CN103924984B - 一种荷载作用于地层边界的隧道复合式衬砌结构设计方法 - Google Patents

Abstract

一种荷载作用于地层边界的隧道复合式衬砌结构设计方法，以设计出更加经济合理的隧道衬砌结构，节省大量衬砌混凝土圬工和钢筋用量，有效减低隧道工程造价。按如下步骤进行：确定设计所需基本参数；计算隧道荷载；建立设计方法模型，用二维实体结构单元模拟围岩，设计模型选用平面应变模型，采用弹塑性本构关系，复合式衬砌初期支护和二次衬砌用梁单元模拟，防水层用链杆单元进行模拟，该单元只受压力作用；进行网格划分，初期支护和二次衬砌采用映射网格进行划分；对围岩下边界进行约束，以保证不产生刚体位移；将围岩压力分别作用在上、左、右边界上；挖除隧道中心土体进行计算，分别提取初期支护以及二次衬砌的内力和变形；按初期支护和二次衬砌的内力变形结果设计合理的衬砌厚度和配筋率。

Description

一种荷载作用于地层边界的隧道复合式衬砌结构设计方法

技术领域

本发明涉及隧道，特别涉及一种荷载作用于地层边界的隧道复合式衬砌内力设计方法，可广泛适用于铁路、公路、水工、地铁暗挖隧洞的复合式衬砌结构设计。

背景技术

隧道衬砌是隧道工程的主要结构物，也是隧道工程的主要研究和设计对象。目前国内外大多数的隧道都是按照新奥法理论设计和施工的，而复合式衬砌作为其主要的支护结构是与新奥法理念相应而生的，而多数隧道工程复合式衬砌设计仅是针对支护结构中的二次衬砌，采用工程界普遍应用的荷载-结构方法，让衬砌承受来自围岩的主动与被动荷载，验算衬砌强度，设计合理的衬砌厚度或配筋率。这种衬砌设计方法已被广泛使用了几十年，是铁路、公路、水工、地铁等领域隧道衬砌设计的通用方法。

但是，不论在理论上还是在工程应用中荷载-结构法都存在极大弊端，具有明显的不合理和不经济性。由于新奥法是以岩体力学为基础，要充分考虑围岩与支护间相互作用关系，围岩也不再单独看作荷载，而看成支护系统的组成部分，像荷载-结构法这种只对二次衬砌进行计算而不考虑围岩情况是与新奥法背道而驰的，荷载-结构法用弹性支撑来模拟围岩对支护变形的约束作用与实际情况有较大出入，不能真实反映围岩与支护间相互作用关系，经过长期观测和工程实践表明，荷载-结构法设计的初期支护承载能力被低估，常常设计出过于保守的二衬结构，二衬存在较大的安全富余，造成了圬工、钢筋等建筑材料的浪费，社会经济效益较差。

随着社会经济的发展和技术的进步，高速、大跨铁路隧道的应用越来越多，建筑材料性能也有了很大的改进和提高，隧道洞径、衬砌厚度和整体性能都有较大改变，从经济和合理的角度考虑，原来的荷载-结构法已经不能很好适应当前的技术和社会经济发展，需要从设计方法上作出发明和创新。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种荷载作用于地层边界的隧道复合式衬砌结构设计方法，以设计出更加经济合理的隧道衬砌结构，节省大量衬砌混凝土圬工和钢筋用量，有效减低隧道工程造价。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种荷载作用于地层边界的隧道复合式衬砌结构设计方法，按如下步骤进行：确定设计所需基本参数；计算隧道荷载；建立设计方法模型，用二维实体结构单元模拟围岩，设计方法模型选用平面应变模型，采用弹塑性本构关系，复合式衬砌初期支护和二次衬砌用梁单元模拟，防水层用链杆单元进行模拟，该单元只受压力作用；进行网格划分，初期支护和二次衬砌采用映射网格进行划分；对围岩下边界进行约束，以保证不产生刚体位移；将围岩压力分别作用在上、左、右边界上；挖除隧道中心土体进行计算，分别提取初期支护以及二次衬砌的内力和变形；按初期支护和二次衬砌的内力变形结果设计合理的衬砌厚度和配筋率。

本发明的有益效果是，设计方法体现了围岩和支护结构的共同作用和变形协调，同时考虑了岩土材料非线性本构关系，其受力规律与实际情况较为相似，避免了考虑弹性抗力系数和围岩开挖应力释放率等目前技术不能解决的问题。相比原荷载-结构设计方法，荷载作用于地层边界的隧道复合式衬砌结构设计方法更加符合复合式衬砌的基本思想，计算结果准确可靠，能设计出更加经济合理的隧道衬砌结构，可节省大量衬砌混凝土圬工和钢筋用量，具有良好的经济社会效益，与当前的技术和社会经济发展相协调。本发明可广泛适用于铁路、公路、水工、地铁暗挖隧洞的复合式衬砌结构设计。

附图说明

本说明书包括如下四幅附图：

图1是隧道复合式衬砌模型图，外层为初期支护，中间为防水层，内侧为二次衬砌；

图2为本发明设计方法的隧道加载图，下侧边界加约束，左右上三侧施加荷载；

图3为本发明设计方法的隧道模拟开挖计算图；

图4为本发明设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1至图4，本发明的一种荷载作用于地层边界的隧道复合式衬砌结构设计方法，按如下步骤进行：

(1)确定设计所需基本参数；

(2)计算隧道荷载；

(3)建立设计方法模型，用二维实体结构单元模拟围岩，设计方法模型选用平面应变模型，采用弹塑性本构关系，复合式衬砌初期支护和二次衬砌用梁单元模拟，防水层用链杆单元进行模拟，该单元只受压力作用；

(4)进行网格划分，初期支护和二次衬砌采用映射网格进行划分；

(5)对围岩下边界进行约束，以保证不产生刚体位移；

(6)将围岩压力分别作用在上、左、右边界上；

(7)挖除隧道中心土体进行计算，分别提取初期支护以及二次衬砌的内力和变形；

(8)按初期支护和二次衬砌的内力变形结果设计合理的衬砌厚度和配筋率。

所述步骤(2)中隧道荷载对深埋隧道按下式计算：

围岩垂直匀布压力：q＝γh＝0.45×2^S-1ωγ

式中：γ—围岩容重；

h—围岩压力计算高度；

S—围岩级别；

ω—宽度影响系数，ω＝i(B-5)；

B—坑道宽度；

i—B每增减1m时的围岩压力增减率，当B<5m时，取i＝0.2；当B>5m时，取i＝0.1。

所述步骤(2)中，当埋深H小于或等于等效荷载高度hq时，隧道荷载对浅埋隧道按下式计算：

围岩垂直匀布压力：q＝γH

式中：γ—围岩容重；

H—隧道埋深；

侧向均布压力：

式中：H_t—隧道开挖高度；—围岩计算摩擦角；

所述步骤(2)中，当埋深H大于等效荷载高度hq小于2.5hq时，隧道荷载对浅埋隧道按下式计算：

垂直压力：

$q=\mathrm{\&gamma;}H(1-\frac{\mathrm{\&lambda;}Htan\mathrm{\&theta;}}{B})$

式中：H—隧道埋深；

θ—顶板土柱两侧摩擦角，为经验数值；

λ—侧压力系数；

—围岩计算摩擦角；

β—产生最大推力的破裂角；

γ—围岩容重；

B—坑道宽度；

当H＜h时，取θ＝0，h为深埋隧道垂直围岩压力计算高度；

水平压力：e_i＝λγh_i

式中：h_i—任一点至地面的距离。

所述步骤(4)中，对初期支护及围岩进行单元网格划分，将初期支护分为上、下、左、右四部分进行划分，初期支护与二次衬砌划分为相等段数，以便于内部开挖区的网格划分，网格形状采用映射网格，以保证较快的计算速度和计算精度。

步骤3中将围岩的泊松比和密度置为零，使其成为一个荷载传递工具，由于围岩材料泊松比为零，使得推导任意四边形单元刚度矩阵时材料的弹性矩阵会和常规地层结构法推导单元刚度矩阵不同。根据有限元的理论，单元刚度矩阵的最后表达式为：

${\&lsqb;K\&rsqb;}^e={\&Integral;}_{-1}^1{\&Integral;}_{-1}^1{\&lsqb;B\&rsqb;}^T\&lsqb;D\&rsqb;{\&lsqb;B\&rsqb;}^T\left|j\right|dsdt$

其中子块

${\&lsqb;K\&rsqb;}^e={\&Integral;}_{-1}^1{\&Integral;}_{-1}^1\left[\begin{array}{ccc}\frac{\&part;N_i}{\&part;x}& 0& \frac{\&part;N_i}{\&part;y}\\ 0& \frac{\&part;N_i}{\&part;y}& \frac{\&part;N_i}{\&part;x}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{D}_1& D_2& 0\\ D_3& D_4& 0\\ 0& 0& D_5\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\frac{\&part;N_i}{\&part;x}& 0\\ 0& \frac{\&part;N_i}{\&part;Y}\\ \frac{\&part;N_i}{\&part;Y}& \frac{\&part;N_i}{\&part;x}\end{array}\right]\left|j\right|dsdt$

式中，N_i为四边形等参单元的形函数；D1～D5为弹性矩阵的元素，对于平面应变问题为：

$D_1=D_4=\frac{E(1-\mathrm{\&mu;})}{(1+\mathrm{\&mu;})(1-2\mathrm{\&mu;})}$

$D_2=D_3=\frac{E(1-\mathrm{\&mu;})}{(1+\mathrm{\&mu;})(1-2\mathrm{\&mu;})}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&mu;}}{1-\mathrm{\&mu;}}$

$D_5=\frac{E(1-\mathrm{\&mu;})}{(1+\mathrm{\&mu;})(1-2\mathrm{\&mu;})}\&CenterDot;\frac{1-2\mathrm{\&mu;}}{2(1-\mathrm{\&mu;})}$

因有限元共同作用模型中把围岩的密度和泊松比都置为零，则弹性矩阵的元素为：

D₁＝D₄＝E

D₂＝D₃＝0

D₅＝E/2

其他公式推导则和常规推导公式相类似，在此不再赘述。

以某时速200km/h客货共线双线铁路隧道Ⅴ级深埋围岩复合式衬砌为例：

隧道开挖宽度为13.42m，高度为11.53m，二次衬砌为C35钢筋混凝土，采用HRB335钢筋，对于Ⅴ级围岩，取其围岩弹性模量为1.5GPa，边界取5倍跨径大小。

表1计算所需支护参数

结论：按荷载-结构法设计的Ⅴ级深埋复合式衬砌断面初期支护厚度为0.27m，最不利位置位于拱顶，安全系数最小为3.24，二次衬砌厚度为0.5m，配筋量为每延米1144kg，最不利位置也位于拱顶，安全系数最小为6.36,采用荷载作用于地层边界的隧道衬砌设计方法设计的Ⅴ级深埋复合式衬砌断面，初期支护最不利位置位于拱脚，安全系数最小为6.50，较荷载-结构法初期支护安全系数高出近1倍；二次衬砌最不利位置位于边墙脚，安全系数最小为26.20，较荷载-结构法二次衬砌安全系数高出3.1倍，说明以荷载-结构法设计的复合式衬砌计算安全系数偏小，特别是二次衬砌结构过于安全，造成材料的较大浪费。当采用荷载作用于地层边界的隧道衬砌设计方法时，仅从承载能力上考虑，初期支护可减少混凝土用量15％，二次衬砌可减少混凝土用量20％，配筋量可减少为每延米850kg,钢筋量减少25％，采用新设计方法将大大节省衬砌结构的混凝土和钢筋用量。

Claims (5)

1.一种荷载作用于地层边界的隧道复合式衬砌结构设计方法，按如下步骤进行：

(1)确定设计所需基本参数；

(2)计算隧道荷载；

(3)建立设计方法模型，用二维实体结构单元模拟围岩，设计方法模型选用平面应变模型，采用弹塑性本构关系，复合式衬砌初期支护和二次衬砌用梁单元模拟，防水层用链杆单元进行模拟，该单元只受压力作用；

(4)进行网格划分，初期支护和二次衬砌采用映射网格进行划分；

(5)对围岩下边界进行约束，以保证不产生刚体位移；

(6)将围岩压力分别作用在上、左、右边界上；

(7)挖除隧道中心土体进行计算，分别提取初期支护以及二次衬砌的内力和变形；

(8)按初期支护和二次衬砌的内力变形结果设计合理的衬砌厚度和配筋率。

2.如权利要求1所述的一种荷载作用于地层边界的隧道复合式衬砌结构设计方法，其特征是所述步骤(2)中隧道荷载对深埋隧道按下式计算：

围岩垂直匀布压力：q＝γh＝0.45×2^S-1ωγ

式中：γ—围岩容重；

h—围岩压力计算高度；

S—围岩级别；

ω—宽度影响系数，ω＝i(B-5)；

B—坑道宽度；

i—B每增减1m时的围岩压力增减率，当B<5m时，取i＝0.2；当B>5m时，取i＝0.1。

3.如权利要求1所述的一种荷载作用于地层边界的隧道复合式衬砌结构设计方法，其特征是所述步骤(2)中，当埋深H小于或等于等效荷载高度h_q时，隧道荷载对浅埋隧道按下式计算：

围岩垂直匀布压力：q＝γH

式中：γ—围岩容重；

H—隧道埋深；

侧向均布压力：

式中：H_t—隧道开挖高度；—围岩计算摩擦角。

4.如权利要求1所述的一种荷载作用于地层边界的隧道复合式衬砌结构设计方法，其特征是所述步骤(2)中，当埋深H大于等效荷载高度h_q小于2.5h_q时，隧道荷载对浅埋隧道按下式计算：

垂直压力：

式中：H—隧道埋深；

θ—顶板土柱两侧摩擦角，为经验数值；

λ—侧压力系数；

—围岩计算摩擦角；

β—产生最大推力的破裂角；

γ—围岩容重；

B—坑道宽度；

当H＜h时，取θ＝0，h为深埋隧道垂直围岩压力计算高度；

水平压力：e_i＝λγh_i

式中：h_i—任一点至地面的距离。

5.如权利要求1所述的一种荷载作用于地层边界的隧道复合式衬砌结构设计方法，其特征是所述步骤(4)中，对初期支护及围岩进行单元网格划分，将初期支护分为上、下、左、右四部分进行划分，初期支护与二次衬砌划分为相等段数，网格形状采用映射网格。