CN106570276A - 一种存在衬砌背后空洞的隧道围岩压力确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种存在衬砌背后空洞的隧道围岩压力确定方法。该方法不仅考虑了空洞存在区域的围岩压力消失，而且在揭示空洞存在时围岩压力分布规律和大小的基础上，考虑了空洞存在时的围岩压力变化特征，进而可用来更全面地评估空洞存在时衬砌结构的安全性。本发明包括以下步骤：(1)分别建立衬砌拱顶有、无空洞时的隧道地层‑结构模型，然后经有限元计算分析得到有、无空洞以及不同空洞宽度时隧道垂直围岩压力和水平侧压力的变化情况；(2)确定拱顶空洞存在时荷载‑结构法模型中的垂直围岩压力和水平侧压力的分布规律；(3)确定拱顶空洞存在时的垂直围岩压力和水平侧压力大小值。

Description

一种存在衬砌背后空洞的隧道围岩压力确定方法

一、技术领域：

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种存在衬砌背后空洞的隧道围岩压力确定方法。

二、背景技术：

隧道由于施工中超挖、回填不密实或地下水长期冲刷等原因所产生的衬砌背后空洞，是一种常见的隧道病害。一般认为，衬砌背后空洞的存在，会使作用在衬砌上的围岩压力分布规律和大小发生改变，造成衬砌受力不均衡，进而影响结构的安全性。因此，需要对衬砌背后空洞存在时衬砌结构的安全性进行评估。在隧道力学中，常用的力学分析模型包括荷载-结构法模型和地层-结构法模型。其中荷载-结构法模型具有结构受力明确、计算简便、易被工程人员接受等优点，在隧道结构安全性评估中多被采用。在进行衬砌结构的荷载-结构法计算之前，首先需要确定作用在支护上的围岩压力。目前空洞存在时隧道围岩压力的确定方法，只是简单地将空洞存在区域的衬砌承受的围岩压力去掉，以反映空洞存在对围岩压力的影响。事实上，衬砌背后空洞的存在一方面使得空洞区域的围岩压力消失，另一方面也必然造成空洞附近围岩压力的集中。然而，现有方法并没有考虑空洞造成的围岩压力分布规律变化，故不能全面地评估衬砌结构的安全性。

三、发明内容

本发明的提供一种存在衬砌背后空洞的隧道围岩压力确定方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种存在衬砌背后空洞的隧道围岩压力确定方法，其特征在于：所述的方法步骤为：

步骤1)：分别建立衬砌拱顶有、无空洞时的隧道地层-结构模型，然后经有限元分析得到有、无空洞以及不同空洞宽度时隧道垂直围岩压力和水平侧压力的变化情况；

步骤2)：根据步骤1)得到的有、无空洞以及不同空洞宽度时的隧道垂直围岩压力和水平侧压力的变化情况，确定拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中的垂直围岩压力和水平侧压力的分布规律；

步骤3)：根据步骤2)确定的拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中的垂直围岩压力和水平侧压力分布规律，进一步确定拱顶空洞存在时垂直围岩压力和水平侧压力值。

所述步骤1)中空洞位于衬砌拱顶正上方，且对称分布于拱顶左右两侧。

所述步骤2)拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中垂直围岩压力和水平侧压力分布规律的确定过程如下：对基于地层-结构法模型所得隧道垂直围岩压力分布和水平侧压力分布分别作包络图，由此确定拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中的分布规律。

所述步骤3)荷载-结构法模型中无论拱顶有无空洞以及不同空洞宽度时，衬砌所受总的松动围岩压力包括总的垂直围岩压力和水平侧压力均保持不变，基于此确定拱顶空洞存在时垂直围岩压力和水平侧压力的值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

本发明不仅考虑了空洞存在区域的围岩压力消失，而且在揭示空洞存在时围岩压力分布规律和大小的基础上，考虑了空洞存在时的围岩压力变化特征，由此所得围岩压力的分布规律和大小更符合实际情况；

采用本发明提供的隧道围岩压力确定方法，可以更全面地评估背后空洞存在时衬砌结构的安全性。

四、附图说明：

图1为本发明在衬砌背后存在空洞时确定隧道围岩压力的流程图；

图2为拱顶有、无空洞以及不同空洞宽度时隧道围岩压力变化示意图；

图3为本发明提供的拱顶存在空洞时隧道围岩压力的分布示意图；

图4为拱顶无空洞时隧道围岩压力的分布示意图；

图5为目前现有的拱顶存在空洞时隧道围岩压力的分布示意图；

五、具体实施方式

下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种存在衬砌背后空洞的隧道围岩压力确定方法步骤为：

步骤1)：分别建立衬砌拱顶有、无空洞时的隧道地层-结构模型，然后经有限元分析得到有、无空洞以及不同空洞宽度时隧道垂直围岩压力和水平侧压力的变化情况；

所述步骤1)中空洞位于衬砌拱顶正上方，且对称分布于拱顶左右两侧。

步骤2)：根据步骤1)得到的有、无空洞以及不同空洞宽度时的隧道垂直围岩压力和水平侧压力的变化情况，确定拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中的垂直围岩压力和水平侧压力的分布规律；

所述步骤2)拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中垂直围岩压力和水平侧压力分布规律的确定过程如下：对基于地层-结构法模型所得隧道垂直围岩压力分布和水平侧压力分布分别作包络图，由此确定拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中的分布规律。

步骤3)：根据步骤2)确定的拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中的垂直围岩压力和水平侧压力分布规律，进一步确定拱顶空洞存在时垂直围岩压力和水平侧压力值。

所述步骤3)荷载-结构法模型中无论拱顶有无空洞以及不同空洞宽度时，衬砌所受总的松动围岩压力包括总的垂直围岩压力和水平侧压力均保持不变，基于此确定拱顶空洞存在时垂直围岩压力和水平侧压力值。

实施例：

铁路隧道及公路隧道衬砌背后空洞情况的检测情况表明：隧道拱顶位置处的衬砌背后空洞状况相对隧道其他位置较为严重。因此，所述衬砌背后存在空洞时隧道围岩压力的确定方法，主要针对衬砌背后空洞位于拱顶正上方，且对称分布于拱顶左右两侧的情况。如图1所示，分别建立衬砌拱顶有、无空洞时的隧道地层结构模型，然后经有限元分析得到有、无空洞以及不同空洞宽度时隧道垂直围岩压力和水平侧压力的变化情况。图2为有、无空洞以及不同空洞宽度时衬砌所受的垂直围岩压力和水平侧压力的变化情况。可以看出，当拱顶空洞存在时空洞附近垂直围岩压力具有明显的应力集中，而且随着空洞宽度的增大，垂直围岩压力的集中程度不断增大。而且，不同空洞宽度时，拱部最左端和最右端的垂直围岩压力变化均较小而即可忽略，可认为拱部最左侧和最右侧的垂直围岩压力值与无空洞时相等。另外，还可以看出，相对垂直围岩压力，水平侧压力受空洞宽度的影响较小。而且，不同空洞宽度时，隧道墙脚底处的水平侧压力几乎不发生变化，可认为隧道底部的水平侧压力值与无空洞时相等。

根据以上分析，并对图2中的垂直围岩压力分布和水平侧压力分布分别作包络图，可大致确定拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中的垂直围岩压力和水平侧压力的分布规律，其中垂直围岩压力在拱顶空洞两侧呈梯形对称分布，水平侧压力依旧呈无空洞时的梯形分布，如图3所示。

在确定拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中的垂直围岩压力和水平侧压力的分布规律后，可利用等效荷载确定拱顶空洞存在时的围岩压力大小值，即无论拱顶有无空洞以及不同空洞宽度时，衬砌所受总的松动围岩压力包括总的垂直围岩压力和水平侧压力均保持不变，进一步确定拱顶空洞存在时垂直围岩压力和水平侧压力的大小值。

在拱顶空洞宽度为B时，根据拱顶有、无空洞时隧道总的垂直围岩压力保持不变，有

所述l为隧道跨度，单位为m；所述B为拱顶空洞宽度，单位为m；所述q₀为隧道拱顶无空洞时的垂直围岩压力(见图4)，单位为N/m²，可按相关隧道设计规范进行取值；所述q₁为空洞存在时隧道最左端和最右端的垂直围岩压力，单位为N/m²；所述q₂为空洞存在时隧道最左端和最右端的垂直围岩压力，单位为N/m²。

令q₁＝q₀，则由式(1)可求得：

由式(2)可以看出，空洞宽度B越大，则q₂越大，说明空洞附近围岩的应力集中程度越高，符合对空洞附近围岩压力集中的一般认识。

同样地，根据拱顶有、无空洞时隧道总的水平侧压力保持不变，有

其中

所述H为隧道开挖高度，单位为m；所述R为隧道拱部半径，单位为m；所述e₁为拱顶无空洞时隧道顶部的水平侧压力(见图4)，单位为N/m²，可按相关隧道设计规范进行取值；所述e₂为拱顶无空洞时隧道底部的水平侧压力(见图4)，单位为N/m²，可按相关隧道设计规范进行取值；所述e′₁为拱顶空洞存在时隧道顶部的水平侧压力，单位为N/m²；所述e′₂为拱顶空洞存在时隧道底部的水平侧压力，单位为N/m²。

令e′₂＝e₂，则由式(3)可求得：

由式(4)可以看出，空洞宽度B越大，H′越小，则e′₁越大，说明空洞附近围岩的应力集中程度越高，同样符合对空洞附近围岩压力集中的一般认识。

与现有方法(见图5)相比，本发明提供的围岩压力确定方法不仅考虑了空洞存在区域的围岩压力消失，而且在揭示空洞存在时围岩压力分布规律和大小的基础上，考虑了空洞存在时的围岩压力变化特征，因而更具合理性。进一步地，采用本发明提供的隧道围岩压力确定方法，可以更全面地评估背后空洞存在时衬砌结构的安全性。

Claims (4)

1.一种存在衬砌背后空洞的隧道围岩压力确定方法，其特征在于：所述的方法步骤为：

步骤1)：分别建立衬砌拱顶有、无空洞时的隧道地层-结构模型，然后经有限元分析得到有、无空洞以及不同空洞宽度时隧道垂直围岩压力和水平侧压力的变化情况；

步骤2)：根据步骤1)得到的有、无空洞以及不同空洞宽度时的隧道垂直围岩压力和水平侧压力的变化情况，确定拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中的垂直围岩压力和水平侧压力的分布规律；

步骤3)：根据步骤2)确定的拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中的垂直围岩压力和水平侧压力分布规律，进一步确定拱顶空洞存在时垂直围岩压力和水平侧压力值。

2.根据权利要求1所述的一种存在衬砌背后空洞的隧道围岩压力确定方法，其特征在于：所述步骤1)中空洞位于衬砌拱顶正上方，且对称分布于拱顶左右两侧。

3.根据权利要求1所述的一种存在衬砌背后空洞的隧道围岩压力确定方法，其特征在于：所述步骤2)拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中垂直围岩压力和水平侧压力分布规律的确定过程如下：对基于地层-结构法模型所得隧道垂直围岩压力分布和水平侧压力分布分别作包络图，由此确定拱顶空洞存在时荷载-结构法模型中的分布规律。

4.根据权利要求1所述的一种存在衬砌背后空洞的隧道围岩压力确定方法，其特征在于：所述步骤3)荷载-结构法模型中无论拱顶有无空洞以及不同空洞宽度时，衬砌所受总的松动围岩压力包括总的垂直围岩压力和水平侧压力均保持不变，基于此确定拱顶空洞存在时垂直围岩压力和水平侧压力的值。