CN112329107B - 一种交叉隧道近接区域桥跨式承载结构及计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明特别涉及一种交叉隧道近接区域桥跨式承载结构及计算方法。承载结构位于新建隧道和既有隧道之间，包含上部结构和下部结构，所述上部结构用于支撑所述新建隧道，所述下部结构支撑所述上部结构，所述下部结构包含拱结构，所述拱结构横跨所述既有隧道，所述拱结构的跨度方向沿所述新建隧道的纵向设置，所述上部结构和下部结构之间填充有回填混凝土，所述上部结构和回填混凝土的连接处、所述回填混凝土和下部结构的连接处以及所述上部结构和下部结构的连接处均连接有预埋钢筋。能有效隔离上下隧道，分散交叉隧洞的荷载，削弱对既有隧道的影响，将新建隧道运营期荷载分散传递至周边围岩，有效保证既有隧道的运营安全。

Description

一种交叉隧道近接区域桥跨式承载结构及计算方法
技术领域
本发明涉及交叉隧道工程结构技术领域，特别涉及一种交叉隧道近接区域桥跨式承载结构及拱结构拱轴线的计算方法。
背景技术
近年来，随着基础建设的逐步完善，近接工程不断增多，近接交叉隧道工点层出不穷。近接交叉隧道施工过程中，因隧道开挖、地层损失、爆破震动等因素，新建隧道开挖会对围岩造成二次扰动，引起既有隧道支护结构的应力重分布，加之岩体松动范围扩大，上部隧道荷载叠加围岩自重直接传递至下方既有隧道，必然对既有隧道结构安全产生诸多不利影响。
目前的应对技术中，一般根据近接隧道之间净距采取相应的针对性措施。当隧道净距满足d＜2m时，上下隧道通常采取整体式结构设计；当隧道净距满足2m＜d＜0.5D(D为隧道洞径)时，通常综合采用地层注浆加固、上部隧道采用桩板结构跨越；当隧道净距满足0.5D＜d＜D时，通常采用加强支护及地层注浆加固等方法。
当隧道净距为2m～0.5D时，工程面临的挑战最多，处置难度最大，现有处置技术存在以下不足：围岩注浆加固通过改变岩层力学参数提升近接区域围岩的承载能力，但注浆效果往往难以达到预期，无法确保施工及运营安全；上部隧道采用桩板结构跨越对既有隧道能起到一定保护作用，但桩板结构施工对既有隧道扰动较大，当下部隧道跨度较大时，桩板结构会承受较大荷载，导致板结构挠度过大，失去承载功能进而影响下部隧道结构安全。
发明内容
本发明的目的在于克服现有近接交叉隧道施工中，采用注浆加固和桩板结构均难以达到预期效果，无法确保施工及运营安全的上述不足，提供一种交叉隧道近接区域桥跨式承载结构及拱结构拱轴线的计算方法。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种交叉隧道近接区域桥跨式承载结构，位于新建隧道和既有隧道之间，包含上部结构和下部结构，所述上部结构支撑用于所述新建隧道，所述下部结构支撑所述上部结构，所述下部结构包含拱结构，所述拱结构横跨所述既有隧道，所述拱结构的跨度方向沿所述新建隧道的纵向设置，所述上部结构和下部结构之间填充有回填混凝土，所述上部结构和回填混凝土的连接处、所述回填混凝土和下部结构的连接处以及所述上部结构和下部结构的连接处均连接有预埋钢筋。
采用本发明所述的一种交叉隧道近接区域桥式承载结构，所述承载结构设于新建隧道和既有隧道之间，通过所述下部结构支承所述上部结构，所述上部结构支撑所述新建隧道，所述下部结构包含拱结构，所述上部结构、下部结构通过所述回填混凝土以及相应连接面的预埋钢筋连接成整体，采用本结构受力效果好，有效隔离上下隧道，分散交叉隧洞的荷载，削弱了上部隧道内附加荷载波动对下部既有隧道的影响，能有效将新建隧道的荷载尤其是运营期荷载分散传递至周边围岩，避免了上部载荷直接作用于下方既有隧道，起到保护下部结构的作用，有效保证既有隧道的运营安全。
优选的，所述拱结构包含2-3个拱梁，所述拱梁的宽度为1-2m，相邻两个所述拱梁的间距为3-5m，所述拱结构与既有隧道的间距为2-5m。
采用上述设置方式，有利于减少工程量，降低施工成本，降低施工安全风险。
进一步优选的，所述拱结构还包含拱脚基础，所述拱脚基础的连接面和所述拱梁的连接面分别具有适配连接的凹槽和凸台，所述凹槽和凸台之间具有橡胶垫块。
采用上述设置方式，有利于提高所述拱结构的整体刚度，所述拱梁与拱脚基础之间通过嵌合的方式连接，具有一定程度的类似铰接的活动性，连接面设有所述橡胶垫块，有利于缓冲所述新建隧道的运营荷载对所述拱梁的影响。
进一步优选的，所述上部结构与拱梁之间填充有所述回填混凝土。
采用上述设置方式，进一步降低新建隧道施工对既有隧道的扰动。
进一步优选的，所述承载结构两侧端面贴合围岩的破裂面，所述拱脚基础嵌入所述破裂面以外岩体，嵌入深度大于或等于1m。
进一步保证承载结构稳定可靠，避免近接区域围岩松动的影响，最大限度降低了上部隧道施工对下部隧道的影响。
优选的，所述拱结构的跨度为2D-2.5D，D为所述既有隧道的洞径。
优选的，所述上部结构包含钢筋混凝土垫板。
进一步优选的，所述钢筋混凝土垫板与新建隧道两侧的间隙浇筑有混凝土支撑结构，所述混凝土支撑结构与钢筋混凝土垫板之间连接有预埋钢筋。
由于隧道结构为弧形结构，施工时，待所述混凝土支撑结构回填完成后，及时施作上跨隧道防水层，最后浇筑所述新建隧道的衬砌结构，以实现所述新建隧道的衬砌与垫板的有效联结，保证结构受力稳定。
一种如上述任一所述的拱结构拱轴线的计算方法，包含如下步骤：
a、对拱结构进行受力分析；
b、根据所述拱结构的拱脚总弯矩∑M1＝0确定所述拱脚所受的竖直反力
Figure BDA0002763586370000031
根据所述拱结构的拱顶总弯矩∑M2＝0确定所述拱脚所受的水平反力
Figure BDA0002763586370000032
其中，H表示所述拱结构的跨度，f表示所述拱结构的高度，q1表示所述拱结构所受的均布压力，q2表示所述拱结构所受的三角荷载；
c、假定所述拱结构的拱轴线上任一截面弯矩为0，得到所述拱轴线方程为
Figure BDA0002763586370000033
其中，x表示所述拱结构的拱脚与拱顶的横向距离，y表示所述拱结构的拱脚与拱顶的竖向距离。
采用本发明所述的一种交叉隧道近接区域桥跨式承载结构的拱结构拱轴线的计算方法，通过合理计算所述拱结构的拱轴线，进而确定所述拱结构的厚度，既能够充分发挥其承载能力，保障结构体系安全性，又能优化受力、实现工程经济性。
优选的，所述拱结构所受的三角荷载q2＝γf，γ表示回填混凝土的重度。
综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用本发明所述的一种交叉隧道近接区域桥跨式承载结构，受力效果好，有效隔离上下隧道，分散交叉隧洞的荷载，削弱了上部隧道内附加荷载波动对下部既有隧道的影响，能有效将新建隧道的荷载尤其是运营期荷载分散传递至周边围岩，避免了上部载荷直接作用于下方既有隧道，起到保护下部结构的作用，有效保证既有隧道的运营安全。
2、采用本发明所述的一种交叉隧道近接区域桥跨式承载结构，实现所述新建隧道的衬砌与垫板的有效联结，最大限度降低了上部隧道施工对下部隧道的影响
3、采用本发明所述的一种交叉隧道近接区域桥跨式承载结构的拱结构拱轴线的计算方法，通过合理计算所述拱结构的拱轴线，进而确定所述拱结构的厚度，既能够充分发挥其承载能力，保障结构体系安全性，又能优化受力、实现工程经济性。
附图说明：
图1为实施例1中的桥跨式承载结构的横断面示意图；
图2为实施例1中的桥跨式承载结构的平面示意图；
图3为实施例1中的桥跨式承载结构的纵断面示意图；
图4为实施例1中的拱结构的结构示意图；
图5为实施例1中的拱结构拱脚处的结构示意图；
图6为实施例1中的拱结构的受力分析示意图；
图7为实施例1中的桥跨式承载结构的流程图。
图中标记：1-新建隧道，2-既有隧道，3-上部结构，4-下部结构，41-拱梁，42-拱脚基础，5-回填混凝土，6-橡胶垫块，7-混凝土支撑结构。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例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1
本发明所述的一种交叉隧道近接区域桥跨式承载结构，如图1所示，所述新建隧道1和既有隧道2交叉设置，桥跨式承载结构位于新建隧道1和既有隧道2之间，包含上部结构3和下部结构4，所述上部结构3用于支撑所述新建隧道1，所述下部结构4支撑所述上部结构3，所述下部结构4包含拱结构，所述拱结构横跨所述既有隧道2，所述拱结构的跨度方向沿所述新建隧道1的纵向设置，所述上部结构3和下部结构4之间填充有回填混凝土5，所述上部结构3和回填混凝土5的连接处、所述回填混凝土5和下部结构4的连接处以及所述上部结构3和下部结构4的连接处均连接有预埋钢筋。
具体的，所述拱结构包含2-3个拱梁41，所述上部结构3包含钢筋混凝土垫板，如图2-4所示，本实施例中示例为3个所述拱梁41，所述拱梁41的宽度为1-2m，相邻两个所述拱梁41的间距为3-5m，所述拱结构与既有隧道2的间距为2-5m，所述拱结构的跨度为2D-2.5D，D为所述既有隧道2的洞径，所述拱结构的跨度方向沿所述新建隧道1的纵向设置，每个拱梁41的两个拱脚处还设有拱脚基础42，所述钢筋混凝土垫板的尺寸适配所述拱结构的尺寸，所述钢筋混凝土垫板与拱梁41之间填充有所述回填混凝土5，参见图4。所述拱脚基础42的连接面和所述拱梁41的连接面分别具有适配连接的凹槽和凸台，所述凹槽和凸台之间具有橡胶垫块6，如图5所示，所述拱脚基础42的连接面具有凹槽，所述拱梁41的连接面具有凸台。所述承载结构两侧端面贴合围岩的破裂面8，所述破裂面8的计算方法可参考《铁路隧道设计规范》进行计算，所述拱脚基础42嵌入所述破裂面8以外岩体，嵌入深度大于或等于1m。进一步保证承载结构稳定可靠，避免近接区域围岩松动的影响，最大限度降低了上部隧道施工对下部隧道的影响。
如图3所示，所述钢筋混凝土垫板与新建隧道1两侧之间的间隙浇筑有混凝土支撑结构7，所述混凝土支撑结构7与钢筋混凝土垫板的接触面也设有接茬钢筋(未示出)，以实现隧道衬砌与垫板的有效联结，以利结构受力。
本结构受力效果好，有效隔离上下隧道，分散交叉隧洞的荷载，削弱了上部隧道内附加荷载波动对下部既有隧道的影响，能有效将新建隧道的荷载尤其是运营期荷载分散传递至周边围岩，避免了上部载荷直接作用于下方既有隧道，起到保护下部结构的作用，有效保证既有隧道的运营安全。
在本承载结构中，所述拱梁41的拱轴线应考虑优化受力、施工方便、经济实用等因素综合因素，采用科学合理的结构形式。
如拱轴线采用如下计算方法获得，包含如下步骤：
a、对拱结构进行受力分析；
b、根据所述拱结构的拱脚总弯矩∑M1＝0确定所述拱脚所受的竖直反力
Figure BDA0002763586370000061
根据所述拱结构的拱顶总弯矩∑M2＝0确定所述拱脚所受的水平反力
Figure BDA0002763586370000062
其中，H表示所述拱结构的跨度，f表示所述拱结构的高度，q1表示所述拱结构所受的均布压力，q2表示所述拱结构所受的三角荷载；
c、假定所述拱结构的拱轴线上任一截面弯矩为0，得到所述拱轴线方程为
Figure BDA0002763586370000063
其中，x表示所述拱结构的拱脚与拱顶的横向距离，y表示所述拱结构的拱脚与拱顶的竖向距离。
如对所述拱梁41的受力分析参见图6所示，H表示所述拱结构的跨度，f表示所述拱结构的高度，假设所述拱梁41的两个拱脚均受水平反力Fh作用、受竖直反力Fv作用，所述拱梁41上部荷载主要由所述新建隧道1的自重、围岩压力以及回填混凝土5的自重等荷载组成，将荷载简化为均布压力q1与三角荷载q2的叠加。
由∑M1＝0，得到所述拱脚所受的竖直反力
Figure BDA0002763586370000071
根据所述拱结构的拱顶总弯矩∑M2＝0确定所述拱脚所受的水平反力
Figure BDA0002763586370000072
假定所述拱结构的拱轴线上任一截面弯矩为0，得到：
Figure BDA0002763586370000073
代入Fh和Fv，进而获得所述拱结构的拱轴线方程为：
Figure BDA0002763586370000074
Figure DA00027635863753585488
其中，均布压力q1应根据所述新建隧道1的埋深情况采用不同计算方法，三角荷载q2＝γf，γ表示回填混凝土5的重度。通过合理计算，既能够充分发挥拱梁41的承载能力，保障结构体系安全性，又能实现工程经济性。
本发明所述的承载结构还可通过工序控制、分步施作的工法，进一步降低施工过程中对所述既有隧道2的扰动。
如采用如下的施工方法，包含如下步骤：
如图7所示，当所述新建隧道1开挖至近接区域并完成初支后，宜进行基底注浆加固，有效控制基底的隆起变形。所述的注浆加固方法可采用现有技术中的方法，如通过风机钻开孔，埋入钢花管，然后注入普通水泥浆进行加固。
待所述新建隧道1的变形得到基本控制后，从上往下分层开挖所述混凝土支撑7、钢筋混凝土垫板、回填混凝土5部位的土体，同时根据地层情况对下部围岩进行注浆加固以控制变形。
之后开挖所述新建隧道1正下方的所述拱梁41的围岩，每向下开挖1-2m，对开挖区域两侧的围岩采取喷锚网防护，直至完成中部的所述拱梁41的施作空间，接着，开挖对应所述拱梁41的两个拱脚基础42的施作空间，然后于所述拱梁41及两个拱脚基础42架设钢筋骨架，并在顶面预留接茬钢筋，最后，一次浇筑成型两个所述拱脚基础42，再一次浇筑成型所述拱梁41，所述拱梁41初凝且强度达到预设强度后，浇筑对应所述回填混凝土5。
然后，待中部的所述拱梁41初凝且强度达到预设强度后，如设计强度的75％，同时对称开挖两侧的两个所述拱梁41及对应的拱脚基础42的土体并施作钢筋混凝土结构，施工工序与中部的所述拱梁41的施工步骤一致。
待三个所述拱梁41均达到满足要求的强度够，架设所述钢筋混凝土垫板的钢筋并预留与所述混凝土支撑结构7的接茬钢筋，然后浇筑所述钢筋混凝土垫板，所述钢筋混凝土垫板与回填混凝土5的连接面处振捣密实。
而后，进行所述混凝土支撑结构7的混凝土回填，所述混凝土支撑结构7与钢筋混凝土垫板连接处振捣密实，混凝土支撑结构7不得侵入二衬施做空间。
待所述混凝土支撑结构7回填完成后，及时施作所述新建隧道1的防水层，最后浇筑所述新建隧道1的衬砌结构。
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 (9)

1.一种交叉隧道近接区域桥跨式承载结构，其特征在于，位于新建隧道(1)和既有隧道(2)之间，包含上部结构(3)和下部结构(4)，所述上部结构(3)用于支撑所述新建隧道(1)，所述下部结构(4)支撑所述上部结构(3)，所述下部结构(4)包含拱结构，所述拱结构横跨所述既有隧道(2)，所述拱结构的跨度方向沿所述新建隧道(1)的纵向设置，所述上部结构(3)和下部结构(4)之间填充有回填混凝土(5)，所述上部结构(3)和回填混凝土(5)的连接处、所述回填混凝土(5)和下部结构(4)的连接处以及所述上部结构(3)和下部结构(4)的连接处均连接有预埋钢筋，所述拱结构包含2-3个拱梁(41)，所述拱结构还包含拱脚基础(42)，所述拱脚基础(42)的连接面和所述拱梁(41)的连接面分别具有适配连接的凹槽和凸台，所述拱结构的跨度为2D-2.5D，D为所述既有隧道(2)的洞径。
2.根据权利要求1所述的承载结构，其特征在于，所述拱梁(41)的宽度为1-2m，相邻两个所述拱梁(41)的间距为3-5m，所述拱结构与既有隧道(2)的间距为2-5m。
3.根据权利要求2所述的承载结构，其特征在于，所述凹槽和凸台之间具有橡胶垫块(6)。
4.根据权利要求3所述的承载结构，其特征在于，所述上部结构(3)与拱梁(41)之间填充有所述回填混凝土(5)。
5.根据权利要求3所述的承载结构，其特征在于，所述承载结构两侧端面贴合围岩的破裂面(8)，所述拱脚基础(42)嵌入所述破裂面(8)以外岩体，嵌入深度大于或等于1m。
6.根据权利要求1-5任一所述的承载结构，其特征在于，所述上部结构(3)包含钢筋混凝土垫板。
7.根据权利要求6所述的承载结构，其特征在于，所述钢筋混凝土垫板与新建隧道(1)两侧的间隙浇筑有混凝土支撑结构(7)，所述混凝土支撑结构(7)与钢筋混凝土垫板之间连接有预埋钢筋。
8.一种如权利要求1-7任一所述的拱结构拱轴线的计算方法，其特征在于，包含如下步骤：
a、对拱结构进行受力分析；
b、根据所述拱结构的拱脚总弯矩
Figure 201748DEST_PATH_IMAGE002
确定所述拱脚所受的竖直反力
Figure 181205DEST_PATH_IMAGE003
，根据所述拱结构的拱顶总弯矩
Figure 23259DEST_PATH_IMAGE005
确定所述拱脚所受的水平反力
Figure 684048DEST_PATH_IMAGE006
，其中，H表示所述拱结构的跨度，f表示所述拱结构的高度，q 1表示所述拱结构所受的均布压力，q 2表示所述拱结构所受的三角荷载；
c、假定所述拱结构的拱轴线上任一截面弯矩为0，得到拱轴线方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，其中，x表示所述拱结构的拱脚与拱顶的横向距离，y表示所述拱结构的拱脚与拱顶的竖向距离。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述拱结构所受的三角荷载
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，γ表示回填混凝土(5)的重度。
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