CN108154002B - 一种复合式连拱隧道中隔墙结构受力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合式连拱隧道中隔墙结构受力计算方法，属于隧道工程领域。该方法是在复合式连拱隧道开挖过程中，初支扣拱完成后，以初支为研究对象，初支与中隔墙连接部位简化为固定支座，按照荷载‑结构法计算初支端部内力。再以中隔墙作为受力构件，将初支端部内力、中隔墙结构自重、中隔墙顶部三角形覆土重量及基底竖向支撑力施加于中隔墙上，根据静力平衡方程和临时横撑布置方案，得到临时横撑内力，进而获得中隔墙薄弱截面处内力状况，对临时横撑及中隔墙进行承载力验算。本发明方法简单，能解决施工中临时横撑的合理设计，并能解决中隔墙截面尺寸和配筋验算，避免临时横撑及中隔墙的盲目设计。

Description

一种复合式连拱隧道中隔墙结构受力计算方法

技术领域

本发明涉及一种中隔墙结构受力计算方法，具体涉及一种复合式连拱隧道中隔墙结构受力计算方法，属于隧道工程领域。

背景技术

连拱隧道由于具有洞口位置选择自由度大、引线占地面积小、便于桥隧相连和运营管理等优点，目前被广泛应用于工程实践中。连拱隧道主要包括整体式连拱隧道和复合式连拱隧道。复合式连拱隧道相对整体式连拱隧道，具有二次衬砌独自封闭成环、受力体系简单、防排水效果好及后期运营病害少等优点。复合式连拱隧道中隔墙其作用主要体现在初支扣拱过程，待二次衬砌封闭成环后仅仅起到将两侧隧道连接成一个整体和传递水平向作用力的作用。初支扣拱过程，中隔墙受力复杂，力学转换次数繁多，容易导致其偏转而侵占二次衬砌限界，从而影响整个工程的质量。复合式连拱隧道中隔墙结构受力分析方法及临时横撑定量分析至今未得到有效解决。

发明内容

基于上述工程难题及现状，本发明的目的在于解决目前复合式连拱隧道中隔墙结构计算繁琐和临时横撑设置难以定量分析的工程难题，弥补常规设计的不足，提出了一种新颖有效的计算方法，可以高效计算中隔墙结构受力和定量分析临时横撑。

为了实现上述目的，本发明具体技术方案如下：

一种复合式连拱隧道中隔墙结构受力计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)、外侧隧道初支端部内力计算

复合式连拱隧道的外侧隧道初支扣拱完成，根据得到隧道拱部垂直压力和水平围岩压力，按照荷载结构法单独分析初支，初支与中隔墙连接部位简化为固定支座，最终得到初支端部内力；

步骤(2)、变截面中隔墙内力分布计算

以中隔墙作为研究对象，将步骤(1)得到的内力、中隔墙自重、中隔墙顶部三角形覆土重量及中隔墙基底竖向支撑力作用于中隔墙，根据静力平衡条件，计算临时横撑内力，得到变截面中隔墙内力分布，进而截面验算和配筋；计算过程不考虑中隔墙与围岩之间的摩擦力；

步骤(3)、内外侧隧道初支结构端部内力计算

复合式连拱隧道内外侧隧道初支扣拱完成，按步骤(1)分别得到内外侧隧道初支结构端部内力；

步骤(4)、临时横撑和变截面中隔墙的内力计算

将步骤(3)计算得到的初支端部内力、中隔墙结构自重、中隔墙顶部三角形覆土重量及竖向支撑力作用于中隔墙，根据临时横撑布置情况，得到临时横撑和变截面中隔墙的内力，并对其承载力进行验算。

进一步地，步骤(1)中，根据围岩级别确定坍落拱高度，考虑应力释放率η，得到外侧隧道围岩压力，初支与围岩通过只受压力的弹簧链杆连接。

进一步地，步骤(2)中，根据静力平衡条件，判断中隔墙另一侧是否需要临时横撑支撑；

若需要设置临时横撑时，根据受力平衡，得到每根横撑的轴力；最后可得中隔墙最薄弱截面的内力，并对其进行配筋及承载力验算。

进一步地，步骤(3)中，考虑应力释放率η，得到内外侧隧道围岩压力，分别以内、外侧隧道初支作为研究对象，将初支与中隔墙连接部位简化为固定支座，采用荷载-结构法，初期支护与围岩之间通过只受压的弹簧链杆连接，得到内外侧隧道初支端部内力。

进一步地，步骤(4)中，根据静力平衡条件，判断中隔墙另一侧是否需要临时横撑支撑；由临时横撑设计方案，得到每根横撑的轴力，最后可得中隔墙最薄弱截面的内力，并对其进行配筋和承载力验算。根据临时横撑的不同布置形式，计算出相应的横撑内力，使横撑结构设计更加经济合理。

与现有技术相比，本发明的技术效果主要在于：

(1)、本发明能定量分析复合式连拱隧道施工过程中临时横撑受力状况，使临时横撑设计更加合理和有效。

(2)、本发明提供了复合式连拱隧道中隔墙结构的内力计算方法，根据静力平衡方程和临时横撑布置方案，得到临时横撑内力，进而获得中隔墙薄弱截面处内力状况，对临时横撑及中隔墙进行承载力验算。使中隔墙的尺寸和配筋设计更加合理，可以高效计算并验算中隔墙截面尺寸和配筋。

(3)、本发明有效实现中隔墙和临时横撑的合理计算及设计，规避盲目设计和施工，其经济性和安全性显著。

附图说明

图1是本发明的复合式连拱隧道结构示意图；

图2是本发明的复合式连拱隧道中隔墙计算流程图；

图3是本发明的复合式连拱隧道中隔墙结构计算模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例针对的复合式连拱隧道包括内侧隧道1、外侧隧道2以及设于内侧隧道1、外侧隧道2之间的中导洞3，中导洞3中包括中隔墙6，中导洞3施工初期支护7，还包括内侧隧道1的初期支护9和二次衬砌5，外侧隧道2的初期支护8和二次衬砌4。

如图2所示，针对上述复合式连拱隧道，复合式连拱隧道中隔墙结构受力计算方法如下：

步骤(1)、连拱隧道外侧隧道拱部垂直压力和水平围岩压力计算：

基于坍落拱假定，结合《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)单洞隧道的深浅埋分界方法，确定深浅埋界限和隧道荷载模式，得到外隧道拱部垂直压力q_w和水平围岩压力e_w1、e_w2、e_w1’、e_w2’，如图3所示，具体如下：

A、隧道深浅埋判断，按荷载等效高度的判定公式：H_p＝(2～2.5)h_p式中：H_p为深浅埋隧道分界深度(单位：m)；IV～VI级围岩取H_p＝2.5h_p，I～III级围岩取H_p＝2.0h_p；

hp为荷载等效高度(单位：m)。

B、根据围岩级别和埋深判断后，参考《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)附录E和附录F，得到外隧道拱部垂直压力q_w，两侧水平围岩压力e_w1、e_w2、e_w1’、e_w2’。

步骤(2)、初支端部的内力计算

根据围岩级别参照《公路隧道规范》附录D，确定隧道开挖围岩应力释放率为η，则外侧隧道承受的围岩压力为ηq_w、ηe_w1、ηe_w1、ηe_w1’、ηe_w1’。

以外侧隧道初支作为研究对象，将初支与中隔墙连接部位简化为固定支座，采用荷载-结构法，初期支护与围岩之间通过只受压的弹簧链杆连接，得到初支端部的内力，如图3所示，内力包括弯矩M_w和M_w’、轴力N_w和N_w’及剪力Q_w和Q_w’，弯矩为顺时针为正，轴力受压为正，剪力以使构件顺时针旋转为正。

步骤(3)、中隔墙内力计算

不考虑中隔墙与围岩的摩擦力，以中隔墙为研究对象，如图3所示，施加中隔墙顶部三角形块体的重量W₁，初支端部内力的反作用力F、结构自重W和下部竖向支撑力F_竖。

通过是否满足∑F_x＝0判断中隔墙另一侧是否需要临时横撑支撑。若需要设置临时横撑时，根据横撑布置方案，由∑F_x＝0；∑F_y＝0；∑_M＝0得到每根横撑的轴力F₁、F₂、…、F_n。最后可得中隔墙最薄弱截面的内力(弯矩M、轴力N和剪力Q)并对其进行配筋及承载力验算。

步骤(4)、连拱隧道内外侧隧道拱部垂直压力和水平围岩压力计算

内侧隧道开挖后，基于双塌落拱的假定，结合《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)连拱隧道，分别得到内外侧隧道拱顶垂直压力q_n、q_w，两侧水平围岩压力e_n1、e_n2、e_n1’、e_n2’、e_w1、e_w2、e_w1’、e_w2’，如图3所示。

步骤(5)、内外侧隧道初支端部内力计算

根据围岩级别参照《公路隧道规范》附录D，确定隧道开挖围岩应力释放率为η，则内、外侧隧道承受的围岩压力ηq_n、ηq_w、ηe_n1、ηe_n2、ηe_n1’、ηe_n2’、ηe_w1、ηe_w2、ηe_w1’、ηe_w2’，分别以内、外侧隧道初支作为研究对象，将初支与中隔墙连接部位简化为固定支座，采用荷载-结构法，初期支护与围岩之间通过只受压的弹簧链杆连接，得到内外侧隧道初支端部内力，如图3所示，内力包括弯矩M_n’、M_w’，轴力N_n’、N_w’，剪力Q_n’、Q_w’，弯矩为顺时针为正，轴力受压为正，剪力以使构件顺时针旋转为正。

步骤(6)、中隔墙最薄弱截面的内力计算

不考虑中隔墙与围岩之间的摩擦力，以中隔墙为研究对象，施加中墙顶部三角形块体的重量W₁和初支端部的反作用内F_竖。根据是否满足∑F_x＝0判断另一侧是否需要临时横撑支撑。由临时横撑设计方案，∑F_x＝0；∑F_y＝0；∑_M＝0得到每根横撑的轴力F₁’、F₂’、…、F_n’。最后可得内外侧隧道开挖后中隔墙最薄弱截面的内力(弯矩M’、轴力N’和剪力Q’)并对其进行配筋和承载力验算。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种复合式连拱隧道中隔墙结构受力计算方法，其特征在于：

所述复合式连拱隧道包括内侧隧道、外侧隧道以及设于内侧隧道、外侧隧道之间的中导洞，中导洞中包括中隔墙，中导洞施工初期支护，还包括内侧隧道的初期支护和二次衬砌，外侧隧道的初期支护和二次衬砌；

该方法包括以下步骤：

步骤（1）、外侧隧道初支端部内力计算

复合式连拱隧道的外侧隧道初支扣拱完成，根据得到隧道拱部垂直压力和水平围岩压力，按照荷载结构法单独分析初支，初支与中隔墙连接部位简化为固定支座，最终得到初支端部内力；

步骤（2）、变截面中隔墙内力分布计算

以中隔墙作为研究对象，将步骤（1）得到的内力、中隔墙自重、中隔墙顶部三角形覆土重量及中隔墙基底竖向支撑力作用于中隔墙，根据静力平衡条件，计算临时横撑内力，得到变截面中隔墙内力分布，进而截面验算和配筋；计算过程不考虑中隔墙与围岩之间的摩擦力；

步骤（3）、内外侧隧道初支结构端部内力计算

复合式连拱隧道内外侧隧道初支扣拱完成，按步骤（1）分别得到内外侧隧道初支结构端部内力；

步骤（4）、临时横撑和变截面中隔墙的内力计算

将步骤（3）计算得到的初支端部内力、中隔墙结构自重、中隔墙顶部三角形覆土重量及竖向支撑力作用于中隔墙，根据临时横撑布置情况，得到临时横撑和变截面中隔墙的内力，并对其承载力进行验算。

2.根据权利要求1所述的复合式连拱隧道中隔墙结构受力计算方法，其特征在于：步骤（1）中，根据围岩级别确定坍落拱高度，考虑应力释放率η，得到外侧隧道围岩压力，初支与围岩通过只受压力的弹簧链杆连接。

3.根据权利要求1所述的复合式连拱隧道中隔墙结构受力计算方法，其特征在于：步骤（2）中，根据静力平衡条件，判断中隔墙另一侧是否需要临时横撑支撑；

若需要设置临时横撑时，根据受力平衡，得到每根横撑的轴力；最后可得中隔墙最薄弱截面的内力，并对其进行配筋及承载力验算。

4.根据权利要求1所述的复合式连拱隧道中隔墙结构受力计算方法，其特征在于：步骤（3）中，考虑应力释放率η，得到内外侧隧道围岩压力，分别以内、外侧隧道初支作为研究对象，将初支与中隔墙连接部位简化为固定支座，采用荷载-结构法，初期支护与围岩之间通过只受压的弹簧链杆连接，得到内外侧隧道初支端部内力。

5.根据权利要求1所述的复合式连拱隧道中隔墙结构受力计算方法，其特征在于：步骤（4）中，根据静力平衡条件，判断中隔墙另一侧是否需要临时横撑支撑；由临时横撑设计方案，得到每根横撑的轴力，最后可得中隔墙最薄弱截面的内力，并对其进行配筋和承载力验算。

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