一种考虑时间效应的TBM隧道初期支护受力计算方法

一种考虑时间效应的tbm隧道初期支护受力计算方法
技术领域
1.本发明属于tbm隧道初期支护领域，具体涉及一种考虑时间效应的tbm隧道初期支护受力计算方法。


背景技术：

2.tbm施工过程中，需对隧道复合式衬砌中的初期支护进行安全性能评价，然而目前初期支护安全性评价均依据隧道建成后的最终受力状态，缺乏施工过程中的动态评估。tbm施工过程中，受围岩释放和支护材料性能变化影响，其各个时间阶段的受力状态是不同的，采用最终受力状态评价初期支护安全存在片面性，这就造成tbm隧道施工过程中出现大变形等风险逐步增加，严重制约了tbm推广。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种虑时间效应的tbm隧道初期支护受力计算方法，该方法能够反映整个施工过程的tbm受力特征，为初期支护安全性评价提供支撑，从而促进tbm等高端设备在隧道工程中的应用。
4.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
5.本发明的实施例提供了一种考虑时间效应的tbm隧道初期支护受力计算方法，包括以下步骤：
6.(1)收集隧道设计参数及地质参数；
7.(2)确定需要计算初期支护的时间节点t；
8.(3)根据隧道纵向变形曲线确定围岩压力修正系数k，以此时间节点t下计算围岩压力q(t)、e(t)；
9.(4)根据试验或规范确定时间节点t下喷射混凝土的弹性模量ec(t)，并确定考虑喷射混凝土时效特性的初期支护截面抗弯刚度e(t)i；
10.(5)建立荷载-结构数值模型，输入时间节点t下围岩压力和初期支护截面抗弯刚度；
11.(6)计算得出初期支护弯矩、轴力。
12.上述本发明的实施例的有益效果如下：
13.tbm施工过程中，受围岩释放和支护材料性能变化影响，其各个时间阶段的受力状态是不同的。为了计算任一时刻初期支护受力特征，本发明依据围岩压力释放规律建立围岩压力修正系数计算方法，可计算施工过程中任意时刻围岩压力，同时，本发明还考虑初期支护喷射混凝土力学性能随时间的变化规律，建立任一时刻的初期支护抗弯刚度计算方法。根据围岩压力修正系数计算方法和任一时刻的初期支护抗弯刚度计算方法，本发明可计算任一时刻初期支护受力特征，能够展现初期支护在整个施工阶段的受力状态，为精准评估初期支护安全性能的安全性能奠定基础，进而保障初期支护使用过程中的安全、可靠，降低风险发生概率，有利的促进tbm在各类地层的应用。
附图说明
14.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
15.图1是本发明提出的计算方法所基于的计算模型；
16.图2是本发明提出的计算方法流程图；
17.图3喷射混凝土弹性模量随时间变化曲线；
18.图4荷载-结构数值模型；
19.图5弯矩计算结果(n
·
m)；
20.图6轴力计算结果(n)；
21.图中：1-围岩垂直压力，2-围岩水平压力，3-地层抗力，4-初期支护。
22.1-1初期支护模拟单元，赋予时间t时抗弯刚度；1-2地层弹簧；1-3-约束；1-4时间t时围岩垂直压力；5-时间t时围岩水平压力。
具体实施方式
23.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
24.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
25.正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种考虑时间效应的tbm隧道初期支护受力计算方法。
26.本发明的一种典型的实施方式中，在tbm施工过程中，受围岩释放和支护材料性能变化影响，其各个时间阶段的受力状态是不同的，tbm施工过程受力分析应探明各个时间阶段初期支护受到的围岩压力和初期支护材料性能。首先，提出考虑时间效应的围岩压力修正系数，根据围岩压力释放规律建立围岩压力修正系数计算方法，形成考虑时间效应的围岩压力计算法方法。随后考虑初期支护喷射混凝土力学性能随时间的变化规律，建立初期支护抗弯刚度计算方法。最后综合围岩荷载计算方法和初期支护刚度计算方法建立荷载结构计算模型，分析初期支护各时间段受力状态。
27.具体步骤如下：
28.(1)收集隧道设计参数及地质参数，确定隧道开挖跨度、半径，围岩等级、重度、内摩擦角、粘聚力、泊松、抗力系数，原岩应力等参数。
29.(2)确定需要计算初期支护的时间节点t。
30.(3)根据隧道纵向变形曲线确定围岩压力修正系数k，以此时间节点t下计算围岩压力q(t)、e(t)；
31.(4)根据试验或规范确定时间节点t下喷射混凝土的弹性模量ec(t)，并确定考虑喷射混凝土时效特性的初期支护截面抗弯刚度e(t)i。
32.(5)建立荷载-结构数值模型，输入时间节点t下围岩压力和初期支护截面抗弯刚
度。
33.(6)计算得出初期支护弯矩、轴力。
34.进一步的，考虑时间效应的围岩压力计算方法如下：
35.tb10003—2016《铁路隧道设计规范》中提出的深埋隧道围岩计算方法，是基于施工实测塌方高度统计分析而来，其可以计算不同隧道跨度、不同围岩等级所对应的围岩压力，在铁路隧道沿用较多年限，且取得了良好的设计效果；围岩压力计算公式由式(1)表示为：
[0036][0037]
式中q为围岩垂直压力，kpa；e为围岩水平压力，kpa，γ为围岩容重，kn/m3；s为围岩等级；w为宽度影响系数，w＝1+i(b-5)，其中b为隧道宽度，m；i为b每增减1m时的围岩压力增减率，b《5m时，i＝0.2，b》5m时，可取i＝0.1；λ为侧压力系数，按表1取值。
[0038]
表1侧压力系数取值表
[0039][0040]
但现有较多围岩压力实测数据显示，围岩压力具有一定的时空效应，式(1)中并未考虑时间效应，即计算结果为最终值。围岩压力的释放不是瞬间完成的，而是伴随开挖面的接近和远离逐步释放，直到开挖面空间效应完全消失。围岩压力随开挖面空间效应的变化而不同，准确的对开挖面空间效应的表达，对于围岩压力的确定具有重要意义。用围岩压力修正系数k表征围岩压力随时空变化特性，不同时间节点的围岩压力表示为：
[0041][0042]
进一步的，确定围岩压力修正系数k时，需用到隧道纵向变形曲线，对此，可采用不同的隧道变形曲线。隧道纵向变形曲线可以描述隧道开挖过程中围岩的松弛释放，隧道纵向变形曲线由式(3)表示为：
[0043][0044]
式中r为隧道半径，m；x为距开挖面距离，m。其中，r
*
＝r
p
/r，x
*
＝x/r，u
∞
、r
p
分别为无支护力作用下围岩最大变形值(m)和最大塑性区半径(m)。u0*、u
*
(x)表示开挖处变形释放系数和开挖面后方变形释放系数。关于围岩塑性区半径及围岩最大变形值的计算，可选择相关弹塑性解析解进行计算：
[0045]
[0046]
式中p0为原岩应力，kpa，可通过测试获得；c为围岩的粘聚力，kpa；为围岩的内摩擦角，
°
。
[0047]
围岩压力释放系数与围岩的松弛释放密切相关，围岩压力修正系数k即可取式(3)中u
*
(x)。x为距开挖面的距离，实际工程中，可根据开挖速率v(m/d)和施工时间t(d)进行确定，由式(6)表示为：
[0048]
x＝vt
ꢀꢀ
(5)
[0049]
进一步的，初期支护材料参数确定方法：
[0050]
初期支护结构是由喷射混凝土及拱架(钢拱架、格栅拱架等)结构组成，是一种组合结构，故在计算过程中需要对初期支护结构的截面抗弯刚度进行等效分析，具体等效方法由式(7)表示为：
[0051]eh
i＝ecic+eaiaꢀꢀ
(6)
[0052]
式中ehi为初期支护结构截面抗弯刚度，gpa.m4；ic为喷射混凝土截面惯性矩，m4；ecic为喷射混凝土部分截面抗弯刚度，gpa.m4；ia为钢拱架截面惯性矩，m4；eaia为拱架结构部分截面抗弯刚度，gpa.m4。
[0053]
由于喷射混凝土的硬化特性，其力学特性具有一定的时效性。喷射混凝土弹性模量ec与时间t的关系式，由式(8)表示为：
[0054]
ec(t)＝e
c,0
(1-e-αt
)
ꢀꢀ
(7)
[0055]
式中ec(t)为时间节点t时喷射混凝土的弹性模量，gpa；e
c,0
为喷射混凝土的最终弹性模量，gpa，可查规范获得；t为喷射混凝土时间，d；α为时间常数。实际工程中，可根据工程实际选用材料试验确定α，若无现场试验数据，应按照相关混凝土材料规范进行参数选取。
[0056]
将式(8)计算结果带入式(7)中，即可得到考虑喷射混凝土时效特性的初期支护截面抗弯刚度eh(t)i：
[0057]eh
(t)i＝ec(t)ic+eaiaꢀꢀ
(8)
[0058]
进一步的，初期支护受力计算方法：
[0059]
选择需计算的时间节点t，分别计算此时初期支护受到的围岩压力以及初期支护抗弯刚度，采用荷载-结构模型计算初期支护受力。
[0060]
下面给出一个具体的实施例：
[0061]
(1)收集隧道设计参数及地质参数，例如收集到的参数如下：
[0062]
隧道开挖跨度12m，隧道半径6m，围岩等级iv级，重度22kn/m3，内摩擦角40
°
，粘聚力100kpa，泊松比0.4，弹性抗力系数500mpa/m,原岩应力1000kpa，开挖速率2m/d。隧道设计参数c30喷射混凝土，厚度25cm，i18型钢拱架，间距1m。
[0063]
(2)确定需要计算初期支护的时间节点：t＝2d。
[0064]
(3)求解围岩压力修正系数及围岩压力：根据公式4求解rp＝8.4m，根据公式5求解距开挖面距离4m，根据公式3求解u
*
(x)为0.64，确定围岩压力修正系数k＝0.64。根据公式2求解q(t)＝122.2kpa；e(t)＝36.7kpa。
[0065]
(4)确定t时喷射混凝土弹性模量及此时隧道抗弯刚度e(t)i：混凝土确定c30喷射混凝土弹性模量与时间关系，确定t＝2d时，喷射混凝土的弹性模量ec(t)＝17.9gpa，根据公式8确定隧道抗弯刚度e(t)i＝0.0266gpa.m4。
[0066]
(5)建立荷载-结构数值模型，如图4所示，该模型包含初期支护模拟单元，需赋予时间t时的抗弯刚度；地层弹簧用以模拟地层约束力，需赋予弹性抗力系数；同时需在初期支护模拟单元上施加时间t时的水平以及竖直围岩压力。
[0067]
(6)模型建立及赋值后，进行求解，计算得出初期支护弯矩、轴力，如图5、图6所示，时间节点t时隧道各位置的弯矩、轴力以云图的型式分别显示于初期支护模拟单元上，弯矩、轴力云图颜色越深代表该处弯矩值、轴力值越大。弯矩值位于初期支护单元内部时代表弯矩造成初期支护内侧受拉，外侧受压；弯矩值位于初期支护单元外部时代表弯矩造成初期支护内侧受压，外侧受拉。轴力值位于初期支护单元外部时，反映初期支护轴力为压力；轴力值位于初期支护单元内部部时，反映初期支护轴力为拉力。
[0068]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。