CN110633482A - 一种隧道超前管棚变形计算方法 - Google Patents

Abstract

一种隧道超前管棚变形的计算方法，以快速、简单的得到不同管棚直径、荷载、未支护段长度等条件下管棚结构的位移，为隧道设计、施工提供准确和可靠的数据支持。按如下步骤进行：①分析管棚的受力情况和变形机理，得到计算变形的合理简化模型；②分析和计算管棚承受的荷载；③确定管棚各支承段的抗力系数；④建立有限组管棚变形数值模型；⑤根据各工况计算得到变形值，将管棚的变形分解成两部分，管棚变形计算公式按下式计算：拟合得到管棚弯曲变形综合系数α和管棚体系压缩变形综合系数β。

Description

一种隧道超前管棚变形计算方法

技术领域

本发明专利涉及铁路隧道、公路隧道工程领域，特别涉及一种隧道超 前管棚变形的计算方法。

背景技术

随着国家经济水平的提高，基础设施建设得到了空前的发展，铁路修 建过程中，常面临着隧道近距下穿既有构(建)筑物的难题，若采取的工 程措施不当，施工易引起既有构(建)物沉降、变形，甚至发生隧道坍塌。 近年来隧道近距下穿既有铁路的路基或隧道段，常采用洞内超前大管棚支 护，而目前大管棚的支护机理尚不明确，变形规律不明晰，设计多采用工 程类比法。

目前，国内外学者针对管棚变形机制进行了一定研究，基于Pasternak 弹性地基梁理论，推导了管棚的挠度方程和内力计算公式。现场采用应变 计对管棚纵向变形进行监测或者对洞内和地表沉降进行监测，分析管棚在 隧道开挖过程中的受力特性和变形分布规律。基于隧道塌方处理中管棚支 护的力学机理，建立简单实用的力学模型，进行了管棚的参数计算。

但是上述多数仅对支护机理进行了研究，而对管棚变形影响规律及变 形公式计算研究较少，或变形理论计算公式复杂难于应用于工程实际，具 有一定的局限性。因此，如何简单、快速、方便计算超前管棚的位移，成 为隧道设计、施工中的重难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种隧道超前管棚变形的计算方 法，以快速、简单的得到不同管棚直径、荷载、未支护段长度等条件下管 棚结构的位移，为隧道设计、施工提供准确和可靠的数据支持。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种隧道超前管棚变形的计算方法，按如下步骤进行：

①分析管棚的受力情况和变形机理，得到计算变形的合理简化模型；

②分析和计算管棚承受的荷载；

③确定管棚各支承段的抗力系数；

④建立有限组管棚变形数值模型，计算不同直径、荷载、未支承段长 度工况下管棚变形值，其中管棚采用梁单元模拟，支承作用采用受压链杆 单元模拟；

⑤根据各工况计算得到变形值，将管棚的变形分解成两部分，即有支 护、有抗力段在荷载作用下发生的压缩变形和未支护段管棚跨越结构在荷 载作用下发生弯曲变形，管棚变形计算公式按下式计算：

式中，s为管棚最大位移值，m；α为管棚弯曲变形综合系数；q为 管棚承受的垂直均布荷载，N/m；l为管棚未支护段，包括支护但未形成 有效抗力段，m；EI为管棚抗弯刚度，Nm2；β为管棚体系压缩变形综合 系数；k为管棚支承弹性抗力系数，pa；

拟合得到管棚弯曲变形综合系数α和管棚体系压缩变形综合系数β。

本发明专利的有益效果是，将管棚的变形分解成压缩变形和弯曲变形 两部分，并提出相应的计算公式，通过简单的理论计算，可以快速、简单 的得到不同管棚直径、荷载、未支护段长度等条件下管棚结构的位移，为 隧道设计、施工提供准确和可靠的数据支持，具有简单、可靠、经济和快 速的特点。

附图说明

本说明书包括两幅附图：

图1为管棚计算模型图；

图2为管棚弹性梁模型图；

图中构件、部位名称及所对应标记：围岩1、破裂面2、隧道开挖掌 子面3、管棚4、管棚初支成环段41、管棚初支未成环段42、管棚未支护 段43、管棚扰动段44、管棚未扰动段45、初支型钢钢架5、初支喷射混 凝土6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

隧道近距下穿既有铁路的路基或隧道段，矿山法施工时常采用洞内超 前大管棚支护，而目前超前管棚的变形规律不明晰，国内外学者对支护机 理进行了研究，而管棚对变形计算公式研究较少，有一定的局限性。因此， 如何简单快速计算隧道超前管棚的变形成为隧道设计、施工中的重难点。

参照图1和图2，本发明的一种隧道超前管棚变形的计算方法，按如 下步骤进行：

①分析管棚的受力情况和变形机理，得到计算变形的合理简化模型；

②分析和计算管棚承受的荷载；

③确定管棚各支承段的抗力系数；

④建立有限组管棚变形数值模型，计算不同直径、荷载、未支承段长 度工况下管棚变形值，其中管棚采用梁单元模拟，支承作用采用受压链杆 单元模拟；

⑤根据各工况计算得到变形值，将管棚的变形分解成两部分，即有支 护、有抗力段在荷载作用下发生的压缩变形和未支护段管棚跨越结构在荷 载作用下发生的弯曲变形，管棚变形计算公式按下式计算：

式中，s为管棚最大位移值，m；α为管棚弯曲变形综合系数；q为 管棚承受的垂直均布荷载，N/m；l为管棚未支护段，包括支护但未形成 有效抗力段，m；EI为管棚抗弯刚度，Nm2；β为管棚体系压缩变形综合 系数；k为管棚支承弹性抗力系数，pa；

管棚变形拟合得到管棚弯曲变形综合系数α和管棚体系压缩变形综 合系数β。

所述步骤③中，围岩提供的抗力系数根据相关规范确定，初支段的抗 力系数建立荷载结构模型后计算确定。

实施例：

改建铁路成都至昆明线任山隧道进口里程DK174+425，出口里程 DK175+385，全长960m，最大埋深约175m。任山隧道于DK175+279附 近下穿既有老成昆铁路正线，于DK175+314附近下穿既有老成昆铁路牵 出线，新建隧道与老成昆正线夹角约43°51′39″，与既有牵出线的夹角约 61°3′50″，新建隧道拱顶距既有老成昆正线路基轨面约4.45m，距既有牵 出线路基约6.66m，既有成昆级及牵出线均为填方路基工程。

该隧道超前管棚变形的计算方法，按如下步骤进行：

①分析管棚的受力情况和变形机理，得到计算变形的合理简化模型。 参照图1和图2，分析管棚结构随着掌子面的开挖受力发生改变，适当简 化后，可将管棚受力分为如下几段：

1.图中A-B段为初支管棚初支成环段41，采用初支型钢钢架5和初 支喷射混凝土层6形成管棚4的支承，支承等效为刚度为k₁的弹性支承；

2.图中B-C段为管棚初支未成环段42，但考虑一定的支承能力，等 效为刚度为k₂的弹性支承；

3.图中C-D段为管棚未支护段43，该段未施做初期支护或初期支护 强度未达到承载能力要求，不考虑支承能力，该段管棚承担上部土压力及 其他荷载，而下部无有效支承，管棚变形大；

4.图中D-E段为管棚扰动段44，该段受掌子面开挖的影响，土体受 到扰动，承载能力降低，弹性抗力系数为k₃；

5.图中E-F段为管棚未扰动段45，为管棚提供有效的支承，弹性抗力 系数为k₄。

②分析和计算管棚承受的荷载，根据现场实际情况，分析本工程管棚 4结构自重、围岩压力、弹性抗力以及列车荷载。

③确定管棚各支承段的抗力系数。

围岩提供的抗力系数根据《铁路隧道设计规范》等相关规范确定，初 支段的抗力系数采用ANSYS有限元分析软件建立荷载结构模型计算确 定。管棚结构的等效刚度，根据《组合结构设计规范》确定。

④建立有限组管棚变形数值模型，计算不同直径、荷载、未支承段长 度工况下管棚变形值，其中管棚采用梁单元模拟，支承作用采用受压链杆 单元模拟。

1.不同管棚和未支护长度管棚变形值

管棚初支成环段41取5m，管棚初支未成环段42取8m，管棚扰动 段44取3.5m，管棚未扰动段45取6.5m，各工况下管棚4的变形值如表 1所示。

表1不同直径和未支护段长度管棚的变形值(mm)

管棚未支护段43长度不大于1m时，整体呈现随着刚度增大，变形 逐渐减小的趋势，但是变化幅度相对较小，当管棚未支护段43长度较大 时，管棚变形随着刚度增大而减小，当管棚刚度较小时，刚度增大变形显 著减小，当刚度达到临界值后，增大刚度变形减小不显著，管棚未支护段 43长度越长，临界刚度越大。管棚随着未支护段的增大，变形逐渐增大， 并且刚度越小增加的幅度越大。

2.其他段长度不同时管棚的变形值

管棚4直径选取为

管棚初支未支护段43长度取3m，管棚初 支成环段41、管棚初支未成环段42、管棚扰动段44和管棚未扰动段45 长度取1m～10m时，管棚4的变形统计如表2所示。

表2其他段变化时管棚变形值(mm)

当管棚4直径和管棚未支护段43长度不变时，其他几段长度发生变化 时，管棚变形值变化较小，扰动段长度对变形影响最小，管棚未扰动段 45长度影响最大。管棚变形随着管棚初支未成环段42和管棚未扰动段45 长度增加，总体呈现出减小的趋势，但是减小幅度较小，当长度大于5m 时，基本无变化。管棚变形随着管棚初支成环段41和管棚扰动段44长度 增大，变形减小，当长度达到临界值后增大长度，变形值基本无变化，管 棚初支成环段41临界长度值为4m，管棚未扰动段45临界值为3m。

3.不同荷载时管棚的变形值

管棚初支成环段41取5m，管棚初支未成环段42取8m，管棚扰动 段44取3.5m，未扰动段段6.5m时，不同荷载和管棚未支护段43长度工 况下，管棚4的变形值统计如表3所示。

表3荷载变形时管棚变形值(mm)

其他条件相同时，管棚变形随着荷载的增加，呈现出线性增长，管棚 未支护段长度越长，变形增长越快，曲线斜率越大。

⑤根据各工况计算得到变形值，将管棚的变形分解成两部分，即有支 护、有抗力段在荷载作用下发生的压缩变形和未支护段管棚跨越结构在荷 载作用下发生弯曲变形的，管棚变形计算公式按下式计算：

式中，s为管棚最大位移值，m；α为管棚弯曲变形综合系数；q为 管棚承受的垂直均布荷载，N/m；l为管棚未支护段长度，包括支护但未 形成有效抗力段，m；EI为管棚抗弯刚度，Nm2；β为管棚体系压缩变形 综合系数；k为管棚支承弹性抗力系数，pa；

拟合得到管棚弯曲变形综合系数α和管棚体系压缩变形综合系数β。

采用Matlab软件，基于表1数据，对不同管棚未支护段长度的管棚 弯曲变形系数和压缩变形系数进行拟合，得到的数值如下表：

表4弯曲、压缩变形系数

根据表4数据，采用Matlab软件进行拟合，得到弯曲变形综合系数 和压缩变形综合系数分别按下式计算：

α＝1.14e^-0.13l

β＝3.64l^-1.42

本发明结合任山隧道下穿既有铁路，简化超前管棚受力模型，采用 ANSYS软件计算了不同工况下的管棚变形值，运用MATLAB软件得到 了管棚变形计算参数，提出了管棚变形计算公式，该方法简单、可靠、经 济、快速，能适用于隧道超前管棚变形的计算。

Claims (2)

1.一种隧道超前管棚变形的计算方法，按如下步骤进行：

①分析管棚的受力情况和变形机理，得到计算变形的合理简化模型；

②分析和计算管棚承受的荷载；

③确定管棚各支承段的抗力系数；

④建立有限组管棚变形数值模型，计算不同直径、荷载、未支承段长度工况下管棚变形值，其中管棚采用梁单元模拟，支承作用采用受压链杆单元模拟；

⑤根据各工况计算得到变形值，将管棚的变形分解成两部分，即有支护、有抗力段在荷载作用下发生的压缩变形和未支护段管棚跨越结构在荷载作用下发生的弯曲变形，管棚变形计算公式按下式计算：

式中，s为管棚最大位移值，m；α为管棚弯曲变形综合系数；q为管棚承受的垂直均布荷载，N/m；l为管棚未支护段，包括支护但未形成有效抗力段，m；EI为管棚抗弯刚度，Nm²；β为管棚体系压缩变形综合系数；k为管棚支承弹性抗力系数，pa；

管棚变形拟合得到管棚弯曲变形综合系数α和管棚体系压缩变形综合系数β。

2.如权利要求1所述一种隧道超前管棚变形的计算方法，其特征是：所述步骤③中，围岩提供的抗力系数根据相关规范确定，初支段的抗力系数建立荷载结构模型后计算确定。

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