[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

摘要

一种浅埋非对称小间距隧道土压力荷载计算方法，该方法首先基于围岩的滑动模式、单开挖先行洞时非对称小间距隧道土压力荷载作用模式、再开挖后行洞时非对称小间距隧道土压力荷载作用模式、右侧隧道内侧滑移体，接着分析竖向土压力荷载与后行洞埋深的关系、侧向土压力荷载与后行洞埋深的关系、竖向土压力荷载与中夹岩柱厚度的关系、侧向土压力荷载与中夹岩柱厚度的关系；竖向土压力荷载与先行洞开挖跨度的关系；侧向土压力荷载与先行洞开挖跨度的关系，最终得到土压力荷载与后行洞开挖高度的关系。该方法实现了对隧道埋深、中夹岩柱厚度、开挖跨度与高度等因素对隧道竖向与侧向压力的影响规律，并结合工程监测实例验证了公式的合理性。

主权项

一种浅埋非对称小间距隧道土压力荷载计算方法，其特征在于：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；B、B'分别为左、右侧隧洞的开挖跨度，Bz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分别为左侧隧洞岩体DHG，EFGH和ABCF的重力；W2'，W'，W1'分别为右侧隧洞岩体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；当小间距隧道左右两侧洞几何与结构对称，且β3＝β1时，该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；该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e1i＝λ1γHi   (2)式中：Hi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参考规范，求得单开挖先行洞时的拱顶竖向压力为q1=γH′(1-H′Bλ1tanθ)---(3)]]>再开挖后行洞时(1)后行洞外侧水平压力再开挖右侧隧道时，其外侧水平压力为e4i＝λ1γhi   (4)式中：hi为计算点至地表的垂直距离，垂直距离的单位为m；(2)后行洞内侧水平压力为计算后行洞内侧水平压力，取隔离体BCF'A'为研究对象进行受力分析，根据力学平衡条件和上述条件解得T2'的计算表达式为其中，W2′=12γB2(2h-B2tanβ2)---(5b)]]>隧道间距Bz较小，为简化分析，设FC＝KB，F'C＝KB'，K＝Bz/(B+B')，经整理后得T2′=12γh2λ2cosθ---(6a)]]>其中，为使T2'取得极大值，令整理得则后行洞内侧水平压力e3i表示为e3i＝λ2γhi   (8)(3)后行洞竖向压力同理，后行洞拱部竖向土压力荷载q'1和q'2分别表示如下q1′=γh′(1-h′B′λ1tanθ)---(9)]]>q2′=γh′(1-h′B′λ2tanθ)---(10)]]>(4)先行洞水平压力开挖后行洞时，先行洞外侧水平压力近似认为保持不变，其计算方法参见式(1a)、(1b)、(2)；为计算先行洞内侧水平压力，取隔离体BCFA为研究对象进行受力分析，同理可得T2=12γH2λ3cosθ---(11)]]>其中，λ3为后行洞开挖后先行洞内侧水平压力系数，表达式如下为使T2取得极大值，令整理得则先行洞内侧水平压力表示如下e2i＝λ3γHi   (14)(5)先行洞竖向压力开挖后行洞时，先行洞外侧竖向压力近似认为保持不变，其计算方法参见式(3)；先行洞内侧竖向应力则表示如下q2=γH′(1-H′Bλ3tanθ)---(15)]]>该方法考虑后行洞开挖扰动中夹岩柱引起的先行洞内侧滑移面的变化，在此基础上，考虑了后行洞开挖对先行洞内侧围岩滑移面的影响，推导了浅埋非对称小间距隧道土压力荷载的计算方法；该方法实现了对隧道埋深、中夹岩柱厚度、开挖跨度与高度因素对隧道竖向与侧向压力的影响规律，并结合工程监测实例验证了公式的合理性。