[发明专利]一种深埋非对称连拱隧道土压力荷载确定方法

摘要

一种深埋非对称连拱隧道土压力荷载确定方法，非对称连拱隧道具有几何与结构形式不对称、开挖跨度大、施工工序繁多、结构受力复杂等力学特性，在进行支护结构设计中通常需要进行荷载‑结构模型验算，而其荷载确定尚无成熟的计算方法。在此背景下，考虑了左右两洞室几何与结构形式不对称条件，基于连拱隧道双塌落拱的基本假定，根据普氏理论推导了深埋非对称连拱隧道土压力荷载计算公式。将推导公式取对称条件，则可以退化为常规连拱隧道的计算公式，验证了所推导公式的正确性。最后结合工程实例，验证了所推导公式的合理性。研究方法和结论可以为深埋非对称连拱隧道的设计荷载确定提供重要参考。

主权项

一种深埋非对称连拱隧道土压力荷载确定方法，其特征在于：该方法的实现流程如下，1)单洞隧道普氏理论普氏理论是针对松散地层和破碎岩体的松动压力计算公式：P＝γh1  (1)水平压力计算公式为：式中：a为开挖跨度的一半；h为开挖跨度的高度；h1为自然拱高度；γ为围岩重度；l为隧道侧壁任意点至隧道拱顶的垂直距离；为围岩计算摩擦角；f为岩石坚固性系数，根据公路、铁路隧道设计规范中，岩石坚硬强度对应的岩石单轴饱和抗压强度RC的数值，取f＝0.1RC；2)深埋非对称连拱隧道土压力荷载作用模式连拱隧道施工中采用中导洞先行开挖且中隔墙施工完成后再开挖两侧导洞的施工步序，因此，中隔墙的稳定性及对其顶部岩土体的主动支护压力作用直接影响了连拱隧道土压力荷载的作用模式；对于深埋情况，根据普氏理论可以认为中隔墙的非常稳定和非常不稳定是连拱隧道承载拱形成的两个极端情形；当中隔墙非常稳定时，两侧的洞室分别形成独立的承载拱，连拱隧道土压力荷载可以简化为两个单侧承载拱下部不稳定土体引起的松散压力；而当中隔墙非常不稳定或中隔墙顶部回填不密实，围岩变形过大，左右两个洞室将连成一个整体形成共同的承载拱，即不考虑中隔墙的支护作用，以整个连拱隧道开挖宽度形成一个大的极限承载拱，此时连拱隧道土压力荷载简化为该极限承载拱下方不稳定土体引起的松散压力；根据以上分析可知，深埋连拱隧道土压力荷载作用模式通常介于两种极限情况之间，即中隔墙的主动承载作用分担了极限承载拱内的松散压力，抑制了极限承载拱的形成，因此连拱隧道土压力荷载看作拱部松散压力和中隔墙顶部压力之和，简化为以下五部分；(1)中隔墙顶预支承土压力荷载qz，取决于中隔墙顶岩土体的抗压能力和极限承载拱内的附加总重量；(2)基本松散土压力荷载q1，由连拱隧道单侧独立洞室承载拱内土层形成，其分布形式为左右不相等的均布荷载；(3)附加松散土压力荷载q2，由连拱隧道两个洞室共同形成的极限承载拱地层形成，并去除该极限承载拱内基本松散土压力荷载及中隔墙顶预支撑土压力荷载，其土压力荷载为梯形分布荷载；(4)中隔墙顶松散土压力荷载q3，即连拱隧道左右洞拱顶至中隔墙顶之间松散土体形成的分布荷载；(5)水平土压力荷载由作用在非对称连拱隧道衬砌外侧及中隔墙上方内侧两部分组成；3)深埋非对称连拱隧道土压力荷载计算公式3.1)计算基本定义定义连拱隧道单侧承载拱曲线和极限承载拱曲线均为抛物线，因此该承载拱曲线与隧道拱顶水平线围成的区域面积S根据承载拱跨度B和承载拱拱高H计算得到，即S＝2BH/3；基本松散土压力q1看作由单侧洞室形成稳定承载拱下部的岩土体重量产生，根据左右洞室的平衡拱高度分别求得；为简化分析，根据普氏理论，定义左右洞室的平衡拱高度Hq1l和Hq1r，以及极限承载拱高度Hu分别为Hq1l=12×(Bt1+Bp1+12Bz)/f---(4)]]>Hq1r=12×(Bt2+Bp2+12Bz)/f---(5)]]>Hu=12×Bm/f---(6)]]>其中：Bm＝Bt1+Bt2+Bz+Bp1+Bp2；Bt1为左侧隧道跨度；Bt2为右侧隧道跨度；Bz为中隔墙宽度；Ht1为左侧隧道高度；Ht2为右侧隧道高度；H1为左侧隧道基础至破裂面起始点的高度；H2为右侧隧道基础至破裂面起始点的高度；其它符号及意义同前；3.2)计算公式推导(1)中隔墙均布土压力荷载qz中隔墙顶部的均布压力qz，主要取决于中隔墙顶岩土体的抗压能力ps和极限承载拱内的附加总重量G3，即qz＝min(ps,G3/Bz)，Bz为中隔墙能够发挥支撑作用有效宽度；中隔墙顶岩土体的抗压能力ps通过下式求得ps=RSB/Kz---(7)]]>为中隔墙顶岩体的设计抗压强度；Kz为中隔墙对上部岩体支撑能力的安全系数，取2；极限承载拱内附加总重量G3则表示如下：G3=23γBmHm-23γBq1Hq1-23γBq2Hq2---(8)]]>式中：Hm表示极限承载拱的高度；Hq1、Hq2分别表示基本松散土压力q1和附加松散土压力荷载q2相对应的等效荷载高度；(2)基本松散压力q1将连拱隧道左、右洞基本松散压力均简化为均布荷载q1l和q1r，表示如下：q1l=γHq1l---(9)]]>q1r=γHq1r---(10)]]>(3)附加松散土压力荷载q2定义q2在拱顶平面上呈三角形分布，且向上的支撑压力与承载拱内的土体重量平衡，则得到：23γ(Bq1Hq1+Bq2Hq2)+Bmq2′2+qzBz=2γBmHm3---(11)]]>q2lq2′=Bp1Bm/2---(12)]]>q2rq2′=Bp2Bm/2---(13)]]>由上式得到q′2、q2l、q2r的计算公式如下q2l=Bp1Bm/2·q2′---(14)]]>q2r=Bp2Bm/2·q2′---(15)]]>q′2＝2(G3‑qzBz)/Bm  (16)(4)中隔墙顶松散土压力荷载q3中隔墙顶分布土压力荷载q3简化为三角形荷载：q3＝γHq3  (17)其中Hq3近似取为单侧大断面隧道拱顶距中隔墙顶的距离；(5)水平土压力荷载根据本方法计算基本定义，作用在连拱隧道支护结构外侧的水平土压力荷载其中k为侧压力系数，按朗肯公式计算，式中为围岩内摩擦角；为衬砌外侧拱部及边墙计算点对应的附加松散土压力荷载；hi为计算点到拱顶外侧的距离；作用在连拱隧道支护结构内侧拱部水平方向土压力荷载式中为衬砌外侧拱部及边墙计算点对应的中隔墙顶松散土压力荷载。