技术领域

[0001] 本发明涉及一种隧道及地下工程基础理论， 具体涉及一种适用于运营期隧道土 压力荷载计算方法。

背景技术

[0002] 早年修建隧道经过多年运营， 存在纵向不均匀沉降、 横向变形、 长期渗漏等病 害问题， 降低了隧道服役质量， 给运营安全造成了一定的威胁。 在运营期， 对 结构性能进行有效评估、 采取合理措施治理隧道病害， 是保障轨道交通安全的 重要保障。 土压力荷载， 是隧道结构性能计算研究的边界条件。

[0003] 现有方法中， 连续介质理论将复杂土作用和隧道结构作为统 一的力学体系， 将 不同材料间接触面应力作为土压力， 理论概念比较符合地下工程的力学原理， 但是存在建模复杂的问题。 现行荷载-结构模型理论， 将复杂土作用简化为结构 上的荷载， 力学原理比较简单清晰、 容易建模， 理论上能够适应复杂多变的地 质环境， 但是需要假定荷载模式来体现土作用， 因此不能反应土环境变化， 而 且存在参数难以确定的问题。 现行土压力反分析法， 较好地解决了参数精确确 定问题一通过某种算法 （如神经网络法、 遗传算法等） 使某些已知信息的计 算值逼近其监测值吋确定力学模型参数， 但归根仍属于连续介质模型理论或现 行荷载 -结构理论。 另外， 土压力监测方法， 在结构表面埋设传感器直接量测土 压力， 适用于复杂多变的地质环境， 但是传感器的耐久性和可靠性受地下恶劣 环境影响严重， 实测数据离散性很大。

技术问题

[0004] 综上所述， 现有方法不适用于复杂多变的外界环境， 运营期隧道土压力荷载确 定是一个新难题。 因此， 研究适用于运营期复杂多变环境的隧道土荷载 计算方 法具有重要的意义。

问题的解决方案

技术解决方案 [0005] 本发明的发明目的是提供一种适用于隧道土压 力荷载计算方法， 解决隧道结构 性能计算的边界问题， 以求达到及吋检测隧道结构变形快速确定隧道 土压力荷 载， 及吋进行隧道结构性能分析的目的。

[0006] 为达到上述发明目的， 本发明采用的技术方案是：

[0007] 一种隧道土压力荷载计算方法， 包括如下步骤：

[0008] (1)将外界土与隧道的相互作用视为隧道结构上 的土压力荷载， 隧道结构在土 荷载 [ ¾ _nxl 的作用下， 产生变形 [ ^ _nxl ， 其中， η为管片等份数； [ Χ] _ηχ1 为土压力 荷载， 表述为 η行 1列的矩阵； [ _ηχ1 为管片变形， 表述为 η行 1列的矩阵；

[0009] (2)建立隧道结构物理模型；

[0010] (3)基于上述隧道结构物理模型， 设计 η组不同的结构荷载得到 η组不同的结构 变形值， 用矩阵形式表示荷载矩阵 ] _nxn ， 结构变形矩阵 [ v] _nxn ；

[0011] (4)基于贝蒂定理理论， 构建方程[ s] _ηχη ·[ X] _ηχ1 =[ ν] _ηχη ·[ W] _nxl ;

[0012] (5)求解 [ X ,] _nxl ， 即为隧道土压力荷载。

[0013] 上述技术方案中， 步骤 (1)中的土压力荷载为任意方向荷载， 包括垂直于管片的 面力或者不垂直于管片的面力。

[0014] 上述技术方案中， 步骤 (1)中的土压力荷载为非均布荷载， 在隧道表面分为大小 不同的 n组荷载。 当隧道属于盾构管片拼装方式吋， n为管片数； 当隧道属于现 场浇筑方式吋， 根据结构特性确定 n的数值。

[0015] 上述技术方案中， 步骤 (1)中结构变形为隧道结构全周变形或全空间变 形， 依据 步骤 （2) 隧道模型， 若隧道模型为平面模型， 则为隧道全周变形； 若隧道结构 为三维模型， 则为全空间变形。

[0016] 上述技术方案中， 步骤 (1)中隧道结构变形， 采用三维激光扫描仪获取， 检测获 取隧道结构表面点云， 建立基于点云的隧道结构模型， 即可得到隧道结构变形 值[ W] _nxl 。

[0017] 步骤 (2)中， 所述的隧道结构物理模型是能够代替原隧道结 构表达荷载与结构变 形的关系的模型， 选自： 惯用法均质圆环模型、 修正惯用法均质圆环模型、 多 铰圆环模型、 梁 -弹簧模型、 梁 -接头模型、 实体模型。

[0018] 步骤 (3)中的多组荷载-变形关系组成的矩阵为非奇� �矩阵。 [0019] 步骤 (3)中的矩阵维数大于或等于步骤 （1) 中的荷载数。

发明的有益效果

有益效果

[0020] 由于上述技术方案运用， 本发明与现有方法和技术相比， 具有下列特点： [0021] 1、 与传统荷载结构理论相比， 本发明方法将隧道土荷载简化为任意不同的荷 载， 受力方式更合理。 能够避免传统荷载结构理论的假设荷载分布、 荷载公式

、 对称分布的问题， 能够真正体现复杂多变的外界环境。

[0022] 2、 与传统连续介质理论相比， 本发明方法将土作用简化为任意荷载， 适用于 复杂环境。 能够避免传统连续介质理论构建复杂土本构关 系、 建模复杂、 计算 效率低的问题。

[0023] 3、 与传统土压力反演理论相比， 本发明方法由隧道变形获取隧道结构荷载属 于真正的反演计算理论。 传统土反演理论的理论是通过某种算法 （如神经网络 法、 遗传算法等） 使某些已知信息的计算值逼近其监测值吋确定 力学模型参数 ， 但归根仍属于连续介质模型理论或现行荷载 -结构理论。

[0024] 4、 与传统土压力检测方法相比， 本发明方法应用于全寿命期、 全范围， 具有 经济性、 吋效性特点。 传统土压力检测方法， 需要布设传感器， 由于经济和耐 久性问题， 无法应用于隧道的全部部位和寿命期内。 无论在建设期还是运营期 ， 不受外界建筑活动及环境的影响、 不受复杂工艺的影响， 也不局限于传感器 耐久性和经济性， 只要有隧道结构存在、 只要能及吋获取其结构变形， 就可以 计算隧道土压力荷载。

[0025] 5、 与传统方法相比， 本发明方法本发明采用隧道物理模型和隧道变 形数据。

传统方法忽略或弱化变形和衬砌刚度 （结构模型） 的影响， 因此能够准确地体 现隧道土压力荷载的情况。

对附图的简要说明

附图说明

[0026] 图 1是本发明实际环境中的隧道结构荷载-变形关� ��图；

[0027] 图 2是本发明基于隧道结构物理模型的结构荷载-� ��形关系图；

[0028] 图 3是本发明实施例中三维有限元隧道结构模型� � [0029] 图 4为采用三维激光扫描方法获取真实工况下的� �构变形示意图。

[0030] 图 5为本发明方法的隧道土压力计算值， 其中图 5a为隧道土压力分布趋势， 图 5 b为隧道土压力数值大小。

本发明的实施方式

[0031] [0008]下面结合附图及实施例对本发明作进一步 描述：

[0032] 实施例：

[0033] 一种隧道土压力荷载计算方法， 包括如下步骤：

[0034] ( 1) 真实工况下的隧道土压力荷载与结构变形关系 表达。 如图 1所示， 将土荷 载包括地基抗力和土压力等视为隧道外的全空 间结构荷载。 将全部荷载微分为 n 个未知力作用 { XJ， 产生了相应的全空间位移 { W}。 i-表示隧道第 i位置处。 即{ 为第 i位置处的荷载， { 为第 i位置处的位移。 用 [ ¾ _nxl 表示真实工况的全空 间荷载， 用 [ _ηχ1 表示真实工况的全空间变形。

[0035] (2) 设计工况下的隧道土压力荷载与结构变形关系 表达。 建立三维有限元的 隧道结构模型 （图 3所示） ， 使之能够较为真实地反映荷载 -变形关系。 设计 η组 荷载组合 { 得到 η组结构变形 { }。 i-表示隧道第 i位置处， j-表示第 j组设计工 况。 即 为第 j组荷载工况下第 i位置处的荷载， { 为第 j组荷载工况下第 i位 置处的变形。 用 ] _nxn 表示设计工况的全空间荷载， 用 [ v] _nxn 表示设计工况的全 空间变形。

[0036] (3) 图 4为采用三维激光扫描方法获取真实工况下的� �空间结构变形 [ W] _nxl 。

[0037] (4) 基于贝蒂定理构建 [ _ηχη ·[ _ηχ1 =[ V,] _ηχη ·[ _ηχ1

[0038] (5) 求解 [ ] _ηχ1 ， 即为隧道土压力荷载。 只需要使得式 （2) 满秩， 可由矩阵 法求解式 （2) ， 得到荷载 [q] _nxl 。 即可得到隧道土压力荷载。 如图 5所示本发明 方法计算土压力。 其中， 图 5a为隧道土分布趋势， 图 5b为隧道土压力数值大小。