CN117131657A - 一种超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算模型 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算模型，具体为：竖向荷载采取上部土体重力及地表荷载的合力，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；计算拱顶、仰拱底的水平荷载；对初期支护采用梁单元模拟，采用线弹簧模拟初期支护与围岩的相互作用，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为围岩弹性抗力系数；对边墙采用拉压弹簧模拟，其受拉与受压弹性抗力系数均等于k；对仰拱采用仅受压弹簧模拟，其受压弹性抗力系数等于k；拱部不考虑弹簧。本发明可用于指导复杂环境条件下超浅埋暗挖隧道支护设计，能够有效确保隧道施工安全。

Description

一种超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算模型

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初支结构计算模型。

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。同时《隧道管幕暗挖法原理及应用探讨》一文提出隧道管幕暗挖法中，利用管幕微拱效应，隧道管幕可拱部局部间隔布置同时管幕范围取消系统锚杆。

针对暗挖隧道初期支护计算模型，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，提出目前主要有地层结构模型与荷载结构模型。其中地层结构模型相应围岩压力为隧道开挖后，围岩与支护协调变形产生的形变压力。荷载结构模式将支护与围岩分开，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，初支结构计算包括计算模型、荷载计算方法等已较为成熟。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》提出了基于有限元共同作用的荷载结构模式，仍然仅适用于传统暗挖隧道。

与传统暗挖隧道初支计算模型相比，复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道支护体系、受力模式存在着本质的不同，其初支结构计算模型主要存在以下问题：

(1)传统暗挖隧道主要基于新奥法或浅埋暗挖法的原理，考虑支护与围岩的协调变形，例如申请号为202111325772.9名为高地应力软岩隧道支护结构设计方法、计算机装置及产品的文献中所提到的方法即是考虑了围岩变形压力。复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道管幕与支护、二衬联合形成环、纵向刚性支护受力体系，刚性支护体系基本承担全部荷载，基本不考虑围岩的共同受力。该种情况下传统的地层结构模型已明显不适宜。

(2)复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道刚性支护体系下，围岩压力作为荷载，支护作为承载结构，支护与围岩之间变形基理与“荷载结构模式”较为一致。

(3)复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道具有明显的结构特点：初期支护喷砼与围岩之间连接紧密，布置管幕范围之外的区域，通过设置锚杆，围岩与初期支护之间连接紧密，围岩与支护之间可协调变形，类似于弹性地基梁。拱部管幕范围及仰拱范围未设置系统锚杆，围岩与初期支护之间连接较少。传统的荷载结构模型无法准确反应管幕暗挖隧道初支的上述结构特点。

(4)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。其荷载计算时，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，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。

(5)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，由于安全要求高，支护必须确保万无一失，隧道纵向上由于施工工序的安排，必然存在着只有初期支护未施工二次衬砌的段落，故考虑荷载分担明显是偏于不安全的。

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初支结构计算模型，充分反应了复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道结构受力特点，可用于指导复杂环境条件下超浅埋暗挖隧道支护设计，能够有效确保隧道施工安全。

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初支结构计算模型,包括以下步骤：

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，所述竖向荷载采取上部土体重力及地表荷载的合力；

拱顶与仰拱底之间的水平荷载呈线性变化，分别计算拱顶、仰拱底的水平荷载；

采用平面应变模型，对初期支护采用梁单元模拟，采用线弹簧模拟初期支护与围岩的相互作用，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为围岩弹性抗力系数；

对边墙采用拉压弹簧模拟，其受拉与受压弹性抗力系数均等于k；对仰拱采用仅受压弹簧模拟，其受压弹性抗力系数等于k；拱部不考虑弹簧。

在该超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算模型的一种优选方案中，计算初期支护结构梁单元参数，初期支护内喷砼与钢架两种材料按抗弯刚度等效为均质梁进行计算，均质梁厚度按喷砼厚度，弹性模量采用抗弯刚度等效弹性模量。

在该超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算模型的一种优选方案中，各几何及物理参数确定后，通过有限元计算模型进行数值分析，计算得到初期支护受力变形情况。

在该超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算模型的一种优选方案中，水平荷载采用静止土压力进行进行计算。

在该超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算模型的一种优选方案中，拱顶的水平荷载为e1＝k0·p0,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为初期支护拱顶与仰拱底之间的高差，p0为拱顶的竖向荷载。

本发明的有益效果是：本发明提供的计算模型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，完全承担围岩压力，能够有效确保隧道施工安全。该计算模型充分反应了复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道结构受力特点，可用于指导复杂环境条件下超浅埋暗挖隧道支护设计，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初期支护结构计算模型示意图。

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。

如图1所示，本发明提供了一种超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算模型的实施例，用于解决复杂环境条件下浅埋暗挖隧道初支结构受力、变形计算，为超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算提供理论指导。根据复杂环境条件超浅埋管幕暗挖隧道初支结构及受力变形特点，本实施例提出采用改进的荷载结构模式：采用平面应变模型，初期支护采用弹性地基梁模拟；围岩与支护相互作用采用弹簧模拟，其中边墙初期支护采用拉压弹簧模拟，仰拱初期支护采用仅受压弹簧模拟，拱部不考虑弹簧；竖向荷载采用土体重力及地表荷载的合力、水平荷载采用静止土压力，初期支护完全承担围岩压力，不考虑初期支护与二衬之间的荷载分担。以此改进的荷载结构模型预测分析初期支护的受力,进而提取初期支护结构的内力进行承载能力计算，分析初支的安全性。

具体包括以下步骤：

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，因此竖向荷载分拱顶、拱腰、最大开挖宽度边墙位置进行近似计算，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线性变化。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，分别记为p0、p1、p2。

水平荷载采用静止土压力，水平荷载在拱顶与仰拱底之间呈线性变化，确定隧道的仰拱底，分别计算拱顶、仰拱底水平荷载。具体的，拱顶的水平荷载为e1＝k0·p0,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为初期支护拱顶与仰拱底之间的高差，p0为拱顶的竖向荷载。

初期支护采用梁单元模拟，采用线弹簧模拟初期支护与围岩的相互作用，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为围岩弹性抗力系数。

对边墙采用拉压弹簧模拟，其受拉与受压弹性抗力系数均等于k；对仰拱采用仅受压弹簧模拟，其受压弹性抗力系数等于k；拱部不考虑弹簧。

计算初期支护结构梁单元参数，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，将初期支护内喷砼与钢架两种材料按抗弯刚度等效为均质梁进行计算，均质梁厚度按喷砼厚度，弹性模量采用抗弯刚度等效弹性模量。

待各几何及物理参数确定后，由于几何解析解计算繁琐，应用不便，实际工程应用中，通过有限元计算模型进行数值分析，计算得到初期支护受力变形情况。

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，在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 (5)

1.一种超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算模型,其特征在于，包括以下步骤：

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，所述竖向荷载采取上部土体重力及地表荷载的合力；

拱顶与仰拱底之间的水平荷载呈线性变化，分别计算拱顶、仰拱底的水平荷载；

对初期支护采用梁单元模拟，采用线弹簧模拟初期支护与围岩的相互作用，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为围岩弹性抗力系数；

对边墙采用拉压弹簧模拟，其受拉与受压弹性抗力系数均等于k；对仰拱采用仅受压弹簧模拟，其受压弹性抗力系数等于k；拱部不考虑弹簧。

2.根据权利要求1所述的超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算模型,其特征在于，计算初期支护结构梁单元参数，初期支护内喷砼与钢架两种材料按抗弯刚度等效为均质梁进行计算，均质梁厚度按喷砼厚度，弹性模量采用抗弯刚度等效弹性模量。

3.根据权利要求1所述的超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算模型,其特征在于，各几何及物理参数确定后，通过有限元计算模型进行数值分析，计算得到初期支护受力变形情况。

4.根据权利要求1所述的超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算模型,其特征在于，水平荷载采用静止土压力进行进行计算。

5.根据权利要求1所述的超浅埋管幕暗挖隧道初支结构计算模型,其特征在于，拱顶的水平荷载为e1＝k0·p0,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为初期支护拱顶与仰拱底之间的高差，p0为拱顶的竖向荷载。