浅埋隧道地梁系杆联合抑沉装置的设计方法及系统与流程

1.本发明涉及土木工程隧道设计及施工技术领域，尤其涉及浅埋隧道地梁系杆联合抑沉装置的设计方法及系统。


背景技术：

2.浅埋隧道沉降目前多采用从隧道内进行注浆加固、加强支护结构等措施进行控制。但洞内施工措施对隧道开挖轮廓以外的加固区域有限，且不能很好发挥拱顶上覆土体的承载能力，因此有必要开发一种充分发挥上覆土层承载力的支护结构。


技术实现要素：

3.本发明提供了浅埋隧道地梁系杆联合抑沉装置的设计方法及系统，用于解决现有的浅埋隧道沉降方法对隧道开挖轮廓以外的加固区域有限，且不能很好发挥拱顶上覆土体的承载能力的技术问题。
4.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
5.一种浅埋隧道地梁系杆联合抑沉装置的设计方法，包括以下步骤：
6.构建联合抑沉装置的力学模型，并确定所述力学模型的初始状态参数；所述力学模型包括多根沿隧道长度方向布置且压载在上覆土层地表上的地梁，各地梁的长度不小于隧道内衬砌拱架宽度，各地梁沿其长度方向布置有多根穿过上覆土层并与衬砌拱架连接的地系杆；
7.在所述初始状态参数下，计算所述力学模型中每个地梁锚点的变形量、每根地系杆的变形量及每个拱架锚点处变形量；
8.根据每根地系杆的变形量、与其连接的地梁锚点的变形量及与其连接拱架锚点处变形量判断每根地系杆、与其连接的地梁锚点及与其连接的拱架锚点三者之间是否变形协调，若判断变形不协调，调整所述力学模型的状态参数，直至调整状态参数后的力学模型中每个地系杆、与其连接的地梁锚点、与其连接的拱架锚点三者之间变形协调。
9.优选的，根据每根地系杆的变形量、与其连接的地梁锚点的变形量及与其连接拱架锚点处变形量判断每根地系杆、与其连接的地梁锚点及与其连接的拱架锚点三者之间是否变形协调，具体包括以下步骤：
10.对于任意第i根地系杆：
11.计算第i根地系杆的变形量及与其连接的地梁锚点的变形量之和，并计算所述变形量之和与其对应的拱架锚点处变形量的相对差值；
12.判断所述相对差值是否小于标定的限差：
13.若所述相对差值小于所述限差，则判断所述第i根地系杆、与其连接的地梁锚点及与其连接的拱架锚点三者之间变形协调；若所述相对差值不小于所述限差，则判断所述第i根地系杆、与其连接的地梁锚点及与其连接的拱架锚点三者之间变形失调。
14.优选的，所述相对差值的计算通过以下公式实现：
[0015][0016]
式中，ki为第i根地系杆对应的相对差值，s
bi
为第i根地系杆连接的地梁锚点变形量；s
pi
为第i根地系杆的变形量；s
ti
为第i根地系杆连接的拱架锚点处的变形量。
[0017]
优选的，所述状态参数包括地梁基底处的反力、地系杆的拉力以及拱架锚点处的拱顶岩土压力；若判断变形不协调，调整所述力学模型的状态参数，具体包括以下步骤：
[0018]
判断所述相对差值是否小于0：
[0019]
若所述相对差值小于0，同时按以下规则调整所述力学模型的状态参数：
[0020]
a1、将所述地系杆的拉力调大，并将对应的地梁基底处的反力局部调大：
[0021]
其中，地系杆的拉力调大值为：
[0022]
式中，δti为第i根系杆的拉力调整值；ti为第i根系杆的拉力；q
t
为隧道顶部的土压力分布；l
′
ti
为第i根地系杆对应的隧顶土压力局部调整的范围；
[0023][0024]
l
′1+l2+l3+l4+l5+，...，+ln+l
′
n+1
＝b
[0025]
其中，l
′1为第1根地系杆距离其最近的地梁端面的水平距离，l
′
n+1
为第n根地系杆距离其最近的地梁端面的水平距离；n为地系杆总数；li为第i根地系杆与第i-1根地系杆之间的水平距离；b为隧道开挖轮廓的最大宽度；
[0026]
地梁基底处的反力调大值为：
[0027]
式中，δq
gi
为第i根系杆对应的地梁基底处的反力调大值；δti为第i根系杆的拉力调整值；l
′
gi
为第i根系杆对应的地梁基底处的反力局部调整范围；
[0028][0029]
地梁基底处的反力局部调整范围为l
′
gi
；
[0030]
公式(2)，(3)中等号右边的参数采用迭代计算中上一次的计算结果；
[0031]
b1、将所述地系杆的拉力调大，并将对应的拱架锚点处的拱顶岩土压力局部调小：
[0032]
地系杆的拉力调大值为：
[0033][0034]
拱架锚点处的拱顶岩土压力调小值为：
[0035]
δq
ti
为第i根系杆对应的拱架锚点处的拱顶岩土压力调小值；l
′
ti
为第i根系杆对应的隧顶处的反力局部调整范围；
[0036]
隧顶处的反力局部调整范围为l
′
ti
；
[0037]
公式(4)、(5)中等号右边的参数采用迭代计算中上一次的计算结果；
[0038]
若所述相对差值大于0，同时按以下规则调整所述力学模型的参数：
[0039]
a2、将所述地系杆的拉力调小，并将对应的地梁基底处的反力局部调小；
[0040]
地系杆的拉力调小值为：
[0041][0042]
地梁基底处的反力调小值为：
[0043][0044]
地梁基底处的反力局部调整范围为l
′
gi
；
[0045]
公式(7)、(8)中等号右边的参数采用迭代计算中上一次的计算结果；
[0046]
b2、将所述地系杆的拉力调小，并将对应的拱架锚点处的拱顶岩土压力局部调大：
[0047]
地系杆的拉力调大值为：
[0048]
拱架锚点处的拱顶岩土压力调小值为：
[0049]
隧顶处的反力局部调整范围为l
′
ti
；
[0050]
公式(9)、(10)中等号右边的参数采用迭代计算中上一次的计算结果。
[0051]
优选的，确定所述力学模型的初始状态参数，具体为：
[0052]
假定系杆及地梁不受力，按浅埋隧道计算拱顶上覆土压力，作为初始状态值。
[0053]
优选的，计算在所述初始状态参数下，所述力学模型中每个地梁锚点的变形量、每根地系杆的变形量及每个拱架锚点处变形量，具体为：
[0054]
采用“弹性地基梁法”计算每个地梁锚点变形量；采用材料力学方法计算每根系杆变形量；采用“直接刚度法”计算每个拱架锚点处变形量。
[0055]
一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0056]
本发明具有以下有益效果：
[0057]
1、本发明中的浅埋隧道地梁系杆联合抑沉装置的设计方法及系统，以提高衬砌拱架的受载载荷为目标，构建联合抑沉装置的力学模型，并确定初步状态参数，并模拟计算在初步状态参数下的所述力学模型中地系杆、拱架锚点、地梁锚点三者的变形量，来判断在该状态下力学模型中的地系杆、拱架、地梁三者之间的变形是否协调，若不协调，优化所述力
学模型中的参数直至地系杆、拱架、地梁变形协调，从而使设计出来的联合抑沉装置不但能通过地梁和地系杆构成的支护结构提高衬砌拱架的受载载荷和防沉降能力，还由于变形协调在应用时稳定性和安全性更高。
[0058]
2、在优选方案中，本发明根据指定变形协调方程迭代解的相对差值，并根据相对差值的正负确定模型优化的正确参数调整方向，再按正确的参数调整方向调整模型参数，能大大提高优化模型的速度。
[0059]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0060]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0061]
图1为本发明中的联合抑沉装置的力学模型；
[0062]
图2为本发明中的联合抑沉装置的地梁、地梁、地系杆的变形关系图；
[0063]
图3为本发明中的联合抑沉装置的力学模型的初始状态图；
[0064]
图4为本发明中的当相对差值小于0时的力学模型调整示意图；
[0065]
图5为本发明中的当相对差值大于0时的力学模型调整示意图。
[0066]
图中标注：1、地梁；2、拱架；3、地系杆；
具体实施方式
[0067]
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0068]
实施例一：
[0069]
本实施中公开了一种浅埋隧道地梁系杆联合抑沉装置的设计方法，包括以下步骤：
[0070]
s1:构建联合抑沉装置的力学模型，并确定所述力学模型的初始状态参数；
[0071]
如图1和图2所示，所述力学模型包括多根沿隧道长度方向布置且压载在上覆土层地表上的地梁1，各地梁1的长度不小于隧道内衬砌地梁1宽度，各地梁1沿其长度方向布置有5根穿过上覆土层并与衬砌拱架2连接的地系杆3。
[0072]
如图3所示，确定所述力学模型的初始状态参数包括：
[0073]
s1-1:基于所述力学模型的应用场景确定适用条件：
[0074]
ha≤h＜2.5ha；其中，ha＝0.45
×2s-1
·
ω；其中，s为岩土层围岩等级；h为隧道开挖拱顶至地表的上覆岩土深度；b为隧道开挖轮廓的最大宽度；ha为深埋隧道垂直荷载计算高度；ω为宽度影响系数；i为围岩压力随宽度变化率；
[0075]
[0076]
其中，θ为隧顶上覆岩土体摩擦角；为岩土层摩擦角；
[0077]
s1-2:假定系杆及地梁1不受力，地梁1基底反力及系杆内力均为0，即地梁1基底反力qg＝0，ti＝0，按浅埋隧道计算拱顶上覆土压力：
[0078][0079][0080][0081]
其中，λ为侧压力系数；β为隧道侧壁最大推力时岩土破裂角。
[0082]
s2:在所述初始状态参数下，计算所述力学模型中每个地梁1锚点的变形量、每根地系杆3的变形量及每个拱架2锚点处变形量；
[0083]
s2-1：采用“弹性地基梁法”计算每个地梁1锚点变形s
bi
；
[0084]
初始状态时qg＝0，则s
bi
＝0；
[0085]
s2-2：采用“胡克定理”计算每根地系杆3变形s
pi
；
[0086]
其中，e为地系杆3的弹性模量，a为地系杆3的横截面积；
[0087]
初始状态时qg＝0，则ti＝0，则s
pi
＝0；
[0088]
s2-3：采用“直接刚度法”计算每个拱架2锚点处变形s
ti
；
[0089]
初始状态下，s
ti
按s1-s2步骤作用下求出。
[0090]
在本实施例中，变形量的计算并不局限与本发明中所提供的方法，也可以采用现有技术中能计算变形量的其他计算方法。
[0091]
s3：根据每根地系杆3的变形量、与其连接的地梁1锚点的变形量及与其连接拱架2锚点处变形量判断每根地系杆3、与其连接的地梁1锚点及与其连接的拱架2锚点三者之间是否变形协调，若判断变形不协调，调整所述力学模型的状态参数，直至调整状态参数后的力学模型中每个地系杆3、与其连接的地梁1锚点、与其连接的拱架2锚点三者之间变形协调。
[0092]
s3-1：计算第i根地系杆3的变形量及与其连接的地梁1锚点的变形量之和，并计算所述变形量之和与其对应的拱架2锚点处变形量的相对差值；
[0093]
其中，所述相对差值的计算通过以下公式实现：
[0094][0095]
式中，ki为第i根地系杆3对应的相对差值，s
bi
为第i根地系杆3连接的地梁1锚点变形量；s
pi
为第i根地系杆3的变形量；s
ti
为第i根地系杆3连接的拱架2锚点处的变形量。
[0096]
s3-2：判断所述相对差值是否小于标定的限差：
[0097]
若所述相对差值小于所述限差，则判断所述第i根地系杆3、与其连接的地梁1锚点及与其连接的拱架2锚点三者之间变形协调；荷载分布合理，则按“弹性地基梁法”设计地梁1、采用“胡克定理”设计系杆、采用“直接刚度法”设计拱架2及喷射混凝土相关参数。
[0098]
若所述相对差值小于所述限差，判断变形不协调，则减小(加大)系杆内力及地梁1局部基底反力，以此得到新的基底荷载分布；加大(减小)拱架2顶部局部范围的荷载。
[0099]
判断变形不协调时，具体包括以下步骤：
[0100]
如图4所示，若所述相对差值小于0，同时按以下规则调整所述力学模型的状态参数：
[0101]
a1、将所述地系杆3的拉力调大，并将对应的地梁1基底处的反力局部调大：
[0102]
其中，地系杆3的拉力调大值为：
[0103]
式中，δti为第i根地系杆3的拉力调整值；ti为第i根地系杆3的拉力；q
t
为隧道顶部的土压力分布；为第i根地系杆3对应的隧顶土压力局部调整的范围；
[0104][0105]
l
′1+l2+l3+l4+l5+，...，+ln+l
′
n1
＝b
[0106]
其中，l
′1为第1根地系杆距离其最近的地梁端面的水平距离，l
′
n+1
为第n根地系杆距离其最近的地梁端面的水平距离；n为地系杆总数；li为第i根地系杆与第i-1根地系杆之间的水平距离；b为隧道开挖轮廓的最大宽度；地梁1基底处的反力调大值为：
[0107]
式中，δq
gi
为第i根系杆对应的地梁基底处的反力调大值；δti为第i根系杆的拉力调整值；l
′
gi
为第i根系杆对应的地梁基底处的反力局部调整范围；
[0108][0109]
地梁1基底处的反力局部调整范围为l
′
gi
；
[0110]
上述公式中等号右边的参数采用迭代计算中上一次的计算结果；
[0111]
b1、将所述地系杆3的拉力调大，并将对应的拱架2锚点处的拱顶岩土压力局部调小：
[0112]
地系杆3的拉力调大值为：
[0113][0114]
拱架2锚点处的拱顶岩土压力调小值为：
[0115]
为第i根系杆对应的拱架2锚点处的拱顶岩土压力调小值；l
′
ti
为第i根系杆对应的隧顶处的反力局部调整范围；
[0116]
隧顶处的反力局部调整范围为l
′
ti
；
[0117]
上述公式中等号右边的参数采用迭代计算中上一次的计算结果；
[0118]
如图5所示，若所述相对差值大于0，同时按以下规则调整所述力学模型的参数：
[0119]
a2、将所述地系杆3的拉力调小，并将对应的地梁1基底处的反力局部调小；
[0120]
地系杆3的拉力调小值为：
[0121][0122]
地梁1基底处的反力调小值为：
[0123][0124]
地梁1基底处的反力局部调整范围为l
′
gi
；
[0125]
上述公式中等号右边的参数采用迭代计算中上一次的计算结果；
[0126]
b2、将所述地系杆3的拉力调小，并将对应的拱架2锚点处的拱顶岩土压力局部调大：
[0127]
地系杆3的拉力调大值为：
[0128]
拱架2锚点处的拱顶岩土压力调小值为：
[0129]
隧顶处的反力局部调整范围为l
′
ti
；
[0130]
上述公式中等号右边的参数采用迭代计算中上一次的计算结果。
[0131]
s4：将步骤s3-2中调整后的荷载迭代至步骤s2重新计算变形，直至相对差值满足限差要求后，按s3-2进行结构受力和设计。
[0132]
s5：按以上步骤s1～s4对每个锚点的地梁1、系杆、拱架2进行分析，直至全部满限差为止，自此设计任务结束。
[0133]
此外，在本实施例中，还公开了一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0134]
综上所述，本发明中的浅埋隧道地梁1系杆联合抑沉装置的设计方法及系统，以提高衬砌拱架2的受载载荷为目标，构建联合抑沉装置的力学模型，并确定初步状态参数，并模拟计算在初步状态参数下的所述力学模型中地系杆3、拱架2锚点、地梁1锚点三者的变形量，来判断在该状态下力学模型中的地系杆3、拱架2、地梁1三者之间的变形是否协调，若不协调，优化所述力学模型中的参数直至地系杆3、拱架2、地梁1变形协调，从而使设计出来的联合抑沉装置不但能通过地梁1和地系杆3构成的支护结构提高衬砌拱架2的受载载荷和防沉降能力，还由于变形协调在应用时稳定性和安全性更高。
[0135]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。