一種荷載作用于地層邊界的隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】一種荷載作用于地層邊界的隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以設(shè)計(jì)出更加經(jīng)濟(jì)合理的隧道襯砌結(jié)構(gòu)，節(jié)省大量襯砌混凝土圬工和鋼筋用量，有效減低隧道工程造價(jià)。按如下步驟進(jìn)行：確定設(shè)計(jì)所需基本參數(shù)；計(jì)算隧道荷載；建立設(shè)計(jì)方法模型，用二維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元模擬圍巖，設(shè)計(jì)模型選用平面應(yīng)變模型，采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，復(fù)合式襯砌初期支護(hù)和二次襯砌用梁?jiǎn)卧M，防水層用鏈桿單元進(jìn)行模擬，該單元只受壓力作用；進(jìn)行網(wǎng)格劃分，初期支護(hù)和二次襯砌采用映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分；對(duì)圍巖下邊界進(jìn)行約束，以保證不產(chǎn)生剛體位移；將圍巖壓力分別作用在上、左、右邊界上；挖除隧道中心土體進(jìn)行計(jì)算，分別提取初期支護(hù)以及二次襯砌的內(nèi)力和變形；按初期支護(hù)和二次襯砌的內(nèi)力變形結(jié)果設(shè)計(jì)合理的襯砌厚度和配筋率。
【專利說明】一種荷載作用于地層邊界的隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及隧道，特別涉及一種荷載作用于地層邊界的隧道復(fù)合式襯砌內(nèi)力設(shè)計(jì)方法，可廣泛適用于鐵路、公路、水工、地鐵暗挖隧洞的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]隧道襯砌是隧道工程的主要結(jié)構(gòu)物，也是隧道工程的主要研究和設(shè)計(jì)對(duì)象。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)的隧道都是按照新奧法理論設(shè)計(jì)和施工的，而復(fù)合式襯砌作為其主要的支護(hù)結(jié)構(gòu)是與新奧法理念相應(yīng)而生的，而多數(shù)隧道工程復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)僅是針對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)中的二次襯砌，采用工程界普遍應(yīng)用的荷載-結(jié)構(gòu)方法，讓襯砌承受來自圍巖的主動(dòng)與被動(dòng)荷載，驗(yàn)算襯砌強(qiáng)度，設(shè)計(jì)合理的襯砌厚度或配筋率。這種襯砌設(shè)計(jì)方法已被廣泛使用了幾十年，是鐵路、公路、水工、地鐵等領(lǐng)域隧道襯砌設(shè)計(jì)的通用方法。
[0003]但是，不論在理論上還是在工程應(yīng)用中荷載-結(jié)構(gòu)法都存在極大弊端，具有明顯的不合理和不經(jīng)濟(jì)性。由于新奧法是以巖體力學(xué)為基礎(chǔ)，要充分考慮圍巖與支護(hù)間相互作用關(guān)系，圍巖也不再單獨(dú)看作荷載，而看成支護(hù)系統(tǒng)的組成部分，像荷載-結(jié)構(gòu)法這種只對(duì)二次襯砌進(jìn)行計(jì)算而不考慮圍巖情況是與新奧法背道而馳的，荷載-結(jié)構(gòu)法用彈性支撐來模擬圍巖對(duì)支護(hù)變形的約束作用與實(shí)際情況有較大出入，不能真實(shí)反映圍巖與支護(hù)間相互作用關(guān)系，經(jīng)過長(zhǎng)期觀測(cè)和工程實(shí)踐表明，荷載-結(jié)構(gòu)法設(shè)計(jì)的初期支護(hù)承載能力被低估，常常設(shè)計(jì)出過于保守的二襯結(jié)構(gòu)，二襯存在較大的安全富余，造成了圬工、鋼筋等建筑材料的浪費(fèi)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益較差。
[0004]隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，高速、大跨鐵路隧道的應(yīng)用越來越多，建筑材料性能也有了很大的改進(jìn)和提高，隧道洞徑、襯砌厚度和整體性能都有較大改變，從經(jīng)濟(jì)和合理的角度考慮，原來的荷載-結(jié)構(gòu)法已經(jīng)不能很好適應(yīng)當(dāng)前的技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，需要從設(shè)計(jì)方法上作出發(fā)明和創(chuàng)新。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種荷載作用于地層邊界的隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以設(shè)計(jì)出更加經(jīng)濟(jì)合理的隧道襯砌結(jié)構(gòu)，節(jié)省大量襯砌混凝土圬工和鋼筋用量，有效減低隧道工程造價(jià)。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明的一種荷載作用于地層邊界的隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，按如下步驟進(jìn)行:確定設(shè)計(jì)所需基本參數(shù)；計(jì)算隧道荷載；建立設(shè)計(jì)方法模型，用二維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元模擬圍巖，設(shè)計(jì)模型選用平面應(yīng)變模型，采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，復(fù)合式襯砌初期支護(hù)和二次襯砌用梁?jiǎn)卧M，防水層用鏈桿單元進(jìn)行模擬，該單元只受壓力作用；進(jìn)行網(wǎng)格劃分，初期支護(hù)和二次襯砌采用映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分；對(duì)圍巖下邊界進(jìn)行約束，以保證不產(chǎn)生剛體位移；將圍巖壓力分別作用在上、左、右邊界上；挖除隧道中心土體進(jìn)行計(jì)算，分別提取初期支護(hù)以及二次襯砌的內(nèi)力和變形；按初期支護(hù)和二次襯砌的內(nèi)力變形結(jié)果設(shè)計(jì)合理的襯砌厚度和配筋率。
[0008]本發(fā)明的有益效果是，設(shè)計(jì)方法體現(xiàn)了圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用和變形協(xié)調(diào)，同時(shí)考慮了巖土材料非線性本構(gòu)關(guān)系，其受力規(guī)律與實(shí)際情況較為相似，避免了考慮彈性抗力系數(shù)和圍巖開挖應(yīng)力釋放率等目前技術(shù)不能解決的問題。相比原荷載-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，荷載作用于地層邊界的隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法更加符合復(fù)合式襯砌的基本思想，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，能設(shè)計(jì)出更加經(jīng)濟(jì)合理的隧道襯砌結(jié)構(gòu)，可節(jié)省大量襯砌混凝土圬工和鋼筋用量，具有良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，與當(dāng)前的技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)。本發(fā)明可廣泛適用于鐵路、公路、水工、地鐵暗挖隧洞的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]本說明書包括如下四幅附圖:
[0010]圖1是隧道復(fù)合式襯砌模型圖，外層為初期支護(hù)，中間為防水層，內(nèi)側(cè)為二次襯砌；
[0011]圖2為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法的隧道加載圖，下側(cè)邊界加約束，左右上三側(cè)施加荷載；
[0012]圖3為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法的隧道模擬開挖計(jì)算圖；
[0013]圖4為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0015]參照?qǐng)D1至圖4，本發(fā)明的一種荷載作用于地層邊界的隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，按如下步驟進(jìn)行:
[0016](I)確定設(shè)計(jì)所需基本參數(shù)；
[0017](2)計(jì)算隧道荷載；
[0018](3)建立設(shè)計(jì)方法模型，用二維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元模擬圍巖，設(shè)計(jì)模型選用平面應(yīng)變模型，采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，復(fù)合式襯砌初期支護(hù)和二次襯砌用梁?jiǎn)卧M，防水層用鏈桿單元進(jìn)行模擬，該單元只受壓力作用；
[0019](4)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，初期支護(hù)和二次襯砌采用映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分；
[0020](5)對(duì)圍巖下邊界進(jìn)行約束，以保證不產(chǎn)生剛體位移；
[0021](6)將圍巖壓力分別作用在上、左、右邊界上；
[0022](7)挖除隧道中心土體進(jìn)行計(jì)算，分別提取初期支護(hù)以及二次襯砌的內(nèi)力和變形；
[0023](8)按初期支護(hù)和二次襯砌的內(nèi)力變形結(jié)果設(shè)計(jì)合理的襯砌厚度和配筋率。
[0024]所述步驟⑵中深埋隧道的荷載按下式計(jì)算:
[0025]圍巖垂直勻布?jí)毫?q = Yh = 0.45 X 2s—1 ω y
[0026]式中:Y—圍巖容重；
[0027]h—圍巖壓力計(jì)算高度；
[0028]S—圍巖級(jí)別
[0029]ω—寬度影響系數(shù)，ω = i (Β-5)；
[0030]B一坑道寬度；[0031]i—B每增減Im時(shí)的圍巖壓力增減率，當(dāng)B〈5m時(shí),取i = 0.2 ;當(dāng)B>5m時(shí),取i =0.1。
[0032]所述步驟(2)中，當(dāng)埋深H小于或等于等效荷載高度hq時(shí)，淺埋隧道的荷載按下式計(jì)算:
[0033]圍巖垂直勻布?jí)毫?q = YH
[0034]式中:Y—圍巖容重；
[0035]H—隧道埋深；
[0036]側(cè)向均布?jí)毫?
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種荷載作用于地層邊界的隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，按如下步驟進(jìn)行: (1)確定設(shè)計(jì)所需基本參數(shù)； (2)計(jì)算隧道荷載； (3)建立設(shè)計(jì)方法模型，用二維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元模擬圍巖，設(shè)計(jì)模型選用平面應(yīng)變模型，采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，復(fù)合式襯砌初期支護(hù)和二次襯砌用梁?jiǎn)卧M，防水層用鏈桿單元進(jìn)行模擬，該單元只受壓力作用； (4)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，初期支護(hù)和二次襯砌采用映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分； (5)對(duì)圍巖下邊界進(jìn)行約束，以保證不產(chǎn)生剛體位移； (6)將圍巖壓力分別作用在上、左、右邊界上； (7)挖除隧道中 心土體進(jìn)行計(jì)算，分別提取初期支護(hù)以及二次襯砌的內(nèi)力和變形； (8)按初期支護(hù)和二次襯砌的內(nèi)力變形結(jié)果設(shè)計(jì)合理的襯砌厚度和配筋率。
2.如權(quán)利要求1所述的一種荷載作用于地層邊界的隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征是所述步驟(2)中深 埋隧道的荷載按下式計(jì)算: 圍巖垂直勻布?jí)毫?q = Yh = 0.45Χ2^ω y 式中:Y—圍巖容重； h—圍巖壓力計(jì)算高度； S一圍巖級(jí)別 ω—寬度影響系數(shù)，ω = i (B-5)； B—坑道寬度； i一B每增減Im時(shí)的圍巖壓力增減率，當(dāng)B〈5m時(shí),取i = 0.2 ;當(dāng)B>5m時(shí),取i = 0.1。
3.如權(quán)利要求1所述的一種荷載作用于地層邊界的隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征是所述步驟(2)中，當(dāng)埋深H小于或等于等效荷載高度hq時(shí)，淺埋隧道的荷載按下式計(jì)算: 圍巖垂直勻布?jí)毫?q = YH 式中:Y—圍巖容重； H—隧道埋深； 側(cè)向均布?jí)毫?
4.如權(quán)利要求1所述的一種荷載作用于地層邊界的隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征是所述步驟(2)中，當(dāng)埋深H大于等效荷載高度hq小于2.5hq時(shí)，淺埋隧道的荷載按下式計(jì)算: 垂直壓力:
5.如權(quán)利要求1所述的一種荷載作用于地層邊界的隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征是所述步驟(4)中，對(duì)初支及圍巖進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，將初期支護(hù)分為上、下、左、右四部分進(jìn)行劃分，初期支護(hù)與二次襯砌劃分為相等段數(shù)，網(wǎng)格形狀優(yōu)先考慮映射網(wǎng)格。
【文檔編號(hào)】E21D11/08GK103924984SQ201410191098
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】趙萬(wàn)強(qiáng), 喻渝, 鄭長(zhǎng)青, 匡亮, 趙東平, 宋玉香, 倪光斌, 鄭宗溪, 譚永杰, 馬青, 賈曉云, 孫正兵, 馬婷婷 申請(qǐng)人:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司