基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法技术

本发明专利技术公开了基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法，属于隧道围岩技术领域。本方法首先结合已有的小净距隧道深、浅埋围岩压力的计算公式，然后通过分析埋深对小净距隧道围岩压力的影响规律，基于围岩压力的连续性，得到了小净距隧道深浅埋的判定方法。基于浅埋单洞围岩压力，建立获得考虑双洞先后施工过程的浅埋小净距隧道围岩压力模型。在深埋小净距隧道围岩压力的计算模型的基础上，考虑双洞净距对围岩压力作用模式的影响，将围岩压力的作用模式分为左右洞无影响、弱影响和强影响三种情况。本方法总结了小净距隧道深、浅埋条件下围岩压力的计算方法，分析了隧道几何尺寸、围岩条件和左右洞间净距等因素对临界埋深的影响规律。

【技术实现步骤摘要】
基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法
本专利技术涉及一种基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法，属于隧道围岩

技术介绍
在一些隧道施工过程中，大断面小净距隧道的施工是隧道群工程施工过程中的难点。对于大断面小净距隧道而言，深、浅埋隧道围岩压力的作用模式有着显著的差异，进而支护结构的设计也会有很大不同。因此，在进行小净距隧道支护结构设计时，必须要进行深浅埋的判定。关于隧道深浅埋的判定，国内外学者已经开展了一些研究。我国《公路隧道设计规范》中已经针对单洞隧道给出了超浅埋、浅埋和深埋的判定标准，并给出了相应的围岩压力计算模型和方法。郑颖人等采用数值模拟分析了隧道从浅埋到深埋的破坏过程，认为当隧道埋深达到某一深度后，隧道破坏从拱顶转移到侧壁时，该埋深即为深浅埋的界限埋深。吴铭芳等基于隧道开挖后是否能形成压力拱的原则，通过确定压力拱的内外边界，提出了隧道深浅埋的判定方法。曲星和李宁[4]基于松散介质理论，提出了考虑隧道尺寸影响的深浅埋划分方法。程小虎[5]在假定普氏理论破坏模式的基础上，采用极限平衡法，给出了土质隧道界限埋深的解析解，认为形成卸荷拱的最小埋深即为界限埋深。张佩等考虑了土体应力路径的相关性，通过对有限元软件的二次开发，分析了隧道开挖后的土压力拱效应，建议将洞顶土体竖向位移达到稳定时的埋深作为界限埋深。杨建民等和王明年等基于郑西客运专线大断面黄土隧道，通过分析现场实测数据，认为大断面黄土隧道的界限埋深应在40～60m。郭小龙和谭忠盛基于谢家烋公式，通过对郑西客运专线大断面黄土隧道实测数据分析，认为当谢家烋松动土压力公式达到极大值时的埋设即为黄土隧道的界限埋深。然而，以上关于隧道深浅埋的研究主要是针对单洞隧道。小净距隧道是介于普通分离式隧道与连拱隧道之间的一种隧道结构型式，在应力场和位移场上存在相互影响，其设计和施工难度通常要远大于单洞隧道。对于小净距隧道而言，后行洞的开挖会对先行洞周围的土体的应力场和位移场造成二次影响，故单洞隧道深浅埋的判定方法对于小净距隧道而言已经不再适用。因此，为了能够给实际工程中小净距隧道支护结构的设计施工提供参考，有必要对小净距隧道深浅埋的判定方法进行研究判定。小净距隧道围岩压力作用模式和计算方法直接关系到支护结构的选取和参数的确定，因此，在研究小净距隧道深浅埋判定方法之前，必须首先研究小净距隧道围岩压力的计算方法。肖明清承袭了谢家烋浅埋隧道的荷载计算原理，提出了左右两个隧道同时施工时的浅埋隧道围岩压力分析模型与计算方法。龚建武等在肖明清的基础上，考虑左右隧道先后施工过程中的影响，优化了原有的模型和方法。刘继国和郭小红基于普氏理论，提出了深埋小净距隧道围岩压力的计算方法。李鹏飞和王帆在刘继国和郭小红的基础上，考虑了左右洞几何不对称、结构不对称以及不同时施工的因素，推导了深埋非对称小净距隧道围岩压力的计算方法。
技术实现思路
本方法首先结合已有的小净距隧道深、浅埋围岩压力的计算公式，然后通过分析埋深对小净距隧道围岩压力的影响规律，基于围岩压力的连续性，得到了小净距隧道深浅埋的判定方法。本专利技术采用的技术方案为基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法，该方法的实现过程如下：(1)对于一个实际工程首先确定设计隧道的开挖断面参数即开挖跨度、开挖高度和埋深；其次，根据小净距隧道所处的围岩等级确定重度γ、内摩擦角计算摩擦角滑面摩擦角θ、中夹岩柱岩体抗压强度RP、放大系数k0。(2)假设隧道所处的埋深情况分别为深埋和浅埋。(3)在浅埋条件时，用浅埋的小净距隧道围岩压力计算公式计算围岩压力,记为Q1。(4)在深埋条件时，根据公式计算该小净距隧道的临界净距，根据隧道净距与弱无临界净距和强弱临界净距的大小关系，确定隧道所处的影响区间，并代入对应影响区间的隧道围岩压力计算公式，计算得出围岩压力,记为Q2。(5)比较Q1和Q2的大小关系，若Q1<Q2则此小净距隧道属于浅埋小净距隧道，若Q1>Q2则此小净距隧道属于深埋小净距隧道。一.基于浅埋单洞围岩压力，建立获得考虑双洞先后施工过程的浅埋小净距隧道围岩压力模型，如附图1所示。假设双洞先后施工中，左洞为先行洞，右洞为后行洞，先行洞和后行洞的开挖面跨度均为B，开挖高度均为T，B0为两隧道的净距，H0为两隧道的埋深，h为隧道拱底距地表的高度，先行洞外侧和后行洞外侧的水平压力相同，在拱顶和拱底处分别为e11、e12，先行洞内侧的水平压力在拱顶和拱底处分别为e21'、e22'，后行洞内侧的水平压力在拱顶和拱底处分别为e21、e22；先行洞外侧和后行洞外侧的竖向压力相同，均为q1，先行洞内侧的竖向压力为q*2，后行洞内侧的竖向压力为q2。由于后行洞的施工必然对先行洞内侧的围岩压力造成影响，故而q*2必然大于q2。此时认为最大竖向围岩压力q*2为Q1，即先行洞内侧竖向围岩压力的计算公式如下。其中：λ2′为先行洞内侧侧向水平压力系数，其表达式如下：为计算内摩擦角；θ为滑面摩擦角；β1为破裂角。二.在深埋小净距隧道围岩压力的计算模型的基础上，考虑双洞净距对围岩压力作用模式的影响，将围岩压力的作用模式分为左右洞无影响、弱影响和强影响三种情况。(1)临界净距的判定和分别为强弱、弱无影响区的临界净距。当小净距隧道净距小于强弱临界净距时，即该小净距隧道处于强影响区间；当小净距隧道净距大于强弱临界净距，小于弱无临界净距时，即该小净距隧道处于弱影响区间；当小净距隧道净距大于弱无临界净距时，即B0＞B0&，该小净距隧道处于无影响区间。(2)无影响时竖向围岩压力Q2计算公式为式(6)q＝γH(6)其中H为平衡拱高度，W为平衡拱与拱顶水平面交线的长度，B为单拱的跨度，T为单拱的高度，f为岩石坚固性系数。(3)弱影响情况下的围岩压力作用模型如图2所示。其中：q为基本松散压力，q1'为弱影响下的外侧附加垂直压力，q2'为在弱影响下的外侧附加垂直压力，q1为在单洞侧室的外侧竖向土压力荷载，q2为在单洞侧室的外侧竖向土压力荷载，e1为小净距隧道外侧拱顶侧向土压力荷载，e2为小净距隧道外侧拱底侧向土压力荷载、e3为小净距隧道内侧拱顶侧向土压力荷载、e4为小净距隧道内侧拱底土压力荷载。Wm'和Hm'分别表示附加承载拱的跨度和高度，p0为中夹岩柱对附加承载拱的支撑力。此时认为竖向围岩压力Q2计算公式为式(9)。其中：Wm′＝2(B+2Ttanθ)+W0(10)中夹岩柱支撑力P0的计算方法P0＝k0RpW0(12)其中，Rp为考虑加固前岩体抗压强度；k0为放大系数；W0为中加岩有效承载宽度。(4)强影响强影响情况下的围岩压力作用模型中，围岩压力计算作用模式如图3所示。竖向围岩压力Q2计算公式为式(14)三.与现有技术相比较，本方法总结了小净距隧道深、浅埋条件下围岩压力的计算方法，分析了隧道几何尺寸(开挖跨度)、围岩条件(等级)和左右洞间净距等因素对临界埋深的影响规律，在此基础上提出了采用直接比较法去判定小净距隧道深浅埋的方法。得出的结论如下：(1)当隧道几何尺寸、围岩条件和左右洞净距等参数已知时，通过分别计算深、浅埋两种条件下的围岩压力，然后比较拱顶竖向围岩压力可以判定其属于深埋还是浅埋，并得到该断面的围岩压力。该方法避免了求解临界埋深，简本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法，其特征在于：该方法的实现过程如下：(1)对于一个实际工程首先确定设计隧道的开挖断面参数即开挖跨度、开挖高度和埋深；其次，根据小净距隧道所处的围岩等级确定重度γ、内摩擦角

【技术特征摘要】
1.基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法，其特征在于：该方法的实现过程如下：(1)对于一个实际工程首先确定设计隧道的开挖断面参数即开挖跨度、开挖高度和埋深；其次，根据小净距隧道所处的围岩等级确定重度γ、内摩擦角计算摩擦角滑面摩擦角θ、中夹岩柱岩体抗压强度RP、放大系数k0；(2)假设隧道所处的埋深情况分别为深埋和浅埋；(3)在浅埋条件时，用浅埋的小净距隧道围岩压力计算公式计算围岩压力,记为Q1；(4)在深埋条件时，根据公式计算该小净距隧道的临界净距，根据隧道净距与弱无临界净距和强弱临界净距的大小关系，确定隧道所处的影响区间，并代入对应影响区间的隧道围岩压力计算公式，计算得出围岩压力,记为Q2；(5)比较Q1和Q2的大小关系，若Q1<Q2则此小净距隧道属于浅埋小净距隧道，若Q1>Q2则此小净距隧道属于深埋小净距隧道。2.根据权利要求1所述的基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法，其特征在于：基于浅埋单洞围岩压力，建立获得考虑双洞先后施工过程的浅埋小净距隧道围岩压力模型；假设双洞先后施工中，左洞为先行洞，右洞为后行洞，先行洞和后行洞的开挖面跨度均为B，开挖高度均为T，B0为两隧道的净距，H0为两隧道的埋深，h为隧道拱底距地表的高度，先行洞外侧和后行洞外侧的水平压力相同，在拱顶和拱底处分别为e11、e12，先行洞内侧的水平压力在拱顶和拱底处分别为e21'、e22'，后行洞内侧的水平压力在拱顶和拱底处分别为e21、e22；先行洞外侧和后行洞外侧的竖向压力相同，均为q1，先行洞内侧的竖向压力为q*2，后行洞内侧的竖向压力为q2；由于后行洞的施工必然对先行洞内侧的围岩压力造成影响，故而q*2必然大于q2；此时认为最大竖向围岩压力q*2为Q1，即先行洞内侧竖向围岩压力的计算公式如下；其中：λ′2为先行洞内侧侧向水平压力系数，其表达式如下：为计算内摩擦角；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏飞，王帆，冯春晖，孙克国，侯福金，刘鹏，李利平，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11