本發(fā)明屬于隧道工程技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種適用于在淺埋隧道的圍巖為由多種不同地層組合而成的復(fù)合地層時(shí)，對(duì)圍巖壓力的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

隧道開挖后，伴隨著圍巖應(yīng)力的釋放，洞周圍巖向洞內(nèi)發(fā)生變形。支護(hù)結(jié)構(gòu)施作后，圍巖變形得到抑制，同時(shí)產(chǎn)生了作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載，即圍巖壓力。如隧道工程支護(hù)方案在某些條件下過(guò)于保守，則會(huì)造成浪費(fèi)；而在某些條件下因圍巖壓力考慮不充分，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)偏弱，則會(huì)造成安全事故的發(fā)生。圍巖壓力直接影響到隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方法的選擇，因此，在隧道工程實(shí)踐中，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道開挖引起的圍巖壓力對(duì)于隧道施工的順利推進(jìn)有著重要意義。城市地下工程多為淺埋工程，圍巖條件較差，在這種情況下，開挖所造成的影響將更為直接的作用到地表及周邊建筑。如何計(jì)算出一個(gè)可供參考的圍巖壓力值，進(jìn)而控制好施工過(guò)程中對(duì)周圍構(gòu)筑物的影響，保證施工安全、快速的完成，成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

申請(qǐng)?zhí)枮閏n201610958955.7的中國(guó)專利申請(qǐng)文件《一種用于淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法》公開了：

“一種用于淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法，包括以下步驟：

(1)選取圍巖的收斂變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)：對(duì)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的隧道進(jìn)行研究分析，選取按開挖順序最先開挖的導(dǎo)洞上的點(diǎn)為收斂變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)；

(2)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)構(gòu)造結(jié)構(gòu)力學(xué)模型；

(3)推導(dǎo)收斂變形與圍巖壓力之間的計(jì)算關(guān)系式；

(4)將工程實(shí)際數(shù)據(jù)與收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)帶入步驟(3)的關(guān)系式中，分別計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)左、右兩側(cè)的位移量，及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的收斂變形；

(5)計(jì)算得出圍巖計(jì)算摩擦角與圍巖壓力?！?/p>

該方法通過(guò)分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道施工中側(cè)壁圍巖的收斂變形與圍巖壓力之間的關(guān)系，建立結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反算求得圍巖壓力。其中，建立結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的步驟僅針對(duì)單一地層，而淺埋隧道的實(shí)際施工環(huán)境往往都是相對(duì)較復(fù)雜的，由多種不同地層組合而成的復(fù)合地層。因此，該圍巖壓力計(jì)算方法的應(yīng)用領(lǐng)域比較局限，不能很好地滿足實(shí)際施工環(huán)境的復(fù)雜性要求。利用該方法計(jì)算所得的圍巖壓力值與實(shí)際圍巖壓力值還存在一定差距，不能較吻合地代表隧道的實(shí)際圍巖壓力，為工程技術(shù)人員提供的可參考性價(jià)值不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：針對(duì)申請(qǐng)?zhí)枮閏n201610958955.7的中國(guó)專利申請(qǐng)文件《一種用于淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法》公開的計(jì)算方法所存在的，僅適用于單一地層結(jié)構(gòu)的局限性問(wèn)題，提供一種能夠適用于多地層淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法，該計(jì)算方法的應(yīng)用范圍更廣，實(shí)用性和精確性更好，可參考性價(jià)值更高。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種適用于多地層淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法，包括：

步驟一、建立多地層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的步驟；

步驟二、將多地層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型轉(zhuǎn)換為單地層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的步驟。

在申請(qǐng)?zhí)枮閏n201610958955.7的中國(guó)專利申請(qǐng)文件《一種用于淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法》公開的圍巖壓力計(jì)算方法的基礎(chǔ)之上，以上步驟將建立單一地層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的步驟，轉(zhuǎn)換為建立多地層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的步驟，然后再將多地層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型轉(zhuǎn)換為單地層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。轉(zhuǎn)換后的多個(gè)單地層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型即可按照《一種用于淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法》公開的圍巖壓力計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。相比于《一種用于淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法》，該計(jì)算方法能夠適用于相對(duì)較復(fù)雜的，由多種不同地層組合而成的復(fù)合地層的淺埋隧道施工環(huán)境。因此，該圍巖壓力計(jì)算方法的應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛。利用該方法計(jì)算所得的圍巖壓力值進(jìn)一步地接近于實(shí)際圍巖壓力值，能更吻合地代表隧道的實(shí)際圍巖壓力。

作為優(yōu)選方案，所述步驟一包括：將處于不同地層范圍之內(nèi)的荷載分別視為線性荷載。該步驟是以《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄e淺埋隧道荷載計(jì)算方法為依據(jù)，所建立的模型能夠符合相關(guān)規(guī)范。

作為優(yōu)選方案，所述步驟二包括：以地層分界線為界，將荷載分為對(duì)應(yīng)數(shù)量的部分。雖然整個(gè)圍巖由多個(gè)地層組成，不能夠利用《一種用于淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法》公開的圍巖壓力計(jì)算方法計(jì)算，但是，以地層分界線為界，將多地層力學(xué)模型分割為多個(gè)單一地層力學(xué)模型，分割后的單一地層即可按照《一種用于淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法》所公開的圍巖壓力計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。此外，在分割地層時(shí)，可以按照地層屬性來(lái)分割，而在相鄰的地層屬性十分近似，沒有必要分割時(shí)，可以視為同一地層進(jìn)行計(jì)算，以簡(jiǎn)化計(jì)算步驟。

作為優(yōu)選方案，所述步驟一建立左導(dǎo)坑上臺(tái)階力學(xué)模型的假設(shè)條件為：

(1)將左導(dǎo)坑上臺(tái)階視為扇形；

(2)將左導(dǎo)坑上臺(tái)階的右側(cè)壁及圓拱部分簡(jiǎn)化為剛性材料；

(3)將左導(dǎo)坑上臺(tái)階的右側(cè)壁及圓拱的兩端節(jié)點(diǎn)均視為剛性連接；

(4)所述右側(cè)壁視為超靜定梁，所述圓拱視為超靜定拱。

進(jìn)一步地，所述步驟二為：將超靜定梁以地層分界線為界分為對(duì)應(yīng)數(shù)量的線性荷載。

進(jìn)一步地，所述步驟二為：將超靜定拱以地層分界線為界分為對(duì)應(yīng)數(shù)量的線性荷載。

該步驟的建模條件與《一種用于淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法》保持一致，以使得將該步驟所建立的模型與原模型步驟替換時(shí)，不影響整個(gè)計(jì)算邏輯，即可以直接將該步驟所建立的模型嵌入原計(jì)算方法。

作為優(yōu)選方案，所述步驟一建立左導(dǎo)坑下臺(tái)階力學(xué)模型的假設(shè)條件為：

(1)將左導(dǎo)坑下臺(tái)階視為三角形；

(2)將左導(dǎo)坑下臺(tái)階的左側(cè)壁及右側(cè)壁部分簡(jiǎn)化為剛性材料；

(3)將左導(dǎo)坑下臺(tái)階的左側(cè)壁及右側(cè)壁的兩端節(jié)點(diǎn)均視為剛性連接；

(4)所述左側(cè)壁及右側(cè)壁視為超靜定梁，總收斂變形視為兩根超靜定梁的收斂變形之和。

進(jìn)一步地，所述步驟二為：將超靜定梁以地層分界線為界分為對(duì)應(yīng)數(shù)量的線性荷載。

該步驟的建模條件與《一種用于淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法》保持一致，以使得將該步驟所建立的模型與原模型步驟替換時(shí)，不影響整個(gè)計(jì)算邏輯，即可以直接將該步驟所建立的模型嵌入原計(jì)算方法。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是：

提供一種能夠適用于多地層淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法，該方法建立結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的步驟可針對(duì)圍巖為多地層結(jié)構(gòu)的情形，能夠適應(yīng)淺埋隧道中相對(duì)較復(fù)雜的，由多種不同地層組合而成的復(fù)合地層的實(shí)際施工環(huán)境。因此，該圍巖壓力計(jì)算方法的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，能夠很好地滿足實(shí)際施工環(huán)境的復(fù)雜性要求。利用該方法計(jì)算所得的圍巖壓力值與實(shí)際圍巖壓力值差距更小，能夠較吻合地代表隧道的實(shí)際圍巖壓力，實(shí)用性和精確性更好，為工程技術(shù)人員提供的可參考性價(jià)值更高。

附圖說(shuō)明

圖1是雙地層與隧洞上臺(tái)階位置關(guān)系示意圖。

圖2是雙地層左導(dǎo)坑上臺(tái)階荷載模型圖。

圖3是雙地層左導(dǎo)坑上臺(tái)階超靜定梁荷載qs和荷載qc的模型圖。

圖4是雙地層左導(dǎo)坑上臺(tái)階超靜定梁荷載ql的模型圖。

圖5是雙地層左導(dǎo)坑上臺(tái)階超靜定梁荷載ql1的模型圖。

圖6是雙地層左導(dǎo)坑上臺(tái)階超靜定梁荷載ql2的模型圖。

圖7是雙地層左導(dǎo)坑上臺(tái)階超靜定拱荷載qs和荷載q3的模型圖及荷載qs1和荷載qs2模型圖。

圖8是雙地層左導(dǎo)坑上臺(tái)階地層幾何關(guān)系圖。

圖9是雙地層與隧洞下臺(tái)階位置關(guān)系示意圖。

圖10是雙地層左導(dǎo)坑下臺(tái)階荷載模型圖。

圖11是三地層與隧洞下臺(tái)階位置關(guān)系示意圖。

圖12是三地層左導(dǎo)坑下臺(tái)階荷載模型圖。

圖13是三地層左導(dǎo)坑下臺(tái)階超靜定梁荷載qs和荷載qc的模型圖。

圖14是三地層左導(dǎo)坑下臺(tái)階超靜定梁荷載q1、荷載q2和荷載q3的模型圖。

附圖中標(biāo)記對(duì)應(yīng)的部件名稱為：

1-左導(dǎo)坑上臺(tái)階，2-左導(dǎo)坑下臺(tái)階，3-右導(dǎo)坑上臺(tái)階，4-右導(dǎo)坑下臺(tái)階，5-中導(dǎo)坑上臺(tái)階，6-中導(dǎo)坑下臺(tái)階，7-左導(dǎo)坑上臺(tái)階收斂觀測(cè)位置，8-上下臺(tái)階分界線，9-第一層初期支護(hù)，10-第二層初期支護(hù)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)地說(shuō)明。為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明是針對(duì)申請(qǐng)?zhí)枮閏n201610958955.7的中國(guó)專利申請(qǐng)文件《一種用于淺埋隧道的圍巖壓力計(jì)算方法》公開的計(jì)算方法所進(jìn)行的優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)點(diǎn)在于將建立力學(xué)模型的步驟改進(jìn)為兩個(gè)步驟，分別是步驟一、建立多地層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的步驟；步驟二、將多地層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型轉(zhuǎn)換為多個(gè)單地層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的步驟。以下分別以雙地層和三地層為例，說(shuō)明本發(fā)明的計(jì)算過(guò)程，與基礎(chǔ)申請(qǐng)?jiān)硐嘀貜?fù)的部分不做贅述?；陔p側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工方法，開挖并依次完成左導(dǎo)坑上臺(tái)階1、左導(dǎo)坑下臺(tái)階2、右導(dǎo)坑上臺(tái)階3、右導(dǎo)坑下臺(tái)階4、中導(dǎo)坑上臺(tái)階5和中導(dǎo)坑下臺(tái)階6，左、右導(dǎo)坑開挖順序也可調(diào)換，具體根據(jù)工程情況確定，但是左右兩邊結(jié)構(gòu)對(duì)稱，并不影響模型的構(gòu)建。左導(dǎo)坑上臺(tái)階收斂觀測(cè)位置7為收斂觀測(cè)取值位置，具體根據(jù)待測(cè)位置確定。上下臺(tái)階分界線8將開挖洞內(nèi)分成上、下臺(tái)階，完成開挖后依次施作第一層初期支護(hù)9和第二層初期支護(hù)10。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例是雙地層的分界線位于左導(dǎo)坑上臺(tái)階之間時(shí)的情況。分析左導(dǎo)坑上臺(tái)階的荷載，建立模型的假設(shè)條件為：

(1)將左導(dǎo)坑上臺(tái)階視為扇形；

(2)將左導(dǎo)坑上臺(tái)階的右側(cè)壁及圓拱部分簡(jiǎn)化為剛性材料；

(3)將左導(dǎo)坑上臺(tái)階的右側(cè)壁及圓拱的兩端節(jié)點(diǎn)視為剛性連接。

如圖2所示，建立雙地層左導(dǎo)坑上臺(tái)階荷載模型，設(shè)扇形的半徑為r，夾角為θ，并引入常數(shù)ei。右側(cè)壁視為超靜定梁，圓拱視為超靜定拱，兩者剛性連接。以下分別對(duì)超靜定梁和超靜定拱進(jìn)行分析計(jì)算。

一、超靜定梁位移的計(jì)算步驟

如圖3所示，為雙地層左導(dǎo)坑上臺(tái)階超靜定梁受到的水平和垂直方向的荷載模型，超靜定梁受到的水平荷載為qs，垂直荷載為qc。如圖4所示，由于超靜定梁兩端為剛性連接，不受軸向荷載影響，故只考慮水平荷載qs和垂直荷載qc在垂直于超靜定梁方向上荷載ql的作用，荷載ql＝qs·sinθ+qc·cosθ，荷載ql根據(jù)地層界線分為ql1和ql2兩部分。以下分別對(duì)荷載ql1和ql2進(jìn)行計(jì)算。

1、如圖5所示，為荷載ql1的計(jì)算模型，其計(jì)算步驟如下：

將式1-2代入1-1可求得約束荷載x1、x2，進(jìn)而求得梁上任意點(diǎn)的彎矩：

2、如圖6所示，為荷載ql2的計(jì)算模型，其計(jì)算原理同ql1，計(jì)算步驟如下：

將式1-5代入1-4可求得約束荷載x3、x4，則梁上任意點(diǎn)的彎矩：

綜上，將荷載ql1和ql2作用下求得的彎矩公式1-3、1-6相加可得荷載ql作用下的彎矩：

對(duì)彎矩求二重積分可得：

二、超靜定拱位移的計(jì)算步驟

同理，如圖7a、b所示，為雙地層左導(dǎo)坑上臺(tái)階超靜定拱受到的水平和垂直方向的荷載模型，超靜定拱受到的水平荷載為qs，垂直荷載為q3；并將荷載qs按地層界線分為qs1和qs2兩部分。

荷載qs1的計(jì)算步驟如下：

荷載qs作用下的δiq計(jì)算步驟如下：

荷載q3作用下δiq計(jì)算步驟如下：

如圖8所示，為地層之間的幾何關(guān)系。

將求得的δiq計(jì)算結(jié)果與式1-2代入式1-1可求得約束荷載x1、x2、x3，進(jìn)而求得拱上任意點(diǎn)的彎矩：

對(duì)彎矩求二重積分可得：

實(shí)施例2

如圖9所示，本實(shí)施例是雙地層的分界線位于左導(dǎo)坑下臺(tái)階之間時(shí)的情況。如圖10所示，為雙地層左導(dǎo)坑下臺(tái)階荷載模型。上臺(tái)階部分僅受到單一地層荷載作用影響，所以無(wú)法采用實(shí)施例1中的模型計(jì)算，考慮到雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖作用的影響，對(duì)上下臺(tái)階開挖完成后的左導(dǎo)坑進(jìn)行分析可知，水平方向收斂可視為兩根超靜定梁的變形之和，超靜定梁的計(jì)算等同于實(shí)施例1中超靜定梁，同理可求得：

實(shí)施例3

如圖11所示，本實(shí)施例是三地層的分界線均位于左導(dǎo)坑下臺(tái)階之間時(shí)的情況。在上臺(tái)階的有限高度內(nèi)集中出現(xiàn)三地層的可能性極低，如當(dāng)三地層集中于上臺(tái)階時(shí)，由于上臺(tái)階高度所限，可以將三地層簡(jiǎn)化為單一或雙地層，所以本實(shí)施例僅考慮三地層分布于左導(dǎo)坑下臺(tái)階的情況。

如圖12所示，為三地層左導(dǎo)坑下臺(tái)階荷載模型，對(duì)左導(dǎo)坑下臺(tái)階進(jìn)行分析，由于計(jì)算過(guò)程中僅考慮彎矩變形，所以可以將左導(dǎo)坑左側(cè)圍巖部分視為超靜定梁計(jì)算。分析可知水平收斂變形等于左右兩邊的超靜定梁變形之和，同理于實(shí)施例2中的模型假設(shè)，如圖13所示，超靜定梁受到的水平荷載為qs，垂直荷載為qc。

如圖14所示，由于超靜定梁兩端為剛性連接，所以不考慮沿軸向方向力作用影響，只考慮水平荷載qs和垂直荷載qc在垂直于超靜定梁方向上荷載ql的作用，并按地層界線分為荷載q1、荷載q2和荷載q3，同實(shí)施例1的超靜定梁的計(jì)算步驟原理相同，ql＝q1+q2+q3＝qs·sinθ+qc·cosθ，具體計(jì)算步驟如下：

荷載q1、q2、q3作用下的δiq計(jì)算步驟如下：

將式3-2～3-5代入3-1可求得約束荷載x3、x4，則梁上任意點(diǎn)的彎矩：

對(duì)彎矩求二重積分可得：

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。