CN109145412A - 浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算模型与计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算模型与计算方法，两层超前支护结构均采用弹性地基梁单元进行模拟，双层支护结构体系之间的相互作用采用Winkler地基弹簧单元进行模拟；超前支护结构一端采用弹性约束，只允许其产生竖向位移，另一端为自由边界；上下两层超前支护结构均作用有围岩压力，下层支护结构在隧道掌子面前方未开挖段作用有地基反力。该计算方法首先建立隧道施工双层超前支护结构一体化计算模型，进而确定超前支护结构体系的计算参数和计算荷载，建立耦合方程组，引入边界条件，得到超前支护结构的挠度方程，最后计算超前支护结构体系在不同情况下的变形及内力分布。本发明考虑了双层超前支护体系的协同作用，能对隧道超前支护结构体系进行定量化的计算分析。

Description

浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算模型与计算方法

技术领域

本发明涉及隧道结构计算领域，尤其涉及浅埋隧道双层超前支护结构体系的分析计算。

背景技术

随着我国工程建设的发展，各种复杂地质和环境条件下的隧道工程越来越多，在软弱围岩下穿建筑物或管线的隧道施工中，为保证施工安全、控制建筑物的沉降，隧道超前预加固和预支护是目前软弱围岩隧道下穿施工的一种最主要手段。

对于隧道超前预支护结构的设计计算，目前多采用数值计算方法，但数值计算方法难以完全反映超前预支护结构的作用效果，无法据此确定超前预支护结构分担的荷载及对预支护参数进行设计。针对管棚等超前预支护结构提出的弹性地基梁计算模型，多用于单层超前预支护结构，针对双层超前预支护结构的理论计算，目前没有相应的计算模型和计算方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算方法，实现浅埋软弱围岩隧道双层超前预支护结构的定量化分析计算。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算模型，该计算模型中，两层超前支护结构均采用弹性地基梁单元进行模拟，双层支护结构体系之间的相互作用采用Winkler地基弹簧单元进行模拟；超前支护结构一端采用弹性约束，只允许其产生竖向位移，另一端为自由边界；上下两层超前支护结构均作用有围岩压力，下层支护结构在隧道掌子面前方未开挖段作用有地基反力。

一种浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算方法，其分析计算步骤如下：

(1)据实际施工工况，建立隧道施工双层超前支护结构一体化计算模型；

(2)根据超前支护结构的设计参数及所处的地层条件，确定超前支护结构体系的计算参数；

(3)根据各超前支护结构的空间位置，确定该一体化超前支护结构体系承担的荷载值；

(4)根据超前支护结构体系之间的变形协调，建立耦合方程组，并对该耦合方程组进行求解；

(5)根据超前支护结构体系的端部约束及荷载变化处的连续性，确定方程组的边界条件，得到超前支护结构的挠度方程；

(6)根据求解得到的超前支护结构的挠度方程，计算超前支护结构体系在不同情况下的变形及内力分布。

所述的一种浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算模型及其计算方法，作用于浅埋隧道超前支护结构一体化计算模型上的荷载包括：上、下两层超前支护结构上的围岩压力、未开挖段围岩的地基反力以及支护结构端部的支撑反力。其中，隧道已开挖段(掌子面后方)及隧道掌子面前方破裂面影响范围，荷载全部作用在支护结构体系上；掌子面前方破裂面影响范围外，不考虑围岩压力的作用。

荷载计算具体见下式：

q₀＝∑γ_ih_i+∑q_i

式中：q₀—上(下)层支护结构承受的荷载；γ_i—某种土的重度；h_i—某种土的厚度；q_i—某种超载。

地基反力按Winkler假定进行计算，具体见下式。

p＝Ks

式中：p—土体表面某点单位面积上的压力，kN/m；s—相应与某点的竖向位移，m；K—基床系数，kN/m³；

所述的一种浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算模型及其计算方法，上下两层超前支护结构之间的弹簧参数取土层的抗力系数；上层超前支护结构的计算参数(刚度)根据实际采用的水平旋喷桩或管棚采用其实际计算参数；下层超前支护结构在隧道未开挖段以及开挖后未支护段采用支护结构的实际计算参数(刚度)，隧道已开挖段下层超前支护结构的计算参数(刚度)为支护结构和隧道初期支护的综合计算参数，具体按下式计算；

截面惯性矩计算公式为：

I_x＝∫y²dA

式中：I_x—x轴的面积惯性矩；y—dA距x轴的垂直距离；dA—微元面积。

总刚度计算公式：

E₀I₀＝∑E_iI_i

式中：E₀I₀—上(下)支护体系的总刚度值；E_i—某支护方式的弹性模量；I_i—某支护方式的截面惯性矩。

所述的一种浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算模型及其计算方法，沿支护体系轴向，挠度曲线方程可分为AB段、BC段和CD段共3部分，各段上、下层超前支护结构的挠度计算方程分别为：

AB段

BC段

CD段

式中：w₁—上层支护体系挠度；w₂—下层支护体系挠度；q₁—上层支护体系承担荷载；q₂—下层支护体系承担荷载；E₁—上层支护体系综合弹性模量；

I₁—上层支护体系综合截面惯性矩；E₂—下层支护体系支护段综合弹性模量；

I₂—下层支护体系支护段综合截面惯性矩；E₃—下层支护体系未支护段综合弹性模量；I₃—下层支护体系未支护段综合截面惯性矩；k—双层支护体系间弹簧刚度；k₀—底层支护体系的基床弹簧刚度。

本发明的双层超前支护体系理论分析模型及计算方法解决了隧道施工多层超前支护协同作用的分析计算问题，与现有的隧道施工超前支护计算模型与方法相比，本发明优点在于：

(1)现有的隧道施工超前支护多采用数值计算方法，该方法对于超前支护结构在计算模型中采用等效的方法，难以完全反映超前预支护结构的作用效果，无法据此确定超前预支护结构分担的荷载及对预支护参数进行设计。本发明基于荷载—结构模式，考虑了双层超前支护体系的协同作用，能够较为精确的计算出围岩压力作用下超前支护结构的受力和变形状态，从而实现隧道超前支护结构定量化的设计计算。

(2)现有单层支护体系理论分析中，常常只计算钢材料部分(管棚等)，对于旋喷桩、注浆等加固措施对于提高地层参数方面，则未考虑。本发明中，考虑了诸如旋喷桩、注浆等支护措施，通过提高支护体系的计算参数，将这些支护措施考虑在内，设计分析更具合理性。

综上所述，本发明能综合考虑双层超前支护结构的协同作用，为双层超前支护结构体系的理论分析计算提供较好的解决方式，对于保证隧道施工安全，降低工程造价等都具有重要意义。

附图说明

图1为本发明所述浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算模型；

图2为浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算方法的流程图；

图3为水平旋喷桩、管棚协同作用模型分析图；

图4为隧道开挖影响下纵向Winkler地基梁力学分析模型图；

图中：

1—弹性约束支座；

2—下层已支护段弹性地基梁；

3—下层未支护段弹性地基梁；

4—上层超前支护弹性地基梁；

5—Winkler地基弹簧；

6—围岩荷载；

7—地基反力；

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明提供的隧道施工双层超前支护结构体系的理论分析模型按以下方法建立：两层超前支护结构均采用弹性地基梁单元进行模拟，双层支护结构体系之间的相互作用采用Winkler地基弹簧单元进行模拟；超前支护结构一端采用弹性约束，只允许其产生竖向位移，另一端为自由边界；上下两层超前支护结构均作用有围岩压力，下层支护结构在隧道掌子面前方未开挖段作用有地基反力。

如图2所示，本发明提供的隧道施工双层超前支护结构体系计算方法的具体分析及计算步骤如下：

(1)据实际施工工况，建立隧道施工双层超前支护结构一体化计算模型；

(2)根据超前支护结构的设计参数及所处的地层条件，确定超前支护结构体系的计算参数；

(3)根据各超前支护结构的空间位置，确定该一体化超前支护结构体系承担的荷载值；

(4)根据超前支护结构体系之间的变形协调，建立耦合方程组，并对该耦合方程组进行求解；

(5)根据超前支护结构体系的端部约束及荷载变化处的连续性，确定方程组的边界条件，得到超前支护结构的挠度方程；

(6)根据求解得到的超前支护结构的挠度方程，计算超前支护结构体系在不同情况下的变形及内力分布。

如图1所示，所述隧道施工双层超前支护结构体系作用下，沿支护体系轴向，挠度曲线方程可分为AB段、BC段和CD段共3部分，各段上、下层超前支护结构的挠度计算方程分别为：

AB段

BC段

CD段

式中：w₁—上层支护体系挠度；w₂—下层支护体系挠度；q₁—上层支护体系承担荷载；q₂—下层支护体系承担荷载；E₁—上层支护体系综合弹性模量；I₁—上层支护体系综合截面惯性矩；E₂—下层支护体系支护段综合弹性模量；I₂—下层支护体系支护段综合截面惯性矩；E₃—下层支护体系未支护段综合弹性模量；I₃—下层支护体系未支护段综合截面惯性矩；k—双层支护体系间弹簧刚度；k₀—底层支护体系的基床弹簧刚度。

荷载计算具体见下式：

q₀＝∑γ_ih_i+∑q_i

式中：q₀—上(下)层支护结构承受的荷载；γ_i—某种土的重度；h_i—某种土的厚度；q_i—某种超载。

如图3所示，对于水平旋喷桩、管棚等超前支护结构的协同作用分析，通过将水平旋喷桩、管棚等作为梁体进行等效分析。

截面惯性矩计算公式为：

I_x＝∫y²dA

式中：I_x—x轴的面积惯性矩；y—dA距x轴的垂直距离；dA—微元面积。

总刚度计算公式：

E₀I₀＝∑E_iI_i

式中：E₀I₀—上(下)支护体系的总刚度值；E_i—某支护方式的弹性模量；I_i—某支护方式的截面惯性矩。

如图4所示，地基反力按Winkler假定进行计算，具体见下式。

p＝ks

式中：p—土体表面某点单位面积上的压力，kN/m；s—相应与某点的竖向位移，m；k—基床系数，kN/m³。

Claims (5)

1.一种浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算模型，其特征在于，上下两层超前支护结构均采用弹性地基梁单元进行模拟，两层超前支护结构之间的相互作用采用Winkler地基弹簧单元进行模拟；超前支护结构一端采用弹性约束，只允许其产生竖向位移，另一端为自由边界；上下两层超前支护结构均作用有围岩压力，下层超前支护结构在隧道掌子面前方未开挖段作用有地基反力。

2.一种浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据实际施工工况，建立隧道施工双层超前支护结构一体化计算模型；

2)根据超前支护结构的设计参数及所处的地层条件，确定超前支护结构体系的计算参数；所述计算参数包括上下两层超前支护结构之间的弹簧参数、上层超前支护结构的计算参数、下层超前支护结构在隧道未开挖段以及开挖后未支护段的计算参数、隧道已开挖段下层超前支护结构的计算参数；

3)根据各超前支护结构的空间位置，确定所述超前支护结构体系承担的荷载值及地基反力；

4)根据超前支护结构体系之间的变形协调，建立耦合方程组；

5)根据超前支护结构体系的端部约束及荷载变化处的连续性，确定耦合方程组的边界条件，按高斯消元法求解得到耦合方程组的待定系数，从而得到超前支护结构的挠度方程；

6)根据求解得到的超前支护结构的挠度方程，计算超前支护结构体系在不同情况下的变形及内力分布。

3.根据权利要求2所述的浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算方法，其特征在于，步骤2)中，上下两层超前支护结构之间的弹簧参数取土层的抗力系数；上层超前支护结构的计算参数根据实际采用的水平旋喷桩或管棚采用其实际计算参数；下层超前支护结构在隧道未开挖段以及开挖后未支护段采用支护结构的实际计算参数，隧道已开挖段下层超前支护结构的计算参数为支护结构和隧道初期支护的综合计算参数，具体按下式计算：

截面惯性矩计算公式为：

I_x＝∫y²dA；

其中，I_x为x轴的面积惯性矩；y为dA距x轴的垂直距离；dA为微元面积；总刚度计算公式：E₀I₀＝∑E_iI_i；E₀I₀为上层或下层超前支护结构的总刚度值；E_i为某支护方式的弹性模量；I_i为某支护方式的截面惯性矩。

4.根据权利要求2所述的浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算方法，其特征在于，步骤3)中，上层或者下层超前支护结构体系承受的荷载值q₀的计算公式为：q₀＝∑γ_ih_i+∑q_i；其中，γ_i为某种土的重度；h_i为某种土的厚度；q_i为某种超载；下层超前支护结构在隧道掌子面前方未开挖段作用的地基反力计算公式为p＝Ks，其中，p为土体表面某点单位面积上的压力，单位为kN/m；s为相应与某点的竖向位移，单位为m；K为基床系数，单位是kN/m³。

5.根据权利要求2所述的浅埋隧道施工双层超前支护结构一体化计算方法，其特征在于，步骤4)中，沿支护体系轴向，挠度方程可分为AB段、BC段和CD段共3部分，各段上、下层超前支护结构的挠度方程分别为：

AB段

BC段

CD段

式中：w₁—上层支护体系挠度；w₂—下层支护体系挠度；q₁—上层支护体系承担荷载；q₂—下层支护体系承担荷载；E₁—上层支护体系综合弹性模量；I₁—上层支护体系综合截面惯性矩；E₂—下层支护体系支护段综合弹性模量；I₂—下层支护体系支护段综合截面惯性矩；E₃—下层支护体系未支护段综合弹性模量；I₃—下层支护体系未支护段综合截面惯性矩；k—双层支护体系间弹簧刚度；k₀—底层支护体系的基床弹簧刚度。