一种基于钢架实测应力的隧道围岩压力确定方法与流程

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种基于钢架实测应力的隧道围岩压力确定方法。

背景技术：

隧道围岩压力的确定是合理进行隧道支护结构设计的重要依据，相应的围岩压力计算方法也一直是隧道工程界关注的热点问题，如关宝树、谢家烋、芬纳、卡斯特纳、比尔鲍曼、普罗托季亚科诺夫和太沙基等国内外著名学者均曾先后研究并提出了隧道围岩压力的各种理论或者经验计算方法。然而，由于隧道工程特点和地质条件的复杂多样性，这些理论公式或经验公式很难反映隧道围岩压力的真实情况，导致支护结构要么设计参数过于保守而造成浪费，要么因围岩压力考虑不充分而造成设计参数偏弱。因此，以上这些公式仅适用于隧道施工前的初步设计而存在较大局限性。此时，隧道现场监控量测工作就显得尤为必要。若能通过现场监测数据反算围岩压力，进而对隧道支护结构设计参数进行修正，这对于确保隧道支护结构设计的安全性和经济性则具有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种基于钢架实测应力的隧道围岩压力确定方法。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种基于钢架实测应力的隧道围岩压力确定方法，其特征在于：所述的方法步骤为：

步骤1)：假定钢架截面的正应力为线性分布，利用钢架内外侧翼缘实测应力反算得到钢架在测试截面处的轴力；

步骤2)：假定隧道初期支护所受轴力由钢架与喷射混凝土共同承担，反算得到初期支护在测试截面处的轴力；

步骤3)：假定隧道初期支护承受全部围岩压力，建立隧道初期支护的力学计算模型，采用力法求得初期支护轴力的计算表达式；

步骤4)：令步骤2)中初期支护在测试截面处的轴力与步骤3)中初期支护相应截面处的轴力相等，求得作用于隧道初期支护上的围岩压力。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

由于隧道工程特点和地质条件的复杂多样性，传统的隧道围岩压力计算很难反映隧道围岩压力的真实情况，导致支护结构要么设计参数过于保守而造成浪费，要么因围岩压力考虑不充分而造成设计参数偏弱。本发明基于钢架实测应力所得围岩压力，能够反映隧道围岩压力的真实情况，进而可用于隧道支护结构设计参数的修正，从而弥补了隧道围岩压力传统理论公式或经验公式的局限性，确保了隧道支护结构设计的安全性和经济性。

附图说明：

图1为本发明基于钢架实测应力的隧道围岩压力计算流程图；

图2为隧道钢架横截面的正应力分布示意图；

图3为隧道初期支护的力学计算模型示意图；

图4为隧道初期支护的力法求解示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于钢架实测应力的隧道围岩压力确定方法步骤为：

步骤1)：假定钢架截面的正应力为线性分布，利用钢架内外侧翼缘实测应力反算得到钢架在测试截面处的轴力；

步骤2)：假定隧道初期支护所受轴力由钢架与喷射混凝土共同承担，反算得到初期支护在测试截面处的轴力；

步骤3)：假定隧道初期支护承受全部围岩压力，建立隧道初期支护的力学计算模型，采用力法求得初期支护轴力的计算表达式；

步骤4)：令步骤2)中初期支护在测试截面处的轴力与步骤3)中初期支护相应截面处的轴力相等，求得作用于隧道初期支护上的围岩压力。

实施例：

如图1所示，所述基于钢架实测应力的隧道围岩压力确定方法，首先假定钢架截面的正应力为线性分布，如图2所示，根据钢架内外侧翼缘各测点应力量测结果，采用材料力学计算公式，可反算得到钢架在测试截面处的轴力为：

式中：ag为钢架截面面积；σ外为钢架外侧翼缘的实测应力；σ内为钢架内侧翼缘的实测应力。

隧道初期支护(钢架+喷射混凝土)作为拱结构，是以承受轴力为主的压弯构件。这里假定隧道围岩压力由钢架和喷射混凝土共同承担，且两者轴向变形协调一致，则可进一步反算得到初期支护在测试截面处的轴力为：

式中：ac为喷射混凝土截面面积；ec为喷射混凝土弹性模量；eg为钢架的弹性模量。

视隧道初期支护拱部为单心半圆拱，承受全部围岩压力，其中包括均布的垂直压力和水平压力。为保守计，不考虑拱部围岩弹性抗力，建立隧道初期支护的力学计算模型，如图3所示。由于荷载对称，结构也对称，故可取初期支护的一半作为基本结构，采用力法对初期支护拱顶截面的多余未知力(弯矩x1和轴力x2)进行求解，如图4所示。

根据初期支护拱顶截面处相对转角等于零和相对水平位移等于零，列力法方程如下：

式中

其中ei为初期支护截面的等效抗弯刚度；r为初期支护拱部半径；为拱部初期支护半边结构对应的圆心角，λ为隧道侧压力系数。

求解方程式(3)，可得隧道初期支护拱顶截面的多余未知力分别为：

在求得隧道初期支护拱顶截面的多余未知力后，进而可求得隧道初期支护轴力的计算表达式为：

令式(2)所得初期支护在测试截面处的轴力与式(10)中初期支护相应截面处的轴力相等，可求得作用于隧道初期支护上的围岩压力为：

其中δ1′p＝δ1p/q，δ′2p＝δ2p/q，两者均为常数。

以天恒山隧道为例，取断面xk89+076的钢架实测应力反算隧道围岩压力，计算结果见表1所列。由表1可知，利用本发明的基于钢架实测应力的隧道围岩压力计算方法，所得围岩压力计算值与围岩压力实测值较为接近，表明本发明方法可行。

表1隧道围岩压力计算值与实测值比较(天恒山隧道xk89+076断面)

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。