[发明专利]上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法

权利要求书

1.一种上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)应用结构力学中力法及初期支护受力特性，对上软下硬地层结构受力状态进行分析；

①无中墙时隧道初期支护的受力状态分析；

考虑完全对称衬砌结构，设拱顶未知力为X₁、X₂，则位移平衡方程为：

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

上式中，δ_ik为柔度系数(i,k＝1、2)；Δ_ip为在外荷载作用下，沿X_i方向产生的位移；u₀、β₀分别为拱脚截面的总水平位移和总弹性转角；

拱圈的柔度系数δ_ik和外荷载作用下所产生的位移Δ_ip，可以用结构力学的方法求得：

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

式中：EI、EA分别为拱圈的抗弯和抗压刚度；E为衬砌材料的弹性模量；I、A分别为拱圈的惯性矩和截面积；

u₀、β₀由拱顶弯矩X₁、X₂以及外荷载共同作用产生：

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

式中：u₁、u₂、u_p、β₁、β₂、β_p为拱脚弹性固定系数；

②无中墙时隧道初期支护拱脚的地基荷载；

在竖直方向，力的平衡方程为:

Q+G＝S_r+T_v+N_左+N_右

式中，Q为围岩压力的竖向分量之和，G为初期支护结构自重，S_v为由锚杆横向约束力提供的竖向承载力，T_v为围岩与初期支护摩阻力提供的竖向承载力，N_左、N_右分别为左右侧地基提供的竖向承载力；

则作用在拱脚地基上的荷载为：

N_左+N_右＝Q+G-S_v-T_v

③有中墙时隧道初期支护的受力状态分析；

当在拱顶位置加上临时竖向支撑时，仍考虑完全对称结构，由于有竖向的支撑来抵抗拱顶的沉降，设拱顶未知力为X₁、X₂、X₃，则位移平衡方程为：

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

上式中，δ_ik为柔度系数(i,k＝1、2、3)，Δ_ip为在外荷载作用下，沿Xi方向产生的位移，u₀、β₀、v₀分别为拱脚截面的总弹性转角、总水平和总竖向位移；

④有中墙时隧道初期支护的地基荷载；

有中墙时初期支护的受力状态，此时有：

N_左+N_中+N_右＝ξ(Q-T_v)+G-S_v

根据力矩的平衡可得

N_中＝2N_左＝2N_右

(2)应用上述所得的受力状态分析，进一步探讨上软下硬地层结构受力机理；

①当隧道上台阶处于较差的岩层，而中下台阶处于较好岩层时，隧道上台阶开挖施工过程中设置临时中隔墙，此时隧道上台阶开挖后的受力状态是：中隔墙的存在一方面分担了两侧拱脚的基底压力，另一方面也可有效的控制地表沉降；

②当隧道上中台阶处于较差的岩层，而下台阶处于较好岩层时，隧道上台阶及中台阶开挖施工过程中均设置临时中隔墙，此时隧道受力状态为：中隔墙的存在分担了两侧拱脚的基底压力，防止软弱岩层由于基底承载力不足而使整个初期支护产生下沉，从而有效的控制地表沉降，保证整个隧道的是个安全；

(3)应用地层模式结合软硬地层分界的具体位置及围岩软弱的情况，确定上、中、下各台阶的临时中墙设置与否；

应用大型有限元软件，建立上、中、下各台阶不同上软下硬的模型，分析有、无中墙的下情况，沉降、收敛、轴力、弯矩、拱脚应力、拱顶弯矩、最大拉应力、中墙底端应力等方面作对比。

2.如权利要求1所述的上软下硬地层大断面隧道支护结构中临时中墙定位方法，其特征在于，确定临时中墙的位置后，还包括应用荷载-结构法、地层-结构法和监测分析，确定临时中隔墙一次拆除长度和仰拱跟进的距离；

具体过程如下：

(1)临时中隔墙一次拆除长度：随着拆撑长度的增加，各处洞顶沉降都在增大；同时在已拆撑段由于少了中墙的支撑作用，其沉降较未拆撑段的沉降要大；研究不同拆撑长度，受力变化情况，从变化梯度上判断临时中隔墙合理的一次拆除长度；

(2)仰拱跟进距离：随着仰拱闭合间距的增加，各处洞顶沉降都在增大，同时最大弯矩和最大轴力也在增大；分析不同仰拱闭合间距下拱顶沉降的变化情况，从拱顶沉降变化梯度上和仰拱受力上判断仰拱合理的闭合间距。