一种适用于多地层浅埋隧道的围岩压力计算方法与流程

本发明属于隧道工程技术领域，具体地，涉及一种适用于在浅埋隧道的围岩为由多种不同地层组合而成的复合地层时，对围岩压力的计算方法。

背景技术：

隧道开挖后，伴随着围岩应力的释放，洞周围岩向洞内发生变形。支护结构施作后，围岩变形得到抑制，同时产生了作用于支护结构的荷载，即围岩压力。如隧道工程支护方案在某些条件下过于保守，则会造成浪费；而在某些条件下因围岩压力考虑不充分，支护结构设计参数偏弱，则会造成安全事故的发生。围岩压力直接影响到隧道的结构设计与施工方法的选择，因此，在隧道工程实践中，准确预测隧道开挖引起的围岩压力对于隧道施工的顺利推进有着重要意义。城市地下工程多为浅埋工程，围岩条件较差，在这种情况下，开挖所造成的影响将更为直接的作用到地表及周边建筑。如何计算出一个可供参考的围岩压力值，进而控制好施工过程中对周围构筑物的影响，保证施工安全、快速的完成，成为一个亟待解决的问题。

申请号为cn201610958955.7的中国专利申请文件《一种用于浅埋隧道的围岩压力计算方法》公开了：

“一种用于浅埋隧道的围岩压力计算方法，包括以下步骤：

(1)选取围岩的收敛变形监测点：对采用双侧壁导坑法施工的隧道进行研究分析，选取按开挖顺序最先开挖的导洞上的点为收敛变形监测点；

(2)在监测点构造结构力学模型；

(3)推导收敛变形与围岩压力之间的计算关系式；

(4)将工程实际数据与收敛监测数据带入步骤(3)的关系式中，分别计算监测点左、右两侧的位移量，及监测点的收敛变形；

(5)计算得出围岩计算摩擦角与围岩压力。”

该方法通过分析双侧壁导坑法隧道施工中侧壁围岩的收敛变形与围岩压力之间的关系，建立结构力学模型，由现场监测数据反算求得围岩压力。其中，建立结构力学模型的步骤仅针对单一地层，而浅埋隧道的实际施工环境往往都是相对较复杂的，由多种不同地层组合而成的复合地层。因此，该围岩压力计算方法的应用领域比较局限，不能很好地满足实际施工环境的复杂性要求。利用该方法计算所得的围岩压力值与实际围岩压力值还存在一定差距，不能较吻合地代表隧道的实际围岩压力，为工程技术人员提供的可参考性价值不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对申请号为cn201610958955.7的中国专利申请文件《一种用于浅埋隧道的围岩压力计算方法》公开的计算方法所存在的，仅适用于单一地层结构的局限性问题，提供一种能够适用于多地层浅埋隧道的围岩压力计算方法，该计算方法的应用范围更广，实用性和精确性更好，可参考性价值更高。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种适用于多地层浅埋隧道的围岩压力计算方法，包括：

步骤一、建立多地层结构力学模型的步骤；

步骤二、将多地层结构力学模型转换为单地层结构力学模型的步骤。

在申请号为cn201610958955.7的中国专利申请文件《一种用于浅埋隧道的围岩压力计算方法》公开的围岩压力计算方法的基础之上，以上步骤将建立单一地层结构力学模型的步骤，转换为建立多地层结构力学模型的步骤，然后再将多地层结构力学模型转换为单地层结构力学模型。转换后的多个单地层结构力学模型即可按照《一种用于浅埋隧道的围岩压力计算方法》公开的围岩压力计算方法进行计算。相比于《一种用于浅埋隧道的围岩压力计算方法》，该计算方法能够适用于相对较复杂的，由多种不同地层组合而成的复合地层的浅埋隧道施工环境。因此，该围岩压力计算方法的应用领域更广泛。利用该方法计算所得的围岩压力值进一步地接近于实际围岩压力值，能更吻合地代表隧道的实际围岩压力。

作为优选方案，所述步骤一包括：将处于不同地层范围之内的荷载分别视为线性荷载。该步骤是以《公路隧道设计规范》附录e浅埋隧道荷载计算方法为依据，所建立的模型能够符合相关规范。

作为优选方案，所述步骤二包括：以地层分界线为界，将荷载分为对应数量的部分。虽然整个围岩由多个地层组成，不能够利用《一种用于浅埋隧道的围岩压力计算方法》公开的围岩压力计算方法计算，但是，以地层分界线为界，将多地层力学模型分割为多个单一地层力学模型，分割后的单一地层即可按照《一种用于浅埋隧道的围岩压力计算方法》所公开的围岩压力计算方法进行计算。此外，在分割地层时，可以按照地层属性来分割，而在相邻的地层属性十分近似，没有必要分割时，可以视为同一地层进行计算，以简化计算步骤。

作为优选方案，所述步骤一建立左导坑上台阶力学模型的假设条件为：

(1)将左导坑上台阶视为扇形；

(2)将左导坑上台阶的右侧壁及圆拱部分简化为刚性材料；

(3)将左导坑上台阶的右侧壁及圆拱的两端节点均视为刚性连接；

(4)所述右侧壁视为超静定梁，所述圆拱视为超静定拱。

进一步地，所述步骤二为：将超静定梁以地层分界线为界分为对应数量的线性荷载。

进一步地，所述步骤二为：将超静定拱以地层分界线为界分为对应数量的线性荷载。

该步骤的建模条件与《一种用于浅埋隧道的围岩压力计算方法》保持一致，以使得将该步骤所建立的模型与原模型步骤替换时，不影响整个计算逻辑，即可以直接将该步骤所建立的模型嵌入原计算方法。

作为优选方案，所述步骤一建立左导坑下台阶力学模型的假设条件为：

(1)将左导坑下台阶视为三角形；

(2)将左导坑下台阶的左侧壁及右侧壁部分简化为刚性材料；

(3)将左导坑下台阶的左侧壁及右侧壁的两端节点均视为刚性连接；

(4)所述左侧壁及右侧壁视为超静定梁，总收敛变形视为两根超静定梁的收敛变形之和。

进一步地，所述步骤二为：将超静定梁以地层分界线为界分为对应数量的线性荷载。

该步骤的建模条件与《一种用于浅埋隧道的围岩压力计算方法》保持一致，以使得将该步骤所建立的模型与原模型步骤替换时，不影响整个计算逻辑，即可以直接将该步骤所建立的模型嵌入原计算方法。

综上所述，由于采用了上述技术方案，相比于现有技术，本发明的有益效果是：

提供一种能够适用于多地层浅埋隧道的围岩压力计算方法，该方法建立结构力学模型的步骤可针对围岩为多地层结构的情形，能够适应浅埋隧道中相对较复杂的，由多种不同地层组合而成的复合地层的实际施工环境。因此，该围岩压力计算方法的应用领域比较广泛，能够很好地满足实际施工环境的复杂性要求。利用该方法计算所得的围岩压力值与实际围岩压力值差距更小，能够较吻合地代表隧道的实际围岩压力，实用性和精确性更好，为工程技术人员提供的可参考性价值更高。

附图说明

图1是双地层与隧洞上台阶位置关系示意图。

图2是双地层左导坑上台阶荷载模型图。

图3是双地层左导坑上台阶超静定梁荷载qs和荷载qc的模型图。

图4是双地层左导坑上台阶超静定梁荷载ql的模型图。

图5是双地层左导坑上台阶超静定梁荷载ql1的模型图。

图6是双地层左导坑上台阶超静定梁荷载ql2的模型图。

图7是双地层左导坑上台阶超静定拱荷载qs和荷载q3的模型图及荷载qs1和荷载qs2模型图。

图8是双地层左导坑上台阶地层几何关系图。

图9是双地层与隧洞下台阶位置关系示意图。

图10是双地层左导坑下台阶荷载模型图。

图11是三地层与隧洞下台阶位置关系示意图。

图12是三地层左导坑下台阶荷载模型图。

图13是三地层左导坑下台阶超静定梁荷载qs和荷载qc的模型图。

图14是三地层左导坑下台阶超静定梁荷载q1、荷载q2和荷载q3的模型图。

附图中标记对应的部件名称为：

1-左导坑上台阶，2-左导坑下台阶，3-右导坑上台阶，4-右导坑下台阶，5-中导坑上台阶，6-中导坑下台阶，7-左导坑上台阶收敛观测位置，8-上下台阶分界线，9-第一层初期支护，10-第二层初期支护。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细地说明。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是针对申请号为cn201610958955.7的中国专利申请文件《一种用于浅埋隧道的围岩压力计算方法》公开的计算方法所进行的优化改进，改进点在于将建立力学模型的步骤改进为两个步骤，分别是步骤一、建立多地层结构力学模型的步骤；步骤二、将多地层结构力学模型转换为多个单地层结构力学模型的步骤。以下分别以双地层和三地层为例，说明本发明的计算过程，与基础申请原理相重复的部分不做赘述。基于双侧壁导坑法的施工方法，开挖并依次完成左导坑上台阶1、左导坑下台阶2、右导坑上台阶3、右导坑下台阶4、中导坑上台阶5和中导坑下台阶6，左、右导坑开挖顺序也可调换，具体根据工程情况确定，但是左右两边结构对称，并不影响模型的构建。左导坑上台阶收敛观测位置7为收敛观测取值位置，具体根据待测位置确定。上下台阶分界线8将开挖洞内分成上、下台阶，完成开挖后依次施作第一层初期支护9和第二层初期支护10。

实施例1

如图1所示，本实施例是双地层的分界线位于左导坑上台阶之间时的情况。分析左导坑上台阶的荷载，建立模型的假设条件为：

(1)将左导坑上台阶视为扇形；

(2)将左导坑上台阶的右侧壁及圆拱部分简化为刚性材料；

(3)将左导坑上台阶的右侧壁及圆拱的两端节点视为刚性连接。

如图2所示，建立双地层左导坑上台阶荷载模型，设扇形的半径为r，夹角为θ，并引入常数ei。右侧壁视为超静定梁，圆拱视为超静定拱，两者刚性连接。以下分别对超静定梁和超静定拱进行分析计算。

一、超静定梁位移的计算步骤

如图3所示，为双地层左导坑上台阶超静定梁受到的水平和垂直方向的荷载模型，超静定梁受到的水平荷载为qs，垂直荷载为qc。如图4所示，由于超静定梁两端为刚性连接，不受轴向荷载影响，故只考虑水平荷载qs和垂直荷载qc在垂直于超静定梁方向上荷载ql的作用，荷载ql＝qs·sinθ+qc·cosθ，荷载ql根据地层界线分为ql1和ql2两部分。以下分别对荷载ql1和ql2进行计算。

1、如图5所示，为荷载ql1的计算模型，其计算步骤如下：

将式1-2代入1-1可求得约束荷载x1、x2，进而求得梁上任意点的弯矩：

2、如图6所示，为荷载ql2的计算模型，其计算原理同ql1，计算步骤如下：

将式1-5代入1-4可求得约束荷载x3、x4，则梁上任意点的弯矩：

综上，将荷载ql1和ql2作用下求得的弯矩公式1-3、1-6相加可得荷载ql作用下的弯矩：

对弯矩求二重积分可得：

二、超静定拱位移的计算步骤

同理，如图7a、b所示，为双地层左导坑上台阶超静定拱受到的水平和垂直方向的荷载模型，超静定拱受到的水平荷载为qs，垂直荷载为q3；并将荷载qs按地层界线分为qs1和qs2两部分。

荷载qs1的计算步骤如下：

荷载qs作用下的δiq计算步骤如下：

荷载q3作用下δiq计算步骤如下：

如图8所示，为地层之间的几何关系。

将求得的δiq计算结果与式1-2代入式1-1可求得约束荷载x1、x2、x3，进而求得拱上任意点的弯矩：

对弯矩求二重积分可得：

实施例2

如图9所示，本实施例是双地层的分界线位于左导坑下台阶之间时的情况。如图10所示，为双地层左导坑下台阶荷载模型。上台阶部分仅受到单一地层荷载作用影响，所以无法采用实施例1中的模型计算，考虑到双侧壁导坑法开挖作用的影响，对上下台阶开挖完成后的左导坑进行分析可知，水平方向收敛可视为两根超静定梁的变形之和，超静定梁的计算等同于实施例1中超静定梁，同理可求得：

实施例3

如图11所示，本实施例是三地层的分界线均位于左导坑下台阶之间时的情况。在上台阶的有限高度内集中出现三地层的可能性极低，如当三地层集中于上台阶时，由于上台阶高度所限，可以将三地层简化为单一或双地层，所以本实施例仅考虑三地层分布于左导坑下台阶的情况。

如图12所示，为三地层左导坑下台阶荷载模型，对左导坑下台阶进行分析，由于计算过程中仅考虑弯矩变形，所以可以将左导坑左侧围岩部分视为超静定梁计算。分析可知水平收敛变形等于左右两边的超静定梁变形之和，同理于实施例2中的模型假设，如图13所示，超静定梁受到的水平荷载为qs，垂直荷载为qc。

如图14所示，由于超静定梁两端为刚性连接，所以不考虑沿轴向方向力作用影响，只考虑水平荷载qs和垂直荷载qc在垂直于超静定梁方向上荷载ql的作用，并按地层界线分为荷载q1、荷载q2和荷载q3，同实施例1的超静定梁的计算步骤原理相同，ql＝q1+q2+q3＝qs·sinθ+qc·cosθ，具体计算步骤如下：

荷载q1、q2、q3作用下的δiq计算步骤如下：

将式3-2～3-5代入3-1可求得约束荷载x3、x4，则梁上任意点的弯矩：

对弯矩求二重积分可得：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。