小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法，包括以下步骤：（ⅰ）计算重载列车运行作用于隧道道床垂直集中力；（ⅱ）计算列车荷载作用下隧底位移；（ⅲ）确定受列车荷载影响新建下穿隧道周边应力状态；（ⅳ）计算下穿隧道开挖引起的既有隧道隧底位移；（ⅴ）计算考虑列车荷载影响及下穿隧道开挖作用下既有隧道隧底位移。本发明专利技术通过对交叉段围岩进行受力分析，考虑重载列车附加荷载、既有隧道结构强度、岩体强度特性、交叉隧道埋深、交叉隧道夹层岩柱高度，分析计算小净距重载铁路交叉隧道隧底位移值，能够更好地预测隧道穿越工程中已建隧道的变形沉降量，从而满足既有隧道正常运营及新建隧道安全施工的需要。

【技术实现步骤摘要】
小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法
本专利技术属于一种隧道隧底位移的计算方法，具体涉及一种小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法。
技术介绍
随着我国交通线网密度的逐年增加，各类高风险交叉隧道逐年增多。其中，小净距重载铁路交叉隧道因上部重载列车轴重大、冲击荷载幅值高等因素的影响，交叉段下部新建隧道施工对上部既有重载铁路安全运营将产生极大风险。一般情况下，通过研究既有隧道结构的位移变形规律可以客观有效地判定隧道整体安全性。目前，关于既有隧道变形沉降预测的研究主要考虑新建隧道施工工法、隧道埋深及周边岩土地层参数等因素的影响，得出通过经验参数的修正的隧道变形沉降预测公式。需要指出的是，在下穿隧道近接施工过程中，受上部隧道重载列车荷载的影响，交叉段围岩受力状态将异常复杂，隧道变形沉降量会进一步加剧。因此，是否考虑重载列车附加荷载将直接影响对既有隧道结构位移变形预测值的准确性，关系到交叉隧道穿越工程的安全性。由于现有研究对小净距重载铁路交叉隧道隧底位移未提供简便、快捷的预测方法，且目前既有隧道结构沉降的计算大多未考虑隧道交叉段受到的重载列车附加荷载，造成既有隧道位移沉降量计算可靠性不足，既有隧道的正常运行及新建下穿隧道的安全施工得不到有效保障。
技术实现思路
本专利技术是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法。本专利技术的技术方案是：一种小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法，包括以下步骤：(ⅰ)计算重载列车运行作用于隧道道床垂直集中力Ft(S1)；(ⅱ)计算列车荷载作用下隧底位移u1(S2)；(ⅲ)确定受列车荷载影响新建下穿隧道周边应力状态(S3)；(ⅳ)计算下穿隧道开挖引起的既有隧道隧底位移u2(S4)；(ⅴ)计算考虑列车荷载影响及下穿隧道开挖作用下既有隧道隧底位移ud(S5)。所述垂直集中力Ft的计算公式为：Ft＝γ1·a·b式中：γ1为换算土柱重度；a为换算土柱高度；b为换算土柱宽度。所述列车荷载作用下隧底位移通过计算垂直集中力Ft作用下隧底应力状态和垂直集中力Ft作用下隧底位移u1获得。所述垂直集中力作用下隧底应力状态为：所述垂直集中力作用下隧底位移u1的计算公式为：式中：Et为既有隧道结构弹性模量；d1为集中力作用下没有位移点与集中力垂向距离；r1取既有隧道道床表层与隧底垂向距离l1。所述确定受列车荷载影响新建下穿隧道周边应力状态包括竖向应力和横向应力，具体通过以下步骤获得：(a)计算列车荷载对下穿隧道围岩竖向附加应力式中：r1取道床表层与夹层中心垂向距离l2；(b)计算新建下穿隧道埋深H＝h1+h2+h3+R0式中：h1为既有隧道埋深；h2为既有隧道高度；h3为交叉隧道围岩夹层高度；R0为新建隧道半径；(c)计算下穿隧道围岩原岩应力状态P0＝γ2·H式中：γ2为围岩重度；(d)计算新建下穿隧道周边竖向应力(e)计算新建下穿隧道周边横向应力式中：λ为岩石静止侧压力系数。所述既有隧道隧底位移通过以下步骤获得：(a)计算下穿隧道开挖作用下既有隧道隧底应力状态(b)计算下穿隧道开挖作用下作用下既有隧道隧底位移u2式中：Es为岩石弹性模量；υ为岩石泊松比；d2为隧道开挖作用下没有位移点与隧道中心距离；r2取下穿隧道中心与既有隧道隧底垂向距离l3。所述既有隧道隧底位移的计算公式为：ud＝u1+u2；计算值ud即为考虑重载列车荷载影响下穿隧道开挖引起的既有隧道隧底总位移值。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法，建立重载列车荷载作用下平面分析模型及新建隧道开挖围岩力学分析模型；通过对交叉段围岩进行受力分析，考虑重载列车附加荷载、既有隧道结构强度、岩体强度特性、交叉隧道埋深、交叉隧道夹层岩柱高度，更全面、更合理地考虑了重载列车荷载及新建隧道开挖共同作用下交叉段围岩受力变形特点，分析计算小净距重载铁路交叉隧道隧底位移值，以满足小净距重载铁路交叉隧道正常运营的需要。本专利技术能够更好地预测隧道穿越工程中已建隧道的变形沉降量，从而满足既有隧道正常运营及新建隧道安全施工的需要。附图说明图1是小净距重载铁路交叉隧道隧底位移计算方法流程示意图。图2是重载列车换算等效集中力平面分析模型。图3是列车集中荷载作用隧底位移计算模型。图4是下穿隧道开挖引起既有隧道隧底位移平面计算模型。其中：1、既有隧道仰拱结构2、既有隧道道床表层3、隧底位移预测线4、新建下穿隧道5、交叉段围岩夹层中心线6、既有隧道拱顶剖面线具体实施方式下面结合说明书附图及实施例对本专利技术小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法进行详细说明：如图1所示，一种小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法，包括以下步骤：(ⅰ)计算重载列车运行作用于隧道道床垂直集中力Ft(S1)；(ⅱ)计算列车荷载作用下隧底位移u1(S2)；(ⅲ)确定受列车荷载影响新建下穿隧道周边应力状态(S3)；(ⅳ)计算下穿隧道开挖引起的既有隧道隧底位移u2(S4)；(ⅴ)计算考虑列车荷载影响及下穿隧道开挖作用下既有隧道隧底位移ud(S5)。所述垂直集中力Ft的计算公式为：Ft＝γ1·a·b式中：γ1为换算土柱重度；a为换算土柱高度；b为换算土柱宽度。所述列车荷载作用下隧底位移通过计算垂直集中力Ft作用下隧底应力状态和垂直集中力Ft作用下隧底位移u1获得。所述垂直集中力作用下隧底应力状态为：所述垂直集中力作用下隧底位移u1的计算公式为：式中：Et为既有隧道结构弹性模量；d1为集中力作用下没有位移点与集中力垂向距离；r1取既有隧道道床表层与隧底垂向距离l1。所述确定受列车荷载影响新建下穿隧道周边应力状态包括竖向应力和横向应力，具体通过以下步骤获得：(a)计算列车荷载对下穿隧道围岩竖向附加应力式中：r1取道床表层与夹层中心垂向距离l2；(b)计算新建下穿隧道埋深H＝h1+h2+h3+R0式中：h1为既有隧道埋深；h2为既有隧道高度；h3为交叉隧道围岩夹层高度；R0为新建隧道半径；(c)计算下穿隧道围岩原岩应力状态P0＝γ2·H式中：γ2为围岩重度；(d)计算新建下穿隧道周边竖向应力(e)计算新建下穿隧道周边横向应力式中：λ为岩石静止侧压力系数。所述既有隧道隧底位移通过以下步骤获得：(a)计算下穿隧道开挖作用下既有隧道隧底应力状态(b)计算下穿隧道开挖作用下作用下既有隧道隧底位移u2式中：Es为岩石弹性模量；υ为岩石泊松比；d2为隧道开挖作用下没有位移点与隧道中心距离；r2取下穿隧道中心与既有隧道隧底垂向距离l3。所述既有隧道隧底位移的计算公式为：ud＝u1+u2；计算值ud即为考虑重载列车荷载影响下穿隧道开挖引起的既有隧道隧底总位移值。实施例1算例的基本参数设置如下：30t重载列车荷载土柱换算重度γ1＝18kN/m3，土柱换算高度a＝4.1m，土柱换算宽度b＝5.0m既有隧道结构弹性模量Et＝3.0×107kPa列车集中力作用下没有位移点与道床表层垂向距离d1＝26m既有隧道道床表层与隧底垂向距离l1＝2m既有隧道道床表层与围岩夹层中心垂向距离l2＝10.20m。既有隧道埋深h1＝70m；既有隧道高度h2＝11.2m；交叉隧道围岩夹层高度h3＝16.39m；新建隧道半径R0＝7.04m围岩重度γ2＝25kN/m3岩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：(ⅰ)计算重载列车运行作用于隧道道床垂直集中力Ft(S1)；(ⅱ)计算列车荷载作用下隧底位移u1(S2)；(ⅲ)确定受列车荷载影响新建下穿隧道周边应力状态(S3)；(ⅳ)计算下穿隧道开挖引起的既有隧道隧底位移u2(S4)；(ⅴ)计算考虑列车荷载影响及下穿隧道开挖作用下既有隧道隧底位移ud(S5)。

【技术特征摘要】
1.一种小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：(ⅰ)计算重载列车运行作用于隧道道床垂直集中力Ft(S1)；(ⅱ)计算列车荷载作用下隧底位移u1(S2)；(ⅲ)确定受列车荷载影响新建下穿隧道周边应力状态(S3)；(ⅳ)计算下穿隧道开挖引起的既有隧道隧底位移u2(S4)；(ⅴ)计算考虑列车荷载影响及下穿隧道开挖作用下既有隧道隧底位移ud(S5)。2.根据权利要求1所述的一种小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法，其特征在于：所述垂直集中力Ft的计算公式为：Ft＝γ1·a·b式中：γ1为换算土柱重度；a为换算土柱高度；b为换算土柱宽度。3.根据权利要求1所述的一种小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法，其特征在于：所述列车荷载作用下隧底位移通过计算垂直集中力Ft作用下隧底应力状态和垂直集中力Ft作用下隧底位移u1获得。4.根据权利要求3所述的一种小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法，其特征在于：所述垂直集中力作用下隧底应力状态为：5.根据权利要求3所述的一种小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法，其特征在于：所述垂直集中力作用下隧底位移u1的计算公式为：式中：Et为既有隧道结构弹性模量；d1为集中力作用下没有位移点与集中力垂向距离；r1取既有隧道道床表层与隧底垂向距离l1。6.根据权利要求1所述的一种小净距重载铁路交叉隧道隧底位移的计算方法，其特征在于：所述确定受列车荷载影响新建下穿隧道周边应力状态包括竖向应力和横向应力，具体通过以下步骤获得：(a)计算列车荷载对下穿隧道围岩竖向附加应力式中：r1取道床表层与夹层中心垂向距离l2；(b)计算新建下穿隧道埋深H＝h1+h2+h3+R0式中：h1为既有隧道埋深；h2为既有隧道高度；h3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海龙，武志辉，董捷，杨越，
申请(专利权)人：河北建筑工程学院，
类型：发明
国别省市：河北,13