CN110362932B - 一种复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构计算模型 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构计算模型，管幕钢管采用梁单位模拟，在此基础上对建立管幕实际受力变形情况的温克尔连续梁地基模型，管幕由连续梁单元荷载，支撑由二衬（线弹簧刚度k1）、初支（线弹簧刚度k2）及未开挖土体（线弹簧刚度k3及渐变段）组成。假定地基上任一点所受的压力强度p与该点的地基沉降s成正比，即p=k·s（k为线弹簧弹性系数）；该计算方法可用于指导复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构受力变形计算，具有显著的经济及社会效益，解决复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构受力、变形计算，为浅埋暗挖隧道管幕结构设计及沉降控制提供理论指导。
Description
技术领域
本发明涉及到交通工程技术领域，特别涉及到一种复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构计算模型。
背景技术
重庆铁路枢纽东环线位于城市周边，环境条件十分复杂，多处下穿高速公路，如新白杨湾双线隧道4m净距下穿重庆绕城高速公路路堑；猫垭口及乔子堡二号单线隧道并行2～3m净距下穿渝宜高速填方路基；金渝单线隧道7m净距下穿金渝大道填方路基；金山双线隧道HMDK14+540～+595段于金山大道填方路基附近下穿20m厚弃渣体；金山隧道出口段10m净距下穿赵家溪立交范围。几处工点地面道路均为重庆城市交通主干道，车辆流量巨大，同时由于地质、埋深原因，上述工点工程风险极高。若明挖施工，涉及的道路改移及迁改费用极大，且改移道路需部分进行封闭路幅或断道施工，地面道路将限速通行，社会影响较大，安全风险高，管理和协调难度极大。综合考虑，上述工点均采用了管幕暗挖施工方案。
目前，管幕暗挖技术国内外已进行了大量研究及应用，如“《岩石力学与工程学报》,2006,25(9):1887-1892，肖世国,夏才初,朱合华等研究了管幕内箱涵顶进中顶部管幕竖向变形预测”文献，记载了以下内容：上海市中环线虹许路北虹路下立交工程是目前世界上在饱和含水软土地层中施工的横截面最大的管幕法工程，针对实际箱涵顶进施工过程中顶部管幕出现的以隆起为主的竖向变形,根据对箱涵前方滑动土体及箱涵体的力学分析，确定作用于顶部管幕下的附加荷载,进而将顶部中间部分的钢管视为在该附加荷载作用下的倒置于Winkler地基上的弹性地基梁,以此模型预测分析顶部中间部分钢管幕的竖向变形,并同实测结果进行比较。此文献中采用了本领域中的Winkler地基模型计算，但也仅仅就实际箱涵顶进施工过程中顶部中间部分钢管幕的竖向变形进行了相关模拟分析计算，计算对象单一，仅就箱涵以及箱涵前方滑土进行了简单的力学模型分析，模拟分析计算对象在管幕暗挖隧道工程中则过于狭窄、片面，而对于管幕暗挖过程中具有重要作用的二衬、初支和挖掘前后区域并无相关的具体处理措施，计算对象过于简单而不够全面。因此，在管幕暗挖隧道工程实际施工过程中，并无较大的实际计算意义。
目前，浅埋复杂环境条件下管幕暗挖隧道相关理论仍有许多不完善的地方，详细如下：
(1)传统管幕暗挖技术，管幕施作后，在临时支撑作用下进行开挖，贯通后再逐段拆除临时支撑施作内部结构。管幕结构计算采用Winkler连续梁地基模型，竖向荷载由临时支撑及前方未开挖土体承担。
(2)目前管幕暗挖隧道应用案例中，隧道掌子面基本采用多分部开挖，仅靠初支作用下进行长距离开挖，二衬与掌子面距离较长。管幕结构计算时，管幕结构计算采用Winkler连续梁地基模型，竖向荷载由初期支护及前方未开挖土体承担。
(3)浅埋复杂环境条件下，由于隧道施工安全及地表沉降控制要求特别高，管幕暗挖隧道与浅埋暗挖隧道采用常规施工工序均难以满足隧道施工安全、沉降控制要求。为控制地表沉降、确保施工安全，隧道二衬应及时施作，施工工序应采取措施尽量缩短二衬与掌子面的距离，二衬、初支及隧道开挖掌子面前方土体与管幕共同构成环、纵向受力体系，在此基础上，建立管幕结构计算模型进行受力变形计算。
复杂环境条件下的浅埋暗挖隧道，施工安全及沉降控制要求更高，隧道二衬应及时施作，施工应采取措施尽量缩短二衬与掌子面的距离，使二衬、初支及隧道开挖掌子面前方土体与管幕共同构成环、纵向受力体系。传统管幕结构计算模型仅考虑初期支护及前方未开挖土体承担管幕荷载，该计算模型与复杂环境条件下的浅埋暗挖隧道施工安全及沉降控制要求不符。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构计算模型，用于解决复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构受力、变形计算，为浅埋暗挖隧道管幕结构设计及沉降控制提供理论指导。确定作用于顶部管幕下的附加荷载,进而将顶部中间部分的钢管视为在该附加荷载作用下的倒置于Winkler地基上的弹性地基梁,以此模型预测分析顶部中间部分钢管幕的竖向变形,并同实测结果进行比较,验证本算法的合理性。
本发明提出的技术方案是：一种复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构计算模型，包括以下步骤：
S1、管幕钢管采用梁单位模拟，采用线弹簧(仅压)模拟管幕与二衬、初支及未开挖土体的相互作用，结构计算时，采用温克尔地基模型，假定地基上任一点所受的压力强度p与该点的地基沉降s成正比，即p＝k·s(k为线弹簧弹性系数)；
S2、对于管幕结构荷载，根据上部土体厚度及地表荷载大小计算p0：根据p(kN/m)＝p0×d(d为管幕横向间距)，计算得到管幕梁单元线荷载；
S3、对于已施作二衬段，考虑到二衬厚度约为初支厚度2倍，其抗弯刚度约为初支刚度的8倍，较初支刚度大大提高，已施作二衬段管幕结构支撑可仅考虑二衬的作用；管幕与二衬结构的相互作用采用线弹簧模拟，其刚度采用荷载结构模型进行反算，采用梁单元模拟隧道二衬，地层与结构的相互作用采用地层弹簧(只能受压)模拟；偏安全的计算拱顶管幕进行分析，通过荷载结构模型计算得到拱顶单位力作用下的拱顶竖向变形δ1，管幕与二衬结构的相互作用线弹簧刚度k1＝1/δ1(kN/m2)；
S4、对于施作初支范围，管幕与初支结构的相互作用同样采用线弹簧模拟，其刚度采用荷载结构模型进行反算，采用梁单元模拟隧道初支，地层与初支的相互作用采用地层弹簧(只能受压)模拟，初支与钢架的刚度采用等效刚度考虑；偏安全的计算拱顶管幕进行分析，通过荷载结构模型计算得到拱顶单位力作用下的拱顶竖向变形δ2，管幕与初支的相互作用线弹簧刚度k2＝1/δ2(kN/m2)；
S5、对未施作初支范围，考虑到开挖后围岩存在裸露的工况，同时喷砼早期强度较低，不考虑地层弹簧，其范围等于开挖进尺长度；
S6、对于前方未开挖范围，管幕与土体之间线弹簧刚度k3(kN/m2)＝地基弹性反力系数×管幕间距d；考虑到掌子面主动破裂角范围土体可能松动导致抗力降低，偏安全的认为掌子面与管幕交点线弹簧刚度为零，管幕与主动破裂角交点线弹簧刚度等于k3，上述两点之间的范围线弹簧刚度线性变化。
进一步地，计算管幕结构梁单元参数，管幕钢管与管内砼两种材料按刚度等效为均质钢环进行计算。本管幕结构采用温克尔地基模型进行梁单位模拟计算，因此，计算时，将管幕钢管与管内砼两种材料按刚度等效为均质钢环进行计算，方便计算结果。
进一步地，各几何及物理参数确定后，由于几何解析解计算繁琐，应用不变，实际工程应用中，通过有限元计算模型进行数值分析，计算得到管幕结构受力变形情况。
进一步地，主动破裂角根据岩体摩擦角按朗肯主动土压力理论进行计算。
本发明的有益技术效果是：复杂环境条件下的浅埋暗挖隧道，为确保施工安全、满足沉降控制要求，隧道二衬应及时施作，施工应采取措施尽量缩短二衬与掌子面的距离，二衬、初支及隧道开挖掌子面前方土体与管幕共同构成环、纵向受力体系，上部荷载由管幕、二衬、初支及未开挖土体共同承担。在此基础上对建立管幕实际受力变形情况的温克尔连续梁地基模型，管幕由连续梁单元荷载，支撑由二衬(线弹簧刚度k1)、初支(线弹簧刚度k2)及未开挖土体(线弹簧刚度k3及渐变段)组成，由于初支与二衬刚度差异较大，即k1刚度远大于k2，实际案例计算表明，二衬及时施作的情况下，管幕单元受力变形较不考虑二衬的情况显著降低，隧道施工安全及沉降控制更为有利。该计算方法可用于指导复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构受力变形计算，具有显著的经济及社会效益，解决复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构受力、变形计算，为浅埋暗挖隧道管幕结构设计及沉降控制提供理论指导。
附图说明
附图1为本算法中的管幕结构计算模型示意图；
附图2为本算法中的弹簧刚度计算载荷结果模型示意图；
图中：1、掌子面，2、管幕，3、地层弹簧，L1、已施作二衬段，L2、施作初支范围，L3、未施作初支范围，L4、未开挖范围，X、主动破裂角。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如附图1、2所示，一种复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构计算模型，包括以下步骤：
S1、管幕2钢管采用梁单位模拟，采用线弹簧(仅受压力)模拟管幕2与二衬、初支及未开挖土体的相互作用，结构计算时，采用温克尔地基模型，假定地基上任一点所受的压力强度p与该点的地基沉降s成正比，即p＝k·s(k为线弹簧弹性系数)；
S2、对于管幕2结构荷载，根据上部土体厚度及地表荷载大小计算p0：根据p(kN/m)＝p0×d，d为管幕2横向间距，计算得到管幕2梁单元线荷载；
S3、对于已施作二衬段L1，考虑到二衬厚度约为初支厚度2倍，其抗弯刚度约为初支刚度的8倍，较初支刚度大大提高，已施作二衬段L1管幕2结构支撑可仅考虑二衬的作用；管幕2与二衬结构的相互作用采用线弹簧模拟，其刚度采用荷载结构模型进行反算，采用梁单元模拟隧道二衬，地层与结构的相互作用采用地层弹簧3(只能受压)模拟；偏安全的计算拱顶管幕2进行分析，通过荷载结构模型计算得到拱顶单位力作用下的拱顶竖向变形δ1，管幕2与二衬结构的相互作用线弹簧刚度k1＝1/δ1(kN/m2)；
S4、对于施作初支范围L2，管幕2与初支结构的相互作用同样采用线弹簧模拟，其刚度采用荷载结构模型进行反算，采用梁单元模拟隧道初支，地层与初支的相互作用采用地层弹簧3(只能受压)模拟，初支与钢架的刚度采用等效刚度考虑；偏安全的计算拱顶管幕2进行分析，通过荷载结构模型计算得到拱顶单位力作用下的拱顶竖向变形δ2，管幕2与初支的相互作用线弹簧刚度k2＝1/δ2(kN/m2)；
S5、对未施作初支范围L3，考虑到开挖后围岩存在裸露的工况，同时喷砼早期强度较低，不考虑地层弹簧3，其范围等于开挖进尺长度；
S6、对于前方未开挖范围L4，管幕2与土体之间线弹簧刚度k3(kN/m2)＝地基弹性反力系数×管幕2间距d；考虑到掌子面1主动破裂角X范围土体可能松动导致抗力降低，偏安全的认为掌子面1与管幕2交点线弹簧刚度为零，管幕2与主动破裂角X交点线弹簧刚度等于k3，上述两点之间的范围线弹簧刚度线性变化。
进一步地，计算管幕2结构梁单元参数，管幕2钢管与管内砼两种材料按刚度等效为均质钢环进行计算。本管幕结构采用温克尔地基模型进行梁单位模拟计算，因此，计算时，将管幕2钢管与管内砼两种材料按刚度等效为均质钢环进行计算，方便计算结果。
进一步地，各几何及物理参数确定后，由于几何解析计算繁琐，应用不变，实际工程应用中，通过有限元计算模型进行数值分析，计算得到管幕2结构受力变形情况。
进一步地，主动破裂角X根据岩体摩擦角按朗肯主动土压力理论进行计算。
进一步地，因本发明采用模拟结构梁进行形变计算，故各步骤之间的计算环旭可以任意变换。
以上所描述的具体实施方式中，各计算步骤均为现有技术，在此不作赘述。
实施例2
一种复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构计算模型，首先根据基于环纵向受力体系的管幕结构计算模型，计算相应参数的取值，然后建立数值结构计算模型，进行数值分析计算。包括以下步骤：
S1、根据管幕2结构上部土体厚度及地表荷载大小，计算管幕2结构上部竖向荷载取值p0；根据管幕2横向间距d，计算得到管幕2梁单元线荷载p(kN/m)＝p0×d；
S2、管幕2与二衬结构的相互作用采用线弹簧模拟，其刚度采用荷载结构模型进行反算，采用梁单元模拟隧道二衬，地层与结构的相互作用采用地层弹簧3(只能受压)模拟；偏安全的计算拱顶管幕2进行分析，通过荷载结构模型计算得到拱顶单位力作用下的拱顶竖向变形δ1，管幕2与二衬结构的相互作用线弹簧刚度k1＝1/δ1(kN/m2)；
S3、对于未施作二衬段(施作初支)，管幕2与初支结构的相互作用同样采用线弹簧模拟，其刚度采用荷载结构模型进行反算，采用梁单元模拟隧道初支，地层与初支的相互作用采用地层弹簧3(只能受压)模拟，初支与钢架的刚度采用等效刚度考虑；偏安全的计算拱顶管幕2进行分析，通过荷载结构模型计算得到拱顶单位力作用下的拱顶竖向变形δ2，管幕2与初支的相互作用线弹簧刚度k2＝1/δ2(kN/m2)；
S4、考虑到开挖后围岩存在裸露的工况，同时喷砼早期强度较低，掌子面1附近初支，不考虑地层弹簧3，其范围等于开挖进尺长度；
S5、计算管幕2与土体之间线弹簧刚度k3(kN/m2)＝地基弹性反力系数×管幕2间距d。考虑到掌子面1主动破裂角X范围土体可能松动导致抗力降低，偏安全的认为掌子面1与管幕2交点线弹簧刚度为零，管幕2与主动破裂角X交点线弹簧刚度等于k3，上述两点之间的范围线弹簧刚度线性变化；主动破裂角X根据岩体摩擦角按朗肯主动土压力理论进行计算；
S6、计算管幕2结构梁单元参数，管幕2钢管与管内砼两种材料按刚度等效为均质钢环进行计算；本管幕结构采用温克尔地基模型进行梁单位模拟计算，因此，计算时，将管幕钢管与管内砼两种材料按刚度等效为均质钢环进行计算，方便计算结果。
S7、各几何及物理参数确定后，由于几何解析解计算繁琐，应用不变；实际工程应用中，通过有限元计算模型进行数值分析，很容易计算得到管幕2结构受力变形情况。
以上所描述的具体实施方式中，各计算步骤均为现有技术，在此不作赘述。
显然，本发明对建立管幕实际受力变形情况的温克尔连续梁地基模型，管幕由连续梁单元荷载，支撑由二衬(线弹簧刚度k1)、初支(线弹簧刚度k2)及未开挖土体(线弹簧刚度k3及渐变段)组成，由于初支与二衬刚度差异较大，即k1刚度远大于k2，实际案例计算表明，二衬及时施作的情况下，管幕单元受力变形较不考虑二衬的情况显著降低，隧道施工安全及沉降控制更为有利，能够解决复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构受力、变形计算。
上述为本发明的较佳实施例，应当理解本领域的技术人员无需创造性劳动即可根据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者实验等得出相关技术方案，因此这些相关技术方案都应在本权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构计算模型，其特征在于：
包括以下步骤：
S1、采用温克尔地基模型，假定地基上任一点所受的压力强度p与该点的地基沉降s成正比，即p＝k·s，k为线弹簧弹性系数；
S2、根据p(kN/m)＝p0×d，d为管幕(2)横向间距，p0为管幕(2)结构上部竖向荷载，计算得到管幕(2)梁单元线荷载；
S3、对于已施作二衬段(L1)，偏安全的计算拱顶管幕(2)进行分析，通过荷载结构模型计算得到拱顶单位力作用下的拱顶竖向变形δ1，管幕(2)与二衬结构的相互作用线弹簧刚度k1＝1/δ1(kN/m2)；
S4、对于施作初支范围(L2)，偏安全的计算拱顶管幕(2)进行分析，通过荷载结构模型计算得到拱顶单位力作用下的拱顶竖向变形δ2，管幕(2)与初支的相互作用线弹簧刚度k2＝1/δ2(kN/m2)；
S5、对未施作初支范围(L3)，考虑到开挖后围岩存在裸露的工况，同时喷砼早期强度较低，不考虑地层弹簧(3)，其范围等于开挖进尺长度；
S6、对于前方未开挖范围(L4)，管幕(2)与土体之间线弹簧刚度k3(kN/m2)＝地基弹性反力系数×管幕(2)间距d。
2.根据权利要求1所述一种复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构计算模型，其特征在于：计算管幕(2)结构梁单元参数，管幕(2)钢管与管内砼两种材料按刚度等效为均质钢环进行计算。
3.根据权利要求1或2所述一种复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构计算模型，其特征在于：计算管幕(2)结构受力变形情况。
4.根据权利要求3所述一种复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构计算模型，其特征在于：主动破裂角(X)根据岩体摩擦角按朗肯主动土压力理论进行计算。
5.根据权利要求1所述一种复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构计算模型，其特征在于：步骤S1～S6之间的计算顺序可以任意变换。
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