[发明专利]一种隧道纵向截断边界处理方法

说明书

本发明涉及一种隧道纵向截断边界处理方法，该方法基于弹性地基梁理论，通过改变局部土质条件，实现关键区域内隧道结构变形与原型隧道结构变形相同；首先利用弹性地基梁理论计算无限长隧道结构在局部开挖条件下的隆起量，然后将无限长隧道结构截断，并改变截断区域附近土体参数，利用有限长弹性地基梁理论计算出该区域内土体参数，进而使得开挖区域内隧道结构变形与无限长条件下开挖区域内隧道结构变形相等，最终实现有限长隧道结构变形与无限长隧道结构变形等价，从而可以在离心模型试验中利用有限长隧道结构模拟近似于无限长的原型隧道结构。

技术领域

本发明属于岩土工程物理模型试验或数值模拟辅助措施，尤其涉及长形结构物及地基土体截断边界的处理方法。

背景技术

岩土工程的研究中，有很多涉及到长形结构工程，如铁路、公路、隧道、渠道等， 当所研究范围内的结构物及地基土体无其他条件变化时，可以将其简化为二维情况进行研究。 如果研究范围内的结构物或地基土体发生局部条件变化，如一定范围内的开挖、加载等，此时 将其简化为二维情况进行研究势必造成较大误差。因此，局部条件发生变化时需采用三维模式 进行研究，如既有地铁隧道附近有基坑开挖，在数值模拟或物理模型试验中需充分考虑一定范 围内的隧道结构、地基土体及整个基坑情况。

在数值模拟中，可以设计较大的数值模型使得截断边界与基坑边界相距较远进而减少截断边界影响，也可以采用无限元方法用有限区域模拟无限区域从而也避免截断边界对研究结果的影响。

在物理模型试验中，如果基坑尺寸相对较小，而且试验条件允许，则截断边界不会对研究结果造成较大影响。当基坑尺寸相对较大时，而且受试验条件限制(如离心模型试验中，缩尺后的模型基坑边界至截断边界距离较小)，则边界影响较为显著，这种条件 下的试验研究将会与实际情况有较大差距。因此，需要采取一定方法消除截断边界对研究 结果的影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种隧道纵向截断边界处理方法。该方法基于弹 性地基梁理论，通过改变局部土质条件，实现关键区域内隧道结构变形与原型隧道结构变 形相同。首先利用弹性地基梁理论计算无限长隧道结构在局部开挖条件下的隆起量，然后 根据试验条件将无限长隧道结构及隧道周围土体在纵向上截断，并改变截断区域附近土体 参数，利用有限长弹性地基梁理论计算出该区域内土体参数，进而使得开挖区域内隧道结 构变形与无限长条件下开挖区域内隧道结构变形相等，最终实现有限长隧道结构变形与无 限长隧道结构变形等价，从而可以在离心模型试验或其他模型试验中利用有限长隧道结构 研究近似于无限长的原型隧道结构。

本发明采用的技术方案如下：

根据隧道结构管片材料、管片连接状况、连接材料等计算隧道结构纵向等效弯曲刚 度，当隧道结构为均质圆管时，可以由隧道结构材料特性直接计算隧道结构纵向弯曲刚度；

根据土体弹性模量、泊松比、隧道直径、隧道等效弯曲刚度计算地基土体反作用模量；

由弹性地基梁理论计算开挖条件下无限长隧道结构隆起位移；

由弹性地基梁理论计算无限长隧道结构任意截面隆起量、转角、弯矩及剪力；

根据弹性地基梁理论将无限长隧道结构及地基土体纵向上截断成有限长，计算有限 长隧道结构任意截面隆起量、转角、弯矩及剪力；

将有限长区域两侧一定范围内土体替换，由替换区域内隧道结构的隆起量、转角、弯矩 及剪力与无限长区域内相应截面上的起量、转角、弯矩及剪力相等，计算替换土体宽度、弹 性模量及泊松比；

当替换区域内为单一土体不能满足有限长隧道结构的隆起量、转角、弯矩及剪力与 无限长相应区域内的隧道结构的隆起量、转角、弯矩及剪力相等或近似相等时，可以将替 换区域内单一土体变为两种土体或多种土体；