上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法，包括如下步骤：(1)应用结构力学中力法及初期支护受力特性，对上软下硬地层结构受力状态进行分析；①无中墙时隧道初期支护的受力状态分析；②无中墙时隧道初期支护拱脚的地基荷载；③有中墙时隧道初期支护的受力状态分析；④有中墙时隧道初期支护的地基荷载；(2)应用上述所得的受力状态分析，进一步探讨上软下硬地层结构受力机理；(3)应用地层模式结合软硬地层分界的具体位置及围岩软弱的情况，初步确定上、中、下各台阶的临时中墙设置与否。
【专利说明】上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及隧道支护结构领域，具体涉及一种上软下硬复合地层的大断面隧道支 护结构中临时中墙定位方法。
【背景技术】
[0002] 21世纪是地下空间的世纪，随着西部大开发的进一步推进、各大省会城市及地级 市地铁和城际铁路的修建，会涌现越来越多的隧道，特别是大跨大断面隧道。隧道的围岩分 级通常按照纵断面不同里程范围而划分为不同级别，然而在洞口段或者浅埋段，由于风化 程度从地表到内部逐渐减弱，围岩通常呈现为上软下硬，即围岩在隧道横断面上存在不均 匀性，有时上断面是软弱围岩，而中、下台阶是较硬围岩；或者上、中台阶是软弱围岩，而下 台阶是较硬围岩。对于这种上软下硬地层，如果采用台阶法，则难免发生大变形，发生不安 全事故；如果采用双侧壁导坑法或者CD法/CRD法，则对于位于较硬地层的中、下部也采取 临时支护，造成临时支护过多，且相互干扰大，施工慢，造价高。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的是提供一种能确定是否施做临 时中墙、方法简单、节约成本的上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法。
[0004] 本发明的一种上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法，包括如下 步骤：
[0005] (1)应用结构力学中力法及初期支护受力特性，对上软下硬地层结构受力状态进 行分析；
[0006] ①无中墙时隧道初期支护的受力状态分析；
[0007] 考虑完全对称衬砌结构，设拱顶未知力为Xp X2,则位移平衡方程为：
[0008]
【权利要求】
1. 一种上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法，其特征在于，包括如 下步骤： (1)应用结构力学中力法及初期支护受力特性，对上软下硬地层结构受力状态进行分 析； ① 无中墙时隧道初期支护的受力状态分析； 考虑完全对称衬砌结构，设拱顶未知力为Xpx2,则位移平衡方程为：
上式中，Sik为柔度系数（i，k= 1、2);Aip为在外荷载作用下，沿Xi方向产生的位移；IVPtl分别为拱脚截面的总水平位移和总弹性转角； 拱圈的柔度系数Sik和外荷载作用下所产生的位移△ ip，可以用结构力学的方法求 得：
式中：EI、EA分别为拱圈的抗弯和抗压刚度；E为衬砌材料的弹性模量；I、A分别为拱 圈的惯性矩和截面积； ￥ 0C1由拱顶弯矩XX2以及外荷载共同作用产生：
式中：u2、up、0p0 2、0pS拱脚弹性固定系数； ② 无中墙时隧道初期支护拱脚的地基荷载； 在竖直方向，力的平衡方程为： Q+G=Sr+Tv+Ns +Nfi 式中，Q为围岩压力的竖向分量之和，G为初期支护结构自重，Sv为由锚杆横向约束力 提供的竖向承载力，Tv为围岩与初期支护摩阻力提供的竖向承载力，Ns、Nfi分别为左右侧 地基提供的竖向承载力； 则作用在拱脚地基上的荷载为： N左+N右=Q+G-Sv-Tv ③ 有中墙时隧道初期支护的受力状态分析； 当在拱顶位置加上临时竖向支撑时，仍考虑完全对称结构，由于有竖向的支撑来抵抗 拱顶的沉降，设拱顶未知力为Xpx2、x3,则位移平衡方程为：
上式中，Sik为柔度系数（i，k= 1、2、3)，Aip为在外荷载作用下，沿Xi方向产生的位 移，％、erV(l分别为拱脚截面的总弹性转角、总水平和总竖向位移； ④有中墙时隧道初期支护的地基荷载； 有中墙时初期支护的受力状态，此时有： N左+N中+N右=UQ-Tv)+G-Sv 根据力矩的平衡可得 N中=左=右 (2) 应用上述所得的受力状态分析，进一步探讨上软下硬地层结构受力机理； ① 当隧道上台阶处于较差的岩层，而中下台阶处于较好岩层时，隧道上台阶开挖施工 过程中设置临时中隔墙，此时隧道上台阶开挖后的受力状态是：中隔墙的存在一方面分担 了两侧拱脚的基底压力，另一方面也可有效的控制地表沉降； ② 当隧道上中台阶处于较差的岩层，而下台阶处于较好岩层时，隧道上台阶及中台阶 开挖施工过程中均设置临时中隔墙，此时隧道受力状态为：中隔墙的存在分担了两侧拱脚 的基底压力，防止软弱岩层由于基底承载力不足而使整个初期支护产生下沉，从而有效的 控制地表沉降，保证整个隧道的是个安全； (3) 应用地层模式结合软硬地层分界的具体位置及围岩软弱的情况，确定上、中、下各 台阶的临时中墙设置与否； 应用大型有限元软件，建立上、中、下各台阶不同上软下硬的模型，分析有、无中墙的下 情况，沉降、收敛、轴力、弯矩、拱脚应力、拱顶弯矩、最大拉应力、中墙底端应力等方面作对 比。
2.如权利要求1所述的上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法，其特 征在于，确定临时中墙的位置后，还包括应用荷载-结构法、地层-结构法和监测分析，确定 临时中隔墙一次拆除长度和仰拱跟进的距离； 具体过程如下： (1) 临时中隔墙一次拆除长度：随着拆撑长度的增加，各处洞顶沉降都在增大；同时在 已拆撑段由于少了中墙的支撑作用，其沉降较未拆撑段的沉降要大；研宄不同拆撑长度，受 力变化情况，从变化梯度上判断临时中隔墙合理的一次拆除长度； (2) 仰拱跟进距离：随着仰拱闭合间距的增加，各处洞顶沉降都在增大，同时最大弯矩 和最大轴力也在增大；分析不同仰拱闭合间距下拱顶沉降的变化情况，从拱顶沉降变化梯 度上和仰拱受力上判断仰拱合理的闭合间距。
【文档编号】G06F17/50GK104500093SQ201410784757
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】安永林, 施成华, 贺建清, 吴波, 王志斌, 陈伟 申请人:湖南科技大学