一種深埋非對稱連拱隧道土壓力荷載確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及連拱隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種深埋非對稱連拱隧道 土壓力荷載確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市化進程不斷推進和西部大開發(fā)戰(zhàn) 略決策得以成功實施，我國城市道路網(wǎng)和城市間的高速公路網(wǎng)正在形成，城市地下道路工 程和穿山越嶺的隧道工程不斷涌現(xiàn)。鑒于公路線位和地形條件的限制，一些隧道不得不采 用連拱結(jié)構(gòu)形式，而非對稱連拱隧道更是特殊條件下的一種特殊結(jié)構(gòu)形式。非對稱連拱隧 道除具有結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工工序繁多和防排水難度大等連拱隧道一般特點外，還具有幾 何不對稱、結(jié)構(gòu)不對稱和左右荷載不對稱等復(fù)雜的力學(xué)特性，而且其跨度較大、開挖與支護 交錯進行，使得圍巖應(yīng)力變化和支護荷載轉(zhuǎn)換變得更加復(fù)雜。
[0003] 非對稱連拱隧道作為一種極為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)型式，雖然數(shù)量還不多，但已引起學(xué)術(shù) 界極大的關(guān)注。周玉宏等，鄭宗溪等，王凱等和鄧建等分別采用連續(xù)介質(zhì)模型對云南元磨高 速公路橋頭隧道，蘭渝鐵路新作坊隧道，青島膠州灣海底隧道分岔段和某高速公路不等跨 連拱隧道的施工過程進行了數(shù)值模擬，獲得了偏壓條件下連拱隧道不同開挖順序時圍巖及 支護結(jié)構(gòu)在各個施工階段的力學(xué)響應(yīng)。胡學(xué)兵等，關(guān)則廉和高峰等則分別采用荷載-結(jié)構(gòu) 模型對重慶市渝中連接隧道，廣州地鐵三號線番禺折返線工程大跨度不對稱連拱隧道和廈 門市東坪山地下立交工程非對稱連拱隧道的支護結(jié)構(gòu)受力特性進行了計算分析。劉濤等對 偏壓連拱隧道圍巖的穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬和模型試驗，研究了偏壓連拱隧道的塑性區(qū)分 布，以及偏壓對隧道拱部、邊墻、中墻力學(xué)行為的影響；王軍等研究了非對稱連拱隧道的圍 巖穩(wěn)定性，指出了圍巖和支護結(jié)構(gòu)變形及受力特征，總結(jié)了其施工技術(shù)。然而這些研究主要 集中在偏壓連拱隧道施工工序優(yōu)化方面，而偏壓條件下連拱隧道非對稱支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計方 法研究較少。
[0004] 土壓力荷載作用模式和計算方法作為隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)作用關(guān)系的核心內(nèi)容， 直接關(guān)系到襯砌結(jié)構(gòu)型式的選取和支護參數(shù)的確定，一直是隧道學(xué)術(shù)界研究的熱點問題。 丁文其等在規(guī)范單洞隧道荷載計算公式的基礎(chǔ)上，提出了基于雙塌落拱理論的連拱隧道荷 載計算公式，開創(chuàng)了連拱隧道土壓力荷載計算方法的先河，但該方法不足之處是無法全面 地考慮中隔墻的預(yù)支撐作用。在此基礎(chǔ)上，李鴻博和郭小紅推導(dǎo)了基于普氏平衡拱理論且 考慮中隔墻預(yù)支撐作用的連拱隧道土壓力荷載計算公式，并通過大量數(shù)據(jù)計算分析和現(xiàn)場 監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了該公式的正確性和可行性。然而這些研究成果主要是針對對稱連拱隧道， 無法直接應(yīng)用到非對稱的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所涉及的方法考慮了非對稱連拱隧道的偏壓效應(yīng)，推導(dǎo)了深埋情況下土壓 力荷載計算方法，為非對稱連拱隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種深埋非對稱連拱隧道土壓力荷載 確定方法，該方法的實現(xiàn)流程如下，
[0007] 1、單洞隧道普氏理論
[0008] 普氏理論是針對松散地層和破碎巖體的松動壓力計算公式：
[0009] P = Yh1 (1)
[0010]
P)
[0011] 水平壓力計算公式為：
[0012]
(3)
[0013] 式中：a為開挖跨度的一半；h為開挖跨度的高度；hiS自然拱高度；γ為圍巖重 度；1為隧道側(cè)壁任意點至隧道拱頂?shù)拇怪本嚯x；終:為圍巖計算摩擦角；f為巖石堅固性系 數(shù)，根據(jù)公路、鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中，巖石堅硬強度對應(yīng)的巖石單軸飽和抗壓強度RC的數(shù) 值，取 f = 〇· 1RC。
[0014] 2、深埋非對稱連拱隧道土壓力荷載作用模式
[0015] 連拱隧道施工中一般采用中導(dǎo)洞先行開挖且中隔墻施工完成后再開挖兩側(cè)導(dǎo)洞 的施工步序，因此，中隔墻的穩(wěn)定性及對其頂部巖土體的主動支護壓力作用直接影響了連 拱隧道土壓力荷載的作用模式。對于深埋情況，根據(jù)普氏理論可以認(rèn)為中隔墻的非常穩(wěn)定 和非常不穩(wěn)定是連拱隧道承載拱形成的兩個極端情形。當(dāng)中隔墻非常穩(wěn)定時，兩側(cè)的洞室 就可以分別形成獨立的承載拱，連拱隧道土壓力荷載可以簡化為兩個單側(cè)承載拱下部不穩(wěn) 定土體引起的松散壓力，如圖2所示；而當(dāng)中隔墻非常不穩(wěn)定或中隔墻頂部回填不密實，圍 巖變形過大，左右兩個洞室將連成一個整體形成共同的承載拱，即不考慮中隔墻的支護作 用，以整個連拱隧道開挖寬度形成一個大的極限承載拱（見圖2)，此時連拱隧道土壓力荷 載可以簡化為該極限承載拱下方不穩(wěn)定土體引起的松散壓力。
[0016] 根據(jù)以上分析可知，深埋連拱隧道土壓力荷載作用模式通常介于兩種極限情況之 間，即中隔墻的主動承載作用分擔(dān)了極限承載拱內(nèi)的松散壓力，抑制了極限承載拱的形成， 因此連拱隧道土壓力荷載可以看作拱部松散壓力和中隔墻頂部壓力之和，可以簡化為以下 四部分，如圖3所不。
[0017] (1)中隔墻頂預(yù)支承土壓力荷載qz，取決于中隔墻頂巖土體的抗壓能力和極限承 載拱內(nèi)的附加總重量。
[0018] ⑵基本松散土壓力荷載qi，由連拱隧道單側(cè)獨立洞室承載拱內(nèi)土層形成，其分布 形式為左右不相等的均布荷載。
[0019] (3)附加松散土壓力荷載q2，由連拱隧道兩個洞室共同形成的極限承載拱地層形 成，并去除該極限承載拱內(nèi)基本松散土壓力荷載及中隔墻頂預(yù)支撐土壓力荷載，其土壓力 荷載為梯形分布荷載。
[0020] (4)中隔墻頂松散土壓力荷載q3，即連拱隧道左右洞拱頂至中隔墻頂之間松散土 體形成的分布荷載。
[0021] (5)水平土壓力荷載由作用在非對稱連拱隧道襯砌外側(cè)及中隔墻上方內(nèi)側(cè)兩部分 組成。
[0022] 3、深埋非對稱連拱隧道土壓力荷載計算公式
[0023] 3. 1計算基本定義
[0024] 定義圖2中連拱隧道單側(cè)承載拱曲線和極限承載拱曲線均為拋物線，因此該承載 拱曲線與隧道拱頂水平線圍成的區(qū)域面積S根據(jù)承載拱跨度B和承載拱拱高H計算得到， 即 S = 2BH/3。
[0025] 基本松散土壓力q1可以看作由單側(cè)洞室形成穩(wěn)定承載拱下部的巖土體重量產(chǎn)生， 根據(jù)左右洞室的平衡拱高度分別求得。
[0026] 為簡化分析，根據(jù)普氏理論，定義左右洞室的平衡拱高度Hq1JPHqll^以及極限承載 拱高度H u分別為
[0027] (4)
[0028] (5)
[0029] (6)
[0030]其中：Bm= B tl+Bt2+Bz+Bpl+Bp2;
Btl為左側(cè)隧道跨度；Bt2為右側(cè)隧道跨度；BzS中隔墻寬度；H tl為左側(cè)隧道高度；Ht2為右側(cè) 隧道高度；H1為左側(cè)隧道基礎(chǔ)至破裂面起始點的高度；H2為右側(cè)隧道基礎(chǔ)至破裂面起始點 的高度；其它符號及意義同前。
[0031] 3. 2計算公式推導(dǎo)
[0032] (1)中隔墻均布土壓力荷載1
[0033] 中隔墻頂部的均布壓力qz，主要取決于中隔墻頂巖土體的抗壓能力Ps和極限承載 拱內(nèi)的附加總重量G 3，即qz=min(ps，G3/Bz)，中隔墻能夠發(fā)揮支撐作用有效寬度。中 隔墻頂巖土體的抗壓能力 ？；3可通過下式求得
[0034]
C7)
[0035] 霉為中隔墻頂巖體的設(shè)計抗壓強度；KZ為中隔墻對上部巖體支撐能力的安全系 數(shù)，一般取2 ;
[0036] 極限承載拱內(nèi)附加總重量心則可以表示如下：
[0037]
[0038]
[0039] (2)基本松散壓力qi
[0040] 將連拱隧道左、右洞基本松散壓力均簡化為均布荷載qn和q ^表示如下：
[0041] qn= THqll (9)
[0042] qlr= γ Hqlr (10)
[0043] (3)附加松散土壓力荷載q2
[0044] 定義q2在拱頂平面上呈三角形分布，且向上的支撐壓力與承載拱內(nèi)的土體重量平 衡，則得到：
[0048] 由上式可以得到V 2、921、9&的計算公式如下[0049] (14)
[0045]
[0046]
[0047]
[0050] (15)
[0051] qr2= 2 (G3-QzBz)/Bn (16)
[0052] (4)中隔墻頂松散土壓力荷載q3
[0053] 中隔墻頂分布土壓力荷載q3簡化為三角形荷載：
[0054] q3= THq3 (17)
[0055] 其中民3近似取為單側(cè)大斷面隧道拱頂距中隔墻頂?shù)木嚯x。
[0056] (5)水平土壓力荷載<