CN107609319A - 根据隧道衬砌变形确定滑坡推力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种根据隧道衬砌变形确定滑坡推力的方法，涉及隧道与滑坡工程领域，解决的技术问题是提供一种根据隧道衬砌变形，确定滑坡推力大小，掌握滑坡特征及规模，为防治方案的规划提供指导的方法。本发明采用的技术方案是：根据隧道衬砌变形确定滑坡推力的方法，通过合理的监测手段，获取隧道不同断面的准确变形量；然后，计算隧道结构永久荷载；再在考虑围岩压力的条件下，结合ANSYS有限元分析方法，将荷载转换为等效节点力，采用试算的方法重复迭代计算，反演确定不同变形部位所承受的滑坡推力。该方法不仅有助于分析隧道变形机制以及与滑坡相互作用机理，也为滑坡的防治以及隧道变形支护等工程措施提供技术支撑。

Description

根据隧道衬砌变形确定滑坡推力的方法

技术领域

本发明涉及隧道与滑坡工程领域，具体是一种根据隧道衬砌变形确定滑坡推力的方法。

背景技术

在山区修建公路、铁路隧道时，常遇到隧道从滑坡体内及周边穿越的情况，这类隧道会因坡体滑动的作用力而产生变形、开裂等现象，给工程建设带来了极大的困扰。目前，国内外学者建立了“隧道-滑坡体系”概念，泛指各种在滑坡体内及周边一定影响范围内建设和运营的隧道工程及其所在区域地质病害体。建立该概念的主要意图在于既考虑隧道和滑坡各自的变形发展特征，又考虑两者的相互作用。该概念将隧道和滑坡作为一个体系，综合分析变形机制和控制技术，为实际工程中采取合理的防护措施、灾害治理以及变形预测，提供较为准确的理论依据。

现今隧道衬砌结构设计仍主要依赖于工程经验，尚无一个对衬砌安全度的可靠评价方法。支护结构荷载与围岩地质条件、隧道形状、尺寸、支护结构以及施工方法等相关。结构变形是各种因素叠加的综合效应。

隧道衬砌计算主要分为荷载-结构法和地层-结构法，前者没有考虑围岩的自承能力和支护体系与围岩的共同作用，认为围岩与荷载与支护刚度无关，因此偏保守；而地层-结构法关键在于确定围岩应力释放和地层结构相互作用，因此对于施工开挖后围岩应力重分布过程中的隧硐不适宜。

发明内容

本发明针对上述不足，提供一种根据隧道衬砌变形确定滑坡推力的方法，在滑坡勘察实施前，确定滑坡推力大小，掌握滑坡特征及规模，为防治方案的规划提供指导。

本发明采用的技术方案是：根据隧道衬砌变形确定滑坡推力的方法，包括以下步骤：

步骤一、获取隧道变形量

具体地，采用三维激光扫描技术，获取变形后隧道的点云数据，结合变形前完整隧道尺寸资料，对比分析得到隧道变形量值。

步骤二、计算隧道结构永久荷载

采用普氏平衡拱理论进行围岩压力计算，获取隧道变形后塌落拱高度，拱顶围岩压力，总侧向围岩压力。

步骤三、有限元分析

S1.模型构建：以隧道变形前尺寸资料为依据，利用ANSYS建模功能，建立隧道拱形结构模型；

S2.单元离散化：将隧道衬砌离散化为N个二元杆件，N为正整数；

S3.边界条件：固定拱脚位移作为隧道拱形结构模型的位移边界条件；

S4.施加围岩压力：将S2中获取的拱顶、侧墙的围岩压力转换成节点力分别施加于隧道拱形结构模型中N+1个二元杆件节点处，并用弹簧来代替围岩对衬砌的约束作用；

S5.将受拉弹簧单元“杀死”，即产生拉应力节点不再受围岩应力作用；并将围岩应力作用下产生的变形消隐，即将变形归零；

S6.施加滑坡推力：根据滑体与隧道的组合位置关系，分析预测滑坡推力作用方向及范围；再假定滑坡推力大小，将假定的滑坡推力分解并施加于衬砌与坡体接触侧各节点单元上，计算隧道变形量。

步骤四、确定滑坡推力

将计算得到的隧道变形量与步骤一中的隧道变形量值进行比较，再采用试算的方法重复迭代计算，当假定的滑坡推力的计算结果与步骤一中的隧道变形量值相吻合时，确定该假定的滑坡推力为滑坡推力。

具体地，步骤四中，通过迭代计算，得到滑坡推力-隧道变形量关系曲线，最后获取隧道衬砌不同荷载角下的滑坡推力。

本发明的有益效果是：根据隧道衬砌变形确定滑坡推力的方法通过合理的监测手段，获取隧道不同断面的准确变形量，在考虑围岩压力的条件下，结合ANSYS有限元分析方法，将荷载转换为等效节点力，反演并确定不同变形部位所承受的滑坡推力。该方法不仅有助于分析隧道变形机制以及与滑坡相互作用机理，也为滑坡的防治以及隧道变形支护等工程措施提供技术支撑。

附图说明

图1是本发明步骤二中的隧道压力拱受力简图。

图2是本发明步骤二中的压力拱理论计算图。

图3是本发明步骤三中的计算模型图。

图4是本发明步骤四中两个荷载角的荷载-位移关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明根据隧道衬砌变形确定滑坡推力的方法，包括以下步骤：

步骤一、获取隧道变形量

由于隧道受到上部坡体下滑的推力作用，出现不同程度的挤压、剪切破碎等现象。因此，采用三维激光扫描技术获取变形后隧道的点云数据，再分段切取隧道断面图，结合隧道变形前完整尺寸资料，对比分析得到精确的隧道变形量值。具体地，采用徕卡ScanStation 2扫描仪进行了三维激光扫描。

另外，还可通过与无人机航测相辅，可快速获得斜坡高精度地形图，二者针对不同环境条件各有优势。

例如，某隧道工程从坡体内穿越并出现整体挤压变形，通过三维激光扫描获取的衬砌结构挤压位移范围为0.7～0.9m。

步骤二、计算隧道结构永久荷载

采用普氏平衡拱理论进行围岩压力计算，获取隧道变形后塌落拱高度h₀，拱顶围岩压力P_v，总侧向围岩压力为P_h。

具体，如图1为松散岩体的隧道压力拱受力简图，取弧长OM段为研究对象，其受力平衡，即可得到压力拱方程为：

式(1)中：x、y—分别为M点的x，y轴坐标；σ_v—拱轴线上部岩体的自重所产生的均布荷载，即自重应力(kN/m²)；R_x—平衡拱拱顶截面的水平推力(kN)。

根据普氏理论，隧道变形后塌落拱高度h₀可表示为：

式(2)中：a₁—侧壁稳定时平衡拱的跨度(m)；f—普氏系数。

根据朗肯土压力理论，破裂面角度与铅垂夹角为：其中此情况下，拱顶将继续坍塌，形成新的压力拱。故此，有：

式(3)中：a₁—自然平衡拱的最大跨度(m)；H—隧道高度(m)；—散体综合内摩察角(°)。

由式(1)～(3)可得：

设距隧道轴线x处拱高为h_x，则有：

因此，围岩压强p_x可表示为：

式(6)中：γ—隧道上部松散岩体加权重度平均值(kN/m³)。

通过积分即可得到拱顶围岩压力P_v：

隧道侧壁围岩压力主要来源于主动土压力，根据朗肯土压力三角形分布规律，如图2，A、B两点的侧向压强P_A、P_B分别为：

因此，总侧向围岩压力为P_h为

具体地，取普氏系数：f＝1.2，侧壁稳定时平衡拱的跨度2a₁＝8.6m，隧道高度H＝6.7m，隧道变形后塌落拱高度h₀＝a/f＝5.605。取γ＝2.0g/cm³，a₁＝4.3m，h₀＝5.605m，由此通过积分得到拱顶围岩压力P_v＝832.67kN，总侧向围岩压力为P_h＝157.29kN。

步骤三、有限元分析

S1.模型构建：以变形前完整隧道尺寸资料为依据，利用ANSYS建模功能，建立隧道拱形结构模型。

S2.单元离散化：将隧道衬砌离散化为N个二元杆件，N为正整数。隧道衬砌结构主要受弯矩和轴力，因此将隧道衬砌离散化为N个二元杆件。当划分单元足够多时，弯矩可忽略，围岩作用于衬砌结构所产生的内力，均以二元杆件轴力加以体现。例如取N＝24，即25个节点，如图3所示。

S3.边界条件：固定拱脚位移作为隧道拱形结构模型的位移边界条件。隧道变形破坏，出现路面拱起现象，但拱脚位移几乎无太大变化，因此对拱脚节点进行位移约束，即U_x＝0，U_y＝0。

S4.施加围岩压力：将S2中获取的拱顶、侧墙的围岩压力转换成节点力分别施加于隧道拱形结构模型中25个二元杆件节点处，并用弹簧来代替围岩对衬砌的约束作用。隧道衬砌结构按C30强度等级的钢筋混凝土考虑，厚度40cm，因此截面惯性矩：I＝bh³/12＝0.005333。弹性模量E_x＝30×10⁹，泊松比μ＝0.25，密度ρ＝2500kg/m³。计算模型如3所示，图3中的数字代表节点编号。通过ANSYS获取的各节点的等效荷载如表1所示。

表1 节点等效荷载计算表

S5.初始应力条件：由于围岩不抗拉，且衬砌结构在自重围岩压力作用下后续变形已趋于稳定，因此将受拉弹簧单元“杀死”，即产生拉应力节点不再受围岩应力作用；并将围岩应力作用下产生的变形消隐，即将变形归零。

S6.施加滑坡推力：根据滑体与隧道的组合位置关系，分析预测滑坡推力作用方向及范围；再假定滑坡推力大小，将假定的滑坡推力分解并施加于衬砌与坡体接触侧各节点单元上，计算隧道变形量。

步骤四、确定滑坡推力

将计算隧道变形量与步骤一中的隧道变形量值进行比较，再采用试算的方法重复迭代计算，当假定的滑坡推力的计算结果与步骤一中的隧道变形量值相吻合时，确定该假定的滑坡推力为滑坡推力。

对于上述工程中，通过对隧道变形破坏规律的把握，结合坡体情况进行分析，预测滑坡推力作用在隧道中～中上部，因此荷载角α为25°～30°。当荷载角α分别取25°和30°，通过多次迭代计算，得到滑坡推力-隧道变形量关系曲线，如图4所示，其中图4中的横坐标荷载对应滑坡推力，纵坐标最大位移对应隧道变形量。根据图4可知，当荷载角α＝25°时，F＝17070～23737kN；当α＝30°时，F＝16807～23473kN。所以，在变形过程中，该隧道的受到来自坡体的作用力大小为：20612～27587kN，即为坡体对隧道的荷载效应。

Claims (3)

1.根据隧道衬砌变形确定滑坡推力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、获取隧道变形量

步骤二、计算隧道结构永久荷载

采用普氏平衡拱理论进行围岩压力计算，获取隧道变形后塌落拱高度，拱顶围岩压力，总侧向围岩压力为；

步骤三、有限元分析

S1.模型构建：以隧道变形前尺寸资料为依据，利用ANSYS建模功能，建立隧道拱形结构模型；

S2.单元离散化：将隧道衬砌离散化为N个二元杆件，N为正整数；

S3.边界条件：固定拱脚位移作为隧道拱形结构模型的位移边界条件；

S4.施加围岩压力：将S2中获取的拱顶、侧墙的围岩压力转换成节点力分别施加于隧道拱形结构模型中N+1个二元杆件节点处，并用弹簧来代替围岩对衬砌的约束作用；

S5.将受拉弹簧单元“杀死”，即产生拉应力节点不再受围岩应力作用；并将围岩应力作用下产生的变形消隐，即将变形归零；

S6.施加滑坡推力：根据滑体与隧道的组合位置关系，分析预测滑坡推力作用方向及范围；再假定滑坡推力大小，将假定的滑坡推力分解并施加于衬砌与坡体接触侧各节点单元上，计算隧道变形量。

步骤四、确定滑坡推力

将计算得到的隧道变形量与步骤一中的隧道变形量值进行比较，再采用试算的方法重复迭代计算，当假定的滑坡推力的计算结果与步骤一中的隧道变形量值相吻合时，确定该假定的滑坡推力为滑坡推力。

2.如权利要求1所述的根据隧道衬砌变形确定滑坡推力的方法，其特征在于：步骤一中，采用三维激光扫描技术，获取变形后隧道的点云数据，结合变形前完整隧道尺寸资料，对比分析得到隧道变形量值。

3.如权利要求1或2所述的根据隧道衬砌变形确定滑坡推力的方法，其特征在于：步骤四中，通过迭代计算，得到滑坡推力-隧道变形量关系曲线，获取隧道衬砌不同荷载角下的滑坡推力。