獲取明洞隧道襯砌結構等效回填高度及作用荷載的方法與流程
2023-05-08 22:43:41
本發明涉及工程計算技術領域，尤其涉及獲取明洞隧道襯砌結構等效回填高度及作用荷載的方法。
背景技術：
近年來，隨著高速鐵路路網建設向山區發展，高標準鐵路設計工作已經全面展開，由於受曲線半徑大、地形地質條件複雜、環保要求高、列車時速提高等多種因素的制約，明洞跨度已從單跨雙向兩車道發展到雙跨雙向四車道，向著大跨，超大跨發展。國內在近十年裡也很重視隧道明洞建設技術，但主要是憑經驗性為主，目前無統一的勘察設計規範以致同類工程在設計和施工方面差別也比較大，並且規範中有些規定也不夠明確。
問題尤為突出的是回填荷載的確定，特別是對於大跨度明洞襯砌結構進行超厚回填這種施工在國內很少見，對於回填土作用下，明洞荷載大小以及荷載與回填土厚度之間的關係沒有相關的設計指導和經驗，缺乏統一的設計依據，現有的鐵路隧道設計規範(tb10003—2005)，對明洞拱圈回填土的垂直壓力，主要採取全覆土重來計算回填土垂直作用荷載(c.0.1)。對於超厚回填土，則顯得相對保守。這嚴重製約了大跨新型明洞結構的工程應用及發展。
技術實現要素：
本發明旨在提供一種獲取明洞隧道襯砌結構等效回填高度及作用荷載的方法，基於隧道襯砌結構內力反分析，對明洞隧道襯砌結構等效回填高度及作用荷載進行計算。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案如下：
獲取明洞隧道襯砌結構等效回填高度及作用荷載的方法，首先進行隧道多橫斷面混凝土應力以及鋼筋應力的測試工作，並依據測試數據計算繪製測試內力包絡圖；然後以施工現場覆土高度h0為基準，按照鐵路隧道設計規範(tb10003—2005)中明洞作用(荷載)計算方法進行計算並繪製相應等效埋深的內力包絡圖，並與現場測試得到的內力包絡圖進行比對，若試算的內力包絡圖結果偏大，則減小h0，若試算的內力包絡圖結果偏小，則增大h0，並對調整後的埋深h1進行再計算，使內力包絡線逐漸逼近現場測試內力包絡圖，本發明以施工現場覆土高度h0為基準動態整覆土高度hi，以此類推進行循環迭代，直至等效埋深內力包絡圖逼近現場測試內力包絡圖，最終選取內力包絡線剛好包絡逼近測試內力包絡圖的對應覆土高度hi作為襯砌結構真實上覆回填荷載等效回填高度，進而計算得出襯砌結構的回填土壓力分布。
具體包括以下步驟：
步驟1、測試隧道多個橫斷面的混凝土應力和鋼筋應力；
步驟2、根據混凝土應力和鋼筋應力，計算並繪製出平均內力包絡圖；
步驟3、根據覆土高度hi，按照鐵路隧道設計規範中明洞作用計算方法進行計算並繪製出試算的內力包絡圖bi，並將內力包絡圖bi與平均內力包絡圖進行比對；其中，i的初始值為0，h0為施工現場覆土高度；
如果對比結果符合預定要求，將hi作為襯砌結構真實上覆回填荷載的等效回填高度；其中，當內力包絡圖bi包絡逼近平均內力包絡圖時，視為對比結果符合預定要求。所述內力包括彎矩或軸力，試算的彎矩包絡圖與平均彎矩包絡圖的相對誤差不大於5％視為對比結果符合預定要求；試算的軸力包絡圖與平均軸力包絡圖的相對誤差不大於10％視為對比結果符合預定要求。如果對比結果不符合預定要求，執行步驟4；
步驟4、若內力包絡圖bi結果偏大，hi+1＝hi-xi；若內力包絡圖bi結果偏小，則hi+1＝hi+yi；
步驟5、i＝i+1，回到步驟3。
進一步的，所述內力包括彎矩和軸力，所述平均內力包絡圖包括平均彎矩包絡圖和平均軸力包絡圖，所述內力包絡圖bi包括彎矩包絡圖bwi和軸力包絡圖bzi；
所述步驟3包括以下步驟：
步驟3.1、根據覆土高度hi，計算並繪製試算的彎矩包絡圖bwi，並將彎矩包絡圖bwi與平均彎矩包絡圖進行比對，如果彎矩包絡圖bwi與平均彎矩包絡圖的對比結果符合預定要求，得到一個hi，執行步驟3.2；如果彎矩包絡圖bwi與平均彎矩包絡圖的對比結果不符合預定要求，執行步驟4；
步驟3.2、根據這個hi，計算並繪製試算的軸力包絡圖bzi，並將軸力包絡圖bzi與平均軸力包絡圖進行比對，如果軸力包絡圖bzi與平均軸力包絡圖的對比結果符合預定要求，則將這個hi作為襯砌結構真實上覆回填荷載的等效回填高度；如果軸力包絡圖bzi與平均軸力包絡圖的對比結果不符合預定要求，執行步驟4。
其中，彎矩包絡圖bwi與平均彎矩包絡圖的相對誤差不大於5％視為對比結果符合預定要求；軸力包絡圖bzi與平均軸力包絡圖的相對誤差不大於10％視為對比結果符合預定要求。
進一步的，所述步驟1中，在每個橫斷面上環向選取多個測試截面，並獲得各測試截面內外側的混凝土應力和鋼筋應力；
所述步驟2，根據各測試截面內外側的鋼筋應力和混凝土應力獲得各測試截面的內力，根據各測試截面的內力計算並繪製出平均內力包絡圖。所述步驟2中計算並繪製出平均內力包絡圖包括以下兩種方式：方式一，對所述多個橫斷面的同一測試截面處的內力求平均，根據各測試截面的內力平均值繪製出平均內力包絡圖；方式二，根據測試截面內側的鋼筋應力、外側的鋼筋應力、內側的混凝土應力和外側的混凝土應力，計算並繪製出各個橫斷面的內力包絡圖，然後對各個橫斷面的內力包絡圖求平均，繪製出平均內力包絡圖。
進一步的，所述步驟1中，在選取的測試截面位置同時設置鋼筋計組和混凝土應變計組，所述鋼筋計組包括兩個鋼筋計，同一組的兩個鋼筋計分別位於同一個測試截面的內側和外側；所述混凝土應變計組包括兩個混凝土應變計，同一組的兩個混凝土應變計分別位於同一個測試截面的內側和外側，通過鋼筋計和混凝土應變計測得各測試截面內外側的鋼筋應力和混凝土應力。
進一步的，至少在隧道的拱頂、左拱肩、左拱腰、左邊牆、仰拱左邊、仰拱中心、右拱肩、右拱腰、右邊牆和仰拱右邊處設有測試截面。
獲取明洞隧道襯砌結構作用荷載的方法，根據等效回填高度計算得到襯砌結構的回填土壓力分布。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
1.本發明能夠獲得等效回填高度，根據該等效回填高度，本領域技術人員可計算出明洞上覆回填荷載的大小和分布特徵，最終探明明洞「拱效應」的影響因素；建立回填土明洞襯砌結構作用荷載確定方法，為明洞回填荷載的確定和相關規範的修訂提供強有力的技術支撐；
2.本發明能夠精確的計算出明洞隧道襯砌結構的回填荷載並且能有效的測試出襯砌結構的內力，為明洞襯砌結構設計提供依據，計算方法靠性高，操作簡單，易於推廣。
附圖說明
圖1是某一橫斷面的測試截面內力測試布置圖；
圖2是回填穩定後各測點彎矩包絡圖；
圖3是回填穩定後各測點軸力包絡圖；
圖中：1-拱頂、2-左拱肩、3-左拱腰、4-左邊牆、5-仰拱左邊、6-仰拱中心、7-右拱肩、8-右拱腰、9-右邊牆、10-仰拱右邊、11-鋼筋計、12-混凝土應變計。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖，對本發明進行進一步詳細說明。
實施例1
本發明公開的獲取明洞隧道襯砌結構等效回填高度及作用荷載的方法，包括以下步驟：
步驟1、測試隧道多個橫斷面的混凝土應力和鋼筋應力；
步驟2、根據混凝土應力和鋼筋應力，計算並繪製出平均內力包絡圖；
步驟3、根據覆土高度hi，按照鐵路隧道設計規範中明洞作用計算方法進行計算並繪製出試算的內力包絡圖bi，並將內力包絡圖bi與平均內力包絡圖進行比對；其中，i的初始值為0，h0為施工現場覆土高度；
如果對比結果符合預定要求，將hi作為襯砌結構真實上覆回填荷載的等效回填高度；其中，當內力包絡圖bi包絡逼近平均內力包絡圖時，視為對比結果符合預定要求。其中內力包括彎矩或軸力，當內力為彎矩時，內力包絡圖bi與平均內力包絡圖的相對誤差不大於5％，視為對比結果符合預定要求；當內力為軸力時，內力包絡圖bi與平均內力包絡圖的相對誤差不大於10％，視為對比結果符合預定要求。其中，內力包絡圖bi與平均內力包絡圖的相對誤差是指：彎矩包絡圖bwi與平均彎矩包絡圖的差值的絕對值與平均彎矩包絡圖的百分比，即彎矩包絡圖bwi與平均彎矩包絡圖的差值的絕對值除以平均彎矩包絡圖再化成百分數。
如果對比結果不符合預定要求，執行步驟4；
步驟4、若內力包絡圖bi結果偏大，hi+1＝hi-xi；若內力包絡圖bi結果偏小，則hi+1＝hi+yi；其中，內力包絡圖bi結果偏大是指內力包絡圖bi大於平均內力包絡圖且誤差大於5％，內力包絡圖bi結果偏小是指平均彎矩包絡大於內力包絡圖bi且誤差大於5％。步驟5、i＝i+1，回到步驟3。
可採取以下方法計算並繪製出平均內力包絡圖，步驟1中，在每個橫斷面上環向選取多個測試截面，並獲得各測試截面內外側的混凝土應力和鋼筋應力。例如，至少在隧道的拱頂1、左拱肩2、左拱腰3、左邊牆4、仰拱左邊5、仰拱中心6、右拱肩7、右拱腰8、右邊牆9和仰拱右邊10處設有測試截面。
步驟2，根據各測試截面內外側的鋼筋應力和混凝土應力獲得各測試截面的內力，根據各測試截面的內力計算並繪製出平均內力包絡圖。步驟2中計算並繪製出平均內力包絡圖包括以下兩種方式：方式一，對多個橫斷面的同一測試截面處的內力求平均，根據各測試截面的內力平均值繪製出平均內力包絡圖；方式二，根據測試截面內側的鋼筋應力、外側的鋼筋應力、內側的混凝土應力和外側的混凝土應力，計算並繪製出各個橫斷面的內力包絡圖，然後對各個橫斷面的內力包絡圖求平均，繪製出平均內力包絡圖。
實施例2
本實施例中，內力包括彎矩和軸力，平均內力包絡圖包括平均彎矩包絡圖和平均軸力包絡圖，內力包絡圖bi包括彎矩包絡圖bwi和軸力包絡圖bzi；
具體步驟如下：
步驟1、測試隧道多個橫斷面的混凝土應力和鋼筋應力；
步驟2、根據混凝土應力和鋼筋應力，計算並繪製出平均彎矩包絡圖和平均軸力包絡圖；
步驟3包括以下步驟：
步驟3.1、根據覆土高度hi，計算並繪製試算的彎矩包絡圖bwi，並將彎矩包絡圖bwi與平均彎矩包絡圖進行比對，如果彎矩包絡圖bwi與平均彎矩包絡圖的對比結果符合預定要求，得到一個hi，執行步驟3.2；如果彎矩包絡圖bwi與平均彎矩包絡圖的對比結果不符合預定要求，執行步驟4；
步驟3.2、根據這個hi，計算並繪製試算的軸力包絡圖bzi，並將軸力包絡圖bzi與平均軸力包絡圖進行比對，如果軸力包絡圖bzi與平均軸力包絡圖的對比結果符合預定要求，則將這個hi作為襯砌結構真實上覆回填荷載的等效回填高度；如果軸力包絡圖bzi與平均軸力包絡圖的對比結果不符合預定要求，執行步驟4。
步驟4、若彎矩包絡圖bwi結果偏大，hi+1＝hi-xi；若彎矩包絡圖bwi結果偏小，則hi+1＝hi+yi。其中，彎矩包絡圖bwi結果偏大是指彎矩包絡圖bwi大於平均彎矩包絡圖且誤差大於5％，彎矩包絡圖bwi結果偏小是指平均彎矩包絡大於彎矩包絡圖bwi且誤差大於5％。
步驟5、i＝i+1，回到步驟3.1。
其中，彎矩包絡圖bwi與平均彎矩包絡圖的相對誤差不大於5％視為對比結果符合預定要求；軸力包絡圖bzi與平均軸力包絡圖的相對誤差不大於10％視為對比結果符合預定要求。
本實施例同時考慮了彎矩與軸力，採用彎矩與軸力「雙控」的模式進行篩選，使計算結果更精確。
實施例3
本實施例詳細介紹如何測試隧道多個橫斷面的混凝土應力和鋼筋應力。
步驟1中，在選取的測試截面位置設置鋼筋計組，鋼筋計組包括兩個鋼筋計11，同一組的兩個鋼筋計11分別位於同一個測試截面的內側和外側；在測試截面上同時安裝有混凝土應變計組，混凝土應變計組包括兩個混凝土應變計12，同一組的兩個混凝土應變計12分別位於同一個測試截面的內側和外側，通過鋼筋計和混凝土應變計測得各測試截面內外側的鋼筋應力和混凝土應力。
下面結合附圖詳細介紹本發明方法。
如圖1所示，首先，確定鋼筋計組和混凝土應變計組的安裝位置，預定在拱頂1、左拱肩2、左拱腰3、左邊牆4、仰拱左邊5、仰拱中心6、右拱肩7、右拱腰8、右邊牆9和仰拱右邊10處安裝鋼筋計組和混凝土應變計組。
然後，在預定的安裝位置成對布設鋼筋計11和混凝土應變計12，即在上述安裝位置截面的內外側各設一支鋼筋計11，由此可以計算出測試截面內外側的鋼筋應力；在上述安裝位置截面的內外側各設一支混凝土應變計12，由此可以計算出測試截面內外側的混凝土應力。其中鋼筋計11和混凝土應變計12，在測試截面處成對稱布置。該方法能有效的測試出襯砌結構的內力，為明洞襯砌結構設計提供依據。
接著，通過各測試截面處的混凝土應力以及鋼筋應力，按照混凝土結構設計規範(gb50010—2010)計算得到各測試截面的內力(包括彎矩和軸力)，並繪製出各個橫斷面的彎矩包絡圖和軸力包絡圖，然後分別對各個橫斷面的彎矩包絡圖和軸力包絡圖求平均，繪製出平均彎矩包絡圖(如圖2所示)和平均軸力包絡圖(如圖3所示)。
其次、以施工現場覆土高度h0為基準，按照鐵路隧道設計規範(tb10003—2005)中明洞作用荷載計算方法進行計算並繪製彎矩包絡圖bwi，並將彎矩包絡圖bwi與平均彎矩包絡圖進行比對，循環迭代直至彎矩包絡圖bwi逼近平均彎矩包絡圖(相對誤差不大於5％)，得到一個hi，再根據這個hi，計算並繪製試算的軸力包絡圖bzi，並將軸力包絡圖bzi與平均軸力包絡圖進行比對，如果軸力包絡圖的包絡線逼近平均軸力包絡圖(相對誤差不大於10％)，則將這個hi作為襯砌結構真實上覆回填荷載的等效回填高度；如果軸力包絡圖與逼近平均軸力包絡圖的相對誤差大於10％，則調整hi，重新計算並繪製彎矩包絡圖bwi。
獲取明洞隧道襯砌結構作用荷載的方法，根據襯砌結構真實上覆回填荷載等效回填高度，按照鐵路隧道設計規範(tb10003—2005)中明洞作用(荷載)計算方法獲得襯砌結構的回填土壓力分布。
本發明不僅能夠測試出襯砌截面的內力，而且通過上覆回填土高度動態調整的循環迭代計算與內力包絡線逼近的方法反分析計算出明洞上覆回填荷載的大小和分布特徵，最終探明明洞「拱效應」的影響因素；建立回填土明洞襯砌結構作用荷載確定方法。為明洞回填荷載的確定和相關規範的修訂提供強有力的技術支撐。
當然，本發明還可有其它多種實施方式，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。