[发明专利]一种应用于隧道初期结构设计的直接弹性抗力法

说明书

一种应用于隧道初期结构设计的直接弹性抗力法，隧道初期支护结构在垂直和水平荷载作用下，拱部会产生不受围岩约束的负位移脱离区（向着隧道断面轮廓圆心），侧部产生受到围岩约束的正位移，两部结构因地基弹性抗力有无的差别，拱部结构的内力及位移用普通拱函数来表示，侧部结构的内力及位移用弹性地基拱函数来表示。隧道支护结构的弹性抗力与结构位移是同步计算的，更加真实地反映了支护结构的应力状态；支护结构内力（弯矩和轴力）、位移函数中的未知参数（两段函数共六个参数）仅需三个边界条件即可一次确定弯矩、轴力、位移函数，计算简便。

技术领域

本发明属于隧道(洞)施工技术领域，具体涉及一种应用于隧道初期结构设计的直接弹性抗力法。

背景技术

所有隧道施工人员(管理、技术、隧道工)心中始终存有一个疑问——在没有施作二次衬砌前由喷锚等材料构成的隧道初期支护足够安全吗？之所以有这样的疑问是有着客观原因的。《铁路隧道设计规范》TB 10003-2016之“8.1.7喷锚衬砌和复合式衬砌的初期支护，可按工程类比法确定设计参数；施工期间应通过监控量测进行修正对地质复杂、大跨度、多线和有特殊要求的隧道，除采用工程类比法外，还应结合数值解法或近似解法进行分析确定”。

“按工程类比法”设计，大家看到的效果是有成功，有失败。最近十几年对工程质量、安全的管理力度不断加强，工程事故率大幅下降，但是隧道坍塌的事故仍然时有发生，尽管这种事故率已经很低，但是也足以动摇人们对隧道未衬砌之前的初期支护的安全信心，施工现场的上下各级管理人员乃至隧道工人都强调“快衬砌”的隧道施工方针就是最典型、最直接的证明。

“结合数值解法或近似解法进行分析确定”，尽管结构进行了详细的计算，但是仍然对结论半信半疑甚至完全怀疑，这是因为所谓的计算模型与现场的施工工序严重不符。几乎所有的隧道力学教材讲的隧道结构计算都是指隧道二次衬砌的计算，并没有明确的初期支护结构计算；有的隧道结构计算是将初期支护和二次衬砌合在一起计算。而初期支护与二次衬砌实际上是按照前后工序分别施工的两种结构，其力学状态完全不同。《铁路隧道设计规范》TB 10003-2016之“8.1.10计算有仰拱的隧道和明洞衬砌，当仰拱先施作时，应考虑仰拱对结构内力的影响；当仰拱在边墙之后施作时，则可不考虑仰拱的作用”。隧道初期支护是由上而下施工的，仰拱最后施工，其力学模型不应考虑仰拱的影响，但是二次衬砌是由下而上施工的，仰拱先作，所以其力学模型应考虑仰拱的影响。通常情况下，在距离掌子面2B～2.5B(B为隧道开挖宽度)以外，隧道“空间效应”完全消失，隧道松散荷载也即形成，而隧道二次衬砌距离此处至少有30m的距离，所以在这30m距离内，隧道全部设计荷载是由初期支护单独承受的，二次衬砌尚无法发挥作用。所以将初期支护与二次衬砌合在一起计算的模型与现场严重不符，自然计算结果对现场的指导意义就不足。《公路隧道设计规范》JTG 3307.1-2018术语与符号一章甚至没有“初期支护”的概念，这就更加重了人们对隧道初期作用原理以及其安全性的疑虑。

《铁路隧道设计规范》TB 10003-2016之“8.1.9隧道衬砌宜采用荷载-结构模型进行计算”，当前流行的隧道衬砌结构力学计算方法有不考虑地层影响和考虑地层影响(弹性抗力)两种方法，其中考虑地层弹性抗力影响的主要是布加耶娃假定抗力法,诸多文献按照此法来计算隧道二次衬砌的，逻辑上讲是可以计算隧道初期支护结构的，但是，若用此法来计算隧道初期支护结构，就会得出隧道初期支护结构无法单独承载的结论(按照有关规范确定的参数)，这显然与事实不符，这就说明“假定抗力法”中的“假定”与实际相差太远。急需寻找一种更贴近实际且计算简便的方法来解释隧道初期支护承载能力。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种应用于隧道初期结构设计的直接弹性抗力法，隧道初期支护结构在垂直和水平荷载作用下，拱部会产生不受围岩约束的负位移脱离区(向着隧道断面轮廓圆心)，侧部产生受到围岩约束的正位移，两部结构因地基弹性抗力有无的差别，拱部结构的内力及位移用普通拱函数来表示，侧部结构的内力及位移用弹性地基拱函数来表示。