[发明专利]端墙式隧道洞门整体抗倾覆设计方法

权利要求书

1.端墙式隧道洞门整体抗倾覆设计方法，包括以下步骤： 

（1）确定基本计算数据，包括地层特征参数、建筑材料参数和稳定性参数K₀； 

（2）确定洞门各部尺寸； 

（3）对整个墙体和与其接触的墙背土体划分单元网格，划分出若干墙体单元、墙背土体单元； 

（4）端墙土压力分布计算，利用乌氏理论确定墙背土压力随端墙高度的分布情况; 

（5）倾覆合力矩计算，计算每个墙背土体单元土压力对墙体转动轴的倾覆力矩，然后采用积分求和的形式计算墙背土压力对墙体的倾覆合力矩M₀； 

（6）稳定合力矩计算，计算每个墙体单元由重力和墙体与衬砌间摩擦力产生的稳定力矩，将两部分稳定力矩求和得到稳定合力矩M_y； 

（7）抗倾覆验算，保证隧道洞门不致倾覆应满足下式 

。

2.根据权利1所述的端墙式隧道洞门整体抗倾覆设计方法，其特征是所述步骤（1）中地层特征参数、建筑材料参数包括：边、仰坡坡度1：m₃或仰坡坡角ε；围岩级别；地层计算摩擦角；破裂角ω；地层重度γ；建筑材料重度γ₁；洞门和衬砌间摩擦系数μ。 

3.根据权利2所述的端墙式隧道洞门整体抗倾覆设计方法，其特征是所述步骤（3）中，墙体单元、墙背土体单元按以下方法划分：根据端墙形状特点及端墙与墙背土体的接触位置，对端墙划分不同区域；对于端帽及墙背与土体接触面以上的端墙部分单独划分区域；区域优先考虑矩形、三角形和梯形；对每个区域划分墙体单元，墙体单元形状优先考虑三角形和矩形，单元线以水平和竖直为主；墙背土体单元与端墙接触部分的墙体单元一一对应。 

4.根据权利2所述的端墙式隧道洞门整体抗倾覆设计方法，其特征是所述（5）中，倾覆合力矩的计算按以下步骤进行： 

①计算侧压力系数λ 

式中：ω为土体破裂角，φ为土体计算摩擦角，ε为仰坡坡度角，α为端墙倾角。 

②计算高度参数h₄、h₅和h₆

h₅＝h₁+h+h₂+h₃-h₀-h₄

式中：a为仰坡坡脚至顶帽的水平净距，h₀为顶帽高度，h为线路內轨顶面至衬砌内轮廓的高度，h₁为衬砌内轮廓顶点至端墙顶帽的高度，h₂为线路内轨顶面至路基面的距离，h₃为端墙埋置深度。 

③计算各墙背土体单元下边界土压力强度σ 

当(h₄+h₅-h₆)＜y_j≤(h₄+h₅)时， 

当0≤y_j≤(h₄+h₅-h₆)时， 

σ(i,j)＝γy_jλ 

式中：i，j为单元节点编号，(i＝1,2,3…m,j＝1,2,3…n)，y_j为平面坐标系上墙背土体单元的纵向坐标值； 

④计算各墙背土体单元所对应的土压力合力E 

E(i,j)＝μ₁(x_i+1-x_i)(y_j+1-y_j)[μ₂σ(i,j)+μ₃σ(i,j+1)] 

式中：x_i+1、x_i为平面坐标系上相邻两个墙背土体单元的横向坐标值，y_j+1、y_j为平面坐标系上相邻两个墙背土体单元的纵向坐标值； 

⑤计算各墙背土体单元对转动轴的力臂y_c(i,j)，即该单元土压力合力作用点至端墙底部的垂直距离 

y_c(i,j)＝μ₄y_j+μ₅y_j+1

其中：当单元划分为矩形时：

当单元划分为三角形时：

⑥计算各墙背土体单元（i,j）的倾覆力矩： 

M₀(i,j)＝E(i,j)y_c(i,j) 

⑦对墙背土体单元的倾覆力矩进行求和得到倾覆合力矩M₀

M₀＝ΣM₀(i,j)。

5.根据权利4所述的端墙式隧道洞门整体抗倾覆设计方法，其特征是所述步骤中（6）的稳定合力矩按如下步骤计算： 

①墙体自重产生的稳定力矩 

计算各墙体单元的重量P 

计算各墙体单元重量的力臂： 

式中：γ₁为墙体材料重度，d为墙体厚，m₂为墙背倾斜度； 

当墙体单元为矩形时：

当墙体单元为三角形时：

x_i+1、x_i为平面坐标系上相邻两个墙体单元的横向坐标值，y_j+1、yj为平面坐标系上相邻两个墙体单元的纵向坐标值。 

各墙体单元自重产生的稳定力矩为： 

M_y(i,j)＝P(i,j)z(i,j) 

②计算墙体与洞口衬砌间摩擦力产生的稳定力矩 

与通过拱顶圆心水平线成θ角的任意截面，在以微小角度dθ变化范围内墙体的重力dP为： 

对衬砌产生的临界摩擦力df为： 

df＝μdPcosθ 

式中:μ为墙体与衬砌间的摩擦系数，d为墙体厚度，B为隧道洞门衬砌外轮廓洞径，d1为洞口衬砌厚度，γ₁为墙体材料重度；m2为墙背倾斜度；h1为衬砌内轮廓顶点至端墙顶帽的高度； 

临界摩擦力df对墙体倾覆转动轴的力臂为 

式中：H为端墙墙体总高度； 

通过积分，得到墙体与洞口衬砌间摩擦力产生的稳定力矩M_f为 

③计算稳定合力矩M_y

M_y＝ΣM_y(i,j)+M_f。