CN107066807B - 一种确定竖井衬砌安全性与优化的计算方法 - Google Patents

一种确定竖井衬砌安全性与优化的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种确定竖井衬砌安全性与优化的计算方法。本发明的技术要点是：(1)将竖井分成若干个分段；(2)计算每分段竖井最下端处的围岩竖向应力；(3)计算每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力；(4)计算每分段竖井衬砌所提供的最大支护力；(5)计算每分段竖井衬砌的安全系数；(6)调整优化每段竖井衬砌参数。本发明提出的竖井衬砌的安全性与优化计算方法，改变了竖井衬砌设计依赖规范或经验的现状，且根据竖井深度进行分段判断与优化，实现了不同深度处竖井采取不同的优化衬砌参数，有利于节约成本，降低工程造价。本发明的方法，亦可以应用于斜井衬砌安全性与优化中。

Description

一种确定竖井衬砌安全性与优化的计算方法
技术领域
本发明涉及竖井支护结构领域，具体涉及一种确定竖井衬砌安全性与优化的计算方法。
背景技术
在长大隧道施工中，为了加快施工进度，通常采用辅助通道，如横洞、竖井、斜井、平行导坑等，即“长隧短打”。如武广客运专线浏阳河隧道全长10115m，起始里程为DIIK1560+785～DIIK1570+900，设置了3座竖井+1座斜井，其中2#竖井的中心里程为DIIK1564+820，平面形状是矩形，净空尺寸16.8m×8m，深度长大53.85m，是3座竖井中最深的，且直接位于隧道中线上。兰新线乌鞘岭隧道也设置了1座竖井。对于长大竖井，竖井顶部和底部采用一种衬砌支护参数，显然是偏保守，浪费材料。对于竖井衬砌参数的设计，目前基本上是凭借经验与规范，衬砌设计的合理与否，是否安全经济，并未过多考虑。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述技术问题，提供一种确定竖井衬砌安全性与优化的计算方法。
本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：
该确定竖井衬砌安全性与优化的计算方法，包括如下步骤：
(1)将竖井分成若干个分段；
(2)计算每分段竖井最下端处的围岩竖向应力；
(3)计算每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力；
(4)计算每分段竖井衬砌所提供的最大支护力；
(5)计算每分段竖井衬砌的安全系数；
(6)调整优化每段竖井衬砌参数。
具体的，所述竖井分段按5m高度或者不同的地层厚度进行分段。
具体的，所述每分段竖井最下端处的围岩竖向应力按照式(1)计算：
式(1)中：σz为每分段竖井最下端处的围岩竖向应力，q为地表超载，i为每分段底部以上第i层围岩，m为每分段底部以上分层围岩的个数，γi为每分段底部以上第i层围岩的重度，hi为每分段底部以上第i层围岩的厚度。
具体的，所述每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力按照式(2)计算：
式(2)中：ez为每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力，σz为每分段竖井最下端处的围岩竖向应力，为围岩的计算内摩擦角。
具体的，所述每分段竖井衬砌所提供的最大支护力的计算方法如下：
(1)对于圆形竖井，每分段竖井衬砌所提供的最大支护力为：
Figure BDA0001233492960000024
式(3)中：pmax为每分段圆形竖井衬砌所提供的最大支护力，t为圆形竖井衬砌的厚度，r0为圆形竖井的内半径，σc为竖井衬砌的抗压强度；
(2)对于矩形竖井，则首先按照下述方法进行等代圆处理：
r0＝0.29(a+b) (4)；
式(4)中：r0为矩形竖井等代圆半径，a为矩形竖井断面的长度，b为矩形竖井断面的宽度；
将竖井等代圆半径r0带入公式(3)，即可求得矩形竖井衬砌所提供的最大支护力。
具体的，所述每分段竖井衬砌的安全系数按照式(5)计算：
式(5)中：K为每分段竖井衬砌的安全系数，pmax为每分段圆形竖井衬砌所提供的最大支护力，ez为每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力。
具体的，所述调整优化每段竖井衬砌参数按照下述方法进行：
(1)若每分段竖井衬砌的安全系数K小于规范允许的安全系数[K]，则表明衬砌不安全，根据公式(5)可知，可以从两方面入手，一是提高每分段竖井衬砌所提供的最大支护力，二是降低每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力；
其中，在围岩情况和衬砌厚度不变的情况下，可以提高衬砌的强度等级，如衬砌强度等级从C20提高到C25，或者提高到C30；
其中，在围岩情况和衬砌强度等级不变的情况下，可以提高衬砌厚度，如从15cm厚的衬砌，提高到20cm厚的衬砌；
其中，在衬砌支护参数不变的情况下，对围岩进行注浆或者减轻地表超载，从而减小竖井衬砌所承受的围岩水平压力；
在实际施工中，一般改变竖井衬砌厚度比改变衬砌强度等级容易，令每分段竖井衬砌的安全系数K等于规范允许的安全系数[K]，由式(3)和式(5)，可以得到满足安全性的喷层的最小厚度为tmin：
Figure BDA0001233492960000041
式(6)中，tmin为安全性的喷层的最小厚度，[K]为规范允许的安全系数，ez为每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力，σc为竖井衬砌的抗压强度，r0为圆形竖井的内半径或矩形竖井等代圆半径；
(2)若每分段竖井衬砌的安全系数K大于规范允许的安全系数[K]，则表明衬砌安全；若每分段竖井衬砌的安全系数K比规范允许的安全系数[K]大很多，表明竖井衬砌偏保守，支护过强，浪费材料，从经济安全的角度，可以降低支护参数，如降低衬砌强度等级或者减少衬砌厚度，直到略大于或者等于规范允许的安全系数[K]。
本发明与现有竖井衬砌设计方法相比，其优点体现在：传统的基于规范和经验的竖井衬砌的设计方法，其设计参数选择的合理性完全依赖于设计人员本身的设计经验和现场经验，而本发明提出的竖井衬砌的安全性与优化计算方法，改变了竖井衬砌设计依赖规范或经验的现状，且根据竖井深度进行分段判断与优化，实现了不同深度处竖井采取不同的优化衬砌参数，有利于节约成本，降低工程造价。本发明的方法，亦可以应用于斜井衬砌安全性与优化中。
附图说明
图1为本发明实施例竖井衬砌立面图。
图2为本发明实施例竖井衬砌平面图。
图中：1、2、i、m为地层分层数，其中1为第1层围岩，2为第2层围岩，i为每分段底部以上第i层围岩，m为每分段底部以上分层围岩的个数；q为地表超载；t为竖井衬砌厚度；r0为圆形竖井的内半径；ez为每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力；σz为每分段竖井最下端处的围岩竖向应力；pmax每分段圆形竖井衬砌所提供的最大支护力。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
参见图1、图2，本实施例以圆形竖井为例，来确定竖井衬砌安全性与优化，其计算方法如下：
(1)将竖井按不同的地层厚度分成m个分段。
(2)计算每分段竖井最下端处的围岩竖向应力。每分段竖井最下端处的围岩竖向应力按照式(1)计算：
Figure BDA0001233492960000051
式(1)中：σz为每分段竖井最下端处的围岩竖向应力，q为地表超载，i为每分段底部以上第i层围岩，m为每分段底部以上分层围岩的个数，γi为每分段底部以上第i层围岩的重度，hi为每分段底部以上第i层围岩的厚度。
(3)计算每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力。每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力按照式(2)计算：
Figure BDA0001233492960000052
式(2)中：ez为每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力，σz为式(1)计算出的每分段竖井最下端处的围岩竖向应力，
Figure BDA0001233492960000053
为围岩的计算内摩擦角。
(4)计算每分段竖井衬砌所提供的最大支护力。每分段竖井衬砌所提供的最大支护力的计算方法如下：
(一)对于圆形竖井，每分段竖井衬砌所提供的最大支护力为：
Figure BDA0001233492960000061
式(3)中：pmax为每分段圆形竖井衬砌所提供的最大支护力，t为圆形竖井衬砌的厚度，r0为圆形竖井的内半径，σc为竖井衬砌的抗压强度；
(二)对于矩形竖井，则首先按照下述方法进行等代圆处理：
r0＝0.29(a+b) (4)；
式(4)中：r0为矩形竖井等代圆半径，a为矩形竖井断面的长度，b为矩形竖井断面的宽度；
将竖井等代圆半径r0带入公式(3)，即可求得矩形竖井衬砌所提供的最大支护力。
(5)计算每分段竖井衬砌的安全系数。每分段竖井衬砌的安全系数按照式(5)计算：
Figure BDA0001233492960000062
式(5)中：K为每分段竖井衬砌的安全系数，pmax为式(3)计算出的每分段圆形竖井衬砌所提供的最大支护力，ez为式(2)计算出的每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力。
(6)调整优化每段竖井衬砌参数。调整优化每段竖井衬砌参数按照下述方法进行：
(1)若通过式(5)计算出的每分段竖井衬砌的安全系数K小于规范允许的安全系数[K]，则表明衬砌不安全，根据公式(5)可知，可以从两方面入手，一是提高每分段竖井衬砌所提供的最大支护力，二是降低每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力；
其中，在围岩情况和衬砌厚度不变的情况下，可以提高衬砌的强度等级，如衬砌强度等级从C20提高到C25，或者提高到C30；
其中，在围岩情况和衬砌强度等级不变的情况下，可以提高衬砌厚度，如从15cm厚的衬砌，提高到20cm厚的衬砌；
其中，在衬砌支护参数不变的情况下，对围岩进行注浆或者减轻地表超载，从而减小竖井衬砌所承受的围岩水平压力；
在实际施工中，一般改变竖井衬砌厚度比改变衬砌强度等级容易，令每分段竖井衬砌的安全系数K等于规范允许的安全系数[K]，由式(3)和式(5)，可以得到满足安全性的喷层的最小厚度为tmin：
Figure BDA0001233492960000071
式(6)中，tmin为安全性的喷层的最小厚度，[K]为规范允许的安全系数，ez为式(2)计算出的每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力，σc为竖井衬砌的抗压强度，r0为圆形竖井的内半径；
(2)若通过式(5)计算出的每分段竖井衬砌的安全系数K大于规范允许的安全系数[K]，则表明衬砌安全；若每分段竖井衬砌的安全系数K比规范允许的安全系数[K]大很多，表明竖井衬砌偏保守，支护过强，浪费材料，从经济安全的角度，可以降低支护参数，如降低衬砌强度等级或者减少衬砌厚度，直到略大于或者等于规范允许的安全系数[K]。

Claims (2)

1.一种确定竖井衬砌安全性与优化的计算方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将竖井分成若干个分段；
(2)计算每分段竖井最下端处的围岩竖向应力；
(3)计算每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力；
(4)计算每分段竖井衬砌所提供的最大支护力；
(5)计算每分段竖井衬砌的安全系数；
(6)调整优化每段竖井衬砌参数；
步骤(2)中，所述每分段竖井最下端处的围岩竖向应力按照式(1)计算：
Figure FDA0002302354690000011
式(1)中：σz为每分段竖井最下端处的围岩竖向应力，q为地表超载，i为每分段底部以上第i层围岩，m为每分段底部以上分层围岩的个数，γi为每分段底部以上第i层围岩的重度，hi为每分段底部以上第i层围岩的厚度；
步骤(3)中，所述每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力按照式(2)计算：
式(2)中：ez为每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力，σz为每分段竖井最下端处的围岩竖向应力，
Figure FDA0002302354690000013
为围岩的计算内摩擦角；
步骤(4)中，所述每分段竖井衬砌所提供的最大支护力的计算方法如下：
(a)对于圆形竖井，每分段竖井衬砌所提供的最大支护力为：
Figure FDA0002302354690000021
式(3)中：pmax为每分段圆形竖井衬砌所提供的最大支护力，t为圆形竖井衬砌的厚度，r0为圆形竖井的内半径，σc为竖井衬砌的抗压强度；
(b)对于矩形竖井，则首先按照下述方法进行等代圆处理：
r0＝0.29(a+b) (4)；
式(4)中：r0为矩形竖井等代圆半径，a为矩形竖井断面的长度，b为矩形竖井断面的宽度；
将竖井等代圆半径r0带入公式(3)，即可求得矩形竖井衬砌所提供的最大支护力；
步骤(5)中，所述每分段竖井衬砌的安全系数按照式(5)计算：
Figure FDA0002302354690000022
式(5)中：K为每分段竖井衬砌的安全系数，pmax为每分段圆形竖井衬砌所提供的最大支护力，ez为每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力；
步骤(6)中，所述调整优化每段竖井衬砌参数按照下述方法进行：
(Ⅰ)若每分段竖井衬砌的安全系数K小于规范允许的安全系数[K]，则表明衬砌不安全，根据公式(5)可知，可以从两方面入手，一是提高每分段竖井衬砌所提供的最大支护力，二是降低每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力；
其中，在围岩情况和衬砌厚度不变的情况下，可以提高衬砌的强度等级，如衬砌强度等级从C20提高到C25，或者提高到C30；
其中，在围岩情况和衬砌强度等级不变的情况下，可以提高衬砌厚度，如从15cm厚的衬砌，提高到20cm厚的衬砌；
其中，在衬砌支护参数不变的情况下，对围岩进行注浆或者减轻地表超载，从而减小竖井衬砌所承受的围岩水平压力；
在实际施工中，一般改变竖井衬砌厚度比改变衬砌强度等级容易，令每分段竖井衬砌的安全系数K等于规范允许的安全系数[K]，由式(3)和式(5)，可以得到满足安全性的喷层的最小厚度为tmin：
Figure FDA0002302354690000031
式(6)中，tmin为安全性的喷层的最小厚度，[K]为规范允许的安全系数，ez为每分段竖井最下端处竖井衬砌所受的围岩水平压力，σc为竖井衬砌的抗压强度，r0为圆形竖井的内半径或矩形竖井等代圆半径；
(Ⅱ)若每分段竖井衬砌的安全系数K大于规范允许的安全系数[K]，则表明衬砌安全；若每分段竖井衬砌的安全系数K比规范允许的安全系数[K]大很多，表明竖井衬砌偏保守，支护过强，浪费材料，从经济安全的角度，可以降低支护参数，如降低衬砌强度等级或者减少衬砌厚度，直到略大于或者等于规范允许的安全系数[K]。
2.根据权利要求1所述确定竖井衬砌安全性与优化的计算方法，其特征在于：所述竖井分段按5m高度或者不同的地层厚度进行分段。
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