获取明洞隧道衬砌结构等效回填高度及作用荷载的方法与流程

本发明涉及工程计算技术领域，尤其涉及获取明洞隧道衬砌结构等效回填高度及作用荷载的方法。

背景技术：

近年来，随着高速铁路路网建设向山区发展，高标准铁路设计工作已经全面展开，由于受曲线半径大、地形地质条件复杂、环保要求高、列车时速提高等多种因素的制约，明洞跨度已从单跨双向两车道发展到双跨双向四车道，向着大跨，超大跨发展。国内在近十年里也很重视隧道明洞建设技术，但主要是凭经验性为主，目前无统一的勘察设计规范以致同类工程在设计和施工方面差别也比较大，并且规范中有些规定也不够明确。

问题尤为突出的是回填荷载的确定，特别是对于大跨度明洞衬砌结构进行超厚回填这种施工在国内很少见，对于回填土作用下，明洞荷载大小以及荷载与回填土厚度之间的关系没有相关的设计指导和经验，缺乏统一的设计依据，现有的铁路隧道设计规范(tb10003—2005)，对明洞拱圈回填土的垂直压力，主要采取全覆土重来计算回填土垂直作用荷载(c.0.1)。对于超厚回填土，则显得相对保守。这严重制约了大跨新型明洞结构的工程应用及发展。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种获取明洞隧道衬砌结构等效回填高度及作用荷载的方法，基于隧道衬砌结构内力反分析，对明洞隧道衬砌结构等效回填高度及作用荷载进行计算。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

获取明洞隧道衬砌结构等效回填高度及作用荷载的方法，首先进行隧道多横断面混凝土应力以及钢筋应力的测试工作，并依据测试数据计算绘制测试内力包络图；然后以施工现场覆土高度h0为基准，按照铁路隧道设计规范(tb10003—2005)中明洞作用(荷载)计算方法进行计算并绘制相应等效埋深的内力包络图，并与现场测试得到的内力包络图进行比对，若试算的内力包络图结果偏大，则减小h0，若试算的内力包络图结果偏小，则增大h0，并对调整后的埋深h1进行再计算，使内力包络线逐渐逼近现场测试内力包络图，本发明以施工现场覆土高度h0为基准动态整覆土高度hi，以此类推进行循环迭代，直至等效埋深内力包络图逼近现场测试内力包络图，最终选取内力包络线刚好包络逼近测试内力包络图的对应覆土高度hi作为衬砌结构真实上覆回填荷载等效回填高度，进而计算得出衬砌结构的回填土压力分布。

具体包括以下步骤：

步骤1、测试隧道多个横断面的混凝土应力和钢筋应力；

步骤2、根据混凝土应力和钢筋应力，计算并绘制出平均内力包络图；

步骤3、根据覆土高度hi，按照铁路隧道设计规范中明洞作用计算方法进行计算并绘制出试算的内力包络图bi，并将内力包络图bi与平均内力包络图进行比对；其中，i的初始值为0，h0为施工现场覆土高度；

如果对比结果符合预定要求，将hi作为衬砌结构真实上覆回填荷载的等效回填高度；其中，当内力包络图bi包络逼近平均内力包络图时，视为对比结果符合预定要求。所述内力包括弯矩或轴力，试算的弯矩包络图与平均弯矩包络图的相对误差不大于5％视为对比结果符合预定要求；试算的轴力包络图与平均轴力包络图的相对误差不大于10％视为对比结果符合预定要求。如果对比结果不符合预定要求，执行步骤4；

步骤4、若内力包络图bi结果偏大，hi+1＝hi-xi；若内力包络图bi结果偏小，则hi+1＝hi+yi；

步骤5、i＝i+1，回到步骤3。

进一步的，所述内力包括弯矩和轴力，所述平均内力包络图包括平均弯矩包络图和平均轴力包络图，所述内力包络图bi包括弯矩包络图bwi和轴力包络图bzi；

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、根据覆土高度hi，计算并绘制试算的弯矩包络图bwi，并将弯矩包络图bwi与平均弯矩包络图进行比对，如果弯矩包络图bwi与平均弯矩包络图的对比结果符合预定要求，得到一个hi，执行步骤3.2；如果弯矩包络图bwi与平均弯矩包络图的对比结果不符合预定要求，执行步骤4；

步骤3.2、根据这个hi，计算并绘制试算的轴力包络图bzi，并将轴力包络图bzi与平均轴力包络图进行比对，如果轴力包络图bzi与平均轴力包络图的对比结果符合预定要求，则将这个hi作为衬砌结构真实上覆回填荷载的等效回填高度；如果轴力包络图bzi与平均轴力包络图的对比结果不符合预定要求，执行步骤4。

其中，弯矩包络图bwi与平均弯矩包络图的相对误差不大于5％视为对比结果符合预定要求；轴力包络图bzi与平均轴力包络图的相对误差不大于10％视为对比结果符合预定要求。

进一步的，所述步骤1中，在每个横断面上环向选取多个测试截面，并获得各测试截面内外侧的混凝土应力和钢筋应力；

所述步骤2，根据各测试截面内外侧的钢筋应力和混凝土应力获得各测试截面的内力，根据各测试截面的内力计算并绘制出平均内力包络图。所述步骤2中计算并绘制出平均内力包络图包括以下两种方式：方式一，对所述多个横断面的同一测试截面处的内力求平均，根据各测试截面的内力平均值绘制出平均内力包络图；方式二，根据测试截面内侧的钢筋应力、外侧的钢筋应力、内侧的混凝土应力和外侧的混凝土应力，计算并绘制出各个横断面的内力包络图，然后对各个横断面的内力包络图求平均，绘制出平均内力包络图。

进一步的，所述步骤1中，在选取的测试截面位置同时设置钢筋计组和混凝土应变计组，所述钢筋计组包括两个钢筋计，同一组的两个钢筋计分别位于同一个测试截面的内侧和外侧；所述混凝土应变计组包括两个混凝土应变计，同一组的两个混凝土应变计分别位于同一个测试截面的内侧和外侧，通过钢筋计和混凝土应变计测得各测试截面内外侧的钢筋应力和混凝土应力。

进一步的，至少在隧道的拱顶、左拱肩、左拱腰、左边墙、仰拱左边、仰拱中心、右拱肩、右拱腰、右边墙和仰拱右边处设有测试截面。

获取明洞隧道衬砌结构作用荷载的方法，根据等效回填高度计算得到衬砌结构的回填土压力分布。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明能够获得等效回填高度，根据该等效回填高度，本领域技术人员可计算出明洞上覆回填荷载的大小和分布特征，最终探明明洞“拱效应”的影响因素；建立回填土明洞衬砌结构作用荷载确定方法，为明洞回填荷载的确定和相关规范的修订提供强有力的技术支撑；

2.本发明能够精确的计算出明洞隧道衬砌结构的回填荷载并且能有效的测试出衬砌结构的内力，为明洞衬砌结构设计提供依据，计算方法靠性高，操作简单，易于推广。

附图说明

图1是某一横断面的测试截面内力测试布置图；

图2是回填稳定后各测点弯矩包络图；

图3是回填稳定后各测点轴力包络图；

图中：1-拱顶、2-左拱肩、3-左拱腰、4-左边墙、5-仰拱左边、6-仰拱中心、7-右拱肩、8-右拱腰、9-右边墙、10-仰拱右边、11-钢筋计、12-混凝土应变计。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

本发明公开的获取明洞隧道衬砌结构等效回填高度及作用荷载的方法，包括以下步骤：

步骤1、测试隧道多个横断面的混凝土应力和钢筋应力；

步骤2、根据混凝土应力和钢筋应力，计算并绘制出平均内力包络图；

步骤3、根据覆土高度hi，按照铁路隧道设计规范中明洞作用计算方法进行计算并绘制出试算的内力包络图bi，并将内力包络图bi与平均内力包络图进行比对；其中，i的初始值为0，h0为施工现场覆土高度；

如果对比结果符合预定要求，将hi作为衬砌结构真实上覆回填荷载的等效回填高度；其中，当内力包络图bi包络逼近平均内力包络图时，视为对比结果符合预定要求。其中内力包括弯矩或轴力，当内力为弯矩时，内力包络图bi与平均内力包络图的相对误差不大于5％，视为对比结果符合预定要求；当内力为轴力时，内力包络图bi与平均内力包络图的相对误差不大于10％，视为对比结果符合预定要求。其中，内力包络图bi与平均内力包络图的相对误差是指：弯矩包络图bwi与平均弯矩包络图的差值的绝对值与平均弯矩包络图的百分比，即弯矩包络图bwi与平均弯矩包络图的差值的绝对值除以平均弯矩包络图再化成百分数。

如果对比结果不符合预定要求，执行步骤4；

步骤4、若内力包络图bi结果偏大，hi+1＝hi-xi；若内力包络图bi结果偏小，则hi+1＝hi+yi；其中，内力包络图bi结果偏大是指内力包络图bi大于平均内力包络图且误差大于5％，内力包络图bi结果偏小是指平均弯矩包络大于内力包络图bi且误差大于5％。步骤5、i＝i+1，回到步骤3。

可采取以下方法计算并绘制出平均内力包络图，步骤1中，在每个横断面上环向选取多个测试截面，并获得各测试截面内外侧的混凝土应力和钢筋应力。例如，至少在隧道的拱顶1、左拱肩2、左拱腰3、左边墙4、仰拱左边5、仰拱中心6、右拱肩7、右拱腰8、右边墙9和仰拱右边10处设有测试截面。

步骤2，根据各测试截面内外侧的钢筋应力和混凝土应力获得各测试截面的内力，根据各测试截面的内力计算并绘制出平均内力包络图。步骤2中计算并绘制出平均内力包络图包括以下两种方式：方式一，对多个横断面的同一测试截面处的内力求平均，根据各测试截面的内力平均值绘制出平均内力包络图；方式二，根据测试截面内侧的钢筋应力、外侧的钢筋应力、内侧的混凝土应力和外侧的混凝土应力，计算并绘制出各个横断面的内力包络图，然后对各个横断面的内力包络图求平均，绘制出平均内力包络图。

实施例2

本实施例中，内力包括弯矩和轴力，平均内力包络图包括平均弯矩包络图和平均轴力包络图，内力包络图bi包括弯矩包络图bwi和轴力包络图bzi；

具体步骤如下：

步骤1、测试隧道多个横断面的混凝土应力和钢筋应力；

步骤2、根据混凝土应力和钢筋应力，计算并绘制出平均弯矩包络图和平均轴力包络图；

步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、根据覆土高度hi，计算并绘制试算的弯矩包络图bwi，并将弯矩包络图bwi与平均弯矩包络图进行比对，如果弯矩包络图bwi与平均弯矩包络图的对比结果符合预定要求，得到一个hi，执行步骤3.2；如果弯矩包络图bwi与平均弯矩包络图的对比结果不符合预定要求，执行步骤4；

步骤3.2、根据这个hi，计算并绘制试算的轴力包络图bzi，并将轴力包络图bzi与平均轴力包络图进行比对，如果轴力包络图bzi与平均轴力包络图的对比结果符合预定要求，则将这个hi作为衬砌结构真实上覆回填荷载的等效回填高度；如果轴力包络图bzi与平均轴力包络图的对比结果不符合预定要求，执行步骤4。

步骤4、若弯矩包络图bwi结果偏大，hi+1＝hi-xi；若弯矩包络图bwi结果偏小，则hi+1＝hi+yi。其中，弯矩包络图bwi结果偏大是指弯矩包络图bwi大于平均弯矩包络图且误差大于5％，弯矩包络图bwi结果偏小是指平均弯矩包络大于弯矩包络图bwi且误差大于5％。

步骤5、i＝i+1，回到步骤3.1。

其中，弯矩包络图bwi与平均弯矩包络图的相对误差不大于5％视为对比结果符合预定要求；轴力包络图bzi与平均轴力包络图的相对误差不大于10％视为对比结果符合预定要求。

本实施例同时考虑了弯矩与轴力，采用弯矩与轴力“双控”的模式进行筛选，使计算结果更精确。

实施例3

本实施例详细介绍如何测试隧道多个横断面的混凝土应力和钢筋应力。

步骤1中，在选取的测试截面位置设置钢筋计组，钢筋计组包括两个钢筋计11，同一组的两个钢筋计11分别位于同一个测试截面的内侧和外侧；在测试截面上同时安装有混凝土应变计组，混凝土应变计组包括两个混凝土应变计12，同一组的两个混凝土应变计12分别位于同一个测试截面的内侧和外侧，通过钢筋计和混凝土应变计测得各测试截面内外侧的钢筋应力和混凝土应力。

下面结合附图详细介绍本发明方法。

如图1所示，首先，确定钢筋计组和混凝土应变计组的安装位置，预定在拱顶1、左拱肩2、左拱腰3、左边墙4、仰拱左边5、仰拱中心6、右拱肩7、右拱腰8、右边墙9和仰拱右边10处安装钢筋计组和混凝土应变计组。

然后，在预定的安装位置成对布设钢筋计11和混凝土应变计12，即在上述安装位置截面的内外侧各设一支钢筋计11，由此可以计算出测试截面内外侧的钢筋应力；在上述安装位置截面的内外侧各设一支混凝土应变计12，由此可以计算出测试截面内外侧的混凝土应力。其中钢筋计11和混凝土应变计12，在测试截面处成对称布置。该方法能有效的测试出衬砌结构的内力，为明洞衬砌结构设计提供依据。

接着，通过各测试截面处的混凝土应力以及钢筋应力，按照混凝土结构设计规范(gb50010—2010)计算得到各测试截面的内力(包括弯矩和轴力)，并绘制出各个横断面的弯矩包络图和轴力包络图，然后分别对各个横断面的弯矩包络图和轴力包络图求平均，绘制出平均弯矩包络图(如图2所示)和平均轴力包络图(如图3所示)。

其次、以施工现场覆土高度h0为基准，按照铁路隧道设计规范(tb10003—2005)中明洞作用荷载计算方法进行计算并绘制弯矩包络图bwi，并将弯矩包络图bwi与平均弯矩包络图进行比对，循环迭代直至弯矩包络图bwi逼近平均弯矩包络图(相对误差不大于5％)，得到一个hi，再根据这个hi，计算并绘制试算的轴力包络图bzi，并将轴力包络图bzi与平均轴力包络图进行比对，如果轴力包络图的包络线逼近平均轴力包络图(相对误差不大于10％)，则将这个hi作为衬砌结构真实上覆回填荷载的等效回填高度；如果轴力包络图与逼近平均轴力包络图的相对误差大于10％，则调整hi，重新计算并绘制弯矩包络图bwi。

获取明洞隧道衬砌结构作用荷载的方法，根据衬砌结构真实上覆回填荷载等效回填高度，按照铁路隧道设计规范(tb10003—2005)中明洞作用(荷载)计算方法获得衬砌结构的回填土压力分布。

本发明不仅能够测试出衬砌截面的内力，而且通过上覆回填土高度动态调整的循环迭代计算与内力包络线逼近的方法反分析计算出明洞上覆回填荷载的大小和分布特征，最终探明明洞“拱效应”的影响因素；建立回填土明洞衬砌结构作用荷载确定方法。为明洞回填荷载的确定和相关规范的修订提供强有力的技术支撑。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。