一种矿山法开挖拱墙装配式隧道结构安全检算方法技术

本发明专利技术提供了一种矿山法开挖拱墙装配式隧道结构安全检算方法，首先确定隧道围岩压力，确定荷载分担比，建立梁

【技术实现步骤摘要】
一种矿山法开挖拱墙装配式隧道结构安全检算方法


[0001]本专利技术涉及隧道衬二次衬砌结构内力计算领域，尤其涉及一种矿山法开挖拱墙装配式隧道结构安全检算方法。

技术介绍

[0002]目前，我国山岭隧道修建主要有两大类修建方法，即钻爆法和掘进机法(盾构和TBM(Tunnel Boring Machine，全断面硬岩隧道掘进机))，山岭公路隧道施工目前通常采用钻爆法(新奥法)，钻爆法施工中采用模筑混凝土二次衬砌，当采用装配式衬砌替代模筑混凝土二次衬砌时，装配式二次衬砌的施作时机大致可以分为三种情况：
[0003]一、滞后装配，与传统新奥法一致，围岩位移收敛稳定后再装配二次衬砌，这与复合式衬砌受力类似；
[0004]二、同步装配，与目前盾构管片即时拼装相类似，开挖后即时进行装配，在围岩开挖后即刻装配二次衬砌承受荷载；
[0005]三、贯通装配，与目前TBM施工隧道一致，隧道贯通后，再进行二次衬砌装配。
[0006]三种情况下，二次衬砌承担的围岩荷载分担比例均不同。二次衬砌荷载分担比的大小，对于隧道施工中选择最优支护参数有重大影响，深入研究二次衬砌荷载分担比，对于合理选取装配式衬砌结构、优化设计参数和设计参数标准化，具有重要的现实意义。
[0007]现有的装配式二次衬砌结构内力计算一般参考盾构衬砌管片结构内力计算，采用修正惯用法。修正惯用法假定结构为弹性匀质体，考虑环向接头存在，圆环整体的弯曲刚度降低，认为是环整体弯曲刚度的降低，引入圆环刚度折减系数η和管片弯矩传递系数ζ，来模拟管片多接缝造成的管片刚度降低和管片接缝拼装的影响，这种方法过于简化，且不符合实际情况，往往造成较大误差，安全检算结果难以参考，容易在实际工程中形成安全隐患。

技术实现思路

[0008]为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种矿山法开挖拱墙装配式隧道结构安全检算方法，以“新奥法”为基础进行装配式复合衬砌分析，通过总结的经验公式模拟衬砌结构受力，能够解决初期支护与二次衬砌荷载分担比原则问题，以及确定衬砌片结构数值化计算、衬砌片间接头刚度的取值，并立足于“矿山法”隧道复合衬砌的实际受力情况，继续延用复合式衬砌荷载分担比的概念，结合更接近二次衬砌实际的“梁
‑
弹簧”模型，模拟衬砌片接头的抗弯刚度，同时对衬砌片接头提出经验公式，达到了更为接近矿山法装配式隧道衬砌的检算目的，更具有参考价值，确保了工程安全性。
[0009]本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种矿山法开挖拱墙装配式隧道结构安全检算方法，包括以下步骤：
[0010]S1、确定隧道围岩压力；
[0011]S2、确定荷载分担比；
[0012]S3、建立梁
‑
弹簧荷载结构模型；
[0013]S4、确定梁
‑
弹簧荷载结构模型的荷载组合；
[0014]S5、计算在不同荷载组合下的荷载结果；
[0015]S6、对衬砌结构进行安全检算。
[0016]步骤S1所述的确定隧道围岩压力具体包括以下过程：
[0017]S1.1、划分隧道深浅埋：
[0018]通过以下公式确定隧道深浅埋分界深度H
p
：
[0019]H
p
＝m
·
h
q
ꢀꢀꢀ
(1)
[0020]其中m为经验系数，结合地质条件和施工方法因素综合判定，取值范围为2～2.5，h
q
表示松动围压效荷载高度，通过以下公式计算得到：
[0021]h
q
＝0.33
×
2.72
0.6s
ω
ꢀꢀꢀ
(2)
[0022]其中s表示围岩级别，ω表示宽度影响系数，ω＝0.2+0.1B，B为隧道最大开挖跨度；
[0023]S1.2、计算浅埋条件围岩压力：
[0024]计算浅埋隧道衬砌内力时，围岩压力按松散压力考虑，分别确定其垂直及水平均布压力：
[0025]a、垂直均布压力q通过以下公式计算得到：
[0026][0027][0028][0029]其中γ表示隧道上覆围岩容重，H表示隧道浅埋时隧道拱部至地面的垂直距离，θ表示顶板土柱两侧破裂面摩擦角，λ表示侧压力系数，表示围岩计算摩擦角，β表示产生最大推力时的破裂角；
[0030]b、水平均布压力直接根据围岩级别确定；
[0031]S1.3、计算深埋条件围岩压力：
[0032]地面基本水平的深埋隧道，所受荷载具有对称性，通过以下方式确定其垂直及水平均布压力：
[0033]a、通过公式(4)计算深埋条件下的垂直压力；
[0034]b、通过以下公式计算深埋条件下的水平压力：
[0035]e
i
＝γh
i
λ
ꢀꢀꢀ
(6)
[0036]其中e
i
表示深埋条件下任意点i处的水平压力，h
i
表示内外侧任意点i到地面的距离；当h
i
＜h
a
时，取θ＝0，属超深埋隧道，h
a
为深埋隧道垂直荷载计算高度。
[0037]步骤S2中，按照新奥法原则，衬砌片采用滞后装配，围岩位移收敛稳定后再装配二次衬砌，在Ⅳ级和
Ⅴ
级围岩中，二次衬砌分担比取值范围分别采用35％～20％和70％～50％。
[0038]步骤S3所述的建立梁
‑
弹簧荷载结构模型包括以下过程：
[0039]S3.1、建立梁
‑
弹簧荷载结构模型：
[0040]建立由衬砌片所围成的装配式隧道模型，衬砌片包括依次首尾相连的拱顶预制块、右拱墙预制块、曲面地基和左拱墙预制块；将步骤S1计算得到的各项压力按步骤S2所取的荷载分担比进行分担，计算出二次衬砌所受到的荷载，加载于装配式隧道模型上；
[0041]S3.2、确定衬砌片等效刚度：
[0042]采用刚度等效原则将型钢和混凝土参数进行等效，衬砌片弹性模量表示为：
[0043][0044]其中E
c
表示截面弹性模量，E0表示混凝土的变形模量，S
g
表示主钢筋总截面积，E
g
表示钢筋的变形模量，S
c
表示混凝土的截面积；
[0045]S3.3、确定衬砌片接头刚度：
[0046]衬砌片接头的弹性弯曲刚度表示为：
[0047][0048]其中EI表示梁
‑
弹簧模型法管片间螺栓的弹性弯曲刚度，I
c
表示截面惯性矩，L表示环宽，K
θ
表示环缝转动刚度，通过以下经验公式确定：
[0049]K
θ
＝γ(εN+μM+C)
ꢀꢀꢀ
(9)
[0050]其中γ表示衬砌片分块折减系数，ε表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种矿山法开挖拱墙装配式隧道结构安全检算方法，其特征在于包括以下步骤：S1、确定隧道围岩压力；S2、确定荷载分担比；S3、建立梁
‑
弹簧荷载结构模型；S4、确定梁
‑
弹簧荷载结构模型的荷载组合；S5、计算在不同荷载组合下的荷载结果；S6、对衬砌结构进行安全检算。2.根据权利要求1所述的矿山法开挖拱墙装配式隧道结构安全检算方法，其特征在于：步骤S1所述的确定隧道围岩压力具体包括以下过程：S1.1、划分隧道深浅埋：通过以下公式确定隧道深浅埋分界深度H
p
：H
p
＝m
·
h
q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中m为经验系数，结合地质条件和施工方法因素综合判定，取值范围为2～2.5，h
q
表示松动围压效荷载高度，通过以下公式计算得到：h
q
＝0.33
×
2.72
0.6s
ω
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中s表示围岩级别，ω表示宽度影响系数，ω＝0.2+0.1B，B为隧道最大开挖跨度；S1.2、计算浅埋条件围岩压力：计算浅埋隧道衬砌内力时，围岩压力按松散压力考虑，分别确定其垂直及水平均布压力：a、垂直均布压力q通过以下公式计算得到：a、垂直均布压力q通过以下公式计算得到：a、垂直均布压力q通过以下公式计算得到：其中γ表示隧道上覆围岩容重，H表示隧道浅埋时隧道拱部至地面的垂直距离，θ表示顶板土柱两侧破裂面摩擦角，λ表示侧压力系数，表示围岩计算摩擦角，β表示产生最大推力时的破裂角；b、水平均布压力直接根据围岩级别确定；S1.3、计算深埋条件围岩压力：地面基本水平的深埋隧道，所受荷载具有对称性，通过以下方式确定其垂直及水平均布压力：a、通过公式(4)计算深埋条件下的垂直压力；b、通过以下公式计算深埋条件下的水平压力：e
i
＝γh
i
λ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中e
i
表示深埋条件下任意点i处的水平压力，h
i
表示内外侧任意点i到地面的距离；当h
i
＜h
a
时，取θ＝0，属超深埋隧道，h
a
为深埋隧道垂直荷载计算高度。
3.根据权利要求1所述的矿山法开挖拱墙装配式隧道结构安全检算方法，其特征在于：步骤S2中，按照新奥法原则，衬砌片采用滞后装配，围岩位移收敛稳定后再装配二次衬砌，在Ⅳ级和
Ⅴ
级围岩中，二次衬砌分担比取值范围分别采用35％～20％和70％～50％。4.根据权利要求1所述的矿山法开挖拱墙装配式隧道结构安全检算方法，其特征在于：步骤S3所述的建立梁
‑
弹簧荷载结构模型包括以下过程：S3.1、建立梁
‑
弹簧荷载结构模型：建立由衬砌片所围成的装配式隧道模型，衬砌片包括依次首尾相连的拱顶预制块、右拱墙预制块、曲面地基和左拱墙预制块；将步骤S1计算得到的各项压力按步骤S2所取的荷载分担比进行分担，计算出二次衬砌所受到的荷载，加载于装配式隧道模型上；S3.2、确定衬砌片等效刚度：采用刚度等效原则将型钢和混凝土参数进行等效，衬砌片弹性模量表示为：其中E
c
表示截面弹性模量，E0表示混凝土的变形模量，S
g
表示主钢筋总截面积...

【专利技术属性】
技术研发人员：李睿骞，王更峰，张旭东，唐达昆，熊晓晖，张国权，王嵽显，邓君，李鹏远，李翔，
申请(专利权)人：中铁十一局集团有限公司勘察设计院，
类型：发明
国别省市：