CN104500093B - 上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法，包括如下步骤：(1)应用结构力学中力法及初期支护受力特性，对上软下硬地层结构受力状态进行分析；①无中墙时隧道初期支护的受力状态分析；②无中墙时隧道初期支护拱脚的地基荷载；③有中墙时隧道初期支护的受力状态分析；④有中墙时隧道初期支护的地基荷载；(2)应用上述所得的受力状态分析，进一步探讨上软下硬地层结构受力机理；(3)应用地层模式结合软硬地层分界的具体位置及围岩软弱的情况，初步确定上、中、下各台阶的临时中墙设置与否。

Description

上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法

技术领域

本发明涉及隧道支护结构领域，具体涉及一种上软下硬复合地层的大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法。

背景技术

21世纪是地下空间的世纪，随着西部大开发的进一步推进、各大省会城市及地级市地铁和城际铁路的修建，会涌现越来越多的隧道，特别是大跨大断面隧道。隧道的围岩分级通常按照纵断面不同里程范围而划分为不同级别，然而在洞口段或者浅埋段，由于风化程度从地表到内部逐渐减弱，围岩通常呈现为上软下硬，即围岩在隧道横断面上存在不均匀性，有时上断面是软弱围岩，而中、下台阶是较硬围岩；或者上、中台阶是软弱围岩，而下台阶是较硬围岩。对于这种上软下硬地层，如果采用台阶法，则难免发生大变形，发生不安全事故；如果采用双侧壁导坑法或者CD法/CRD法，则对于位于较硬地层的中、下部也采取临时支护，造成临时支护过多，且相互干扰大，施工慢，造价高。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的是提供一种能确定是否施做临时中墙、方法简单、节约成本的上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法。

本发明的一种上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法，包括如下步骤：

(1)应用结构力学中力法及初期支护受力特性，对上软下硬地层结构受力状态进行分析；

①无中墙时隧道初期支护的受力状态分析；

考虑完全对称衬砌结构，设拱顶未知力为X₁、X₂，则位移平衡方程为：

上式中，δ_ik为柔度系数(i,k＝1、2)；Δ_ip为在外荷载作用下，沿X_i方向产生的位移；u₀、β₀分别为拱脚截面的总水平位移和总弹性转角；

拱圈的柔度系数δ_ik和外荷载作用下所产生的位移Δ_ip，可以用结构力学的方法求得：

式中：EI、EA分别为拱圈的抗弯和抗压刚度；E为衬砌材料的弹性模量；I、A分别为拱圈的惯性矩和截面积；

u₀、β₀由拱顶弯矩X₁、X₂以及外荷载共同作用产生：

式中：u₁、u₂、u_p、β₁、β₂、β_p为拱脚弹性固定系数；

②无中墙时隧道初期支护拱脚的地基荷载；

在竖直方向，力的平衡方程为:

Q+G＝S_r+T_v+N_左+N_右

式中，Q为围岩压力的竖向分量之和，G为初期支护结构自重，S_v为由锚杆横向约束力提供的竖向承载力，T_v为围岩与初期支护摩阻力提供的竖向承载力，N_左、N_右分别为左右侧地基提供的竖向承载力；

则作用在拱脚地基上的荷载为：

N_左+N_右＝Q+G-S_v-T_v

③有中墙时隧道初期支护的受力状态分析；

当在拱顶位置加上临时竖向支撑时，仍考虑完全对称结构，由于有竖向的支撑来抵抗拱顶的沉降，设拱顶未知力为X₁、X₂、X₃，则位移平衡方程为：

上式中，δ_ik为柔度系数(i,k＝1、2、3)，Δ_ip为在外荷载作用下，沿Xi方向产生的位移，u₀、β₀、v₀分别为拱脚截面的总弹性转角、总水平和总竖向位移；

④有中墙时隧道初期支护的地基荷载；

有中墙时初期支护的受力状态，此时有：

N_左+N_中+N_右＝ξ(Q-T_v)+G-S_v

根据力矩的平衡可得

N_中＝2N_左＝2N_右

(2)应用上述所得的受力状态分析，进一步探讨上软下硬地层结构受力机理；

①当隧道上台阶处于较差的岩层，而中下台阶处于较好岩层时，隧道上台阶开挖施工过程中设置临时中隔墙，此时隧道上台阶开挖后的受力状态是：中隔墙的存在一方面分担了两侧拱脚的基底压力，另一方面也可有效的控制地表沉降；

②当隧道上中台阶处于较差的岩层，而下台阶处于较好岩层时，隧道上台阶及中台阶开挖施工过程中均设置临时中隔墙，此时隧道受力状态为：中隔墙的存在分担了两侧拱脚的基底压力，防止软弱岩层由于基底承载力不足而使整个初期支护产生下沉，从而有效的控制地表沉降，保证整个隧道的是个安全；

(3)应用地层模式结合软硬地层分界的具体位置及围岩软弱的情况，初步确定上、中、下各台阶的临时中墙设置与否；

应用大型有限元软件，建立上、中、下各台阶不同上软下硬的模型，分析有、无中墙的下情况，沉降、收敛、轴力、弯矩、拱脚应力、拱顶弯矩、最大拉应力、中墙底端应力等方面作对比。

进一步的，本发明在确定临时中墙的位置后，还包括应用荷载-结构法、地层-结构法和监测分析，确定临时中隔墙一次拆除长度和仰拱跟进的距离；

具体过程如下：

(1)临时中隔墙一次拆除长度：随着拆撑长度的增加，各处洞顶沉降都在增大；同时在已拆撑段由于少了中墙的支撑作用，其沉降较未拆撑段的沉降要大；研究不同拆撑长度，受力变化情况，从变化梯度上判断临时中隔墙合理的一次拆除长度；

(2)仰拱跟进距离：随着仰拱闭合间距的增加，各处洞顶沉降都在增大，同时最大弯矩和最大轴力也在增大；分析不同仰拱闭合间距下拱顶沉降的变化情况，从拱顶沉降变化梯度上和仰拱受力上判断仰拱合理的闭合间距。

本发明改变了临时中墙设置随意性，实现了不同情况下各台阶是否施做中墙，明确了一次拆撑长度和仰拱跟进距离；同时所采用的临时支护结构少，工序间干扰少，方便向其他工法转换，地层适应性强，同时操作简单，适合大、中型机械进行施，施工进度快，节约成本。

附图说明

图1为本发明支护结构中临时中墙位置示意图；

图2为本发明隧道上台阶开挖后受力示意图；

图3为本发明隧道无竖向支撑时外荷载作用时的计算简图和基本结构图；

图4为本发明初期支护结构外力示意图；

图5为本发明锚杆横向承载力和围岩摩阻力简化计算示意图；

图6为本发明有竖向支撑时外荷载作用时的计算简图和基本结构图；

图7为本发明隧道上台阶开挖后初期支护受力示意图；

图8为本发明有中墙时上台阶开挖后受力状态示意图；

图9为本发明无中墙时中台阶开挖后受力状态示意图；

图10为本发明有中墙时中台阶开挖后受力状态示意图；

图11为本发明拱顶沉降随拆撑长度的变化效果示意图；

图12为本发明不同仰拱闭合间距下拱顶沉降效果示意图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明结构和方法作进一步的说明。

如图1所示，用于上软下硬地层围岩的大跨隧道开挖支护结构中临时中墙位置，支护结构中包括超前支护、初期支护、锁脚锚杆(管)，根据软硬地层分界情况而分析是否设置中隔墙。

实际使用过程如下：

第一步：应用结构力学中力法及初期支护受力特性，对上软下硬地层结构受力状态进行分析，包括如下方面：

(1)无中墙时隧道初期支护的受力状态分析

由于衬砌结构受较大的竖向压力和水平压力，所以在竖向压力作用下，拱圈顶部将产生明显的竖向位移，形成一个不受围岩约束的脱离区。同时，竖向荷载引起的侧墙部分的变形，将受到侧面围岩的约受。上台阶开挖时受力如图2所示。

由于在拱顶处没有设置临时的竖向支撑，为了说明问题，考虑完全对称结构，外荷载作用时的计算图可简化，如图3。

考虑完全对称结构，设拱顶未知力为X1、X2，则位移平衡方程为：

上式中，δ_ik为柔度系数(i,k＝1、2)；Δ_ip为在外荷载作用下，沿Xi方向产生的位移；u₀、β₀分别为拱脚截面的总水平位移和总弹性转角。

拱圈的柔度系数δ_ik和外荷载作用下所产生的位移Δ_ip，可以用结构力学的方法求得：

式中：EI、EA分别为拱圈的抗弯和抗压刚度；E为衬砌材料的弹性模量；I、A分别为拱圈的惯性矩和截面积。

u₀、β₀由拱顶弯矩X1、X2以及外荷载共同作用产生。

式中：u₁、u₂、u_p、β₁、β₂、β_p为拱脚弹性固定系数。

拱脚弹性固定系数可按如下方法求解：

①仅有弯矩作用

单位弯矩作用下拱脚的弹性固定系数：

式中：k_a为拱脚的截面惯性矩，I_a＝bd³/12。取b＝1m，d为拱脚厚度。

②仅作用水平力

单位水平力作用时拱脚的弹性固定系数：

③仅作用竖向力

单位竖向力作用时拱脚的弹性固定系数：

④外荷载作用时

当外荷载在拱脚处产生弯矩和轴力时，相应的拱脚弹性固定系数可用上述结果进行叠加得到：

将式(3)代入到(1)式中，并注意到δ₁₂＝δ₂₁、β₂＝u₁，则(1)式可以改成：

解得：

其中系数为：

则荷载作用下的衬砌内力为：

式中为外荷载在基本结构上i截面年处所产生的内力。为截面i和竖向直线之间的夹角。

(2)无中墙时隧道初期支护拱脚的地基荷载

在二次衬砌没有浇筑前，隧道初期支护上作用的外力包括：围岩对初期支护的竖向压力q、围岩对初期支护的水平压力e、围岩对初期支护结构的弹性抗力k、围岩对初期支护的摩阻力T、锚杆对初期支护的轴向约束力Sr和横向约束力St、地基对拱脚的支撑力N，如图4所示。

为了便于计算，有必要对围岩弹性抗力和锚杆的作用力进行简化处理。围岩弹性抗力的分布和结构的变形密切相关，考虑到软基隧道初期支护结构大部分部位的变形朝向洞内，加之软弱围岩中围岩强度较低，弹性抗力系数也较小。因而，忽略围岩弹性抗力的作用。这种假定使计算偏于保守。

对于锚杆，由于隧道系统锚杆主要起加固围岩作用，其尾部虽然握裹在初期支护中，在不加预应力的情况下，锚杆对初期支护的轴向拉力有限，也将其忽略。当锚杆不能深入到稳定岩体中，由于围岩向洞内方向的变形，还可能导致锚杆对初期支护形成一定压力，但这种压力只是围岩压力的一部分通过锚杆转移到初期支护上，而不是直接作用于初期支护。因此，在初期支护拱脚地基荷载计算中，不计入系统锚杆对初期支护的径向力，而通过围岩压力的折算来考虑锚杆对围岩的加固作用和锚杆可能对初期支护产生的压力。

经过上述简化后，可以看出，对于初期支护结构，荷载为松散围岩产生的竖向和水平向压力；承载力包括围岩抵抗初期支护滑移的摩阻力、锚杆的横向约束力和拱脚提供的支撑力。作用在拱脚地基上的荷载一般为竖向荷载，下面仅对竖直方向的力进行分析。在竖直方向，力的平衡方程为:

Q+G＝S_r+T_v+N_左+N_右 (12)

式中，Q为围岩压力的竖向分量之和；G为初期支护结构自重；S_v为由锚杆横向约束力提供的竖向承载力；T_v为围岩与初期支护摩阻力提供的竖向承载力；N_左、N_右分别为左右侧地基提供的竖向承载力。

则作用在拱脚地基上的荷载为：

N_左+N_右＝Q+G-S_v-T_v (13)

对于Q和T_v，在实际工程中还需要考虑以下因素：

1)在常用复合式衬砌中，如果二次衬砌能适时施做，二次衬砌可以和初期支护共同分担围岩压力，对此，规范在大量研究的基础上提出了不同围岩条件下的相应分担比例；

2)围岩压力有一个逐步释放的过程，与围岩条件和时间有关，初期支护单独承载时间越长，围岩压力释放越充分，初期支护分担的围岩压力比例越高。

综合上述两点，对Q和T_v考虑荷载释放系数ξ，则式(13)变为：

N_左+N_右＝ξ(Q-T_v)+G-S_v (13)

由上式可见，作用在拱脚地基上的荷载，是随着围岩压力逐步释放而逐步增长的，因而对两侧拱脚地基承载力的评价也是一个动态过程。

对于每延米隧道，初期支护结构自重G为：

G＝ρ·g·D·U·1 (14)

式中，ρ为初期支护结构密度，含钢拱架和钢筋网的结构取综合密度；g＝9.8N/kg；D为初期支护厚度；U为初期支护环向长度。

锚杆能够承受的最大横向力与杆体直径、围岩条件密切相关，在不同的工程中差异较大，现假定单根锚杆能够承受的最大横向力为[S_T]。

若每延米支护结构上均匀布设了n根锚杆，第i根锚杆轴线与竖直方向的夹角为ω_i，则第i根锚杆提供的竖向承载力为：

S_Vi＝[S_T]·sinω_i

当所有锚杆都达到极限抗剪强度时，锚杆能提供的竖向承载力为：

采用式(15)进行计算比较繁琐。对于常用的半径为R的圆形隧道断面，如图5所示，由于锚杆均匀布设在支护结构上，将每根锚杆提供的极限横向力等效为均匀分布在支护结构表面的切向应力，则其集度为：

则锚杆能提供的最大竖向承载力为：

即：

围岩压力对初期支护形成的摩阻力由作用在初期支护上的径向荷载和摩擦系数决定。对于段元而言，竖向压力集度为q(ω)、水平压力e(ω)，摩擦系数C_r，则作用在段元上的摩阻力为：

dT＝C_r·[q(ω)·R·dω·cosω+e(ω)·R·dω·sinω]

即：

dT＝C_r·R·[q(ω)·cosω+e(ω)·sinω]·dω

其竖向分量为：

dT_V＝C_r·R·[q(ω)·cosω+e(ω)·sinω]·sinω·dω

进行积分后可以得到由围岩压力对初期支护摩阻力形成的竖向承载力总量T_V。

T_V＝∫C_r·R·[q(ω)·cosω+e(ω)·sinω]·sinω·dω (16)

竖向压力集度q(ω)、水平压力e(ω)与隧道埋深、地形等有关，可以按照公路、铁路隧道设计规范提供的计算公式进行计算。

围岩压力对支护结构形成的竖向力为：

Q＝∫R·q(ω)·cosωdω (17)

对于浅埋无偏压隧道，按照规范公式可算得拱顶竖向围岩压力q_浅，水平围岩压力e₁，则初期支护任意位置的围岩压力荷载集度为：

q(ω)＝q_浅+γ·R·(1-cosω) (18)

e(ω)＝e₁+λ·γ·R·(1-cosω) (19)

式中λ为测压力系数，γ为围岩容量。

将式(18)、(19)代入式(16)中，积分并整理可得：

将式(18)代入式(17)中，积分并整理可得：

将式(14)、(15)、(20)、(21)代入式(13)中，即可算出基底应承担的荷载N_左+N_右。另外，对于无偏压浅埋隧道，有N_左＝N_右，据此可得单侧拱脚基底应承担的荷载。

(3)有中墙时隧道初期支护的受力状态分析

当在拱顶位置加上临时竖向支撑时，仍考虑完全对称结构，由于有竖向的支撑来抵抗拱顶的沉降，外部荷载的示意图仍然如图6所示，设拱顶未知力为X1、X2、X3，则位移平衡方程为：

上式中，δ_ik为柔度系数(i,k＝1、2、3)；Δ_ip为在外荷载作用下，沿Xi方向产生的位移；u₀、β₀、v₀分别为拱脚截面的总弹性转角、总水平和总竖向位移。

拱圈的柔度系数δ_ik和外荷载作用下所产生的位移Δ_ip，δ_ik、Δ_ip通过式(2)求得。u₀、β₀由拱顶弯矩X1P、轴力X2P、竖撑支撑力X3P以及外荷载共同作用产生。

式中：β₁、β₂、β₃、β_p、u₁、u₂、u₃、u_p、v₁、v₂、v₃、v_p为拱脚弹性固定系数，均可由式(4)～式(7)求得。

将式(23)代入到(22)式中，并注意到δ₁₂＝δ₂₁、δ₁₃＝δ₃₁、δ₂₃＝δ₃₂、β₂＝u₁，β₃＝v₁，v₂＝u₃，则(22)式可以改成：

其中系数分别为：

求解方程得到：

式中：

从而可以求得荷载作用下的衬砌内力为：

式中为外荷载在基本结构上i截面年处所产生的内力；为截面i和竖向直线之间的夹角。

(4)有中墙时隧道初期支护的地基荷载

有中墙时初期支护的受力状态如图7所示，此时有：

N_左+N_中+N_右＝ξ(Q-T_v)+G-S_v (29)

式中各符号意义同前。

根据力矩的平衡可得

N_中＝2N_左＝2N_右 (30)

第二步：应用上述所得的受力状态分析，进一步探讨上软下硬地层结构受力机理。

具体过程如下：

(1)当隧道上台阶处于较差的岩层，而中下台阶处于较好岩层时，隧道上台阶开挖施工过程中设置临时中隔墙，此时隧道上台阶开挖后的受力状态如图8所示：中隔墙的存在一方面分担了两侧拱脚的基底压力，另一方面也可有效的控制地表沉降。在隧道中台阶施工过程中，先进行中台阶两侧边墙部位地层的开挖，并及时施作初期支护拱架，使隧道初期支护的拱脚处于承载力较高的岩层中，而后再进行临时中隔墙的拆除和中台阶的中间岩柱的开挖，此时隧道中台阶开挖完成后的受力状态如图9所示，原来由中隔墙承担的荷载转为由两侧的拱脚的地基承担；在这种受力状态下，一方面要求两侧拱脚岩层的地基承载力能够保证整个初期支护拱结构不会产生下沉，也即两侧拱脚岩层的地基承载力要大于拱脚地基上的承载力，另一方面初期支护的拱结构要能够满足隧道围岩释放荷载作用下的承载力要求。

(2)当隧道上中台阶处于较差的岩层，而下台阶处于较好岩层时，隧道上台阶及中台阶开挖施工过程中均设置临时中隔墙，此时隧道上台阶开挖后的受力状态如图8所示，中台阶开挖后的受力状态如图10所示，：中隔墙的存在分担了两侧拱脚的基底压力，防止软弱岩层由于基底承载力不足而使整个初期支护产生下沉，从而有效的控制地表沉降，保证整个隧道的是个安全。而在隧道下台阶施工过程中，先进行下台阶两侧边墙部位地层的开挖，并及时施作初期及仰拱支护拱架，而后再进行临时中隔墙的拆除和下台阶的中间岩柱的开挖；在这种受力状态下，一方面要求两侧拱脚岩层的地基承载力能够保证整个初期支护拱结构不会产生下沉，也即两侧拱脚岩层的地基承载力要大于拱脚地基上的承载力，另一方面初期支护的拱结构要能够满足隧道围岩释放荷载作用下的承载力要求。

第三步：应用地层模式结合软硬地层分界的具体位置及围岩软弱的情况，，初步确定上、中、下各台阶的临时中墙设置与否。

具体过程如下：

应用大型有限元软件，建立上、中、下各台阶不同上软下硬的模型，分析有、无中墙的下情况，沉降、收敛、轴力、弯矩、拱脚应力、拱顶弯矩、最大拉应力、中墙底端应力等方面做对比，下表为上台阶为软弱围岩Ⅳ级，中、下台阶为坚硬围岩Ⅲ级时，上台阶设与不设中墙的对比。表2为研究提出的各种上软下硬地层临时中墙是否设立的条件，并且还包括了均值地层的条件。

表1 上台阶设与不设中墙的对比

注：收敛负值表示向外扩张，正值表示向内移动；相对减少百分率中负值为增加，正值为减少。

表2 不同地层情况下中墙是否设置汇总表

第四步：应用荷载-结构法、地层-结构法和监测分析等，确定临时中隔墙一次拆除长度和仰拱跟进的距离。

具体过程如下：

临时中隔墙一次拆除长度，如图11所示：研究不同拆撑长度，受力变化情况，从变化梯度上判断临时中隔墙合理的一次拆除长度。随着拆撑长度的增加，各处洞顶沉降都在增大；同时在已拆撑段由于少了中墙的支撑作用，其沉降较未拆撑段的沉降要大。从沉降梯度上可以判断，中墙约束支撑作用的长度约为6m，也即一次拆除长度不应超过6m(约为0.4D)。

仰拱跟进距离，如图12所示：分析不同仰拱闭合间距下拱顶沉降的变化情况，从拱顶沉降变化梯度上和仰拱受力上判断仰拱合理的闭合间距。随着仰拱闭合间距的增加，各处洞顶沉降都在增大，同时最大弯矩和最大轴力也在增大；当闭合间距超过30m时，中台阶靠近仰拱段的沉降很大，这就不能发挥上台阶临时中墙和仰拱的支撑作用；而当闭合间距在5m时，仰拱处的沉降梯度很大，仰拱过早受力。所以，为了发挥临时中墙的作用和仰拱的合理受力，仰拱距离隧道施工掌子面的距离宜为30～35m。

Claims (2)

1.一种上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)应用结构力学中力法及初期支护受力特性，对上软下硬地层结构受力状态进行分析；

①无中墙时隧道初期支护的受力状态分析；

考虑完全对称衬砌结构，设拱顶未知力为X₁、X₂，则位移平衡方程为：

$\left.\begin{array}{c}{X}_1{\mathrm{\δ}}_{11}+X_2{\mathrm{\δ}}_{12}+{\mathrm{\Δ}}_{1P}+{\mathrm{\β}}_0=0\\ X_1{\mathrm{\δ}}_{21}+X_2{\mathrm{\δ}}_{22}+{\mathrm{\Δ}}_{2P}+u_0+{\mathrm{f\β}}_0=0\end{array}\right\}$

上式中，δ_ik为柔度系数(i,k＝1、2)；Δ_ip为在外荷载作用下，沿X_i方向产生的位移；u₀、β₀分别为拱脚截面的总水平位移和总弹性转角；f为隧道拱圈高度，即台阶开挖高度；

拱圈的柔度系数δ_ik和外荷载作用下所产生的位移Δ_ip，可以用结构力学的方法求得：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_{ik}=\∫\frac{M_i{M}_k}{EI}ds+\∫\frac{N_i{N}_k}{EA}ds\\ {\mathrm{\Δ}}_{ip}=\∫\frac{M_i{M}_P^0}{EI}ds+\∫\frac{N_i{N}_P^0}{EA}ds\end{array}\right\}$

式中：EI、EA分别为拱圈的抗弯和抗压刚度；E为衬砌材料的弹性模量；I、A分别为拱圈的惯性矩和截面积；M_i为基本结构在X_i＝1作用下产生的弯矩；M_k为基本结构在X_k＝1作用下产生的弯矩；N_i为基本结构在X_i＝1作用下产生的轴力；N_k为基本结构在X_k＝1作用下产生的轴力；ds为隧道拱圈衬砌的曲线微段，即曲线积分；为基本结构在外荷载作用下产生的弯矩；为基本结构在外荷载作用下产生的轴力；

u₀、β₀由拱顶未知力X₁、X₂以及外荷载共同作用产生：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_0=X_1{\mathrm{\β}}_1+X_2({\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{f\β}}_1)+{\mathrm{\β}}_P\\ u_0=X_1{u}_2+X_2(u_2+{\mathrm{fu}}_1)+u_p\end{array}\right\}$

式中：u₁、u₂、u_p、β₁、β₂、β_p为拱脚弹性固定系数；

②无中墙时隧道初期支护拱脚的地基荷载；

在竖直方向，力的平衡方程为:

Q+G＝S_v+T_v+N_左+N_右

式中，Q为围岩压力的竖向分量之和，G为初期支护结构自重，S_v为由锚杆横向约束力提供的竖向承载力，T_v为围岩与初期支护摩阻力提供的竖向承载力，N_左、N_右分别为左右侧地基提供的竖向承载力；

则作用在拱脚地基上的荷载为：

N_左+N_右＝Q+G-S_v-T_v

③有中墙时隧道初期支护的受力状态分析；

当在拱顶位置加上临时竖向支撑时，仍考虑完全对称结构，由于有竖向的支撑来抵抗拱顶的沉降，设拱顶未知力为X₁、X₂、X₃，则位移平衡方程为：

$\left.\begin{array}{c}{X}_1{\mathrm{\δ}}_{11}+X_2{\mathrm{\δ}}_{12}+X_3{\mathrm{\δ}}_{13}+{\mathrm{\Δ}}_{1P}+{\mathrm{\β}}_0=0\\ X_1{\mathrm{\δ}}_{21}+X_2{\mathrm{\δ}}_{22}+X_3{\mathrm{\δ}}_{23}+{\mathrm{\Δ}}_{2P}+u_0+{\mathrm{f\β}}_0=0\\ X_1{\mathrm{\δ}}_{31}+X_2{\mathrm{\δ}}_{32}+X_3{\mathrm{\δ}}_{33}+{\mathrm{\Δ}}_{3P}+v_0=0\end{array}\right\}$

上式中，δ_ik为柔度系数(i,k＝1、2、3)，Δ_ip为在外荷载作用下，沿Xi方向产生的位移，β₀、u₀、v₀分别为拱脚截面的总弹性转角、总水平位移和总竖向位移；

④有中墙时隧道初期支护的地基荷载；

有中墙时初期支护的受力状态，此时有：

N_左+N_中+N_右＝ξ(Q-T_v)+G-S_v

上式中，N_中为中墙下地基提供的竖向承载力；ξ为荷载释放系数；

根据力矩的平衡可得

N_中＝2N_左＝2N_右

(2)应用上述所得的受力状态分析，进一步探讨上软下硬地层结构受力机理；

①当隧道上台阶处于较差的岩层，而中下台阶处于较好岩层时，隧道上台阶开挖施工过程中设置临时中墙，此时隧道上台阶开挖后的受力状态是：中墙的存在一方面分担了两侧拱脚的基底压力，另一方面也可有效的控制地表沉降；

②当隧道上中台阶处于较差的岩层，而下台阶处于较好岩层时，隧道上台阶及中台阶开挖施工过程中均设置临时中墙，此时隧道受力状态为：中墙的存在分担了两侧拱脚的基底压力，防止软弱岩层由于基底承载力不足而使整个初期支护产生下沉，从而有效的控制地表沉降，保证整个隧道的施工安全；

(3)应用地层模式结合软硬地层分界的具体位置及围岩软弱的情况，确定上、中、下各台阶的临时中墙设置与否；

应用大型有限元软件，建立上、中、下各台阶不同上软下硬的模型，分析有无中墙的情况下，沉降、收敛、轴力、弯矩、拱脚应力、拱顶弯矩、最大拉应力、中墙底端应力方面作对比。

2.如权利要求1所述的上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法，其特征在于，确定临时中墙的位置后，还包括应用荷载-结构法、地层-结构法和监测分析，确定临时中墙一次拆除长度和仰拱跟进的距离；

具体过程如下：

(1)临时中墙一次拆除长度：随着拆撑长度的增加，各处洞顶沉降都在增大；同时在已拆撑段由于少了中墙的支撑作用，其沉降较未拆撑段的沉降要大；研究不同拆撑长度，受力变化情况，从变化梯度上判断临时中墙合理的一次拆除长度；

(2)仰拱跟进距离：随着仰拱闭合间距的增加，各处洞顶沉降都在增大，同时最大弯矩和最大轴力也在增大；分析不同仰拱闭合间距下拱顶沉降的变化情况，从拱顶沉降变化梯度上和仰拱受力上判断仰拱合理的闭合间距。