CN112613106B - 隧道底鼓段隧底荷载的计算方法 - Google Patents

隧道底鼓段隧底荷载的计算方法 Download PDF

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Abstract

隧道底鼓段隧底荷载的计算方法，为合理确定整治措施提供理论依据，使整治措施更为合理、经济和有效。按如下步骤进行：①确定衬砌结构计算力学模型，对底鼓段隧道衬砌荷载分布进行修正，除拱墙承受围岩荷载外，仰拱承受均布荷载，方向竖直向上；②确定计算所需要的基本参数，包括围岩重度、围岩级别、开挖跨度、侧压力系数、围岩弹性抗力，根据相关规范和地勘成果合理确定；③计算拱墙衬砌受承受的荷载；④建立结构计算模型；⑤计算不同围岩级别、跨度、矢跨比和厚度工况下，仰拱最大底鼓量；⑥拟合得到仰拱最大底鼓量计算公式；⑦得到底鼓段隧底荷载计算公式如下：
Figure DDA0002855563930000011
。

Description

隧道底鼓段隧底荷载的计算方法
技术领域
本发明涉及铁路隧道、公路隧道，特别涉及一种隧道底鼓段隧底荷载的计算方法。
背景技术
随着我国高速铁路的迅速发展，无砟轨道得到了大量运用。较十多年前相比，近年来我国建成或新建铁路隧道断面更大、速度更高且埋深更大、地应力更高、地质条件更复杂，部分运营隧道局部出现隧底隆起、变形、填充开裂等病害影响无砟轨道，初步分析引起原因主要有地下水、高地应力、膨胀岩(土)以及缓倾层状软弱围岩，运营期间整治难度大、代价高、进度慢，且整治措施较差，部分单纯由地下水引起的病害通过增设引、排水措施后，整治效果良好，而对其他一些原因的隧道底鼓，部分隧道整治后底鼓得以控制，而部分隧道整治效果较差，底鼓仍在持续。
究其原因主要是隧道底鼓机理尚不明晰，现行铁路隧道规范所采用基于塌方而得到的围岩荷载，只分布于拱墙而隧底无荷载，而目前无法得到隧底荷载的分布及计算方法，导致采取的整治措施缺乏针对性，无法准确预判整治措施的有效性。
因此，提出隧底荷载的计算方法，尤为迫切和必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种隧道底鼓段隧底荷载的计算方法，提出隧道底鼓段隧底荷载的计算方法，为合理确定整治措施提供理论依据，使整治措施更为合理、经济和有效。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的隧道底鼓段隧底荷载的计算方法，隧道底鼓段隧底荷载的计算方法，按如下步骤进行：
①确定衬砌结构计算力学模型，对底鼓段隧道衬砌荷载分布进行修正，除拱墙承受围岩荷载外，仰拱承受均布荷载，方向竖直向上；
②确定计算所需要的基本参数，包括围岩重度、围岩级别、开挖跨度、侧压力系数、围岩弹性抗力，根据相关规范和地勘成果合理确定；
③计算拱墙衬砌受承受的荷载；
④建立结构计算模型；
⑤计算不同围岩级别、跨度、矢跨比和厚度工况下，仰拱最大底鼓量；
⑥拟合得到仰拱最大底鼓量计算公式如下：
Figure BDA0002855563910000021
式中：μ为隧道最大底鼓值，单位mm；q2为作用在隧底结构上的均布荷载，单位kN/m；l为隧道仰拱结构计算跨度，单位m；E为隧道衬砌弹性模量，单位MPa；I为隧道衬砌截面惯性矩，单位m4；α为等效系数；β为衰减系数；
其中：
α＝1.04×10-4l+9.14×10-4h+1.92×10-4s+3.10×10-3
β＝e-12.92λ-3.54×10-2l-0.655h2+1.368h+0.0266
式中：h为衬砌厚度，单位m，s为围岩级别，λ为仰拱矢跨比；
⑦得到底鼓段隧底荷载计算公式：
Figure BDA0002855563910000022
式中：q2为作用在隧底结构上的均布荷载，单位kN/m；μ为隧道最大底鼓值，单位mm；l为隧道仰拱结构计算跨度，单位m；E为隧道衬砌弹性模量，单位MPa；I为隧道衬砌截面惯性矩，单位m4；α为等效系数；β为衰减系数。
本发明的有益效果是，提出了隧道底鼓段隧底荷载的计算公式，优化了现有设计理论无法计算隧底荷载的不足，为底鼓整治提供理论支撑，使整治措施更为合理、经济、有效，避免因隧底荷载无法确定，导致整治措施偏强或偏弱，最终造成资源浪费或措施失效，同时公式简单、实用，可便捷应用于底鼓段隧底荷载计算和确定。
附图说明
本说明书包括如下三幅附图：
图1是本发明隧道底鼓段隧底荷载的计算方法中衬砌结构计算力学模型图；
图2是本发明隧道底鼓段隧底荷载的计算方法的结构计算模型；
图3是本发明隧道底鼓段隧底荷载的计算方法中仰拱不同矢跨比轴线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的隧道底鼓段隧底荷载的计算方法，按如下步骤进行：
①确定衬砌结构计算力学模型，对底鼓段隧道衬砌荷载分布进行，除拱墙承受围岩荷载外，仰拱部分承受竖直向上的均布荷载；
②确定计算所需要的基本参数，包括围岩重度、围岩级别、开挖跨度、侧压力系数、围岩弹性抗力，根据相关规范和地勘成果合理确定；
③计算拱墙衬砌受承受的荷载；
④建立结构计算模型；
⑤计算不同围岩级别、跨度、矢跨比和厚度工况下，仰拱最大底鼓量；
⑥拟合得到仰拱最大底鼓量计算公式如下：
Figure BDA0002855563910000031
式中：μ为隧道最大底鼓值，单位mm；q2为作用在隧底结构上的均布荷载，单位kN/m；l为隧道仰拱结构计算跨度，单位m；E为隧道衬砌弹性模量，单位MPa；I为隧道衬砌截面惯性矩，单位m4；α为等效系数；β为衰减系数；
其中：
α＝1.04×10-4l+9.14×10-4h+1.92×10-4s+3.10×10-3
β＝e-12.92λ-3.54×10-2l-0.655h2+1.368h+0.0266
式中：h为衬砌厚度，单位m，s为围岩级别，λ为仰拱矢跨比；
⑧得到底鼓段隧底荷载计算公式：
Figure BDA0002855563910000041
式中：q2为作用在隧底结构上的均布荷载，单位kN/m；μ为隧道最大底鼓值，单位mm；l为隧道仰拱结构计算跨度，单位m；E为隧道衬砌弹性模量，单位MPa；I为隧道衬砌截面惯性矩，单位m4；α为等效系数；β为衰减系数。
如图1所示，所述步骤①中，分析缓倾层状围岩底鼓段隧道衬砌横断面病害情况，可发现拱墙衬砌未发现裂缝且变形数值较小，而仰拱部分变形通常较大且出现开裂，这表明仰拱不仅承受直接荷载且数值较大。因此，对底鼓段隧道衬砌荷载分布进行适当修正，除拱墙承受围岩荷载外，仰拱部分承受竖直向上的均布荷载，如图1所示。
所述步骤③中，拱墙衬砌受承受的荷载为深埋围岩荷载，深埋围岩荷载按下式计算：
围岩垂直匀布压力q1＝γh
h＝0.45×2S-1ω
式中：q1为围岩垂直匀布压力，单位kPa；γ为围岩重度，单位kN/m3；h为围岩压力计算高度，单位m；s为围岩级别；ω为宽度影响系数，ω＝1+i×(B-5)；B为坑道宽度，单位m；i为B每增减1m时的围岩压力增减率，当B<5m时取i＝0.2，B>5m时取i＝0.1。
水平围岩压力e＝λq1
式中：e为水平围岩压力，单位kPa；λ为围岩水平侧压力系数；
λ按下表取值：
Figure BDA0002855563910000051
所述步骤④中，结构计算模型采用梁单元模型衬砌，用链杆模拟围岩和衬砌的相互作用，链杆一端与衬砌连接，另一端采用固定约束，围岩的弹性抗力按下式计算。
σ＝Kδ
式中：σ为弹性反力强度，单位Pa；K为围岩弹性反力系数，单位Pa/m；δ为衬砌向岩层方向的变形值，单位m。
所述步骤⑤中，计算不同工况下仰拱最大底鼓量按如下方式进行：
为了通过底鼓量反演荷载荷载，需要研究最大底鼓量的计算公式，本申请开展了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，4种不同跨度、4种不同厚度和9种不同矢跨比，共计432种工况最大底鼓量计算，得到计算结果如下表所示。
隧底结构底鼓值(mm)
Figure BDA0002855563910000052
Figure BDA0002855563910000061
以计算某高铁双线隧道底鼓段隧底荷载为例：
某高铁双线隧道，设计时速350km，全长5523m，最大埋深467m。隧道开通运营后，有4段发生了道床异常上拱的病害。其中一段从2017年1月开始，截止2018年1月，隧道左右线及隧道中线最大上拱处均位于K1968+060，监测期内，隧道左线中线最大上拱值为48.0mm，隧道中线最大上拱值为50.3mm，隧道右线中线最大上拱值为38.0mm。
该段围岩级别为Ⅳ级，二次衬砌为C35素混凝土，拱墙厚45cm，仰拱厚55cm，仰拱跨度12.2m，计算等效矢跨比1/7.2。根据现场监测得到实际仰拱最大底鼓量为50.3mm。采用本专利提出的计算方法计算隧底荷载：
E＝32.5×109Pa
Figure BDA0002855563910000071
u＝0.0503m
α＝1.04×10-4×12.2+9.14×10-4×0.55+1.92×10-4×4+3.1×10-3＝5.6395×10-3
Figure BDA0002855563910000072
Figure BDA0002855563910000073
通过本专利提出的荷载计算计算公式得到隧底荷载为575Kpa，将该荷载作为整治措施设计时的依据，该段仰拱按施加575Kpa的隧底荷载进行设计，目前整治后未发现异常。
本发明提出了隧道底鼓段隧底荷载的分布型式和计算方法，优化原设计理论无法计算隧底荷载的不足，可准确确定底鼓段仰拱受到的围岩荷载，为底鼓整治提供理论支撑，使整治措施更为合理、经济、有效，避免因隧底荷载无法确定，导致整治措施偏强或偏弱，最终造成资源浪费或措施失效。

Claims (3)

1.隧道底鼓段隧底荷载的计算方法，按如下步骤进行：
①确定衬砌结构计算力学模型，对底鼓段隧道衬砌荷载分布进行修正，除拱墙承受围岩荷载外，仰拱承受均布荷载，方向竖直向上；
②确定计算所需要的基本参数，包括围岩重度、围岩级别、开挖跨度、侧压力系数、围岩弹性抗力，根据相关规范和地勘成果合理确定；
③计算拱墙衬砌受承受的荷载；
④建立结构计算模型；
⑤计算不同围岩级别、跨度、矢跨比和厚度工况下，仰拱最大底鼓量；
⑥拟合得到仰拱最大底鼓量计算公式如下：
Figure FDA0002855563900000011
式中：μ为隧道最大底鼓值，单位mm；q2为作用在隧底结构上的均布荷载，单位kN/m；l为隧道仰拱结构计算跨度，单位m；E为隧道衬砌弹性模量，单位MPa；I为隧道衬砌截面惯性矩，单位m4；α为等效系数；β为衰减系数；
其中：
α＝1.04×10-4l+9.14×10-4h+1.92×10-4s+3.10×10-3
β＝e-12.92λ-3.54×10-2l-0.655h2+1.368h+0.0266
式中：h为衬砌厚度，单位m，s为围岩级别，λ为仰拱矢跨比；
⑦得到底鼓段隧底荷载计算公式：
Figure FDA0002855563900000012
式中：q2为作用在隧底结构上的均布荷载，单位kN/m；μ为隧道最大底鼓值，单位mm；l为隧道仰拱结构计算跨度，单位m；E为隧道衬砌弹性模量，单位MPa；I为隧道衬砌截面惯性矩，单位m4；α为等效系数；β为衰减系数。
2.如权利要求1所述的隧道底鼓段隧底荷载的计算方法，其特征是：所述步骤③中，拱墙衬砌受承受的荷载主要考虑深埋围岩荷载，深埋围岩荷载按下式计算：
围岩垂直匀布压力q＝γh
h＝0.45×2S-1ω
式中：q为围岩垂直匀布压力，单位kPa；γ为围岩重度，单位kN/m3；h为围岩压力计算高度，单位m；s为围岩级别；ω为宽度影响系数，ω＝1+i×(B-5)；B为坑道宽度，单位m；i为B每增减1m时的围岩压力增减率，当B<5m时取i＝0.2，B>5m时取i＝0.1；
水平围岩压力e＝λq
式中：e为水平围岩压力，单位kPa；λ为围岩水平侧压力系数；
λ按下表取值：
Figure FDA0002855563900000021
3.如权利要求1所述的隧道底鼓段隧底荷载的计算方法，其特征是：所述步骤④中，结构计算模型采用梁单元模型衬砌，用链杆模拟围岩和衬砌的相互作用，链杆一端与衬砌连接，另一端采用固定约束，围岩的弹性抗力按下式计算:
σ＝Kδ
式中：σ为弹性反力强度，单位Pa；K为围岩弹性反力系数，单位Pa/m；δ为衬砌向岩层方向的变形值，单位m。
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