(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210639927.4 (22)申请日 2022.06.08 (71)申请人 中铁十一局集团有限公司 地址 430061 湖北省武汉市武昌区中山路 277号 申请人 中铁十一局集团有限公司勘察设计 院 (72)发明人 李睿骞　王更峰　张旭东　唐达昆　 熊晓晖　张国权　王嵽显　邓君　 李鹏远　李翔　 (74)专利代理 机构 武汉诚儒知识产权代理事务 所(普通合伙) 42265 专利代理师 邱琳 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01)G06F 30/20(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种矿山法开挖拱墙装配式隧道结构安全 检算方法 (57)摘要 本发明提供了一种矿山法开挖拱墙装配式 隧道结构安全检算方法， 首先确定隧道围岩压 力， 确定荷载分担比， 建立梁 ‑弹簧荷载结构模 型， 确定梁 ‑弹簧荷载结构 模型的荷载组合， 计算 不同荷载组合下的荷载结果， 最后对衬砌结构 进 行安全检算。 本发明以 “新奥法”为基础进行装配 式复合衬砌分析， 通过总结的经验公 式模拟衬砌 结构受力， 解决了初期支护与二次衬砌荷载分担 比原则问题， 同时模拟衬砌片接头的抗弯刚度， 对衬砌片接头提出经验公式， 达到了更为接近矿 山法装配式隧道 衬砌的检算目的， 更具有参考价 值， 确保了 工程安全性。 权利要求书3页 说明书9页 附图2页 CN 115203781 A 2022.10.18 CN 115203781 A 1.一种矿山法开挖拱墙装配式隧道结构安全检算方法， 其特 征在于包括以下步骤： S1、 确定隧道围岩压力； S2、 确定荷载分担比； S3、 建立梁 ‑弹簧荷载 结构模型； S4、 确定梁 ‑弹簧荷载 结构模型的荷载组合； S5、 计算在不同荷载组合下的荷载 结果； S6、 对衬砌结构进行安全检算。 2.根据权利要求1所述的矿山法开挖 拱墙装配式 隧道结构安全检算方法， 其特征在于： 步骤S1所述的确定隧道围岩压力具体包括以下 过程： S1.1、 划分隧道深浅埋： 通过以下公式确定隧道深浅埋分界深度Hp： Hp＝m·hq                                (1) 其中m为经验系数， 结合地质条件和施工 方法因素综合判定， 取值范围为2～2.5， hq表示 松动围压效荷载高度， 通过以下公式计算得到： hq＝0.33×2.720.6sω                            (2) 其中s表示围岩级别， ω表示宽度影响系数， ω＝0.2+0.1B， B为隧道最大开挖跨度； S1.2、 计算浅埋条件围岩压力： 计算浅埋隧道衬砌内力时， 围岩压力按松散压力考虑， 分别确定其垂直及水平均布压 力： a、 垂直均布压力q通过以下公式计算得到： 其中γ表示隧道上覆围岩容重， H表示隧道浅埋时隧道拱部至地面的垂直距离， θ表示 顶板土柱两侧破裂面摩擦角， λ表示侧压力系数， 表示围岩计算摩擦角， β 表示产生最大推 力时的破裂角； b、 水平均布压力直接根据围岩级别确定； S1.3、 计算深埋条件围岩压力： 地面基本水平 的深埋隧道， 所受荷载具有对称性， 通过以下方式确定其垂直及水平均 布压力： a、 通过公式(4)计算深埋条件下的垂直压力； b、 通过以下公式计算深埋条件下的水平压力： ei＝γhiλ                       (6) 其中ei表示深埋条件下任意点i 处的水平压力， hi表示内外侧任意点i到地面的距离； 当 hi＜ha时， 取θ ＝0， 属超深埋隧道， ha为深埋隧道 垂直荷载计算高度。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115203781 A 23.根据权利要求1所述的矿山法开挖 拱墙装配式 隧道结构安全检算方法， 其特征在于： 步骤S2中， 按照新奥法原则， 衬砌片采用滞后装配， 围岩位移收敛稳定后再装配二次衬砌， 在Ⅳ级和Ⅴ级围岩中， 二次衬砌分担比取值范围分别采用3 5％～20％和70％～5 0％。 4.根据权利要求1所述的矿山法开挖 拱墙装配式 隧道结构安全检算方法， 其特征在于： 步骤S3所述的建立梁 ‑弹簧荷载 结构模型包括以下 过程： S3.1、 建立梁 ‑弹簧荷载 结构模型： 建立由衬砌片所围成的装配式隧道模型， 衬砌片包括依次首尾相连的拱顶预制块、 右 拱墙预制块、 曲面地基和左 拱墙预制块； 将步骤S1计算得到的各项压力按步骤S2所取的荷 载分担比进行分担， 计算出二次衬砌所受到的荷载， 加载于装配式隧道模型 上； S3.2、 确定衬砌片等效刚度： 采用刚度等效原则将型钢和混凝 土参数进行等效， 衬砌片弹性模量表示 为： 其中Ec表示截面弹性模量， E0表示混凝土的变 形模量， Sg表示主钢筋总截 面积， Eg表示钢 筋的变形模量， Sc表示混凝 土的截面积； S3.3、 确定衬砌片接 头刚度： 衬砌片接 头的弹性弯曲刚度表示 为： 其中EI表示梁 ‑弹簧模型法管片间螺栓的弹性弯曲刚度， Ic表示截面惯性矩， L表示环 宽， Kθ表示环缝转动刚度， 通过以下 经验公式确定： Kθ＝γ( εN+ μM+C)                      (9) 其中γ表示衬砌片分块折减系数， ε表示轴力影响系数， μ表示弯矩影响系数， N表示衬 砌片轴力， M表示衬砌片弯 矩， C表示初始刚度； S3.4、 建立 边界条件： 除衬砌片螺栓连接处、 衬砌片和现浇混凝土施工缝处以外， 装配式隧道模型中衬砌片 均设置仅受压的弹性曲面 地基弹簧作为约束边界， 形成梁 ‑弹簧荷载 结构模型； 衬砌片和现浇混凝土施工缝处， 以及衬砌片螺栓连接处设置弹性弹簧进行连接， 衬砌 片间螺栓的弹簧模量按公式(8)取值。 5.根据权利要求1所述的矿山法开挖 拱墙装配式 隧道结构安全检算方法， 其特征在于： 步骤S4所述的确定梁 ‑弹簧荷载结构模型的荷载组合， 包括结构自重、 主动土压力、 围岩压 力和围岩弹性抗力分别在永久荷载和恒载分类下， 考虑正常使用极限状态和承载能力极限 状态下的组合方式。 6.根据权利要求1所述的矿山法开挖 拱墙装配式 隧道结构安全检算方法， 其特征在于： 步骤S6对衬砌结构进行安全检算， 具体包括以下 过程： S6.1、 对于梁 ‑弹簧荷载结构模型的衬砌结构， 根据衬砌结构的材质和偏心距情况分 类， 按以下情况分别进行安全检算： a、 对于被视为压弯构件的素混凝土， 当矩形截面偏心距e0≤0.2h时抗压强度控制承载 能力， h表示衬砌截面厚度， 进行素混凝土结构抗压强度检算， 通过以下公式计算安全系数 K：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115203781 A 3