[发明专利]一种盾构隧道在荷载作用下纵向内力的确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种盾构隧道在荷载作用下纵向内力的确定方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，城市化进程不断推进，城市中土地资源紧缺、地面交通拥堵现象日益加剧，已严重制约了城市的发展。城市轨道交通不仅可以改善城市交通、提高城市运转效率，而且能有效利用地下空间，促进沿线经济发展，已经成为大中城市非常重要的交通设施之一。地铁是城市轨道交通的主要组成部分，我国软土地层中地铁隧道通常采用盾构法施工，其衬砌是由管片及连接螺栓构成。对地铁隧道的长期监测表明，地铁隧道在长期运营过程中极易产生纵向沉降及变形，给隧道结构带来附加应力，严重时还会造成管片开裂、螺栓拉流等破坏，威胁隧道结构的正常使用。美国交通运输协会早在2000在年度报告《Design and Construction of Transportation Facilities》(交通设施的设计及建造)中提出了“纵向设计”概念，希望通过调查隧道管片接头形式，提出具有普遍适用性的纵向设计模型。尽管隧道的纵向变形已得到了重视，目前隧道纵向结构设计仍没有得以有效实施，当前设计依然是在纵向沿线选择一些典型剖面进行横向设计。隧道纵向设计问题归根结底就是如何确定隧道结构在荷载作用下的纵向内力值。

经对现有技术检索发现，现有的荷载作用下隧道纵向内力分析通常采用弹性地基梁模型。该模型以均质弹簧模拟土体的支承作用，以刚度等效的方法把由接头和管片组成的隧道等效为在纵向上具有相同刚度和结构特性的欧拉-伯努利梁。廖少明于2005在《岩石力学与工程学报》发表的《隧道纵向剪切传递效应及其一维解析》一文中采用基于欧拉-伯努利梁理论的弹性地基梁模型分析隧道的纵向内力。由于欧拉-伯努利梁的变形是弯矩作用下的挠曲变形，忽略了梁的剪切变形和转动惯量，因此基于欧拉-伯努利梁的隧道模型中隧道变形是以管片环的刚体旋转累积而成。然而，王如路于2009年在《地下工程与隧道》上发表的《上海地铁盾构隧道纵向变形分析》一文中对隧道渗漏的实际监测情况进行反分析，结果表明隧道变形并非仅仅是管片环的刚度旋转，还包括在剪力作用下环与环之间的错台变形。虽然环与环之间的错台量往往很小，但逐环累积而成的变形量却可能相当可观。传统的欧拉-伯努利梁不考虑隧道的剪切错台变形，因而不能准确描述隧道的纵向结构特性。基于欧拉-伯努利梁理论的弹性地基梁模型也无法准确计算隧道在荷载作用下的纵向内力，无法为隧道纵向结构设计提供可靠的依据。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种隧道结构在荷载作用下纵向内力的确定方法，为盾构隧道纵向结构设计提供更可靠的依据。

本发明是通过以下技术方案实现的：将隧道简化为能够考虑剪切变形的铁木辛柯梁，在获取隧道结构设计信息的基础上确定其等效弯曲刚度及等效剪切刚度；在获取隧道埋藏土层信息及作用在隧道上方的荷载信息的基础上，利用弹性地基上的铁木辛柯梁模型确定荷载作用下的变形基本微分方程及其边界条件；通过求解变形基本微分方程获得隧道纵向沉降量及旋转角，进而确定隧道在上方荷载作用下的纵向内力值。

所述方法包括以下步骤：

第一步，获取隧道埋藏土层信息、隧道结构设计信息及作用在隧道的荷载信息。

所述的隧道埋藏土层信息是指：通过钻孔取土获取隧道下方土样进行颗粒分析试验，确定土样各粒组土粒含量，并参考我国《土的分类标准(GBJ145-90)》确定土体类型。取土量根据试件量确定，以不少于三个试件为宜。

所述的隧道结构设计信息是指：隧道外径、隧道内径、衬砌环宽、管片厚度、混凝土管片环的弯曲刚度、管片环剪切模量、环间螺栓个数、螺栓直径、螺栓长度、螺栓的弹性模量、螺栓剪切模量、隧道长度。

第二步，根据隧道结构信息，确定隧道纵向的铁木辛柯梁模型的等效弯曲刚度及等效剪切刚度。

优选地，所述的隧道纵向的铁木辛柯梁模型等效弯曲刚度满足以下公式：