CN116892402A - 一种超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法，该方法为：计算拱顶、拱腰以及最大开挖宽度边墙位置的这三个特征点的竖向荷载；计算拱顶与仰拱底的水平荷载；假定二衬设计参数，建立荷载结构模型，采用100％荷载相应组合进行正常使用极限状态设计；采用70％荷载相应组合对所述荷载结构模型进行承载能力极限状态验算；判断二衬设计正常使用极限状态及承载能力极限状态合理性，如果正常使用极限状态及承载能力极限状态合理性存在问题，则调整二衬设计参数，重复上述步骤，直至得到使二衬正常使用极限状态及承载能力极限状态合理的设计参数。本方法为复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计提供了理论指导。

Description

一种超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法

技术领域

本发明涉及交通工程技术领域，具体涉及一种超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法。

背景技术

随着中国经济的发展，工程建设条件尤其是城市周边环境越来越复杂，超浅埋隧道工程在复杂条件下的管幕暗挖实施案例越来越多。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侧下穿20m厚弃渣体；金山隧道出口段10m净距下穿赵家溪立交范围。几处下穿工程影响的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，工程风险极高。若明挖施工，涉及的道路改移及迁改工程相关费用极大，且改移高速公路需部分进行封闭路幅或断道施工，高速公路将限速通行，社会影响较大，安全风险高，管理和协调难度极大。综合考虑，上述工点均采用了超浅埋隧道管幕暗挖技术方案。

为解决重庆东环铁路复杂条件超浅埋隧道管幕暗挖技术难题，中铁二院工程集团有限责任公司研发了“一种复杂环境条件下浅埋暗挖隧道管幕结构计算模型ZL201910647078.5”、“一种复杂环境条件下浅埋隧道管幕暗挖全断面工法ZL201910647079.X”、“一种栓焊并用的管幕钢管纵向连接接头构造ZL201920590483.3”等一系列专利，在刊物《高速铁路技术》上公开发表论文“隧道管幕暗挖法原理及应用探讨”，发布重庆市级QC成果“超浅埋铁路隧道下穿高速公路路基施工方法优化研究”。上述研究成果认为：刚性支护体系是超浅埋隧道管幕暗挖技术的最基本原理。目前应用广泛的新奥法及浅埋暗挖法,其主要原理为利用围岩与初期支护结构协调变形共同作为主要承载结构，允许围岩有适量的变形释放地层压力，初期支护与围岩协调变形达到共同承载的目的，为柔性支护体系。相比新奥法及浅埋暗挖法，超浅埋隧道管幕暗挖技术主要目的在于采取措施最大限度控制围岩变形，为确保既有构筑物安全，由环、纵向支护完全承担围岩压力，不考虑围岩与支护协调变形，为刚性支护体系。

针对暗挖隧道复合式衬砌二衬计算方法，石家庄铁道大学彭信在《隧道复合式衬砌计算模型及力学基理研究》一文中，主要存在以下三种：第一种是建立初期支护、二次衬砌共同受力结构体系模型，荷载作用在初期支护上；第二种是只建立二次衬砌单独结构体系模型，初支与二衬按一定比例分担围岩荷载；第三种是初期支护作为主要承载结构，二衬衬砌作为安全储备。第一种方法计算较为复杂，模型中初支与二衬之间作用不好准确模拟，目前应用较少；第三种方法将二衬考虑为安全储备，鉴于二衬的重要性，国内应用较少；目前国内虽然采用了新奥法的设计理念，但是几乎都采取了考虑二衬承担部分围岩压力的荷载结构模型，即采取上述方法的第二种计算方法，相应的围岩压力主要基于松散体理论，采用塌落拱或太沙基方法的计算松散围岩压力，或者根据行业经验采取的围岩压力计算方法，如《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)附录D、E中明确了深、浅埋隧道荷载计算方法。目前常规的暗挖隧道二衬结构设计，采用荷载结构模型进行受力变形计算已较为成熟，在此基础上根据荷载结构模型计算结果，进行承载能力和正常使用极限状态设计。

与传统暗挖隧道二衬计算模型相比，复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道支护体系、荷载模式存在着较大的不同，其二衬结构设计方法主要存在以下问题：

(1)荷载模式的差异：传统荷载结构模型中，围岩压力主要基于松散体理论，采用塌落拱或太沙基方法的计算松散围岩压力，如申请号为201811496389.8，名为一种基于总安全系数法的隧道复合式衬砌设计方法的文献中二衬设计采用了类似的围岩压力。传统荷载结构模型荷载计算时，考虑了围岩的影响，如浅埋隧道竖向荷载计算时，考虑了围岩的摩擦力，水平荷载计算时，采用的较大水平变形情况下的主动土压力。而管幕暗挖隧道环、纵向刚性支护体系下，围岩变形极小，不具备形成摩擦力和主动土压力的条件。

(2)传统支护荷载计算时，考虑初支与二衬之间按一定比例分担，如《公路隧道设计细则》(JTG/TD70-2010)表10.3.3给出了初支与二衬之间的荷载分担比例。而复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道，二衬要求紧跟，由于初支耐久性影响，二衬后期必然承担较大的土压力。在已考虑初支承担100％的荷载，二衬紧跟情况下如何确定荷载需要进一步研究。

(3)传统暗挖隧道二衬采用荷载结构模型，同时进行承载能力和正常使用极限状态设计。管幕暗挖隧道已考虑初支承担100％的荷载情况下，承载能力方面二衬理论上可仅考虑作为安全储备，同时初支由于喷砼特性的原因，不能满足正常使用极限状态的要求，故正常使用极限状态需通过二衬来满足。总体来说，理论上管幕暗挖隧道支护结构设计时，初支满足承载能力极限状态，二衬仅作为安全储备，但需满足正常使用极限状态要求。同时考虑初支耐久性较差和复杂环境条件超浅埋管幕暗挖隧道支护结构安全性、可靠性要求高，在此情况下，二衬如何设计需进一步研究。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法，为复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计提供了理论指导。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法,包括以下步骤：

S1，确定隧道的拱顶、拱腰以及最大开挖宽度边墙位置，分别计算拱顶、拱腰以及最大开挖宽度边墙位置的这三个特征点的竖向荷载；

拱顶与仰拱底之间的水平荷载呈线性变化，计算拱顶与仰拱底的水平荷载；

S2，假定二衬设计参数，确定荷载结构模型中各几何及物理参数，建立荷载结构模型，采用100％荷载相应组合进行正常使用极限状态设计；

S3，采用70％荷载相应组合对所述荷载结构模型进行承载能力极限状态验算；

S4，判断二衬设计正常使用极限状态及承载能力极限状态设计合理性，如果正常使用极限状态及承载能力极限状态设计合理性存在问题，则调整二衬设计参数，重复进行步骤S2、S3、S4，直至得到使二衬设计正常使用极限状态及承载能力极限状态合理的设计参数。

本方法中二衬按100％荷载进行正常使用极限状态设计、按70％荷载进行承载能力极限状态复核的差异荷载设计方法，使二衬结构具备充分安全性和可靠性，为复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计提供了理论指导。

在该超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法的一种优选方案中,建立荷载结构模型时，二衬采用梁单元模拟，采用仅受压弹簧模拟初支与围岩的相互作用，基于温克尔地基模型，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为围岩弹性抗力系数；弹簧设置于仰拱及边墙区域。

在该超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法的一种优选方案中,采用100％荷载相应组合进行正常使用极限状态设计时，通过有限元计算模型进行数值分析，计算得到此时二衬受力情况；根据此时二衬受力情况进行正常使用极限状态设计，即抗裂验算，得到满足抗裂要求的配筋参数；

采用70％荷载相应组合对所述荷载结构模型进行承载能力极限状态验算时，通过有限元计算模型进行数值分析，计算得到此时二衬受力情况；根据此时二衬受力情况对配筋参数进行承载能力极限状态复核。

在该超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法的一种优选方案中,判断二衬设计正常使用极限状态及承载能力极限状态合理性时，判断配筋参数是否合理、配筋是否具备可实施性、承载能力极限状态是否合理。

在该超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法的一种优选方案中,水平荷载采用静止土压力。

在该超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法的一种优选方案中,拱顶的水平荷载为e1＝k0·p1,仰拱底的水平荷载为e2＝e1+k0·γz,式中k0为静止土压力系数，γ为围岩重度，z为初期支护外侧拱顶与仰拱底之间的高差，p1为拱顶的竖向荷载。

本发明的有益效果是：本发明在传统荷载结构模型基础上，提出了与复杂环境条件超浅埋管幕暗挖隧道支护受力特点相适应的荷载模式，即竖向荷载采用土体重力及地表荷载的合力、水平方向采用静止土压力；考虑初支特性及耐久性因素，同时为确保支护结构安全性与可靠性，二衬按100％荷载进行正常使用极限状态设计，按70％荷载进行承载能力极限状态复核。本发明克服了传统荷载结构模型与超浅埋管幕暗挖隧道结构受力特点的差异，二衬按100％荷载进行正常使用极限状态设计、按70％荷载进行承载能力极限状态复核的差异荷载设计方法，使二衬结构具备充分的安全性和可靠性。该方法思路清晰，计算简单，可用于指导复杂环境条件下超浅埋暗挖隧道二衬设计，有助于超浅埋隧道管幕暗挖技术形成理论系统，确保工程施工及运营安全的同时，为管幕暗挖技术进一步大范围推广应用提供理论及技术支撑，具有显著的经济及社会效益。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是复杂环境条件超浅埋管幕暗挖隧道二衬正常使用极限状态荷载结构模型示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

考虑初支耐久性较差和复杂环境条件超浅埋管幕暗挖隧道支护结构安全性、可靠性要求高，同时根据复杂环境条件超浅埋管幕暗挖隧道刚性支护体系受力变形特点，本发明提供了一种超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法的实施例，该实施例在传统荷载结构模型基础上，提出了与复杂环境条件超浅埋管幕暗挖隧道支护受力特点相适应的荷载模式，即竖向荷载采用土体重力及地表荷载的合力、水平方向采用静止土压力；考虑初支特性及耐久性因素，二衬按100％荷载进行正常使用极限状态设计，按70％荷载进行承载能力极限状态复核，特别适用于复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道二衬的设计。

具体包括以下步骤：

S1，如图1所示，竖向荷载采取上部土体重力及地表荷载的合力，由于隧道为弧形，上部荷载分拱顶、拱腰、最大开挖宽度边墙位置进行计算，因此先确定隧道的拱顶、拱腰以及最大开挖宽度边墙位置，竖向荷载在拱顶与拱腰之间、拱腰与最大开挖宽度边墙位置之间呈线性变化，分别计算拱顶、拱腰以及最大开挖宽度边墙位置的这三个特征点的竖向荷载，分别记为p1、p2、p3；

拱顶与仰拱底之间的水平荷载呈线性变化，计算拱顶与仰拱底的水平荷载，水平荷载采用静止土压力。

拱顶的水平荷载为e1＝k0·p1,仰拱底的水平荷载为e2＝e1+k0·γz,式中k0为静止土压力系数，γ为围岩重度，z为初期支护外侧拱顶与仰拱底之间的高差。

S2，假定二衬设计参数，这里可根据工程经验来假定二衬设计参数，确定荷载结构模型中各几何及物理参数,然后建立荷载结构模型，如图1所示，二衬采用梁单元模拟，采用仅受压弹簧模拟初支与围岩的相互作用，基于温克尔地基模型，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为围岩弹性抗力系数；弹簧设置于仰拱及边墙区域。待荷载结构模型中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100％荷载相应组合下二衬受力情况；根据此时二衬受力情况采用100％荷载相应组合进行正常使用极限状态设计，主要是抗裂验算，得到满足抗裂要求的配筋参数。

S3，采用70％荷载相应组合对所述荷载结构模型进行承载能力极限状态验算。具体地，即通过有限元计算模型进行数值分析，计算得到70％荷载相应组合下二衬受力情况；根据此时二衬受力情况对配筋参数进行承载能力极限状态复核。

S4，判断二衬设计正常使用极限状态及承载能力极限状态合理性，如判断配筋参数是否合理、配筋是否具备可实施性、承载能力极限状态是否合理等等，如果正常使用极限状态及承载能力极限状态设计合理性存在问题，则调整二衬设计参数，重复进行步骤S2、S3、S4，直至得到使二衬设计正常使用极限状态及承载能力极限状态合理的设计参数。

在该实施例实施之前，需确定隧道工程参数、围岩重度等参数，在实施该实施例时，将这些参数带入上述步骤中即可，本实施例中各步骤的具体计算均为现有技术，在此不作赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法,其特征在于，包括以下步骤：

S1，确定隧道的拱顶、拱腰以及最大开挖宽度边墙位置，分别计算拱顶、拱腰以及最大开挖宽度边墙位置的这三个特征点的竖向荷载；

拱顶与仰拱底之间的水平荷载呈线性变化，计算拱顶与仰拱底的水平荷载；

S2，假定二衬设计参数，确定荷载结构模型中各几何及物理参数，建立荷载结构模型，采用100％荷载相应组合进行正常使用极限状态设计；

S3，采用70％荷载相应组合对所述荷载结构模型进行承载能力极限状态验算；

S4，判断二衬设计正常使用极限状态及承载能力极限状态合理性，如果正常使用极限状态及承载能力极限状态合理性存在问题，则调整二衬设计参数，重复进行步骤S2、S3、S4，直至得到使二衬正常使用极限状态及承载能力极限状态合理的设计参数。

2.根据权利要求1所述的超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法,其特征在于，建立荷载结构模型时，二衬采用梁单元模拟，采用仅受压弹簧模拟初支与围岩的相互作用，基于温克尔地基模型，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为围岩弹性抗力系数；弹簧设置于仰拱及边墙区域。

3.根据权利要求1所述的超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法,其特征在于，采用100％荷载相应组合进行正常使用极限状态设计时，通过有限元计算模型进行数值分析，计算得到此时二衬受力情况；根据此时二衬受力情况进行正常使用极限状态设计，即抗裂验算，得到满足抗裂要求的配筋参数；

采用70％荷载相应组合对所述荷载结构模型进行承载能力极限状态验算时，通过有限元计算模型进行数值分析，计算得到此时二衬受力情况；根据此时二衬受力情况对配筋参数进行承载能力极限状态复核。

4.根据权利要求1所述的超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法,其特征在于，判断二衬设计正常使用极限状态及承载能力极限状态合理性时，判断配筋参数是否合理、配筋是否具备可实施性、承载能力极限状态是否合理。

5.根据权利要求1所述的超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法,其特征在于，水平荷载采用静止土压力。

6.根据权利要求1所述的超浅埋管幕暗挖隧道二衬设计方法,其特征在于，拱顶的水平荷载为e1＝k0·p1,仰拱底的水平荷载为e2＝e1+k0·γz,式中k0为静止土压力系数，γ为围岩重度，z为初期支护外侧拱顶与仰拱底之间的高差，p1为拱顶的竖向荷载。