一种深埋非对称小间距隧道围岩压力计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种深埋非对称小间距隧道围岩压力计算方法，属于轨道交通基础设 施建设领域。
【背景技术】
[0002] 随着我国城市化进程的加快，以交通为主体的基础设施建设规模逐渐扩大，连接 城市间的高速公路网和城市中心区的道路网正在形成，穿山越岭的隧道工程和城市地下道 路工程进入了建设高潮。
[0003] 小间距隧道凭借其结构型式的灵活性和新颖性，已逐渐成为解决特殊地质地形条 件下公路线桥隧衔接、总体线型优化以及土地资源合理利用等问题的有效型式。鉴于公路 线位和地形条件的要求，在我国一些城市地下道路建设中出现了非对称小间距隧道。作为 一种新型的结构型式，非对称小间距隧道除具有结构受力复杂和施工工序繁多等一般小间 距隧道的特点外，还具有几何不对称、结构不对称和左右荷载不对称等复杂的力学特性，而 且开挖与支护交错进行，使得围岩应力变化和支护荷载转换变得更加复杂。因此，非对称小 间距隧道一出现边引起了学术界较大的关注。陶振东依托西安地铁二号线南尤区间隧道， 采用双线性遍布节理模型，对黄土地区浅埋非对称小间距隧道进行了动态施工力学模拟研 究。王云龙等依托青岛胶州湾海底隧道团岛段的小间距隧道，通过现场监测结果分析了小 间距非对称浅埋隧道的围岩压力特征及支护受力。李永珑采用有限元数值模拟的方法，以 南京地铁二号线非对称小净距隧道为背景，深入研究了施工全过程的力学行为及工序深 化，总结了变形特性、力学响应及塑性区分布规律。黄朱林依托厦门机场路一期工程万石山 小间距段隧道，通过调查研究和有限元数值模拟，讨论了非对称小间距隧道近接施工时的 合理施工方法和施工工序，并且分析了近接施工对其围岩稳定性及力学行为的影响因素。 然而这些研究主要集中在浅埋非对称小间距隧道方面，而对深埋非对称小间距隧道的研究 相对较少。
[0004] 围岩压力作用模式和计算方法直接关系到支护型式的选取和支护参数的确定，也 一直是学术界研究的热点问题之一。刘继国等对深埋小间距隧道围岩压力进行了探讨，并 推导了计算公式。肖明清对小间距浅埋隧道的围岩压力进行了探讨；龚建伍等 [7]对浅埋小 间距隧道围岩压力进行了理论分析和探讨，指出浅埋对称小间距隧道围岩压力的偏压特征 等。张志强等利用数值模拟分析了隧道开挖顺序对支护力学行为特性及围岩稳定性的影 响。邓超荣在新奥法思想的指导下，采用FLAC3D数值模拟建立三维数值计算模型，分析了 小间距隧道施工过程中围岩的稳定性。舒志乐等对偏压小净距隧道围岩压力进行了理论探 讨，得出了围岩压力的理论计算公式。郑俊清通过对小净距隧道施工过程进行监控量测， 分析数据，并利用PLAXIS进行有限元数值模拟，分析了隧道初衬支护结构的受力情况，为 支护体系的优化提供了依据。凌昌荣等通过有限元数值模拟，并将数值模拟结果与采用的 楔体结构模型计算结果进行对比分析，对偏压小间距隧道荷载结构的计算进行了研究。吕 小龙通过有限差分软件FLAC3D进行数值模拟，对小净距隧道围岩压力的分布特点进行了 探讨研究。许书生等通过对小净距隧道不同开挖方法的有限元数值模拟，分析了小净距隧 道不同施工方法对洞周围岩稳定性的影响。赵孝辉等采用二维弹塑性数值方法，利用有限 元分析软件ANSYS对不同净距条件下的小净距隧道的中夹岩柱的受力、变形特点进行了分 析。综上所述，小间距隧道围岩压力计算方法文献相对较少，且主要集中在常规对称隧道， 关于非对称小间距隧道围岩压力的理论计算方法鲜有研究。
【发明内容】
[0005] 本方法考虑了小间距隧道左右两侧洞的几何与结构非对称条件，以及两洞的开挖 顺序，基于普氏平衡拱理论，提出了深埋非对称小间距隧道土压力荷载的计算方法，以期为 此类工程的支护结构设计提供参考。
[0006] 前苏联学者Μ. M.普罗托奇雅阔诺夫（ΠροτοΑ???κοΗΟ B )，根据对顿 巴斯矿区等矿山隧道的多年观测和在松散体介质中的模型试验研究结果，在1909年出版 的《岩层作用于矿井支架的压力》一书中，创立了普氏塌落压力拱理论，又称普氏平衡拱理 论（简称普氏理论）。20世纪50年代初期，我国地下工程设计中引进了普氏理论，普氏理 论在我国地下工程建设中得到了广泛应用。普氏理论的计算模型如图1所示。
[0007] 普氏理论中，B为隧道开挖跨度；T为隧道开挖高度；H为平衡拱高度；W为平衡拱 与拱顶水平面交线的长度；γ为围岩重度；Θ为滑移面与竖向的夹角，根据工程现场测试 确定，无测试数据时通过0 = %/2j计算得到，％为围岩计算摩擦角；q为作用于隧道 支护结构的竖向均布压力，^和e 2分别为作用于隧道拱顶和拱底的侧向压力。
[0008] 根据普氏理论的有关假定，作用于隧道支护结构的竖向均布压力q和侧向梯形分 布压力e表不为
[0009] q = γΗ (I)
[0010] P)
[0011] :(3)
[0012] (4)
[0013] 式中：f为岩石坚固性系数，同时取/ = _炉，r为围岩内摩擦角；其他符号及意义 同前。
[0014] 深埋非对称小间距隧道围岩压力计算过程如下：
[0015] Sl围岩压力作用模式
[0016] 工程实践与理论研究均表明，隧道开挖方式和中夹岩柱体的加固措施及效果对小 间距隧道围岩压力的大小及平衡拱的形成影响较大。鉴于此，结合单洞普氏平衡拱理论，中 夹岩柱的非常稳定和非常不稳定是小间距隧道承载拱形成的两个极端情形。
[0017] 当中夹岩柱厚度较大，且隧道施工方案合理，中夹岩柱非常稳定时，两侧的洞室就 可以分别形成独立的承载拱，小间距隧道围岩压力可以简化为两个单侧承载拱下部不稳定 土体引起的松散土压力。而当中夹岩柱非常不稳定或围岩变形过大时，左右两个洞室将连 成一个整体形成一个大的极限承载拱，此时小间距隧道围岩压力可以简化为该极限承载拱 下方不稳定土体引起的松散压力。一般而言，深埋小间距隧道围岩压力作用模式可以简化 为介于两种极限情况之间，即中夹岩柱的承载力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。综合以上分析，将深埋小间距隧道围岩压力作用模式简化为如图2所 示的作用模式。
[0018] 图中别为左、右侧隧洞的开挖跨度，B。为两隧洞的净距，T为两隧洞的开挖 高度，W1、W 1^分别为左、右侧隧洞形成的独立平衡拱的跨度，H i、札分别为左、右侧隧洞形成的 独立平衡拱的高度，W。为两独立平衡拱间的最小净距，W "为两独立平衡拱外侧点的间距，也 可以认为是附加承载拱或极限平衡拱的跨度。Hn/和Hni分别为附加承载拱和极限承载拱的 高度。其他相关假定和说明如下：
[0019] (1)左右隧道不同时施工，为推导方便，假定左洞先开挖，即为先行洞；右洞后开 挖，即为后行洞。
[0020] (2)单开挖先行洞时，与规范单洞情况相同，先行洞左右侧滑移面与竖向夹角相 同，设为S1，病尸(45 -%/2)，作意义同前。后行洞开挖时，其右侧岩土体形成的滑移面与 竖向的夹角同样为Θ 1;由于受到先行洞开挖的影响，后行洞左侧中夹岩柱受到扰动，其围 岩滑移的范围增大，滑移面与竖向的夹角变为θ3(假定Q3=Ic3Qpk 3为放大系数）。在 后行洞开挖的影响下，中夹岩柱再次受到扰动，先行洞右侧围岩滑移的范围增大，滑移面与 竖向的夹角变为Q 2(假定Q2=Ic2Q1, k2为放大系数）。
[0021] (3)假定先行洞与后行洞开挖完成以后各自形成的独立平衡拱仍然满足普氏理 论，即有：
[0022] (5a)
[0023] (5a)
[0024] 其中，W1= B 丨+Ttan θ 丨+Ttan Θ 2, Wr= B r+Ttan θ 丨+Ttan Θ 3,其他符号意义同前。
[0025] (4)假定附加承载拱的高度H1;与极限承载拱的高度Hni满足：
[0026]
(6)
[0027] 其中，Wni= W dWfWy极限平衡拱的高度Hni可根据普氏理论的平衡拱计算公式求 得：
[0028]
(7)
[0029] 由（6)和（7)式可得：
[0030]
(8)
[0031] 其他符号意义同前。
[0032] S2围岩压力计算简化模型
[0033] 根据以上分析，将深埋小间距隧道围岩压力计算简化为如下模型（见图3)。
[0034] 竖向压力简化梯形分布荷载，即将两洞室的围岩压力计算简化为单洞独立平衡拱 模型和附加承载拱模型两部分之和，一部分是先行洞与后行洞拱顶的基本松散压力均布荷 载&和另一部分是先行洞与后行洞拱顶的附加梯形荷载q/和q/。先行洞与后行洞 共同形成的附加承载平衡拱下部松散土压力减去基本松散土压力及中夹岩柱体上部土压 力荷载后的荷载，可以简化为梯形分布荷载，其中先行洞、后行洞开挖最大跨度线两端点上 方附加梯形荷载分别为qn'、q 12'和q:、qrt' ；侧向压力仍简化为梯形分布荷载（见图3)。
[0035] S3计算公式推导
[0036] (1)竖向土压力荷载计算
[0037] 先行洞、后行洞拱顶的基本松散压力分别为
[0038] Qi= TH1 (9a