CN110046401A - 隧道与地下空间不同洞形围岩压力简化设计计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种隧道与地下空间不同洞形围岩压力简化设计计算方法，按照下述步骤进行：根据隧道与地下空间设计的提供的已知条件，求得下沉土柱长宽比值n，进深影响系数值n'，n'＝2n/(1+2n)；n与n'判断洞室形状；根据地质情况及所处围岩分级，确定物理参数：洞形围岩粘聚力c、内摩擦角重度γ、泊松比μ、初始侧压力系数ξ,ξ＝μ/(1‑μ)；应用相应洞室形状所对应的简化公式，计算得出该隧道与地下空间的围岩压力值。该方法计算围岩压力值均与实测值吻合良好，符合工程实际情况；为荷载结构法应用于指导工程实际提供了有益的参考价值。
Description
技术领域
本发明属于隧道与地下空间围岩压力计算与设计技术领域，具体是隧道与地下空间不同洞形围岩压力简化设计计算方法。
背景技术
申请号：201610824651.1发明申请名称《隧道与地下空间深、浅埋垂直围岩压力通用设计计算方法》(以下简称“通用方法”)，提供了解决计算围岩压力的一种通用设计计算方法。该“通用方法”是建立在客观多因素基础上的立体极限围岩压力计算理论，考虑了埋深H、半洞宽α、地层滑动面半宽α1、洞高y、下沉土柱长L、围岩粘聚力c、内摩擦角重度γ、泊松比μ、初始侧压力系数ξ等十项直接影响因素和粘聚力降低系数Kc、施工震动、地下水影响、自然风化等间接影响因素。
“通用方法”首先通过最大埋深Hmax的计算，可判断出地下构筑物是深埋还是浅埋型式，然后根据通式，计算出地下构筑物顶部的平均垂直地压值δ平和浅埋地下构筑物的垂直地压计算值δ。其计算值在深浅埋分界处是连续的，没有“突变”的情况，其计算结果与相关统计数据与工程实际进行比较，考虑的因素更明确具体，有更好的适用性和准确性。
但是，利用“通用方法”对不同洞形如矩形、圆形罐体、正方形、贯通隧道等截面型式的地下空间围岩压力值的计算，其参数的选取较为繁琐，对哪些参数适用，哪些参数不适用，需要根据情况和经验分析判断。另外，该“通用方法”对不同洞形的计算也不是最简化的。
发明内容
基于以上情况，本发明要解决的技术问题在于提供一种隧道与地下空间不同洞形围岩压力简化设计计算方法。
本发明解决上述技术问题所采取技术方案如下：一种隧道与地下空间不同洞形围岩压力简化设计计算方法，按照下述步骤进行：
(1)、根据隧道与地下空间设计的提供的已知条件，求得下沉土柱长宽比值n，进深影响系数值n′，n′＝2n/(1+2n)；
(2)、根据下沉土柱长宽比n与进深影响系数n′判断洞室形状；
(3)、根据隧道与地下空间地质情况及所处围岩分级，确定物理参数：洞形围岩粘聚力c、内摩擦角重度γ、泊松比μ、初始侧压力系数ξ，ξ＝μ/(1-μ)；
(4)、根据相关已知参数，应用相应洞室形状所对应的简化公式，计算得出该隧道与地下空间的围岩压力值。
(4.1)贯通隧道平面围岩压力通式：
(4.2)圆形平面洞室围岩压力通式：
(4.3)正方形平面围岩压力通式：
(4.4)1∶2矩形平面围岩压力通式：
(4.5)松散体土质围岩压力通式：
本发明的来源如下所述：
第一、参见隧道与地下空间围岩压力分析模型图1：埋深H、毛洞半宽α、地层滑动面半宽α1、洞高y；下沉土柱长L：为洞口部至掌子面长度；Z为土柱单元厚度；
令下沉土柱长宽比为n：因为n＝L/2α1，所以L＝2α1*n；则下沉土柱重Q＝2α1*L*H*γ＝4α1*n*H*γ
第二、根据隧道与地下空间地质情况及所处围岩分级，确定物理参数：洞形围岩粘聚力c、内摩擦角重度γ、泊松比μ、初始侧压力系数ξ：ξ＝μ/(1-μ)；
第三、根据以上物理参数，推导并计算如下：
3.1土柱两侧和掌子面上所产生的摩擦力和粘聚力之和为T，则：
3.2洞室顶部的平均垂直地压：
令dδ/dH＝0，则有可得最大地压的起始埋深，即深浅埋分界深度Hmax：
式中n′＝2n/(1+2n)，n′命名为进深影响系数；
3.3洞室的垂直地压通用公式：
由式(4)可以看出，洞室进深与下沉土柱宽之比n对围岩压力有着显著影响。根据n的不同取值，会对应不同的洞室形状，因而代入式(4)中，不同形状的洞室对应唯一的简化设计计算方法。
第四、当隧道及地下空间为无限通长时，则有：
此式为“贯通隧道平面围岩压力”通式 式(5)
第五、当地下构筑物为圆形罐体时，其平面是圆形，n与圆周长、开挖断面宽度均有关系，则有：
此式为“圆形平面洞室围岩压力”通式 式(6)
第六、当n＝1，n′＝2/3，则有：
此式为“正方形平面围岩压力”通式 式(7)
第七、当n＝2，n′＝4/5，则有：
此式为“1∶2矩形平面围岩压力”通式 式(8)
第八、当地层为完全松散体时，c＝0，则：
此式为“松散体土质围岩压力”通式 式(9)
本发明根据隧道与地下空间的已知条件求得长宽比n值、进深影响系数n′值；根据隧道与地下空间地质情况及所处围岩分级，确定物理参数诸如围岩粘聚力c值等；判开挖形状；将已知参数代入对应洞形简化公式进行围岩压力计算。
本发明考虑影响围岩压力设计计算的客观因素多，经过对多年来收集到的大量实测围岩压力、实测塌方荷载、实测变形数据的对比，该方法计算围岩压力值均与实测值吻合良好，其计算值更接近符合工程实际情况。相关系数均在0.9以上，为荷载结构法应用于指导工程实际提供了有益的参考价值。
附图说明
图1是隧道与地下空间围岩压力分析模型；
图2是隧道与地下空间不同洞形围岩压力计算流程图。
具体实施方式
图1示出了隧道与地下空间的已知条件：H为埋深，α为毛洞半宽，α1为地层滑动面半宽，y为洞高，L为下沉土柱长、即为洞口部至掌子面长度，Z为土柱单元厚度，
本发明的应用方法如图2所示：根据图1提供的已知条件，求得下述参数：下沉土柱长宽比n，进深影响系数n′，n′＝2n/(1+2n)；
再根据下沉土柱长宽比n与进深影响系数n′判断洞室形状；
并根据隧道与地下空间地质情况及所处围岩分级，确定物理参数：洞形围岩粘聚力c、内摩擦角重度γ、泊松比μ、初始侧压力系数ξ，ξ＝μ/(1-μ)；应用相应洞室形状所对应的简化计算公式，得出该隧道与地下空间的围岩压力值。
实例验证1，贯通隧道：某超大断面隧道II级围岩压力实例，河北省交通规划设计院实测，该贯通隧道垂直围岩压力655Kpa；
某双线隧道地压量测及其结果：围岩类别：II级；埋深H＝250m，毛洞宽2α＝23.34m，毛洞计算高y＝13.95m，下沉土柱长围岩粘聚力c＝220KPa，内摩擦角重度γ＝26KN/m3，泊松比μ＝0.23，初始侧压力系数ξ＝0.59，粘聚力降低系数Kc＝1。
1、先根据已知条件，按照图1求得地层滑动面宽2a1、长宽比n值、进深影响系数n′值、围岩粘聚力c值：
为贯通隧道平面，则则
考虑围岩降低系数后，粘聚力c值为：c*Kc＝220*1＝220Kpa
2、按照图2方法，代入式(5)：
5、垂直围岩压力对比：
其中655为实测的垂直围岩压力数据，与本发明计算的垂直地压误差为5.35％。
实例验证2，圆形罐体：根据安徽古楼铺圆形隧道工程实例：直径d＝6.2m，承载长跨比n＝121.3，围岩类别：V级，围岩粘聚力c＝185KPa，内摩擦角φ＝16.8°，重度γ＝18KN/m3，泊松比μ＝0.45，初始侧压力系数ξ＝0.702，粘聚力降低系数Kc＝1，已知实测围岩压力42Kpa。
1、按照图1，根据已知长跨比n＝121.3直接代入图2方法圆形平面洞室围岩压力通式，即式(6)：
2、垂直围岩压力对比：
其中42为实测的垂直围岩压力数据，与本发明计算的垂直地压误差为5.36％。
实例验证3，正方形：根据国家建委五局建筑科研所资料：山西省109洞为单线隧道，隧道宽*高＝B*H＝7.5m*8m，围岩类别：V级；埋深H＝30m，毛洞半宽α＝3.75m，地层滑动面半宽α1＝4.15m，洞高y＝7.8m，下沉土柱长L＝8.3m，围岩粘聚力c＝185KPa，内摩擦角φ＝20.5°，重度γ＝19.2KN/m3，泊松比μ＝0.45，初始侧压力系数ξ＝0.702，粘聚力降低系数Kc＝0.12。已知实测垂直围岩压力34.5Kpa，水平围岩压力28.5Kpa。
1、按照图1，先根据已知条件求得长宽比n值、进深影响系数n′值、围岩粘聚力c值：
n＝L/2a1＝8.3/(2*4.15)＝1，为正方形平面，
n′＝2n/(1+2n)＝(2*1)/(1+2*1)＝2/3
考虑围岩粘聚力降低系数后，粘聚力c值为：c*Kc＝185*0.12＝22.2Kpa
2、按照图2方法，代入正方形平面围岩压力通式，即式(7)：
3、垂直围岩压力对比：
其中34.5为实测的垂直围岩压力数据，与本发明计算的垂直地压误差为4.26％。
实例验证4，1∶2矩形平面：《地下工程支护结构p228》书中15.6m跨软质石灰岩机库算例，实测垂直围岩压力92Kpa：
隧道地压量测及其结果：围岩类别：IV级；埋深H＝50m，毛洞洞宽2α＝15.64m，洞高y＝7.52m，下沉土柱长L＝40m，围岩粘聚力c＝110KPa，内摩擦角φ＝65°，重度γ＝24KN/m3，泊松比μ＝0.32，初始侧压力系数ξ＝0.1，粘聚力降低系数Kc＝0.65。
1、按照图1，根据已知条件求得地层滑动面宽2a1、长宽比n值、进深影响系数n′值、围岩粘聚力c值：
n＝L/2a1＝50/(2*9.487)＝2.635
n′＝2n/(1+2n)＝(2*2.635)/(1+2*2.635)＝0.841，约为1∶2矩形平面，
考虑围岩降低系数后，粘聚力c值为：c*Kc＝110*0.65＝71.5Kpa
2、按照图2方法，代入1∶2矩形平面围岩压力通式，即式(8)：
3、垂直围岩压力对比：
其中92为实测的垂直围岩压力数据，与本发明计算的垂直地压误差为7.71％。
实例验证5，松散体土质：某4m跨杂填土、亚粘土喷锚支护地下空间，实测垂直围岩压力220Kpa；
隧道地压量测及其结果：围岩类别：VI级；埋深H＝30m，毛洞洞宽2α＝4m，洞高y＝3.42m，下沉土柱长L＝50m，围岩粘聚力c＝0KPa，内摩擦角φ＝16.5°，重度γ＝17.5KN/m3，泊松比μ＝0.46，初始侧压力系数ξ＝0.65。
1、按照图1，先根据已知条件求得地层滑动面宽2a1：
2a1＝2*(a+ytg(45°-φ/2)＝2*(2+3.42tg(45°-16.5°/2))＝9.1m
2、按照图2方法，代入松散体土质围岩压力通式，即式(9)：
3、垂直围岩压力对比：
其中220为实测的垂直围岩压力数据，与本发明计算的垂直地压误差为6.39％。
以上五个计算实例验证结果表明，使用本发明方法计算围岩压力值均与实测值非常接近。本发明经不同方法、不同大量的实际工程样本的检验与验证，结论与实测值吻合良好，符合工程实际情况。
Claims (1)
1.一种隧道与地下空间不同洞形围岩压力简化设计计算方法，按照下述步骤进行：
(1)、根据隧道与地下空间设计的提供的已知条件，求得下沉土柱长宽比值n，进深影响系数值n'，n'＝2n/(1+2n)；
(2)、根据下沉土柱长宽比n与进深影响系数n'判断洞室形状；
(3)、根据隧道与地下空间地质情况及所处围岩分级，确定物理参数：洞形围岩粘聚力c、内摩擦角重度γ、泊松比μ、初始侧压力系数ξ,ξ＝μ/(1-μ)；
(4)、根据相关已知参数，应用相应洞室形状所对应的简化公式，计算得出该隧道与地下空间的围岩压力值。
(4.1)贯通隧道平面围岩压力通式：
(4.2)圆形平面洞室围岩压力通式：
(4.3)正方形平面围岩压力通式：
(4.4)1:2矩形平面围岩压力通式：
(4.5)松散体土质围岩压力通式：
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| CN116291543A (zh) * | 2023-03-17 | 2023-06-23 | 中国市政工程西北设计研究院有限公司 | 隧道与地下空间围岩承载最佳受力拱形计算方法 |
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| CN106383945A (zh) * | 2016-09-14 | 2017-02-08 | 中国市政工程西北设计研究院有限公司 | 隧道与地下空间深、浅埋垂直围岩压力通用设计计算方法 |
| CN107165640A (zh) * | 2017-07-06 | 2017-09-15 | 王胜利 | 隧道及地下工程自稳修建法 |
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