CN110096833B - 一种适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法 - Google Patents

一种适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基础设施勘察设计技术领域，特别涉及一种适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法，其包括以下步骤：S1.根据岩层厚度、结构面摩擦角及围岩摩擦角，对隧道进行分类；S2.根据隧道分类结果，计算相应的围岩荷载。本发明提供的适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法考虑了结构面摩擦角、岩层厚度、岩层倾角等参数对顺层隧道围岩荷载的影响规律，根据不同的参数选用不同的计算公式进行围岩荷载的计算，弥补了顺层偏压隧道围岩荷载计算方法的空白，能够为顺层偏压隧道的设计提供依据。

Description

一种适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法
技术领域
本发明涉及基础设施勘察设计技术领域，特别涉及一种适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法。
背景技术
围岩荷载是隧道结构设计的基本要素，在进行隧道衬砌结构的设计时，首先应确定衬砌承担的围岩荷载。对于处于均匀地层中的隧道，其围岩荷载的计算方法在《公路隧道设计规范》以及《铁路隧道设计规范》中均有明确规定；处于倾斜顺层岩体中的隧道，由于结构面对岩体的分割，岩体表现出各向异性特征，故其围岩荷载与均匀地层不同，且尚无明确的计算方法。
目前，顺层偏压隧道的设计仍以经验设计为主，一般根据现场地质情况，结合监控量测数据，采取加固围岩和加强支护的方式来保证围岩的稳定性和支护结构的安全。但是，由于隧道所处地层岩性复杂多变，岩层的产状、层间参数、岩体参数离散型较大，故仅依靠经验设计具有一定的片面性，在某些地层中可能导致顺层隧道在完成初期支护后发生偏压变形，引起初支局部开裂、钢架扭曲等现象，甚至可能导致隧道后期运营期间的衬砌变形开裂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的顺层偏压隧道中，经验设计具有一定的片面性的不足，提供一种适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法，包括以下步骤：
S1.根据岩层厚度、结构面摩擦角及围岩摩擦角，对隧道进行分类；
S2.根据隧道分类结果，计算相应的围岩荷载。
作为本发明的优选实施例，在所述步骤S1中：
当岩层厚度大于或等于5m，或结构面摩擦角大于或等于围岩摩擦角时，隧道被归类为A类隧道；
当岩层厚度小于5m且结构面摩擦角小于围岩摩擦角时，隧道被归类为B类隧道。
作为本发明的优选实施例，在所述步骤S2中，对于所述A类隧道，将地层视为均匀地层，按照均匀地层计算所述A类隧道的围岩荷载。
作为本发明的优选实施例，在所述步骤S1中，根据岩层倾角的大小，对B类隧道进行细化分类。
作为本发明的优选实施例，在所述步骤S1中：
当0°<β≦45°，隧道被归类为B1类隧道；
当45°<β≦90°，隧道被归类为B2类隧道；
当β＝0，隧道被归类为B3类隧道；
其中，β为岩层倾角。
作为本发明的优选实施例，对于B1类隧道，其围岩荷载计算公式为：
q1＝2.5q2
Figure BDA0002057759240000031
e1＝λq1
e2＝λq2
其中，q1为拱顶反倾侧最大压力；q2为拱顶顺层侧最小压力；γ为围岩重度；ra为隧道当量半径；
Figure BDA0002057759240000032
为结构面摩擦角；e1为反倾侧水平均布压力；e2为顺层侧水平均布压力；λ为侧压力系数。
作为本发明的优选实施例，对于B2类隧道，其围岩荷载计算公式为：
Figure BDA0002057759240000033
e＝λq
其中，q为拱顶竖向围岩压力；e为水平围岩压力；λ为侧压力系数；ra为隧道当量半径；γ为围岩重度；
Figure BDA0002057759240000034
为结构面摩擦角。
作为本发明的优选实施例，对于B3类隧道，其围岩荷载计算公式为：
Figure BDA0002057759240000035
e＝λq
其中，q为围岩顶部竖向荷载；e为水平荷载；λ为侧压力系数；ra为隧道当量半径；γ为围岩重度；
Figure BDA0002057759240000036
为结构面摩擦角。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供的适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法考虑了结构面摩擦角、岩层厚度、岩层倾角等参数对顺层隧道围岩荷载的影响规律，根据不同的参数选用不同的计算公式进行围岩荷载的计算，弥补了顺层偏压隧道围岩荷载计算方法的空白，能够为顺层偏压隧道的设计提供依据。
附图说明：
图1为本发明实施例提供的适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法的步骤示意图。
图2为本发明实施例提供的围岩荷载计算方法中隧道分类的示意图。
图3为本发明实施例提供的B1类隧道的荷载分布示意图。
图4为本发明实施例提供的B2类隧道的荷载分布示意图。
图5为本发明实施例提供的B3类隧道的荷载分布示意图。
图6(a)为岩层倾角为0°时，数值分析计算得到的塑性区分布示意图。
图6(b)为岩层倾角为20°时，数值分析计算得到的塑性区分布示意图。
图6(c)为岩层倾角为40°时，数值分析计算得到的塑性区分布示意图。
图6(d)为岩层倾角为60°时，数值分析计算得到的塑性区分布示意图。
图6(e)为岩层倾角为90°时，数值分析计算得到的塑性区分布示意图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
本发明实施例提供了一种适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法。请参阅图1及图2，这种计算方法包括以下步骤：
S1.根据岩层厚度、结构面摩擦角及围岩摩擦角，对隧道进行分类；
具体的，岩层厚度大于或等于5m，或结构面摩擦角大于或等于围岩摩擦角时，隧道被归类为A类隧道；当岩层厚度小于5m且结构面摩擦角小于围岩摩擦角时，隧道被归类为B类隧道。
进一步的，对B类隧道，根据岩层倾角β的大小进行进一步分类：
当0°<β≦45°，隧道被归类为B1类隧道；
当45°<β≦90°，隧道被归类为B2类隧道；
当β＝0，隧道被归类为B3类隧道。
S2.根据隧道分类结果，计算相应的围岩荷载；
具体的：
(1)对于A类隧道，将地层视为均匀地层，按照均匀地层计算其围岩荷载。
(2)对于B1类隧道，荷载分布情况参考图3，围岩荷载计算公式为：
q1＝2.5q2 ①
Figure BDA0002057759240000051
e1＝λq1 ③
e2＝λq2 ④
其中，q1为拱顶反倾侧最大压力；q2为拱顶顺层侧最小压力；γ为围岩重度；ra为隧道当量半径；
Figure BDA0002057759240000052
为结构面摩擦角；e1为反倾侧水平均布压力；e2为顺层侧水平均布压力；λ为侧压力系数。
(3)对于B2类隧道，荷载分布情况参考图4，围岩荷载计算公式为：
Figure BDA0002057759240000061
e＝λq ⑥
其中，q为拱顶竖向围岩压力；e为水平围岩压力；λ为侧压力系数；ra为隧道当量半径；γ为围岩重度；
Figure BDA0002057759240000062
为结构面摩擦角。
(4)对于B3类隧道，荷载分布情况参考图5，围岩荷载计算公式为：
Figure BDA0002057759240000063
e＝λq ⑧
其中，q为围岩顶部竖向荷载；e为水平荷载；λ为侧压力系数；ra为隧道当量半径；γ为围岩重度；
Figure BDA0002057759240000064
为结构面摩擦角。
本发明提供的围岩荷载计算方法的原理在于：
隧道围岩压力的计算方法主要有理论公式和经验公式。经验公式是建立在对大量样本数据进行统计分析的基础上归纳而来。对于顺层隧道缺乏足够的围岩压力统计数据，故经验法不适用。理论公式包括岩柱理论公式、泰沙基理论公式、普氏公式、卡柯公式等。本发明采用的围岩压力计算方法与卡柯公式的原理相同，即认为作用在支护上的围岩压力为塑性区内岩体的重量。因此，计算围岩压力的关键在于求解塑性区范围。
根据图6，顺层隧道周围存在6个较大的塑性区。根据分析，在围岩切向应力与结构面方向平行的位置，即反倾侧拱腰及顺倾侧拱脚位置，围岩发生塑性破坏的主要原因是由于以切向应力为主导的地应力水平作用于薄至中厚层状岩体时，岩体将产生较大的弯曲变形趋势或变形，引起岩体沿结构面的滑移甚至错动，从而引起岩体挠曲变形产生垂直层面的拉应力导致岩层破裂甚至断裂，称之为拉裂塑性区。其余四个位置，即顺倾侧拱腰、两侧边墙和反倾侧拱脚产生塑性破坏的原因结构面发生剪切滑移破坏，称之为剪裂塑性区。
根据数值仿真及理论分析结果，不同结构面摩擦角下、不同岩层倾角下以及不同岩层厚度下，拉裂塑性区深度及剪裂塑性区深度如表1～表3所示。
表1不同结构面摩擦角下的最大塑性区深度
结构面摩擦角 20° 30° 40° 50° 60°
理论剪裂区深度r<sub>j</sub>’ 4.5m 2.6m 1.6m 0.9m 0.5m
数值剪裂区深度r<sub>j</sub> 4.5m 2.8m 2.0m 1.6m 0.6m
数值拉裂区深度r<sub>l</sub> 8m 3.9m 2.9m 2.0m 1m
表2不同岩层厚度下的最大塑性区深度
岩层厚度 0.5m 1m 3m 5m 7m 9m
理论剪裂区深度r<sub>j</sub>’ 3.4m 3.4m 3.4m 3.4m 3.4m 3.4m
数值剪裂区深度r<sub>j</sub> 3.4m 3.6m 2.6m 1.5m 1.1m 0.6m
数值拉裂区深度r<sub>l</sub> 8.4m 5.9m 1.9m 0.8m 1.7m 1.9m
表3不同岩层倾角下的最大塑性区深度
Figure BDA0002057759240000071
Figure BDA0002057759240000081
其中，理论剪裂区深度为通过理论公式计算得到的剪裂区深度，其计算公式由弹塑性力学和莫尔-库伦准则推导而来：
Figure BDA0002057759240000082
数值剪裂区深度为通过数值模拟计算得到的剪裂区深度。数值拉裂区深度为通过数值模拟计算得到的拉裂区深度。
根据表1，当结构面摩擦角
Figure BDA0002057759240000083
时，理论剪裂区深度和数值剪裂区深度接近，因此可用理论公式求解剪裂区深度。拉裂区深度最大为剪裂区深度的1.8倍。当
Figure BDA0002057759240000084
剪裂区深度和拉裂区深度都较小，与无结构面时的塑性区深度相近，均为1.5m左右。一般而言，结构面摩擦角不会大于围岩摩擦角(此处为45°)，因此，当结构面摩擦角大于等于围岩摩擦角时可不考虑结构面的影响。
同理，根据表2，当岩层厚度小于5m时，理论剪裂区深度和数值剪裂区深度接近，因此可用理论公式求解剪裂区深度，拉裂区深度最大为剪裂区深度的2.5倍。当岩层厚度≧5m时，数值计算所得的剪裂区深度和拉裂区深度都较小，与无结构面情况时的塑性区深度相近，均为1.5m，因此可不考虑结构面的影响。
根据公式⑨，理论剪裂区深度计算公式与岩层倾角无关，因此表3中不同倾角下的理论剪裂区深度相同。数值剪裂区深度在岩层倾角为0°时最大，与理论剪裂区深度接近，拉裂区深度为其2倍。其余倾角下的数据值塑性区深度变化相差较小。因此，可用理论公式求解剪裂区深度，拉裂区深度取剪裂区深度的2倍。
综上，当结构面摩擦角大于等于围岩摩擦角，或当结构面厚度大于等于5m时，可不考虑结构面的影响。当结构面摩擦角小于围岩摩擦角且结构面厚度小于5m时，可用理论公式⑨计算剪裂塑性区深度，拉裂塑性区深度为剪裂塑性深度的2.5倍。
根据图6，当岩层倾角改变时，塑性区分布角度随之改变，但塑性区的深度改变不大。当岩层倾角为0°时，岩层呈水平分布，此时拱顶上方塑性区主要为拉裂破坏岩体，围岩压力主要为拉裂塑性区内岩体的重力；当岩层倾角β为0～45°时，隧道反倾侧拱腰围岩压力为拉裂塑性区内岩体的重力，顺层侧拱腰围岩压力剪裂塑性区内岩体重力；当岩层倾角β>45°时，可认为作用在隧道拱顶上方的围岩压力为剪裂区内的岩体重力。因此，本发明将顺层隧道的围岩压力按岩层倾角β分为了三种情况，即β＝0°，0°<β≦45°和45°<β≦90°。
依据上述推论，可将隧道分为A类和B类，A类隧道不考虑结构面影响，B类隧道需要考虑结构面对围岩压力的影响。然后根据岩层倾角的大小的不同，对B类隧道进行进一步的分类。在对B类隧道进一步分类的基础上，根据塑性区深度的计算公式及围岩重度，能够得到本实施例提供的，不同岩层倾角下的围岩荷载的计算公式。
以下通过一运算实例对该计算方法进行说明：
设某隧道的岩层厚度为3.5m，结构面摩擦角小于围岩摩擦角，岩层倾角为60°，则根据步骤S1，该隧道被归类为B2类隧道，按照式⑤及式⑥，可以计算得到该隧道的围岩荷载。
本发明实施例提供的适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法的有益效果在于：
该计算方法以岩体力学理论为基础，并对大量工况的数值计算结果进行了回归统计分析，结合现场试验数据，考虑了岩层倾角、岩层厚度、结构面摩擦角、隧道洞径等参数对隧道围岩荷载的影响，荷载分布模式明确，荷载计算方法清晰。其为顺层偏压隧道的围岩荷载计算及隧道设计提供了明确的依据，具有很强的实用性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.根据岩层厚度、结构面摩擦角及围岩摩擦角，对隧道进行分类；S2.根据隧道分类结果，计算相应的围岩荷载；
在所述步骤S1中：当岩层厚度大于或等于5m，或结构面摩擦角大于或等于围岩摩擦角时，隧道被归类为A类隧道；当岩层厚度小于5m且结构面摩擦角小于围岩摩擦角时，隧道被归类为B类隧道；
在所述步骤S1中，根据岩层倾角的大小，对B类隧道进行细化分类；
在所述步骤S1中：当0°<β≦45°，隧道被归类为B1类隧道；当45°<β≦90°，隧道被归类为B2类隧道；当β＝0，隧道被归类为B3类隧道；其中，β为岩层倾角；
对于所述B1类隧道，其围岩荷载计算公式为：
q1＝2.5q2
Figure FDA0003652429670000011
e1＝λq1
e2＝λq2
其中，q1为拱顶反倾侧最大压力；q2为拱顶顺倾侧最小压力；γ为围岩重度；ra为隧道当量半径；
Figure FDA0003652429670000012
为结构面摩擦角；e1为反倾侧水平均布压力；e2为顺层侧水平均布压力；λ为侧压力系数；
对于所述B2类隧道，其围岩荷载计算公式为：
Figure FDA0003652429670000021
e＝λq
其中，q为拱顶竖向围岩压力；e为水平围岩压力；λ为侧压力系数；ra为隧道当量半径；γ为围岩重度；
Figure FDA0003652429670000022
为结构面摩擦角；
对于所述B3类隧道，其围岩荷载计算公式为：
Figure FDA0003652429670000023
e＝λq
其中，q为围岩顶部竖向荷载；e为水平荷载；λ为侧压力系数；ra为隧道当量半径；γ为围岩重度；
Figure FDA0003652429670000024
为结构面摩擦角。
2.根据权利要求1所述的适用于顺层偏压隧道的围岩荷载计算方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对于所述A类隧道，将地层视为均匀地层，按照均匀地层计算所述A类隧道的围岩荷载。
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