[发明专利]基于椭圆焦点原理的隧道衬砌断面拟定方法

说明书

本发明涉及基于椭圆焦点原理的隧道衬砌断面拟定方法，所述方法通过引入椭圆辅助线拟定拱部、边墙、拱脚及仰拱的轮廓，各弧段弧线过渡滑顺、过渡点曲率唯一、多弧线共切、各弧段圆心角封闭。本发明克服了断面拟定过程中，圆弧过渡不共切、过渡点曲率不唯一、结构存在应力集中点的缺点，提出了椭圆辅助的针对性拟定方法，提高了隧道衬砌断面拟定精度，是一种用于隧道衬砌断面拟定的普适性方法。

技术领域

本发明涉及隧道施工设计领域，具体涉及一种基于椭圆焦点原理的隧道衬砌断面拟定方法。

背景技术

在各行业隧道设计过程中，往往采用多心圆弧线用以拟定隧道衬砌内外轮廓线。目的是保障隧道结构在服役过程中开挖最省、受力最合理、断面空间利用效率最高。传统的轮廓线拟定方法在处理拱脚与仰拱过渡段二次衬砌厚度不同时，设计人员往往采用随机倒角方式处理，产生圆弧过渡不共切、过渡点曲率不唯一、各弧段圆心角总和不封闭为360°的问题，将导致后期隧道服役过程中结构出现应力集中点，不利于结构安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于椭圆焦点原理的隧道衬砌断面拟定方法，引入椭圆辅助线法，实现弧线过渡滑顺、过渡点曲率唯一、多弧线共切、各弧段圆心角封闭，避免了设计人员的随机处理缺陷，形成用于隧道衬砌断面拟定普适性方法，解决变厚度设计时隧道衬砌轮廓的拟定问题。

本发明所采用的技术方案为：

基于椭圆焦点原理的隧道衬砌断面拟定方法，其特征在于：

所述方法通过引入椭圆辅助线拟定拱部、边墙、拱脚及仰拱的轮廓，各弧段弧线过渡滑顺、过渡点曲率唯一、多弧线共切、各弧段圆心角封闭。

轮廓拟定包括内轮廓拟定和外轮廓拟定。

水沟顶面以上隧道内轮廓拟定包括以下步骤：

通过轨上拱部内弧半径r₁、拱部圆心角α；侧墙内弧半径r₂、侧墙圆心角β和圆心偏距a；拱部圆心至轨顶距离H₁及水沟顶面以上断面二次衬砌厚度b确定隧道水沟顶面以上内轮廓形式；即以半径r₁和圆心角α作拱部内轮廓圆弧；以半径r₂和圆心角β作左右边墙内轮廓圆弧并与拱墙内轮廓圆弧顺接。

水沟顶面以下隧道内轮廓拟定包括以下步骤：

步骤一：拱脚内弧包住水沟结构，并预先设定在水沟底面左端点E点正下方一定距离确定水沟底面正下方点B点位置，令d为水沟底面E点正下方一定距离；

步骤二：水沟顶面A点为拱脚内弧起点，连接A、B两点形成直线过中点C做中垂线与侧墙内弧半径r₂相交于拱部内弧圆心O₃点，令r₃为水沟内弧半径；

步骤三：预先确定r₄为仰拱内弧半径，令l₁＝r₄-r₃；以O₃点为圆心、以l₁为半径做圆，与隧道结构中线相交于圆心O₄，O₄即为仰拱圆心；

步骤四：以O₄为圆心，以r₄为半径画弧，确定仰拱内弧l₂；

步骤五：以O₃为圆心，以O₃A为半径画弧

步骤六：延长弧线与仰拱内弧长度l₂交于拱脚内弧终点D，点D即为弧和l₂的共切点、拱脚内弧的终点，且点D亦位于直线l延长线上并与O₃和O₄共线，对应圆心角为拱脚内弧圆心角γ。

水沟顶面以上隧道外轮廓拟定包括以下步骤：