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申请/专利权人：中铁第四勘察设计院集团有限公司

摘要：本发明公开了一种铁路隧道的波纹钢板内衬拱脚结构及其优化设计方法，其结构包括分别位于拱形波纹钢板内衬的两个拱脚处的拱脚基础结构以及若干锁脚锚杆，所述拱脚基础结构为钢筋混凝土结构，所述拱脚基础结构沿波纹钢板内衬纵向布置，波纹钢板内衬的拱脚与对应的拱脚基础结构锚固，所述锁脚锚杆的一端插入到隧道壁的锚孔中，所述锁脚锚杆的另一端与拱脚基础结构锚固，若干锁脚锚杆沿波纹钢板内衬纵向分布。本发明通过明确了基础结构的外部荷载，实现了基础结构配筋和锁脚锚杆参数的定量化设计，整个设计流程量化清晰、实施便捷、安全可靠、经济适用，避免了原有二次衬砌凿除施工，降低了施工风险，节约了施工成本，缩短了施工周期。

主权项：1.一种铁路隧道的波纹钢板内衬拱脚结构优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：波纹钢板内衬拱脚基础结构几何尺寸设计，具体步骤包括：S11：拱脚基础结构沿波纹钢板纵向布置长度等于隧道病害段整治长度；S12：为保证波纹钢板内衬拱脚基础结构的强度、刚度及稳定性，需增大基础结构的几何尺寸，考虑到隧道病害段长度较短，根据现场情况可占用隧道附属结构物电力电缆槽的一半空间位置，基座底部宽度b2为电缆槽竖向中心线与电缆槽底面水平线交点到二次衬砌结构最近水平距离，基于公式（1）、公式（2）可得到拱脚基础结构顶部宽度b1、高度h：b1=b-b3-b4（1）h=2h1+h2（2）式中：b为电缆槽竖向中心线与基底顶面水平线交点到二次衬砌结构最近水平距离；b3为电缆槽盖板缝宽；b4为电缆槽盖板搭接宽度；h1为电缆槽净宽；h2为电缆槽盖板厚度；S2：波纹钢板内衬拱脚基础结构外部荷载确定，具体步骤包括：S21：根据现场检测及调查结果，得到隧道病害段无损检测二次衬砌厚度表，选取二次衬砌受力最不利断面；S22：根据步骤S21中确定的最不利断面，考虑最不利断面所处地层、水文地质、围岩级别、埋深及初期支护与二次衬砌荷载分配比例因素，计算得到二次衬砌水平围岩压力；S23：根据步骤S21确定的最不利断面、步骤S22中确定的围岩压力以及波纹钢板几何参数，建立含有破损二次衬砌、填充层、波纹钢板的二维平面应变复合数值计算模型，其中考虑破损二次衬砌与填充层、填充层与波纹钢板均为刚性连接，二次衬砌结构根据无损检测二次衬砌厚度结果采用全环分块不等厚梁单元模拟；填充层采用实体弹性单元模拟；波纹钢板结构采用等效梁单元模拟，根据抗弯刚度等效原则得到波纹钢板等效梁的梁高与密度；围岩与二次衬砌的相互作用采用弹簧单元模拟，两侧拱脚基础结构位置节点采用固定端模拟；S24：根据步骤S23确定的复合数值计算模型，计算得到两侧拱脚基础结构固定节点所承受的最大水平反力Fx、最大竖向反力Fy与最大弯矩M；S3：波纹钢板内衬拱脚基础结构混凝土强度等级确定，为保证基础结构强度，采用高于二次衬砌混凝土强度等级的一个标号；S4：波纹钢板内衬拱脚基础结构配筋设计；S5：波纹钢板内衬拱脚基础结构锁脚锚杆设计，确定锁脚锚杆纵向间距D、每延米纵向根数N、直径d1及长度LR参数，具体步骤包括：S51：根据波纹钢板内衬纵向分块长度L1、锁脚锚杆纵向间距D，基于公式（3）可确定锁脚锚杆每延米纵向根数n：n=L1D（3）式中，D为锁脚锚杆纵向间距；S52：基于公式（4）可确定每根锁脚锚杆的设计锚固力Nr： （4）；式中，k1为锚杆设计锚固力安全系数；Fx为步骤S2中确定两侧拱脚基础结构节点所承受的最大水平反力；n为S51步骤中确定的锁脚锚杆每延米纵向根数，为锁脚锚杆与水平面的夹角；S53：基于公式（5）确定锁脚锚杆直径d1： （5）；式中，Nr为步骤S52中确定每根锁脚锚杆的设计锚固力；为锚杆杆体的抗拉强度；S54：基于公式（6）、公式（7）确定锁脚锚杆长度LR： （6） （7）；式中：LR1为锁脚锚杆外露长度；LR2为锁脚锚杆有效长度；LR3为锁脚锚杆锚固长度；为锁脚锚杆长度安全系数；d1为步骤S53所确定的锁脚锚杆直径；d2为锁脚锚杆钻孔直径；为锁脚锚杆杆体设计抗拉强度；为锁脚锚杆填充体与钢筋的粘结强度；为锁脚锚杆填充体与围岩的粘结强度。

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