[發(fā)明專利]上軟下硬地層大斷面隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中臨時(shí)中墻定位方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410784757.4
• 申請日: 2014-12-16
• 公開（公告）號: CN104500093A
• 公開（公告）日: 2015-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 安永林;施成華;賀建清;吳波;王志斌;陳偉
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南科技大學(xué)
• 主分類號: E21D11/00
• 分類號: E21D11/00;G06F17/50
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務(wù)所(普通合伙)43108
• 代理人: 宋向紅

1.一種上軟下硬地層大斷面隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中臨時(shí)中墻定位方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)中力法及初期支護(hù)受力特性，對上軟下硬地層結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行分析；

①無中墻時(shí)隧道初期支護(hù)的受力狀態(tài)分析；

考慮完全對稱襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)拱頂未知力為X₁、X₂，則位移平衡方程為：

X1δ11+X2δ12+Δ1P+β0=0X1δ21+X2δ22+Δ2P+u0+fβ0=0]]>

上式中，δ_ik為柔度系數(shù)(i,k＝1、2)；Δ_ip為在外荷載作用下，沿X_i方向產(chǎn)生的位移；u₀、β₀分別為拱腳截面的總水平位移和總彈性轉(zhuǎn)角；

拱圈的柔度系數(shù)δ_ik和外荷載作用下所產(chǎn)生的位移Δ_ip，可以用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法求得：

δik=∫MiMkEIds+∫NiNkEAdsΔip=∫MiMP0EIds+∫NiNP0EAds]]>

式中：EI、EA分別為拱圈的抗彎和抗壓剛度；E為襯砌材料的彈性模量；I、A分別為拱圈的慣性矩和截面積；

u₀、β₀由拱頂彎矩X₁、X₂以及外荷載共同作用產(chǎn)生：

β0=X1β1+X2(β2+fβ1)+βPu0=X1u2+X2(u2+fu1)+uP]]>

式中：u₁、u₂、u_p、β₁、β₂、β_p為拱腳彈性固定系數(shù)；

②無中墻時(shí)隧道初期支護(hù)拱腳的地基荷載；

在豎直方向，力的平衡方程為:

Q+G＝S_r+T_v+N_左+N_右

式中，Q為圍巖壓力的豎向分量之和，G為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)自重，S_v為由錨桿橫向約束力提供的豎向承載力，T_v為圍巖與初期支護(hù)摩阻力提供的豎向承載力，N_左、N_右分別為左右側(cè)地基提供的豎向承載力；

則作用在拱腳地基上的荷載為：

N_左+N_右＝Q+G-S_v-T_v

③有中墻時(shí)隧道初期支護(hù)的受力狀態(tài)分析；

當(dāng)在拱頂位置加上臨時(shí)豎向支撐時(shí)，仍考慮完全對稱結(jié)構(gòu)，由于有豎向的支撐來抵抗拱頂?shù)某两担O(shè)拱頂未知力為X₁、X₂、X₃，則位移平衡方程為：

X1δ11+X2δ12+X3δ13+Δ1P+β0=0X1δ21+X2δ22+X3δ23+Δ2P+u0+fβ0=0X1δ31+X2δ32+X3δ33+Δ3P+v0=0]]>

上式中，δ_ik為柔度系數(shù)(i,k＝1、2、3)，Δ_ip為在外荷載作用下，沿Xi方向產(chǎn)生的位移，u₀、β₀、v₀分別為拱腳截面的總彈性轉(zhuǎn)角、總水平和總豎向位移；

④有中墻時(shí)隧道初期支護(hù)的地基荷載；

有中墻時(shí)初期支護(hù)的受力狀態(tài)，此時(shí)有：

N_左+N_中+N_右＝ξ(Q-T_v)+G-S_v

根據(jù)力矩的平衡可得

N_中＝2N_左＝2N_右

(2)應(yīng)用上述所得的受力狀態(tài)分析，進(jìn)一步探討上軟下硬地層結(jié)構(gòu)受力機(jī)理；

①當(dāng)隧道上臺階處于較差的巖層，而中下臺階處于較好巖層時(shí)，隧道上臺階開挖施工過程中設(shè)置臨時(shí)中隔墻，此時(shí)隧道上臺階開挖后的受力狀態(tài)是：中隔墻的存在一方面分擔(dān)了兩側(cè)拱腳的基底壓力，另一方面也可有效的控制地表沉降；

②當(dāng)隧道上中臺階處于較差的巖層，而下臺階處于較好巖層時(shí)，隧道上臺階及中臺階開挖施工過程中均設(shè)置臨時(shí)中隔墻，此時(shí)隧道受力狀態(tài)為：中隔墻的存在分擔(dān)了兩側(cè)拱腳的基底壓力，防止軟弱巖層由于基底承載力不足而使整個(gè)初期支護(hù)產(chǎn)生下沉，從而有效的控制地表沉降，保證整個(gè)隧道的是個(gè)安全；

(3)應(yīng)用地層模式結(jié)合軟硬地層分界的具體位置及圍巖軟弱的情況，確定上、中、下各臺階的臨時(shí)中墻設(shè)置與否；

應(yīng)用大型有限元軟件，建立上、中、下各臺階不同上軟下硬的模型，分析有、無中墻的下情況，沉降、收斂、軸力、彎矩、拱腳應(yīng)力、拱頂彎矩、最大拉應(yīng)力、中墻底端應(yīng)力等方面作對比。

2.如權(quán)利要求1所述的上軟下硬地層大斷面隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中臨時(shí)中墻定位方法，其特征在于，確定臨時(shí)中墻的位置后，還包括應(yīng)用荷載-結(jié)構(gòu)法、地層-結(jié)構(gòu)法和監(jiān)測分析，確定臨時(shí)中隔墻一次拆除長度和仰拱跟進(jìn)的距離；

具體過程如下：

(1)臨時(shí)中隔墻一次拆除長度：隨著拆撐長度的增加，各處洞頂沉降都在增大；同時(shí)在已拆撐段由于少了中墻的支撐作用，其沉降較未拆撐段的沉降要大；研究不同拆撐長度，受力變化情況，從變化梯度上判斷臨時(shí)中隔墻合理的一次拆除長度；

(2)仰拱跟進(jìn)距離：隨著仰拱閉合間距的增加，各處洞頂沉降都在增大，同時(shí)最大彎矩和最大軸力也在增大；分析不同仰拱閉合間距下拱頂沉降的變化情況，從拱頂沉降變化梯度上和仰拱受力上判斷仰拱合理的閉合間距。