[发明专利]基于动力刚度匹配基的隧道衬砌减隔震结构精准设计方法

说明书

本发明公开了一种基于动力刚度匹配基的隧道衬砌减隔震结构精准设计方法，以围岩层、锚杆加固层、初衬层和二衬层四者的动弹性模量和设计厚度为输入量，根据既有隧道衬砌抗减震结构特征，结合力学原理建立动力刚度匹配基系统数学模型，通过计算将该结构的弯矩匹配用各层厚度和各层动模量参数的匹配关系来表示；收集并建立既有隧道衬砌抗减震结构数据样本集，通过神经网络逻辑计算精准确定隧道衬砌减隔震结构层与围岩层、初衬层和二衬层之间的动力刚度匹配刚度参数，根据逻辑回归模型的输出结果，确定优先考虑动弹模E₄还是优先考虑厚度h₄的权重问题，然后精准进行减隔震结构材料及结构选型，完成隧道衬砌减震层设计。

技术领域

本发明属于隧道设计技术领域，涉及一种隧道隔震结构设计方法，具体涉及一种基于动力刚度匹配基的隧道衬砌减隔震结构精准设计方法。

背景技术

大量山岭隧道工程震害说明现有技术中的隧道结构抗减震技术已经很难满足高烈度地震区的隧道抗震设计要求，同时目前尚缺乏高烈度地震区隧道工程抗震设计规范，隧道工程的设计与施工只能根据经验及地上建筑物相关规范进行设计，具有一定的随机性。

常见高烈度地震区隧道衬砌减隔震结构，包括围岩层、锚杆加固层、初衬层、二衬层、减隔震结构层、防水层及支护锚杆结构等(如图1所示)。

在隧道衬砌和地层之间设置减震层可起到一定减震作用，主要方法有：在隧道衬砌和围岩之间设置减震器或减震材料、管片衬砌接头部位设置变形缝等。另外，沿着隧道轴向设置环向减震缝，可以大幅度减小隧道纵向拉应力，减小隧道结构的纵向刚度，使隧道更容易跟随围岩的变形而变形，从而起到减震作用。

在隧道洞身段，若围岩岩性较好，则围岩与隧道结构之间存在一定的刚度不匹配问题。刚度强弱分布依次为：刚度较大的围岩→围岩加固区→二衬(C25混凝土)→初衬(C20混凝土)，刚度不匹配问题成为焦点。其中围岩加固区与隧道衬砌初期支护的刚度相对较弱，地震波传播至此区间时存在动力放大效应，致使围岩加固区与隧道衬砌初期支护产生较大的弹性变形，导致二次衬砌将承受围岩加固区与隧道衬砌初期支护较大的弹性变形。这里二衬自身承受外部弹性变形称为强制变形作用，强制变形作用的存在加剧了二衬的外部变形可能性同时还将承受自身惯性力影响。因此，衬砌结构的局部特征部位可能出现受拉或者受压破坏。因此如何合理的对地下结构的刚度进行调整成为关键技术难题。

地下结构刚度的调整有两个方向：1)增大结构的刚度，相对于围岩来说，使得结构成为刚性结构，当围岩变形后，结构能够完全抵抗围岩的变形；2)减小结构的刚度，使结构的延性增大，在满足正常使用的情况下，结构能随着围岩的变形而变形。增加结构的刚度实际上是抗震的方法，不是减震的措施，这种方法需要增加大量的材料才能满足要求，因此该方法经济性较差。此外，该方法要以牺牲结构正常使用的空间为代价，为了保障结构的正常使用空间，在进行地下结构设计时就要考虑预留出以后变形所需要的富裕空间，其经济合理性也要通过经济论证才能确定。

当前在改变既有衬砌结构本身性能的抗减震技术的研究中，对隧道结构抗减震问题的定性概念结构相对较多。通过在围岩和衬砌结构之间设置某种材料或改变衬砌外侧一定范围内的围岩力学属性，并对这些材料的刚度进行适当调整，能够达到减小衬砌结构动力响应的目的。设计减震层的基本构想是：在隧道衬砌的外周和地层之间设置减震层(橡胶材料或者泡沫混凝土)，使原有的衬砌-围岩系统变为衬砌-减震层-围岩系统，通过减震层将衬砌与围岩介质隔开，从而减小或改变地震波对结构作用的强度和方式。隧道结构减震的效果与其刚度、厚度、长度以及位置分布等因素密切相关，大面积实施易造成隧道工程投资成本大幅度增加、工期延长，在断裂带、围岩急剧变化等不良地质段处隧道结构易造成拉裂或剪裂破坏。而关于不同抗减震材料与围岩、初衬和二衬之间的理论匹配关系较少，因此隧道结构的抗减震效果较差。

发明内容