CN117272444A - 一种超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降计算方法，该方法为：对超浅埋管幕暗挖隧道采用地层结构模型对隧道开挖后地表沉降变形进行模拟，得到拱顶沉降最大值、地表最大沉降值及地表变形沉降曲线；采用荷载结构模型选取隧道拱顶钢管，计算得到隧道拱顶沉降最大值；计算超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降最大值；计算沉降曲线调整系数；将地表变形沉降曲线的数据与沉降曲线调整系数相乘，得到荷载结构模型地表变形沉降曲线的相应数据。本发明用于解决复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降计算，为超浅埋暗挖隧道地表沉降控制提供了理论指导。
Description
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地表沉降计算方法。
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。
目前，管幕暗挖技术国内外已进行了大量研究及应用，如“《岩石力学与工程学报》,2006,25(9):1887-1892，肖世国,夏才初,朱合华等研究了管幕内箱涵顶进中顶部管幕竖向变形预测”文献，记载了以下内容：上海市中环线虹许路北虹路下立交工程是目前世界上在饱和含水软土地层中施工的横截面最大的管幕法工程，针对实际箱涵顶进施工过程中顶部管幕出现的以隆起为主的竖向变形,根据对箱涵前方滑动土体及箱涵体的力学分析，确定作用于顶部管幕下的附加荷载,进而将顶部中间部分的钢管视为在该附加荷载作用下的倒置于Winkler地基上的弹性地基梁,以此模型预测分析顶部中间部分管幕的竖向变形,并同实测结果进行比较。此文献中采用了本领域中的Winkler地基模型计算，对实际箱涵顶进施工过程中顶部中间部分钢管幕的竖向变形进行了相关模拟分析计算，对于地表沉降未有解决方法，同时文献中管幕的竖向变形未考虑超浅埋管幕暗挖隧道支护的特点。
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”等一系列技术。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。
虽然目前对管幕暗挖隧道管幕结构受力变形已有一定研究，但是管幕暗挖隧道地表沉降控制基本以经验参照为主，缺少系统理论研究，其进一步推广应用受到一定限制。也有人提出了一种浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，申请号为2020106669537，其中涉及到了浅埋暗挖隧道管幕加固下的地面沉降的分析，该方法中针对施工阶段分析计算得到有限元结果，该有限元结果为每个施工阶段结束后模型水平方向、竖直方向和整体的位移云图，以及桩基的竖向位移云图、水平方向位移云图和整体位移云图；从模型水平方向、竖直方向以及整体的位移云图中即可找出施工完成后模型的最大沉降值。该方法未体现管幕暗挖隧道刚性支护体系的作用。
总体来说，复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降计算目前还存在以下问题：
(1)传统新奥法及浅埋暗挖法隧道在超前支护作用下地表沉降一般采用地层结构模型进行数值模拟计算，超前支护作用通过提高超前支护范围地层参数模拟，超前支护钢管的作用在三维数值模拟中可通过梁单元进行三维仿真数值模拟。该计算方法一定程度上能够模拟超前支护的作用，同时可方便、快捷绘制各种变形曲线，但是无法准确模拟支护与管幕之间的刚性支护体系联合作用。
(2)“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”，通过考虑刚性支护体系联合作用，对管幕钢管结构受力变形进行计算，但是无法直接通过该计算结果得到地表沉降及变形曲线。
(3)目前复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降控制多以经验为主，无法准确量化，大大限制管幕暗挖技术的应用。
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地表沉降计算方法，用于解决复杂环境条件下超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降计算，为超浅埋暗挖隧道地表沉降控制提供了理论指导。
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地表沉降计算方法，包括以下步骤：
对超浅埋管幕暗挖隧道采用地层结构模型对隧道开挖后地表沉降变形进行模拟，得到拱顶沉降最大值Δmax1、地表最大沉降值δmax1及地表变形沉降曲线S1；
采用荷载结构模型选取隧道拱顶钢管，计算得到隧道拱顶沉降最大值Δmax2；
计算超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降最大值δmax2＝K×δmax1×(Δmax2÷Δmax1),其中K为计算模式不确定性系数；
计算沉降曲线调整系数X＝δmax2÷δmax1；
将所述地表变形沉降曲线S1的数据与沉降曲线调整系数X相乘，得到荷载结构模型地表变形沉降曲线S2的相应数据，得到超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降数据。
在该超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降计算方法的一种优选方案中，通过地层结构模型进行复杂环境条件超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降变形进行模拟。
在该超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降计算方法的一种优选方案中，计算隧道拱顶沉降最大值Δmax2时，对于管幕结构荷载，根据p(kN/m)＝p0×d，计算得到管幕梁单元线荷载，其中d为管幕横向间距，p0为管幕结构上部竖向荷载取值，包括上部土体重力及地表荷载。
在该超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降计算方法的一种优选方案中，根据荷载结构模型地表变形沉降曲线S2的相应数据绘制地表变形曲线S2。
本发明的有益效果是：本发明克服了地层结构模型不能准确模拟管幕与支护刚性支护联合作用的问题，综合应用地层结构模型与荷载结构模型计算结果，可准确反应管幕与支护刚性支护体系联合作用，可方便、快捷得到地表变形曲线。该计算方法可用于指导复杂环境条件下超浅埋暗挖隧道地表沉降计算及变形控制，解决了目前复杂环境条件下管幕暗挖隧道地表沉降计算的空白，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。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。
本发明提供了一种超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降计算方法，该实施例给出是在复杂环境条件超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降的计算，具体包括以下步骤：
S1、对超浅埋管幕暗挖隧道采用地层结构模型对隧道开挖后地表沉降变形进行模拟，得到拱顶沉降最大值Δmax1、地表最大沉降值δmax1及地表变形沉降曲线S1；
S2、采用荷载结构模型，选取隧道拱顶钢管，计算得到隧道拱顶沉降最大值Δmax2。本实施例中优选但不限于采用“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”中所记载的方法计算得到隧道拱顶沉降的最大值Δmax2。其中，对于管幕结构荷载，根据p(kN/m)＝p0×d，计算得到管幕梁单元线荷载；其中d为管幕横向间距，p0为管幕结构上部竖向荷载取值，包括上部土体重力及地表荷载。
考虑不同计算模型下，拱顶与地表沉降变形规律相似，执行下一步：
S3、计算复杂环境条件超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降最大值δmax2＝K×δmax1×(Δmax2÷Δmax1),其中K为计算模式不确定性系数，包括两种计算模型均为考虑的管幕施工引起的地表沉降、不同钢管之间的相互影响等因素。
计算模式不确定性系数的取值可通过现场实际监测值进行反算，在此基础上通过多案例工程统计分析得到，本实施例中优选但不限于为1.5。
S4、计算沉降曲线调整系数X＝δmax2÷δmax1。
S5、提取地层结构模型地表变形沉降曲线S1相应数据，乘以计算沉降曲线调整系数X，得到荷载结构模型地表变形沉降曲线S2相应数据，在此基础上绘制地表变形曲线S2。
以上所描述的具体实施方式中，各步骤中的具体计算均为现有技术，在此不作赘述。
显然，本实施例利用能够准确反映管幕与支护刚性支护体系联合作用的荷载结构模型计算结果，对地层结构模型计算结果进行修正，可方便、快捷得到复杂环境条件下超浅埋隧道管幕暗挖隧道地表沉降变形曲线。本实施例利用的地层结构模型与荷载结构模型计算方法，均为目前成熟的计算方法。实际案例计算结果表明，考虑管幕与支护刚性支护体系联合作用的修正后，地表沉降显著降低，与现场实际应用效果高度吻合。
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 (4)
1.一种超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
对超浅埋管幕暗挖隧道采用地层结构模型对隧道开挖后地表沉降变形进行模拟，得到拱顶沉降最大值Δmax1、地表最大沉降值δmax1及地表变形沉降曲线S1；
采用荷载结构模型选取隧道拱顶钢管，计算得到隧道拱顶沉降最大值Δmax2；
计算超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降最大值δmax2＝K×δmax1×(Δmax2÷Δmax1),其中K为计算模式不确定性系数；
计算沉降曲线调整系数X＝δmax2÷δmax1；
将所述地表变形沉降曲线S1的数据与沉降曲线调整系数X相乘，得到荷载结构模型地表变形沉降曲线S2的相应数据，得到超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降数据。
2.根据权利要求1所述的超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降计算方法，其特征在于，通过地层结构模型进行复杂环境条件超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降变形进行模拟。
3.根据权利要求1所述的超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降计算方法，其特征在于，计算隧道拱顶沉降最大值Δmax2时，对于管幕结构荷载，根据p(kN/m)＝p0×d，计算得到管幕梁单元线荷载，其中d为管幕横向间距，p0为管幕结构上部竖向荷载取值，包括上部土体重力及地表荷载。
4.根据权利要求1所述的超浅埋管幕暗挖隧道地表沉降计算方法，其特征在于，根据荷载结构模型地表变形沉降曲线S2的相应数据绘制地表变形曲线S2。
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