一种铁路隧道洞门土压力的获取方案

摘要

本发明公开了一种铁路隧道洞门土压力的获取方案，包括以下步骤：(1)建立隧道洞门结构土压力计算模型；(2)确定土压力计算基本参数；(3)确定土压力计算涉及的隧道洞门尺寸参数；(4)墙背土压力分布计算；(5)墙背土压力合力计算；(6)墙背土压力合力作用点高度计算。以衬砌内轮廓顶点为界，隧道洞门墙背土压力分布线型在衬砌内轮廓顶点以上为一元二次曲线，在该点以下为竖向直线，并且该竖向直线通过一元二次曲线的顶点。本发明通过隧道洞门土压力计算所需的基本参数代入计算公式，可算出墙背土压力大小、合力及作用点位置，操作简单，使用方便，程序化程度高，可解决不同跨径隧道洞门的土压力计算问题，便于推广，提高工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁路隧道洞门土压力的计算方法，特别涉及双线、大跨度铁路隧道洞门墙背的土压力计算。

背景技术

隧道洞门是隧道洞口用圬工砌筑并加以建筑装饰的支挡结构物。它联系着隧道衬砌和路堑，是整个隧道结构的主要组成部分。在一般地区隧道门中，隧道洞门结构主要有端墙式、柱式、翼墙式、台阶式等。由于隧道洞门是支挡洞口正面仰坡和路堑边坡的结构物，因此洞门的端墙和翼墙均可视为墙背承受土压力的挡土墙结构。在过去，洞门是根据挡土墙理论进行设计的。我国铁路隧道洞门自50年代编制标准设计起，到目前在用的《铁路隧道设计规范》TB 10003-2005，隧道门作用计算方法中，均将隧道端墙、翼墙及洞门挡土墙有关的视作挡土墙，近似采用分条方法计算。

在近似采用分条方法计算中，洞门端墙主动土压力均采用乌氏(B.A.乌勒契基)公式计算，乌氏公式是在库仑理论的基础上，假定墙背摩擦角等于墙背倾斜角，即土压力作用方向永远是水平。对洞门墙取一定宽度b的计算条带，然后将相关的地层及材料参数代入乌氏公式，从而计算出洞门墙背的土压力。乌氏公式计算结果认为洞门墙背土压力分布为折线型，最大土压力位于端墙底部。

从目前隧道洞门主动土压力的计算方法来看，该方法以局部条带代替洞门整体进行受力计算，条带的选取也许考虑了最不利作用位置，但是在实际计算中并未考虑洞门作为一个整体或有其他对结构整体支挡有利的作用，例如，挡翼墙，导致计算结果偏大或作用力的分布不符合实际，合力的作用点和最大作用力位置也将不能正确判定，这对设计工作和结构受力都将带来极大不利的影响。洞门结构体系较为复杂，能够找出洞门作用力的分布规律并建立相应力学表达式，对今后洞门受力的分析和设计都将产生重要的作用。目前在洞门主动土压力计算中，采用乌氏公式计算方法对条带进行计算，结果普遍偏大，采用乌氏公式方法计算出的洞门主动土压力最大值出现在端墙底部，这与实际情况不符。随着高速铁路、双线铁路的发展，洞门跨度等方面的结构形式变化发展越来越大，单纯采用经验条带法对新建洞门进行设计，显然不科学合理，而目前在方面研究资料比较缺乏。因此，隧道洞门主动土压力计算方法有待进一步的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是基于乌氏公式计算土压力方法，建立结构计算模型，提供一种隧道洞门土压力获取方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案主要包括以下步骤：

一种铁路隧道洞门土压力的获取方案，包括以下步骤：

(1)建立隧道洞门结构土压力计算模型；

(2)输入土压力计算基本参数；

(3)输入土压力计算涉及的隧道洞门尺寸参数；

(4)墙背土压力分布计算；

(5)墙背土压力合力计算；

(6)墙背土压力合力作用点高度计算；

(7)所得数据输出。

其相应具体过程中的内容包括：

(1)建立隧道洞门结构土压力计算模型。计算模型为隧道洞门结构及其背后土体，土压力计算位置为距隧道洞门右侧边墙0.5m处的竖向截面。

(2)确定土压力计算基本参数。基本参数包括地层特征参数和建筑材料物理参数，具体的讲，地层特征参数包括边、仰坡坡度为1:m₃，地层重度γ，地层内摩擦角计算摩擦角

(3)确定土压力计算涉及的隧道洞门尺寸参数。具体的讲，土压力计算涉及的隧道洞门尺寸参数为洞门墙背倾角1：m₂，端墙埋置深度h₃，线路内轨顶面至路基面的距离h₂，线路内轨顶面至衬砌内轮廓顶点的距离h，衬砌内轮廓顶点至端帽顶面的距离h₁，仰坡坡脚至端帽的垂直净距b，仰坡坡脚至端帽的水平净距a。

(4)墙背土压力分布计算。墙背土压力分布特征是由一元二次曲线和直线段组成，具体的讲，以衬砌内轮廓顶点为界，隧道洞门墙背土压力在该顶点上部的分布形式为一元二次曲线，并且该一元二次曲线的顶点位于通过衬砌内轮廓顶点的水平直线上，隧道洞门墙背土压力在该顶点下部的分布形式为竖向直线，该直线通过一元二次曲线的顶点。墙背土压力在衬砌内轮廓顶点处的大小采用乌氏公式进行计算，其中土压力计算模式不定性系数为0.45。

(5)墙背土压力合力计算。墙背土压力的合力大小为墙背土压力分布曲线与坐标轴围成封闭区域的面积大小，采用积分的方法计算该面积大小。

(6)墙背土压力合力作用点高度计算。墙背土压力合力作用点高度是相对端墙底部而言，利用积分的方法计算出墙背土压力对端墙底部的转动力矩，墙背土压力合力作用点高度即为转动力矩与墙背土压力合力之比。

本发明的有益效果是，建立了一套完善的洞门墙背土压力计算方法，计算过程清晰，计算公式通用，能解决隧道洞门材料由水泥砂浆砌片石变为混凝土、各种洞径特别是双线铁路、高速铁路的隧道洞门墙背土压力计算问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步阐述。

图1是本发明铁路隧道洞门土压力计算模型的正面示意图；

图2是本发明铁路隧道洞门土压力计算模型纵断面示意图；

图3是隧道洞门土压力乌氏公式计算方法模型；

图4是本发明铁路隧道洞门土压力分布线型图；

图5是采用本发明对时速140km/h双线电化铁路隧道洞门标准图土压力计算的结果。

具体实施方式

本发明的铁路隧道洞门土压力计算方法，计算出隧道洞门墙背土压力分布线型如图4所示，土压力分布线型中以衬砌内轮廓顶点为主要关键点，为计算出该点处隧道洞门墙背的土压力，先计算侧压力系数。侧压力系数计算公式：

式中：ω——破裂角(°)；

——围岩计算摩擦角(°)；

ε——仰坡坡角(°)；

α——墙背倾角(°)。

图3中h₄、h₅和h₆计算过程如下：

$>h_4=\frac{a\tan ϵ}{1-\tan ϵ\tan \alpha }---\left(3\right)$>

h₅＝h₁+h+h₂+h₃-b-h₄   (4)

$>h_6=\frac{a}{\tan \omega -\tan \alpha }---\left(5\right)$>

其中a为仰坡坡脚至端帽的水平净距，b为仰坡坡脚至端帽的垂直净距，h₀、h、h₁、h₂、h₃参考图1。

(1)土压力计算

隧道洞门衬砌内侧顶点处墙背土压力大小σ₀为：

(a)当h+h₂+h₃≤h₄+h₅-h₆时

σ₀＝γ(h+h₂+h₃)λ   (6)

(b)当h+h₂+h₃＞h₄+h₅-h₆时

$>{\sigma }_0=\gamma (h+h_2+h_3)(1-\frac{h_4}{h_6})\lambda ---\left(7\right)$>

隧道洞门墙背土压力随端墙高度的分布σ(y)为：

(a)当0≤y＜h+h₂+h₃时

σ(y)＝σ₀   (8)

(b)当h+h₂+h₃≤y≤h₄+h₅时

$>\sigma \left(y\right)=[-{\left(\frac{y-(h+h_2+h_3)}{h_4+h_5-(h+h_2+h_3)}\right)}^2+1]{\sigma }_0---\left(9\right)$>

式中：γ——地层重度。

(2)土压力合力计算

隧道洞门墙背土压力合力E的计算过程如下：

(a)当0≤y＜h+h₂+h₃时

$>E_1=\frac{1}{2}(h+h_2+h_3){\sigma }_0---\left(10\right)$>

(b)当h+h₂+h₃≤y≤h₄+h₅时

$>E_2={\int }_{h+h_2+h_3}^{h_4+h_5}[-{\left(\frac{y-(h+h_2+h_3)}{h_4+h_5-(h+h_2+h_3)}\right)}^2+1]{\sigma }_0\mathrm{dy}---\left(11\right)$>

(c)合力

E＝(E₁+E₂)ξ   (12)

式中：ξ——土压力计算模式不定性系数，取0.45。

(3)土压力合力作用点计算

土压力合力作用点相对端墙底部的距离y₀为：

$>y_0=\frac{\frac{1}{4}{(h+h_2+h_3)}^2{\sigma }_0\xi +{\int }_{h+h_2+h_3}^{h_4+h_5}[-{\left(\frac{y-(h+h_2+h_3)}{h_4+h_5-(h+h_2+h_3)}\right)}^2+1]{\sigma }_0\mathrm{\xi ydy}}{E}---\left(13\right)$>

式中符号意义同前。

利用本发明对时速140km/h双线电化铁路隧道洞门标准图土压力进行计算。隧道洞门墙背倾角1:0.1，洞门边、仰坡坡度为1:0.5，则仰坡坡角ε＝63°26′，tanε＝2.0，配合IV类围岩直墙衬砌。地层重度γ＝25kN/m³，地层内摩擦角计算摩擦角参照图1，土压力计算涉及的主要结构尺寸为：h₁＝3m，h＝7.7m，h₂＝0.8m，h₃＝0.6m，a＝1.5m，b＝0.85m。该隧道洞门墙背土压力计算结果如图5所示。

由图5可知，时速140km/h双线电化铁路隧道洞门标准图墙背土压力合力为9.18kN/m，作用点高度为5.83m，作用点高度与端墙高度之比为0.48。