CN106096141B - 一种分步开挖双连拱隧道偏态等效荷载计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分步开挖双连拱隧道偏态等效荷载计算方法。首先，将双连拱隧道顶部竖向荷载简化为三部分，即左侧隧道顶部竖向等效荷载q 1，右侧隧道顶部竖向等效荷载q 2和双连拱隧道中隔墙顶部竖向等效荷载q 3。其次，考虑双连拱隧道开挖方法、围岩岩性以及应力状态等条件，通过数值模拟计算，统计分析确定双连拱隧道顶部竖向荷载q 1、q 2和q 3之间的比例关系。最后，基于普氏压力拱理论以及q 1、q 2和q 3之间的比例关系，分别计算双连拱隧道顶部竖向等效荷载和相应的侧向荷载。

Description

一种分步开挖双连拱隧道偏态等效荷载计算方法
技术领域
本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种在较破碎围岩中进行分步开挖双连拱隧道偏态等效荷载计算方法。
背景技术
自1974年日本首次修建连拱隧道后，欧洲各国也相继采用了连拱隧道这种结构形式，连拱隧道的设计与施工至今已有近40余年的历史。由于连拱隧道具有空间利用率高、占地面积少、线性流畅，便于运营管理等突出优点，连拱隧道得到了迅速的发展。然而，连拱隧道整体跨度大，施工工序复杂，隧道围岩压力偏态分布明显，与单个隧道情况有所不同。
目前世界各国在隧道支护设计中，均假设双连拱隧道承受荷载为对称形式，双连拱隧道支护荷载主要参考单拱隧道支护荷载力学分析结果，并结合具体工程进行经验性设计，往往造成双连拱隧道支护荷载设计不合理，与实际工况差别较大。在工程实践中，由于受施工方法、围岩岩性和应力状态等影响，分步开挖连拱隧道后，隧道承受荷载不是对称形式，而是呈非对称的偏态分布特征。
鉴于目前尚无满足双连拱隧道偏态荷载的设计规范，本发明提出一种分步开挖双连拱隧道偏态等效荷载计算方法，对双连拱隧道的安全、高效施工，具有重要的理论意义和工程实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种分步开挖双连拱隧道偏态等效荷载计算方法，为目前双连拱隧道施工支护荷载设计提供新的思路和方法，更好地服务于工程实践。
本发明所采用的技术方案，主要按照以下步骤进行：
首先，将双连拱隧道顶部竖向荷载简化为三部分，即左侧隧道顶部竖向等效荷载q 1，右侧隧道顶部竖向等效荷载q 2和双连拱隧道中隔墙顶部竖向等效荷载q 3。
其次，考虑双连拱隧道开挖方法、围岩岩性以及应力状态等条件，通过数值模拟计算，统计分析确定双连拱隧道顶部竖向荷载q 1、q 2和q 3之间的比例关系。
最后，基于普氏压力拱理论以及q 1、q 2和q 3之间的比例关系，分别计算双连拱隧道顶部竖向等效荷载和相应的侧向荷载。
附图说明
图1为双连拱隧道围岩压力拱及简化荷载示意图。
图2为分步开挖双连拱隧道简化荷载计算示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明主要基于普氏压力拱理论和双连拱隧道顶部竖向等效荷载之间的比例关系，进行分步开挖双连拱隧道偏态等效荷载计算。
首先，按照图1和图2，将双连拱隧道顶部竖向荷载简化为三部分，即左侧隧道14顶部竖向等效荷载1（矩形分布荷载q 1），右侧隧道15顶部竖向等效荷载2（矩形分布荷载q 2）和双连拱隧道中隔墙顶部12竖向等效荷载3（三角形分布荷载q 3）。同时，对应上述三部分等效荷载1、2和3，分别绘制左侧隧道14呈梯形分布的水平等效荷载4（最小值）和5（最大值）、右侧隧道15呈梯形分布的水平等效荷载6（最小值）和7（最大值）、以及双连拱隧道中隔墙顶部12呈梯形分布的水平等效荷载（由于此范围较小，故假定左、右侧对称）8（最小值）和9（最大值）。
其次，依照图2，考虑双连拱隧道两种开挖方法（台阶法开挖顺序：中导硐13-左侧隧道14上部断面-左侧隧道14下部断面-右侧隧道15上部断面-右侧隧道15下部断面；拓展法开挖顺序：中导硐13-左侧隧道14上部断面-右侧隧道15上部断面-左侧隧道14下部断面-右侧隧道15下部断面；）、三类围岩岩性（Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩）以及三种应力状态（侧压力系数大于1、侧压力系数等于1和侧压力系数小于1）等条件，通过数值模拟计算统计分析图2中区域10、11和12所占的面积，分别确定双连拱隧道顶部竖向荷载q 2与q 1的比值（区域11和10所占的面积比值）以及双连拱隧道顶部竖向荷载q 3与q 1的比值（区域12和10所占的面积比值）。
最后，基于普氏压力拱理论计算公式以及q 1、q 2和q 3之间的比例关系，分别计算双连拱隧道顶部竖向等效荷载和相应的侧向荷载（图2）。详细说明如下。
（1）按公式，计算左侧隧道14顶部竖向等效荷载1（矩形分布荷载q 1）。式中，为左侧隧道14的计算宽度，为左侧隧道14的计算高度，为双连拱隧道围岩内摩擦角，为双连拱隧道围岩普氏系数，为双连拱隧道围岩容重。并按公式 ，分别计算左侧隧道14水平等效荷载4（最小值h=0）和5（最大值h=h2），式中为双连拱隧道高度范围内侧向围岩加权平均内摩擦角。
（2）按双连拱隧道顶部区域11和10所占的面积比值，确定右侧隧道15顶部竖向等效荷载2（矩形分布荷载q 2）。并按公式 ，分别计算右侧隧道15水平等效荷载6（最小值h=0）和7（最大值h=h2）。
（3）按双连拱隧道顶部区域12和10所占的面积比值，确定双连拱隧道中隔墙顶部12竖向等效荷载3（三角形分布荷载q 3）。并按公式 ，分别计算中隔墙顶部12水平等效荷载8（最小值h=0）和9（最大值h=h1）。

Claims (1)

1.一种分步开挖双连拱隧道偏态等效荷载计算方法，其特征在于，按照以下步骤进行等效荷载计算：
(1)将双连拱隧道顶部竖向荷载简化为三部分，即左侧隧道顶部竖向等效荷载q1，右侧隧道顶部竖向等效荷载q2和双连拱隧道中隔墙顶部竖向等效荷载q3；
(2)考虑双连拱隧道开挖方法、围岩岩性以及应力状态，通过数值模拟计算，统计分析确定左侧隧道顶部竖向等效荷载q1、右侧隧道顶部竖向等效荷载q2、中隔墙顶部竖向等效荷载q3之间的比例关系；
(3)基于普氏压力拱理论计算公式计算左侧隧道顶部竖向等效荷载q1以及左侧隧道水平等效荷载；
(4)基于普氏压力拱理论以及步骤(2)中确定的竖向等效荷载q1、q2和q3之间的比例关系，计算右侧隧道顶部竖向等效荷载q2、中隔墙顶部竖向等效荷载q3和相应的水平等效荷载；
在步骤(3)中，按普氏压力拱理论计算公式计算左侧隧道顶部竖向等效荷载q1；式中，B1为左侧隧道的计算宽度，h2为左侧隧道的计算高度，为双连拱隧道围岩内摩擦角，f为双连拱隧道围岩普氏系数，γ为双连拱隧道围岩容重；按普氏压力拱理论计算公式计算左侧隧道水平等效荷载e左，式中为双连拱隧道高度范围内侧向围岩加权平均内摩擦角，h的最小值取0、最大值取h2；
步骤(4)具体为：根据左侧隧道顶部竖向等效荷载q1、右侧隧道顶部竖向等效荷载q2、中隔墙顶部竖向等效荷载q3之间的比例关系以及步骤(3)确定的左侧隧道顶部竖向等效荷载q1，确定右侧隧道顶部竖向等效荷载q2以及中隔墙顶部竖向等效荷载q3；
按照按普氏压力拱理论计算公式计算右侧隧道水平等效荷载e右，式中h的最小值取0、最大值取h2；
按照按普氏压力拱理论计算公式计算中隔墙顶部水平等效荷载e中，式中h的最小值取0、最大值取h1，其中，h1为中隔墙顶部到隧道顶部的距离。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN1912342A (zh) * 2005-08-09 2007-02-14 同济大学 一种连拱隧道荷载的确定方法

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Title
Evolution Characteristics Analysis of Pressure-arch in a Double-arch Tunnel;Shu-ren Wang 等;《Technical Gazette》;20160229;第23卷(第1期);第181-189页
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