[发明专利]一种浅埋非对称小间距隧道土压力荷载计算方法

说明书

技术领域

本发明属于地下道路建设施工技术领域，涉及一种浅埋非对称小间距隧道土压力荷载计算方法。

背景技术

随着交通事业的飞速发展，小间距隧道凭借其结构型式的灵活性和新颖性，已逐渐成为解决特殊地质地形条件下公路线桥隧衔接、总体线型优化以及土地资源合理利用等问题的有效型式。鉴于公路线位和地形条件的要求，在一些城市地下道路建设中出现了非对称小间距隧道。作为一种新型的结构型式，非对称小间距隧道一出现便引起了隧道学术界的广泛关注。

土压力荷载作用模式和计算方法直接关系到支护型式的选取和支护参数的确定，也一直是学术界研究的热点问题之一。现有技术中，对深埋小间距隧道土压力荷载进行了探讨，并推导了计算公式。对小间距浅埋隧道的土压力荷载进行了探讨；对浅埋小间距隧道土压力荷载进行了理论分析和探讨，指出浅埋对称小间距隧道土压力荷载的偏压特征等。利用数值模拟分析了隧道开挖顺序对支护力学行为特性及围岩稳定性的影响；然而这些研究多是关于常规对称小间距隧道，关于非对称小间距隧道土压力荷载的理论计算方法鲜有研究。

发明内容

本发明的目的是考虑小间距隧道左右两侧洞的几何与结构非对称条件，以及两洞的开挖顺序，提出了浅埋非对称小间距隧道土压力荷载的计算方法，以期为此类工程的支护结构设计提供参考。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种浅埋非对称小间距隧道土压力荷载计算方法，该计算方法是依据隧道设计规范中荷载计算方法和小间距隧道土压力荷载计算方法中，浅埋非对称小间距隧道围岩滑动破坏模式。

如图1，B、B'分别为左、右侧隧洞的开挖跨度，B_z为两隧道间净距，H'、 h'分别为左、右侧隧洞拱顶埋深，H、h分别为左、右侧隧洞地层外侧破裂角顶点至地表的竖向距离；W₁，W，W₂分别为左侧隧洞岩(土)体DHG，EFGH 和ABCF的重力；W₂'，W'，W₁'分别为右侧隧洞岩(土)体A'BCF'，E'F'G'H' 和D'H'G'的重力。设定条件如下，

(1)定义地面为水平面，两隧道之间的破裂面交点位于地表以下，且左右隧道不同时施工；为推导方便，左洞先开挖，右洞后开挖。

(2)左洞开挖时，与规范单洞情况相同，根据隧道开挖后岩(土)体运动规律，隧道顶上覆土柱EFGH下沉从而带动两侧土体ABCF与DGH下沉，出现斜直面AC和DH破裂面，且与水平面成β₁角，内外侧压力对称分布。

(3)右洞开挖时，隧道外侧岩土体中形成的破裂面D'H'与水平面夹角同样为β₁，同时内侧岩土体中形成的破裂面A'B与水平面夹角为β₂。在右侧后行洞施工影响下，中夹岩(土)柱地层再次受到扰动，左侧先行洞围岩滑移范围增大，左洞内侧滑移角为β₃。

(4)当左洞岩土体EFGH下沉时，两侧土体分别对其施加摩擦阻力T₁和T₂；当右洞岩土体E'F'G'H'下沉时，两侧土体分别对其施加摩擦阻力T₁'和T₂'；这四个摩阻力与水平面夹角均为θ，θ角参照规范选用，θ角小于土体的计算内摩擦角

(5)为简化分析，在计算过程中偏于安全地定义共同破裂面BC的法向相互作用力E＝0。

综上所述，考虑左右洞先后施工时非对称小间距隧道土压力荷载作用模式如图2(a)-2(b)所示。

当小间距隧道左右两侧洞几何与结构对称，且β₃＝β₁时，本方法推导的计算公式将退化为关于常规浅埋小间距隧道土压力荷载的计算方法。本方法考虑了左右两侧洞几何与结构形式不对称对土压力荷载分布的影响，具有更广的适用性。

单开挖先行洞时

左侧隧道先行开挖，此时相当于单洞开挖，求解隧道外侧垂直压力和侧向水平压力的计算方法采用规范中的计算公式，具体如下，

(1)先行洞两侧水平压力

侧压力系数λ₁为

其中，

先行洞内外侧侧向水平压力

e_1i＝λ₁γH_i(2)

式中：H_i为计算点至地表的垂直距离，γ为岩体容重，i表示各个计算点。

(2)先行洞拱顶竖向压力