[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

摘要

本发明公开了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，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；②无中墙时隧道初期支护拱脚的地基荷载；③有中墙时隧道初期支护的受力状态分析；④有中墙时隧道初期支护的地基荷载；(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；(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，初步确定上、中、下各台阶的临时中墙设置与否。

主权项

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，δik为柔度系数(i,k＝1、2)；Δip为在外荷载作用下，沿Xi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δik和外荷载作用下所产生的位移Δip，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、up、β1、β2、βp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＝Sr+Tv+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，Sv为由锚杆横向约束力提供的竖向承载力，Tv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‑Sv‑Tv③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，δik为柔度系数(i,k＝1、2、3)，Δip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‑Tv)+G‑Sv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。