结构有锚喷结构、格栅支护、钢筋混凝土支护结构等，现有的支护结构并不能满足其在承载能力和支护时间方面的要求。以最为常见的格栅支护结构为例，格栅支护结构是以格栅钢架、型钢钢架配合喷混、锚杆、钢筋网共同作用，其钢架以榀为单位，纵向间距一般0.5～1.5m/榀。由于其沿纵向的离散性以及格栅钢架自身承载能力弱的特性，在喷射混凝土之前的时间，钢架承受围岩荷载的能力较弱，必须喷射混凝土后方能进行下道工序，这样便会延长工期，降低支护结构施工效率。

随着构件预制装配技术的发展，隧道施工中支护结构的预制装配化也逐渐成为必然，是可以提供工程质量和修建速度、降低成本的主要措施。盾构法修建隧道工程就是装配式衬砌支护的典型代表，但是由于盾构法隧道施工成本较高，所以目前矿山法施工隧道仍然占相当大的比例，但是对于矿山法隧道支护结构的预制拼装技术研究较少。目前矿山法隧道支护最常用的是由喷射混凝土、锚杆、钢拱架等组成的联合支护体系，常用的钢拱架具有较大的支护强度和刚度，能够增强初期支护结构能力，但是传统的钢拱架纵向连接钢筋及锁脚与钢架均采用焊接连接，施工速度慢，不符合隧道施工的“早封闭”的要求，现场仰焊作业空间狭小，质量能以保证，而且，虽然钢拱架支护技术成熟，但是其容易发生由于侧向刚度低而发生弱轴扭曲失稳。在满足安全可靠的前提下，借鉴目前隧道区间盾构管片拼装技术，研发一种预制拼装式支护结构对于降低各工序交替作业时间，提高施工效率，显得十分必要。

对于空间网架结构而言，其作为一种空间杆系结构，具有三维受力特点，能承受各方向的作用，并且网架结构一般为高次超静定结构，倘若一杆局部失效，仅少一次超静定次数，内力可重新调整，整个结构一般并不失效，具有较高的安全储备。由于其整体性好，稳定性好，空间刚度大，能有效承受非对称荷载、集中荷载和动荷载，并具有较好的抗震性能。其空间网架结构已经广泛应用于体育馆、影剧院、展览厅、候车厅、体育场看台雨篷、飞机库、双向大柱距车间等建筑的屋盖。但是空间网架结构汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较平面结构复杂，再加上隧道支护结构的特殊性，施工空间的局限性以及隧道支护对于其承载力的计算以及要求的限定，目前并没有将空间网架结构应用于隧道施工中。

发明内容

本发明针对传统支护型式施工时间长和承载能力不足的问题，本发明提出一种适用于隧道支护的预制装配式空间网架结构及其施工方法，该支护结构充分发挥空间网架结构良好的受力性能及快速装配式的施工便捷性，能保证隧道施工安全、提高施工效率。

本发明提供的一种用于隧道支护的预制装配式空间网架结构，其特征在于：所述预制装配式空间网架支护结构包括至少两块预制的网架支护构件，每块网架支护构件的两端分别设有与相邻网架支护构件连接的连接构件，至少两块网架支护构件首尾通过连接构件连接形成截面与支护隧道断面形状相同的封闭支护结构；每块网架支护构件为是由上弦杆、下弦杆和腹杆组成的网格支撑结构，其上弦杆形成网架支护构件与隧道内壁接触的迎土网面，下弦杆形成网架支护构件的背土网面，腹杆连接在上弦杆与下弦杆之间，并在上弦杆与下弦杆之间分隔形成多个网格单元，在每块网架支护构件的迎土网面设有金属网。

本发明较优的技术方案：所述网架支护构件的网格单元迎土面和背土面为三角形、正方形、矩形、五边形或六边形，立面为三角形。

本发明较优的技术方案：所述网架支护构件是由多个三棱锥或多个四棱锥或多个六棱锥组成的网格式支撑架。

本发明较优的技术方案：所述网架支护构件的上弦杆和下弦杆是由钢管、型钢、钢筋、钢管混凝土中的任意一种或几种杆件通过焊接或直接弯曲或通过连接件连接而成的弧形杆体；并在上弦杆和下弦杆之间通过焊接或连接件连接腹杆形成弧形网架结构，所述腹杆为钢管、型钢、钢筋、钢管混凝土中的任意一种或几种杆件。

本发明较优的技术方案：所述连接构件为相互匹配的榫接连接件或套筒连接件或卡扣连接件或插接或焊接连接件，每个连接构件相互匹配的第一连接件和第二连接件分别设置在相邻两个网架支护构件的对接部位，且所述每个网架支护构件的两端的连接构件也相互匹配；至少两个网架支护构件通过第一连接件和第二连接件拼接或焊接或拼接与焊接组合的方式连接成截面与支护隧道截面形状相同的环形、矩形、马蹄形或多边形封闭状支护结构。

本发明提供的一种用于隧道支护的预制装配式空间网架结构的施工方法，其特征在于，包括至少两环权利要求1至5任意一项中的预制装配式空间网架支护结构，其具体施工步骤如下：

(1)获取隧道支护结构的各项参数设定值和隧道模型；并根据所述参数项设定值和隧道模型计算所述隧道支护结构的承力荷载和等效空间壳体的弹性模量；将所述承力荷载和所述弹性模量作为有限元算法的输入，计算所述隧道支护结构的内力参数，根据所述内力参数，验证所述隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果，最后根据所述验证结果，调整所述参数项的值，得到最终隧道支护结构的施工参数值；

(2)根据步骤(1)中计算出来的隧道支护结构的施工参数值，确定每环预制装配式空间网架支护结构的分段，并选择合适的杆件根据分段情况在工厂或现场制作每环预制装配式空间网架支护结构的单块网架支护构件以及网架支护构件的连接件；

(3)隧道开挖后，在已经完成的开挖段快速拼装预制的单块网架支护构件形成隧道支护闭合环，相邻两块网架支护构件直接通过其端部的连接件快速连接，其连接件包括相互匹配的榫接连接件或套筒连接件或卡扣连接件或盘扣连接或插接连接件，连接件根据网架支护构件直接预制后焊接在网架支护构件的端部；

(4)继续开挖隧道，并在开挖段拼装下一环预制装配式空间网架支护结构，相邻两环空间网架支护结构可采用纵向连接钢筋搭接；

(5)根据工程实际情况，完成多环网架构件的拼装后，再喷射或浇筑混凝土形成支护结构。

本发明较优的技术方案：所述步骤(1)中隧道支护结构的参数包括单片预制装配式空间网架支护结构的纵向支护长度、每延米隧道支护结构的纵向截面杆体根数、初期支护的厚度、杆体的材料厚度、连接件的直径、连接件的环向间距、杆件和连连接件的材料、杆件和连接件的几何尺寸中的全部参数或任意几项参数。

本发明较优的技术方案：所述步骤(1)中计算的所述隧道支护结构的承力荷载包括隧道支护结构的自重荷载和隧道支护结构的外荷载；

其中，所述隧道支护结构的自重荷载f采用公式①计算得到：

f＝γ₁bh₁； ①

公式①中，γ₁表示所述隧道支护结构的砼重度，b表示计算单元纵向宽度，h₁表示所述隧道支护结构的厚度；

所述隧道支护结构的外荷载包括隧道支护结构所承受的地层抗力和隧道支护结构所承受的围岩压力中的至少一项的计算；其中，隧道支护结构所承受的围岩压力包括隧道支护结构所承受的围岩垂直均布压力和水平均布压力；

在隧道支护结构所承受的围岩压力计算完成之后，根据荷载系数调整所述围岩压力，其中，所述荷载系数为试算通过的荷载值与最大荷载值的比值。

本发明较优的技术方案：所述隧道支护结构所承受的地层抗力计算过程如下：

(1)采用温克尔假定算法，计算所述隧道模型的地层抗力系数；

(2)通过链杆法，根据所述地层抗力系数计算所述隧道支护结构所承受的地层抗力。

本发明较优的技术方案：

在所述隧道模型为深埋隧道的情况下：

所述隧道支护结构所承受的围岩垂直均布压力q采用以下公式②计算，

q＝γ₂h_q ②

公式②中，h_q＝第一常数×2^S-1w，w＝第二常数+i(B- 第三常数)；γ₂表示围岩重度，h_q表示围岩坍落拱计算高度，S表示围岩级别，w表示宽度影响系数，B表示隧道开挖宽度，i表示每增加单位长度的围岩压力增减率；

所述隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力为上述计算的隧道支护结构所承受的围岩垂直均布压力q与特定系数的乘积；其中，所述特定系数的值与围岩级别相关。

本发明较优的技术方案：

在所述隧道模型为浅埋隧道的情况下：

所述隧道支护结构所承受的围岩垂直均布压力q采用公式③计算得到，

其中，

γ₂表示围岩重度，h₂表示隧道顶部离地面的高度，λ表示侧压力系数，θ表示隧道顶部两侧的摩擦角，B表示隧道开挖宽度，β表示最大推力时的破裂角，表示围岩计算摩擦角；

所述隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力e_i采用公式④计算得到，

e_i＝γ₂h_iλ ④

其中，γ₂表示围岩重度，h_i表示隧道内外侧任意点至地面的距离，λ表示侧压力系数。

所述步骤(1)中隧道支护结构的参数包括单片预制装配式空间网架支护结构的纵向支护长度、每延米隧道支护结构的纵向截面杆体根数、初期支护的厚度、杆体的材料厚度、连接件的直径、连接件的环向间距、杆件和连连接件的材料、杆件和连接件的几何尺寸中的全部参数或任意几项参数，其中杆件的连接形式、杆件材料、几何尺寸(长度、直径或厚度等) 连接构件的材料和几何尺寸

本发明的有益效果：

(1)本发明中的支护结构利用充分发挥空间网架结构良好的受力性能及快速装配式的施工便捷性，将传统的钢拱架等“线支护”改为“面支护”，提升隧道安全性与稳定性；

(2)本发明中的预制装配式空间网架支护结构，无需喷射混凝土，依靠网架结构自身即可承担全部隧道荷载，拼装快速，且能在进行多个开挖和拼装循环后在进行喷射混凝土，减少了施工工序交替，提高了施工效率，保障了隧道施工安全，尤其适用于地质复杂、变形控制严格等隧道开挖段；

(3)本发明中的空间网架支护结构是由多片弧形支护结构通过快速拼装接头连接而成，其弧形支护结构可直接根据隧道参数提前加工或现场加工，然后快速拼装形成一个整体的环形结构，避免了焊接引起的施工隧道慢、质量能难以保证等问题，提高了施工效率；

(4)本发明中的空间网架支护结构是由多个棱锥结构组成，每个棱锥结构其中一侧为面状，另一侧为点状，面与点之间通过多根拉杆连接，在节点荷载作用下，各杆件主要承受轴向的拉力和压力，能充分发挥材料的强度，多个棱锥部件有规律的组合在一起，其整体性好，稳定性好，空间刚度大，能有效承受非对称荷载、集中荷载和动荷载，并具有较好的抗震性能；

(5)本发明中在施工过程中提前针对喷射混凝土之前的隧道需要的承载力对网架支护结构的参数进行计算设计，保证设计出的支护结构能够满足施工安全，确保预制的支护结构在喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力，可实现在一定作业范围内无需喷射混凝土即可进行下道工序，提高了施工效率。

(6)本发明中的空间网架结构组合有规律，大量节点和杆件的形状、尺寸相同，并且杆件和节点规格较少，便于生产，产品质量高。

本发明可以根据实际情况完成多环网架构件拼装再进行喷射混凝土，该结构及施工方法中的支护构件工厂化预制，便于生产、质量可控，现场拼装施工便捷，且无需喷射混凝土，依靠网架结构自身即可承担全部隧道荷载，极大地缩减各工序的交替时间，可实现隧道支护的快速施工，提高施工效率。

附图说明

图1是本发明的预制装配式空间网架支护结构的结构示意图；

图2是本发明中网架支护构件的结构示意图；

图3是本发明中网架支护构件的拼接示意图；

图4a至图4e本发明中不同连接构件的结构示意图；

图5是本发明的网架支护构件的平面示意图；

图6是本发明的网架支护构件的剖面示意图；

图7a至7c是网架支护构件的不同网格单元的结构示意图；

图8a至图8c分别是图7a至7c中网格单元的组拼示意图。

图9是网架架构支护宽度和距离示意图；

图10是本发明的施工状态示意图。

图中：1—网架支护构件，2—待支护隧道，3—上弦杆，4—下弦杆，5 —腹杆，6—金属网，7—连接构件，7-1—第一连接件，7-2—第二连接件， 8—混凝土砌衬，a—网架支护构件的宽度，b—相邻两环网架支护结构的间距。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1至图8均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至图6所示，本发明专利提供的一种用于隧道支护的预制装配式空间网架结构，具体包括至少两块预制的网架支护构件1，每块网架支护构件1的两端分别设有与相邻网架支护构件1连接的连接构件7，所述连接构件7为相互匹配的榫接连接件(如图4a和图4b)或套筒连接件或卡扣连接件(如图4c和图4d)或插接连接件或盘扣连接(如图4e)，每个连接构件7相互匹配的第一连接件7-1和第二连接件7-2分别设置在相邻两个网架支护构件1的对接部位，且所述每个网架支护构件1的两端的连接构件7 也相互匹配；至少两个网架支护构件1通过第一连接件7-1和第二连接件 7-2拼接成截面与支护隧道2截面形状相同的环形、矩形、马蹄形或多边形封闭状支护结构。预制的网架支护构件1根据隧道断面形状分段预制的，与隧道断面形状相适配的，并不对拼装成的具体形状作限定。

本发明中提供的隧道支护的预制装配式空间网架支护结构中每块网架支护构件1为是由上弦杆3、下弦杆4和腹杆5组成的网格支撑结构，其上弦杆3形成网架支护构件1与隧道6内壁接触的迎土网面，下弦杆4形成网架支护构件1的背土网面，腹杆5连接在上弦杆3与下弦杆4之间，并在上弦杆3与下弦杆4之间分隔形成多个网格单元，在每块网架支护构件1的迎土网面设有金属网6。其中，网架支护构件1的迎土网面和背土网面分别形成整个支架的外圈结构和内圈结构，由于外圈结构和内圈结构上的杆体是均匀设置的，这样可保证外圈结构和内圈结构上的受力均匀。

本发明中网架支护构件1网格单元的迎土面和背土面为三角形、正方形、矩形、五边形或六边形，其立面均为三角形，确保其迎土网面与背土网面中的杆件通过腹杆5围成的最小形状单元为三角形，通过三角形稳定结构可进一步提高预制构件的支撑强度。所述网架支护构件1的上弦杆3 和下弦杆4是由钢管、型钢、钢筋、钢管混凝土中的任意一种或几种杆件通过焊接或直接弯曲或通过连接件连接而成的弧形杆体；并在上弦杆3和下弦杆4之间通过焊接或连接件连接腹杆5形成弧形网架结构，所述腹杆5 为钢管、型钢、钢筋、钢管混凝土中的任意一种或几种杆件。

本发明中提供的网架支护构件1是由多个三棱锥或多个四棱锥或多个六棱锥组成的网格式支撑架，其三棱锥如图7a和8a所示，相邻两个三棱锥的三角底面连为一个曲面，该曲面即为网架支护构件1的迎土面，组成三棱锥三角底面的三根支撑杆即网架支护构件1的上弦杆，相邻两个三棱锥的锥尖通过内弦杆4连为一体，连接后组成三棱锥锥体的三根支撑杆即网架支护构件1的腹杆。其四棱锥如图7b和8b所示，同三棱锥一样，其四边形底面连为一个曲面，该平面即为网架支护构件1的迎土面，组成四棱锥四角底面的四根支撑杆即网架支护构件1的上弦杆，相邻两个四棱锥的锥尖通过内弦杆4连为一体，连接后组成四棱锥锥体的四根支撑杆即网架支护构件1的腹杆。六棱锥如图7c和8c所示，其六边形底面连为一个曲面，该曲面即为网架支护构件1的迎土面，组成六棱锥六角底面的六根支撑杆即网架支护构件1的上弦杆，相邻两个六棱锥的锥尖通过内弦杆4 连为一体，连接后组成六棱锥锥体的六根支撑杆即网架支护构件1的腹杆。

下面结合实施例对本发明进一步说明，本发明实施例的中参数值确定方案计算可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言 Java和直译式脚本语言JavaScript等。

实施例提供的一种用于隧道支护的预制装配式空间网架结构的施工方 法，该施工方法主要是针对网架支护构件1由多个四棱锥组成的网格式支 撑架，相邻两环网架支护结构的间距b的根据实际情况可取为0，如图1所 示，其隧道断面周长其中n为隧道断面构件分段数，Li为第i段 构件的长度，网架支护构件1上连接构件7为可相互拼接的榫接连接件， 该支护结构的具体施工步骤如下：

(1)确定隧道支护结构的施工参数值：

a.获取隧道支护结构的各项参数设定值和隧道模型；其参数项包括但不限于：每片空间网架支护结构的纵向支护长度、每延米空间网架支护结构纵向截面的配钢筋(管)根数(单侧)、初期支护的厚度、杆体的材料厚度 (如钢筋直径，钢管壁厚)、连接件的直径以及连接件的环向间距等。这些参数的设定值可以是参数经验值，也可以是设计值。本发明实施例的隧道模型用于模拟实际隧道情况，与隧道工程地质、水文地质情况、以及现有隧道设计及施工经验等相关，隧道情况与隧道处围岩级别、隧道延伸方式、隧道深度、隧道断面形状等参数相关；

b.根据参数项的设定值和隧道模型，计算隧道支护结构的承力荷载和等效空间壳体的弹性模量，其承力荷载主要包括自重荷载和外荷载，外荷载主要包括：地层抗力和围岩压力等；将隧道支护结构可等效为空间壳体结构，利用隧道支护结构各参数项的设定值，来计算等效空间壳体的弹性模量，采用该方式能够更好的模拟隧道支护结构，计算得到的弹性模量可等效为隧道支护结构整体的弹性模量；

c.将承力荷载和弹性模量作为有限元算法的输入，计算隧道支护结构的内力参数，其内力参数包括：弯矩、轴力(轴向力)和剪力等；根据内力参数，验证隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果，根据验证结果，调整参数项的值，若验证结果指示不满足安全性要求，则需要调整各参数项的值继续验证，以确定出满足安全性的参数项。若验证结果指示满足安全性要求，且超出安全性要求较多，则需要调整个参数项的值继续验证，以节省材料，降低成本；

d.最后根据所述验证结果，调整所述参数项的值，得到最终隧道支护结构的施工参数值；

(2)根据步骤(1)中计算出来的隧道支护结构的施工参数值，确定每环预制装配式空间网架支护结构的分段，并选择合适的杆件和连接件，根据分段情况在工厂或现场制作每环预制装配式空间网架支护结构的单块网架支护构件以及网架支护构件的连接件；

(3)隧道开挖后，在已经完成的开挖段快速拼装预制的单块网架支护构件形成隧道支护闭合环，相邻两块网架支护构件通过连接构件7连接，其连接构件7包括相互匹配的榫接连接件或套筒连接件或卡扣连接件或盘扣连接或插接连接件，当连接构件为榫接连接件时，如图4a和图4b所示，组成连接构件7的第一连接件7-1和第二连接件7-2为相互匹配的凸块和凹槽，在连接时，只需要将两部分直接对接其凸块相互嵌入对方的凹槽内卡紧便可；当连接构件为卡扣连接件，如图4c和图4d所示，包括设有卡口的第一连接构件和设有锁孔的第二连接构件，第二连接构件对应***第一连接构件内，并通过一个锁扣锁接；当连接构件为盘扣连接时，如图4e 所示，其第一连接构件上设有盘式开孔，第二连接构件个第一连接构件卡接后，通过锁块锁紧；实施例中的连接构件7根据网架支护构件直接预制后焊接在网架支护构件的端部；在进行网架支护构件安装时，本发明采用电动多功能拱架安装机代替传统立架台车，通过多功能拱架安装台车顶升和手臂抓取等操作手段进行自动安装，多功能拱架安装机具有多功能拱架安装台车具备自动行走、自动定位系统，采用手臂加吊篮相结合，实现多功能拱架台车全方位移动、精确吊装拱架，完成拱架安装施工工艺，其整体移动快捷方便，适用性广，可以实现拱架全方位移动，任意位置就位，整个设备采用安全液压、电控系统控制；

(4)继续开挖隧道，并在开挖段继续采用多功能拱架安装机拼装下一环预制装配式空间网架支护结构；相邻两环空间网架支护结构可采用纵向连接钢筋搭接；

(5)根据工程实际情况，完成单环预制装配式空间网架支护结构后或完成若干环预制装配式空间网架支护结构后，在网架支护结构上喷射或浇筑混凝土，并将预制装配式空间网架支护结构包裹形成衬砌结构；由于空间网架支护结构具有较强刚度，能够承担施工期间的围岩松弛荷载，无需马上喷射混凝土也可进行下道工序，为了加快开挖进度，距离掌子面一定距离范围内，延缓施作喷射混凝土，可以仅以空间网架支护结构为初期支护的承载结构。

在本发明的实施例中，如图10所示，需要至少两片空间网架支护结构，初步拟定每片空间网架支护结构的纵向支护长度L、每延米空间网架支护结构纵向截面的配钢筋(管)根数(单侧)n、初期支护的厚度h及其他构造参数，这些参数项可取行业经验值。而对于其他参数项可假定一个设定值，如杆体材料厚度，来进行结构力学分析，检算结构安全系数是否满足要求。通过对这些参数项进行试算，得到满足安全性要求的参数项的值。

在上述实施例中将自重荷载和外荷载，确定为隧道支护结构的承力荷载，且针对承力荷载的计算过程具体如下：

一、自重荷载的计算

其中，根据参数项的设定值，计算隧道支护结构的自重荷载的步骤包括：采用公式①，计算隧道支护结构的自重荷载f；其中，公式①为：

f＝γ₁bh₁；

其中，γ₁表示隧道支护结构的砼重度，b表示计算单元纵向宽度，h₁表示隧道支护结构的厚度。

二、外荷载的计算

根据隧道模型，计算隧道支护结构的外荷载的步骤，包括以下至少一项：根据隧道模型，计算隧道支护结构所承受的地层抗力；根据隧道模型的类型，计算隧道支护结构所承受的围岩压力。

1、地层抗力的计算

根据隧道模型，计算隧道支护结构所承受的地层抗力的步骤，包括：采用温克尔假定算法，计算隧道模型的地层抗力系数；通过链杆法，根据地层抗力系数计算隧道支护结构所承受的地层抗力。具体地，在链杆法中，地层抗力是用地层弹簧来模拟。地层抗力系数根据土层条件确定，按温克尔假定计算。在计算中，消除受拉的弹簧。

2、围岩压力的计算

根据隧道模型的类型，计算隧道支护结构所承受的围岩压力的步骤包括：根据隧道模型的类型，分别计算隧道支护结构所承受的围岩垂直均布压力和水平匀布压力。其中，隧道模型下垂直均布压力和水平匀布压力的计算方式不同。隧道模型的类型不同，垂直均布压力的计算不同，水平匀布压力的计算方式也不同。下面本实施例将结合深埋隧道和浅埋隧道对围岩压力的计算做进一步说明。

2-1、深埋隧道情况

深埋隧道情况指的是隧道中心线、顶部或底部与地表距离超过一定值的情况，在本实施例中指的是除浅埋隧道情况之外的情况。对于垂直均布压力的计算：在隧道模型为深埋隧道的情况下，采用公式②，计算隧道支护结构所承受的围岩垂直均布压力q(单位可以为kPa)；其中，公式②为：

q＝γ₂h_q

其中，h_q＝第一常数×2^S-1w，w＝第二常数+i(B-第三常数)；

其中，γ₂表示围岩重度(单位可以为kN/m³)，h_q表示围岩坍落拱计算高度(单位可以为m)，S表示围岩级别，w表示宽度影响系数，B表示隧道开挖宽度(单位可以为m)，i表示每增加单位长度的围岩压力增减率。

可选地，第一常数可以为0.45，第二常数可以为1，第三常数可以为5。相应地，h_q＝0.45×2^S-1w，w＝1+i(B-5)。其中，当B＜5m时，取 i＝0.2，B≥5m时，取i＝0.1。

对于水平匀布压力计算：在隧道模型为深埋隧道的情况下，将隧道支护结构所承受的围岩垂直均布压力与特定系数的乘积确定为隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力，其中，特定系数的值与围岩级别相关。例如，在该情况下水平匀布压力可通过下表1确定：

表1

围岩级别	Ⅰ～Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ
					水平匀布压力	0	<0.15q	(0.15～0.30)q	(0.30～0.50)q

2-2、深埋隧道情况

浅埋隧道指的是隧道中心线、顶部或底部与地表距离低于某值的情况，如隧道埋深大于h_q且小于2.5h_q的情况。

对于垂直均布压力的计算：在隧道模型为浅埋隧道的情况下，采用公式③，计算隧道支护结构所承受的围岩垂直均布压力q；其中，公式③为：

其中，

γ₂表示围岩重度(单位可以为kN/m³)，h₂表示隧道顶部离地面的高度 (单位可以为m)，λ表示侧压力系数，θ表示隧道顶部两侧的摩擦角(单位可以为°，一般取经验数值)，B表示隧道开挖宽度或称为坑道跨度(单位可以为m)，β表示最大推力时的破裂角(单位可以为°)，表示围岩计算摩擦角(单位可以为°)。

可选地，第四常数可以为1，第五常数可以为1，第六常数可以为1。相应地，

对于水平匀布压力的计算：在隧道模型为浅埋隧道的情况下，采用第公式④，计算隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力e_i；其中，公式④为：

e_i＝γ₂h_iλ

其中，γ₂表示围岩重度(单位可以为kN/m³)，h_i表示隧道内外侧任意点至地面的距离(单位可以为m)，λ表示侧压力系数。

进一步的，以上计算得到的围岩压力为隧道衬砌所承受的最大松弛荷载，但考虑到掌子面前方围岩与后方初期支护与二次衬砌的支撑作用，存在一定的空间效应，实际施工过程中，空间网架支护结构不会承受如此大的荷载，因此在设计中，对上述荷载进行折减。具体地，在计算围岩压力之后，根据荷载系数调整围岩压力，其中，荷载系数为试算通过的荷载值与最大荷载值的比值。例如，假设围岩荷载为q，q＝μq‘，其中，μ表示荷载系数，为试算通过的荷载值与最大荷载值之比，q‘表示作用在隧道支护结构(空间网架支护结构)上的松弛荷载。

值得指出的是，在架立空间网架支护结构阶段及喷射混凝土阶段，通过采用不同的荷载系数μ，来调整作用在隧道支护结构上的荷载，以得到符合支护结构实际受力状况的荷载。

以上介绍了不同场景下承力荷载的计算方式，下面将进一步结合应用场景对步骤1中计算隧道支护结构的弹性模量的示例做出说明。

具体地，以图1所示的暗挖隧道的马蹄形断面结构衬砌为例，结构受力方式以偏心受压为主，依据拉压刚度等效原则，将架立支护结构阶段及喷射混凝土阶段的支护结构等效为具有一定厚度的空间壳体结构。

在架立支护结构阶段，EA＝E_g(A_g+A‘_g)，A＝Lh，相应地，步骤 13包括：采用公式⑤，计算隧道支护结构的等效空间壳体的弹性模量E；其中，公式⑤为：

其中，A_g、A‘_g表示受拉和受压区杆体的截面面积(单位可以为m²)，E_g表示杆体的材料模量，L表示隧道支护结构中一片网架支护结构的纵向长度， h表示等效空间壳体的厚度。

其中，在杆体为钢筋的情况下，其中，n表示一延米网架支护结构的纵向截面所包含杆体的数量，D表示钢筋的直径。

在杆体为钢管的情况下，n表示一延米网架支护结构的纵向截面所包含杆体的数量，D表示钢管的直径，t表示钢管的壁厚。

以上介绍了架立钢架阶段弹性模量的计算，对于喷射混凝土阶段，根据现有设计经验，在此阶段，钢材的刚度对截面的等效刚度贡献几乎可以忽略不计。因此，本阶段可直接采用喷混凝土的刚度作为等效截面的刚度。

对于内力参数的计算是基于上述承力荷载和等效空间壳体的弹性模量的计算结果实现的，本发明实施例根据弹性力学基本原理，隧道截面内力的求解问题，可以简化为平面应变问题。采用有限单元法，分别计算出架立钢架阶段和喷射混凝土阶段的支护结构的内力(弯矩M、轴力N和剪力 Q)。

在得到内力参数后，可基于内力参数对隧道支护结构的安全性进行验证。下面本发明实施例将结合不同施工阶段对安全性进行验证，以得到合适的结构参数的设计值。

在架立空间网架支护结构阶段，采用公式⑥，计算相应的验证结果；在验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定隧道支护结构的安全性满足要求。假设第一值为2.4，那么在K大于或等于2.4时,则隧道支护结构的参数项的值满足安全性要求；反之，则执行步骤16，调整参数项的值，进行下一次试算，直到得到合适的值。

其中，公式⑥为：KN＝αR_gA，其中，K表示安全系数，N表示轴力，α表示轴力的偏心影响系数，R_g表示网架支护结构的材料的拉压极限强度，A表示等效空间壳体的截面面积。

可选地，轴力的偏心影响系数与轴力偏心距和等效空间壳体的厚度相关。例如，其中，e₀表示轴向力偏心距，h表示等效空间壳体的厚度。

在得到验证结果的步骤之后还可以包括计算其他参数项值的步骤，具体地，根据内力参数，验证隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果。然后采用公式⑦，计算连接件的结构参数；其中，公式⑦为：

K表示安全系数，Q表示剪力，R_g表示网架支护结构的材料的拉压极限强度，A_k表示连接件与杆体连接处的截面积，l_e表示有限元算法中选择的梁单元的长度，θ表示隧道顶部两侧的摩擦角，c表示连接件的环向间距。可选地，第七常数可以为0.8，相应地，

这样，通过抗剪强度计算，可以使连接件直径d以及环向间距c，满足结构的抗剪强度要求。

以上介绍了架立空间网架支护结构阶段的安全性验证方式，下面将进一步介绍喷射混凝土阶段后的安全性验证方式。

在喷射混凝土阶段后，在混凝土受压区的高度小于或等于阈值的情况下，采用公式⑧计算相应的验证结果；在验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定隧道支护结构的安全性满足要求。

其中，第公式⑧为：

KNe≤R_wbx(h₀-x/2)+R_gA‘_g(h₀-a’)

其中，

K表示安全系数，N表示轴力，e、e^’表示受拉和受压区内杆体的重心至轴力作用点的距离，R_w表示混凝土弯曲抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，x表示混凝土受压区的高度(单位可以为m)，R_g表示网架支护结构的材料的拉压极限强度，A_g、A‘_g表示受拉和受压区内杆体的截面面积(单位可以为m²)，a、a’表示受拉和受压区内杆体的重心到等效空间壳体的截面边缘的最近距离(单位可以为m)，h₀表示等效空间壳体的截面的有效高度，h₀＝h-a。

具体地，在喷射混凝土阶段后的受力阶段，对轴力的作用点取矩有 R_g(A_ge-A‘_ge’)＝R_wbx(e-h₀-x/2)，由该式可推导出： 其中，R_w表示混凝土弯曲抗压极限强度，x表示混凝土受压区的高度，R_g，R‘_g表示网架支护结构的材料的拉压、抗压计算强度，A_g、A‘_g表示受拉和受压区内杆体的截面面积，e、e’表示受拉和受压区内杆体的重心至轴力作用点的距离，a、a’表示A_g、A‘_g的重心到等效空间壳体的截面边缘的最近距离，h₀表示等效空间壳体的截面的有效高度。

相应地，假设阈值为0.55h₀，那么当x小于或等于0.55h₀时，为大偏心受压构件，按第八公式进行计算，即KNe≤R_wbx(h₀-x/2)+R_gA‘_g(h₀- a’)，计算时需满足x≥2a’，若不符合，即x<2a’时，按照KNe’≤R_gA_g(h₀- a’)计算。

在喷射混凝土阶段后，在混凝土受压区的高度大于阈值的情况下，采用公式⑨，计算相应的验证结果；在验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定隧道支护结构的安全性满足要求。其中，公式⑨为：其中，K表示安全系数，N表示轴力，e表示杆体的重心至轴力作用点的距离，R_a表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，R_g表示网架支护结构的材料的拉压极限强度， A‘_g表示杆体的截面面积，a’表示杆体的重心到等效空间壳体的截面边缘的最近距离，h₀表示等效空间壳体的截面的有效高度。

相应地，假设阈值为0.55h₀，那么当x大于0.55h₀时，为小偏心受压构件，截面强度按第九公式进行计算，第八常数可以为0.5，即

以上介绍了该施工阶段主筋的计算方式，下面将进一步介绍配筋后的安全系数：

在本实施例中假设第一值为2.4，也就是说，在K大于或等于2.4时，说明隧道支护结构的参数项的设计值满足安全性要求。

以上主要针对隧道支护结构中的杆体的参数项的值进行设计和验证，下面将进一步结合示例对连接件的参数项的值进行设计和验证。

具体地，在根据内力参数，验证隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果的步骤之后，还包括：采用公式⑩，计算连接件的结构参数；其中，公式⑩为：

K表示安全系数，Q表示剪力，R_a表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，h₀表示等效空间壳体的截面的有效高度，R_g表示网架支护结构的材料的拉压极限强度，A_k表示连接件与杆体连接处的截面积，l_e表示有限元算法中选择的梁单元的长度，θ表示隧道顶部两侧的摩擦角，c表示连接件的环向间距。假设第九常数为0.07，第十常数为0.8，相应地，第十公式为：根据该公式可计算出满足抗剪力要求的连接件的环向间距的极限值。

在本发明实施例中在验证结果为安全系数小于安全性要求阈值时，将参数项的值增大；在验证结果为安全系数超出安全性要求阈值达到特定值时，将参数项的值减小；在验证结果为安全系数超出安全性要求阈值未达到特定值时，保持参数项的设定值不变。以安全系数K为例，假设第一值为2.4，若K<2.4，则说明隧道支护结构的参数项的当前设计值不安全，需加大该设计值，重新计算；若K>>2.4，则说明隧道支护结构的承载力富裕较多，需减小参数项的设计值，重新计算；在K略大于2.4时，则说明隧道支护结构的承载能力能满足要求，且较为经济。

值得指出的是，初期支护在施工期作为临时结构，承担围岩荷载的比例系数，在二次衬砌施做后，其受力将会得到改善，因此，施工期不需进行裂缝宽度检算，但在设计时，可作为一项参考指标。钢筋混凝土受拉、受弯和偏心受压构件，对e₀≤0.55h₀的偏心受压构件，可不检算裂缝宽度。其他情况下按照下式计算裂缝宽度：

其中，ω_max表示最大裂缝宽度(单位可以为mm)；α表示隧道支护结构的构件受力特征系数，隧道为偏心受压构件，α可以为1.9；表示裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，当时，取0.2，当时，取0.2，当时，取1.0，对于直接承受重复荷载的构件，取1.0；ρ_te表示按有效受拉混凝土面积计算的纵向受拉钢筋配筋率，ρ_te＝A_s/A_ce，当ρ_te<0.01时，ρ_te取0.01；A_s表示受拉区纵筋截面面积；A_ce表示有效受拉混凝土截面面积，A_ce＝0.5bh；C_s表示最外层纵向受拉公斤外边缘至受拉区底边的距离(单位可以为mm)，当C_s<20 时，C_s取20，当C_s>65时，C_s取65；d表示钢筋直径(单位可以为mm)，当采用不同直径的钢筋时，d＝4A_s/(γμ)，μ表示纵向受拉钢筋截面周长的总和；γ表示纵向受拉钢筋表面特征系数，变形钢筋取1，光面钢筋取0.7； E_s表示钢筋的弹性模量(单位可以为MPa)；σ_s表示纵向受拉钢筋的应力(单位可以为MPa)，σ_s＝N_s(e-z)/(A_sz)，N_s表示按荷载组合计算出的轴力值，z表示受拉公斤合力点至受压区合力点的距离，z＝[0.87- 0.12(h₀/e)²]h₀，且z<0.87h₀。

本发明中空间网架支护结构在施工之前，可以通过上述计算过程根据隧道地质情况，计算支护结构受力情况，结合拼装台车的拼装能力和隧道断面尺寸，确定隧道支护结构的各项参数，然后预制和拼接成与隧道断面形状相同的支护结构，实现对喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力的支护结构的参数设计，保证设计出的支护结构能够满足施工安全，由于支护结构在喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力，可实现在一定作业范围内无需喷射混凝土即可进行下道工序，提高了施工效率。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。