一種淺埋非對稱小間距隧道土壓力荷載計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地下道路建設(shè)施工技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種淺埋非對稱小間距隧道±壓力 荷載計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著交通事業(yè)的飛速發(fā)展，小間距隧道憑借其結(jié)構(gòu)型式的靈活性和新穎性，已逐 漸成為解決特殊地質(zhì)地形條件下公路線橋隧銜接、總體線型優(yōu)化^及±地資源合理利用等 問題的有效型式。鑒于公路線位和地形條件的要求，在一些城市地下道路建設(shè)中出現(xiàn)了非 對稱小間距隧道。作為一種新型的結(jié)構(gòu)型式，非對稱小間距隧道一出現(xiàn)便引起了隧道學(xué)術(shù) 界的廣泛關(guān)注。
[0003] ±壓力荷載作用模式和計算方法直接關(guān)系到支護(hù)型式的選取和支護(hù)參數(shù)的確定， 也一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題之一?，F(xiàn)有技術(shù)中，對深埋小間距隧道±壓力荷載進(jìn)行了 探討，并推導(dǎo)了計算公式。對小間距淺埋隧道的±壓力荷載進(jìn)行了探討；對淺埋小間距隧道 ±壓力荷載進(jìn)行了理論分析和探討，指出淺埋對稱小間距隧道±壓力荷載的偏壓特征等。 利用數(shù)值模擬分析了隧道開挖順序?qū)χёo(hù)力學(xué)行為特性及圍巖穩(wěn)定性的影響；然而該些研 究多是關(guān)于常規(guī)對稱小間距隧道，關(guān)于非對稱小間距隧道±壓力荷載的理論計算方法鮮有 研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是考慮小間距隧道左右兩側(cè)洞的幾何與結(jié)構(gòu)非對稱條件，W及兩洞 的開挖順序，提出了淺埋非對稱小間距隧道±壓力荷載的計算方法，W期為此類工程的支 護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種淺埋非對稱小間距隧道±壓力荷 載計算方法，該計算方法是依據(jù)隧道設(shè)計規(guī)范中荷載計算方法和小間距隧道±壓力荷載計 算方法中，淺埋非對稱小間距隧道圍巖滑動破壞模式。
[0006] 如圖1，B、B'分別為左、右側(cè)隧洞的開挖跨度，B為兩隧道間凈距，H'、h'分別為 左、右側(cè)隧洞拱頂埋深，H、h分別為左、右側(cè)隧洞地層外側(cè)破裂角頂點(diǎn)至地表的豎向距離； Wi，W，胖2分別為左側(cè)隧洞巖（± )體DHG，EF細(xì)和ABCF的重力；W2'，W'，Wi'分別為右側(cè)隧 洞巖（±)體4'8〔尸'，6'尸'6'吐和0'吐6'的重力。設(shè)定條件如下，
[0007] (1)定義地面為水平面，兩隧道之間的破裂面交點(diǎn)位于地表W下，且左右隧道不同 時施工；為推導(dǎo)方便，左洞先開挖，右洞后開挖。
[000引 似左洞開挖時，與規(guī)范單洞情況相同，根據(jù)隧道開挖后巖（±)體運(yùn)動規(guī)律，隧道 頂上覆±柱EFGH下沉從而帶動兩側(cè)±體ABCF與DGH下沉，出現(xiàn)斜直面AC和DH破裂面，且 與水平面成01角，內(nèi)外側(cè)壓力對稱分布。
[0009] (3)右洞開挖時，隧道外側(cè)巖±體中形成的破裂面D'H'與水平面夾角同樣為01， 同時內(nèi)側(cè)巖±體中形成的破裂面A'B與水平面夾角為0 2。在右側(cè)后行洞施工影響下，中夾 巖（±)柱地層再次受到擾動，左側(cè)先行洞圍巖滑移范圍增大，左洞內(nèi)側(cè)滑移角為03。[0010] (4)當(dāng)左洞巖±體EFGH下沉?xí)r，兩側(cè)±體分別對其施加摩擦阻力Ti和T 2;當(dāng)右洞 巖±體6'護(hù)6'吐下沉?xí)r，兩側(cè)±體分別對其施加摩擦阻力V和T2'；該四個摩阻力與水平 面夾角均為0，0角參照規(guī)范選用，0角小于±體的計算內(nèi)摩擦角A。
[OCm] (5)為簡化分析，在計算過程中偏于安全地定義共同破裂面BC的法向相互作用力 E = 0。
[0012] 綜上所述，考慮左右洞先后施工時非對稱小間距隧道±壓力荷載作用模式如圖 2(a)-2(b)所示。
[0013] 當(dāng)小間距隧道左右兩側(cè)洞幾何與結(jié)構(gòu)對稱，且0 3= 0 1時，本方法推導(dǎo)的計算公 式將退化為關(guān)于常規(guī)淺埋小間距隧道±壓力荷載的計算方法。本方法考慮了左右兩側(cè)洞幾 何與結(jié)構(gòu)形式不對稱對±壓力荷載分布的影響，具有更廣的適用性。
[0014] 單開挖先行洞時
[0015] 左側(cè)隧道先行開挖，此時相當(dāng)于單洞開挖，求解隧道外側(cè)垂直壓力和側(cè)向水平壓 力的計算方法采用規(guī)范中的計算公式，具體如下，
[0016] (1)先行洞兩側(cè)水平壓力
[0017]側(cè)壓力系數(shù)A1為 [001 引
[0021] 先行洞內(nèi)外側(cè)側(cè)向水平壓力
[002引 e"=入 1 丫Hi 似
[002引式中卻為計算點(diǎn)至地表的垂直距離，丫為巖體容重，i表示各個計算點(diǎn)。
[0024] (2)先行洞拱頂豎向壓力
[0025] 參考規(guī)范，求得單開挖先行洞時的拱頂豎向壓力為
[0026]
[0027] 再開挖后行洞時
[002引 （1)后行洞外側(cè)水平壓力
[0029] 再開挖右側(cè)隧道時，其外側(cè)水平壓力為
[0030] e"=A1丫hi (4)
[00川式中屯為計算點(diǎn)至地表的垂直距離（m)。
[0032] (2)后行洞內(nèi)側(cè)水平壓力
[0033] 為計算后行洞內(nèi)側(cè)水平壓力，取隔離體BCF'A'為研究對象進(jìn)行受力分析，如圖3 所示。
[0034] 根據(jù)力學(xué)平衡條件和上述條件，解得T,'的計算表達(dá)式為
[0035]
[003引鑒于隧道間距B,-般較小，為簡化分析，設(shè)FC =邸，F(xiàn)' C =邸'，K = B y炬+B'）， 經(jīng)整理后可得
[0044] 則后行洞內(nèi)側(cè)水平壓力63表示為
[0045] 631=A2丫 hi 巧）
[0046] (3)后行洞豎向壓力
[0047] 同理，后行洞拱部豎向±壓力荷載q1和q2分別表示如下
[0050] (4)先行洞水平壓力
[0051] 開挖后行洞時，先行洞外側(cè)水平壓力近似認(rèn)為保持不變，其計算方法參見式（la)、 仙)、似。
[0化2] 為計算先行洞內(nèi)側(cè)水平壓力，取隔離體BCFA為研究對象進(jìn)行受力分析，同理可得[0化3]
(1 1)
[0化4]其中，A3為后行洞開挖后先行洞內(nèi)側(cè)水平壓力系數(shù)，表達(dá)式如下[0 化 5]
[005引則先行洞內(nèi)側(cè)水平壓力表示如下
[0059] 621=A3 丫Hi (14)
[0060] (5)先行洞豎向壓力
[0061] 開挖后行洞時，先行洞外側(cè)豎向壓力近似認(rèn)為保持不變，其計算方法參見式（3); 先行洞內(nèi)側(cè)豎向應(yīng)力則表示如下
[0062]
(15)
[0063] 本方法考慮后行洞開挖擾動中夾巖柱引起的先行洞內(nèi)側(cè)滑移面的變化，在此基礎(chǔ) 上，考慮了后行洞開挖對先行洞內(nèi)側(cè)圍巖滑移面的影響，推導(dǎo)了淺埋非對稱小間距隧道± 壓力荷載的計算方法。
[0064] 該方法實現(xiàn)了對隧道埋深、中夾巖柱厚度、開挖跨度與高度等因素對隧道豎向與 側(cè)向壓力的影響規(guī)律，并結(jié)合工程監(jiān)測實例驗證了公式的合理性。
【附圖說明】
[00化]圖1滑動模式示意圖。
[0066] 圖2 (a)單開挖先行洞時非對稱小間距隧道±壓力荷載作用模式。
[0067] 圖2化）再開挖后行洞時非對稱小間距隧道±壓力荷載作用模式。
[0068] 圖3右側(cè)隧道內(nèi)側(cè)滑移體示意圖。
[0069] 圖4(a)豎向±壓力荷載與后行洞埋深的關(guān)系曲線。
[0070] 圖4(a)側(cè)向±壓力荷載與后行洞埋深的關(guān)系曲線。
[0071] 圖5(a)豎向±壓力荷載與中夾巖柱厚度的關(guān)系曲線。
[0072] 圖5(b)側(cè)向±壓力荷載與中夾巖柱厚度的關(guān)系曲線。
[0073] 圖6(a)豎向±壓力荷載與先行洞開挖跨度的關(guān)系曲線。
[0074] 圖6(b)側(cè)向±壓力荷載與先行洞開挖跨度的關(guān)系曲線。
[0075] 圖7±壓力荷載與后行洞開挖高度的關(guān)系曲線。
[0076] 圖8實施例一的±壓力荷載實測值與理論值對比圖。
[0077] 圖9實施例二的±壓力荷載實測值與理論值對比圖。
【具體實施方式】
[007引為分析非對稱小間距隧道±壓力荷載的分布特征，WV級圍巖為例，取基本計算 參數(shù)為：圍巖重度r =20kN/m3,內(nèi)摩擦角為(p=26°，計算內(nèi)摩擦角化=45°，0 =27。；左、 右洞隧道開挖跨度B和B'，左、右洞開挖高度Li和L 2,左、右洞埋深H'和h'，W及中夾巖柱 厚度B,作為可變參數(shù)進(jìn)行影響因素敏感性分析。分析某一因素影響時，保證其它參數(shù)不變， 其基準(zhǔn)取值如表1所示。
[0079] 表1影響因素敏感性分析參數(shù)基準(zhǔn)值
[0080]
[0081] 隧道埋深的影響
[0082]根據(jù)本方法推導(dǎo)公式求得隧道±壓力荷載隨埋深變化的曲線如圖4(a)-4(b)所 示。隨著埋深的增大，隧道豎向和側(cè)向±壓力荷載均近似線性增大；隧道外側(cè)豎向壓