一种隧道快速施工的缓冲层设计方法

技术领域

本发明涉及隧道施工的技术领域，具体涉及一种隧道快速施工的缓冲层设计方法。

背景技术

在山岭隧道工程建设中，隧道工程设计与施工一般采用新奥法施工理念，即充分利用围岩自承载能力，在初期支护变形达到基本稳定时，施工隧道二次衬砌结构，而在某些特殊环境下，如高地应力、软岩(含膨胀岩)、黄土隧道及隧道工期苛刻时，要求隧道二次衬砌在初期支护完成后尽早施作，以增强隧道支护强度或快速施工的目的，但是，由于隧道二次衬砌厚度大、养护时间较长，其混凝土需要经过一段时长才能达到设计强度，因此，在这种特殊施工情况下，容易造成隧道二次衬砌混凝土早期开裂，危及隧道结构安全，不能有效实现快速施工的目标，这是隧道工程施工领域的难点和重点内容。

目前，为避免衬砌开裂等病害，多采用支护结构在快速施工中，鲜有将缓冲层应用的实例，缓冲层是一种应用于软岩大变形隧道的结构形式，通过自身压缩变形为衬砌提供变形空间，应用在快速施工中则需要根据其变形量进行详细的计算及设计，以满足施工要求。

因此，鉴于目前存在的问题，开发一种隧道快速施工的缓冲层设计方法不仅具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工程应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。

发明内容

为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。

具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种隧道快速施工的缓冲层设计方法，以解决现有的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种隧道快速施工的缓冲层设计方法，包括如下步骤：

(1)确立隧道快速施工的控制目标；

(2)根据控制目标确定所需的计算参数；

(3)选择隧道缓冲层压缩与荷载传递模式；

(4)根据隧道缓冲层压缩与荷载传递模式计算并确定缓冲层性能指标与设计参数，其中，性能指标为弹性模量，设计参数为厚度和最大压缩变形量。

在本发明中，作为一种改进，所述隧道快速施工的控制目标包括：

(1)隧道初期支护在隧道二次衬砌施作后至隧道二次衬砌结构承载性能达到设计值前的变形量不大于隧道缓冲层压缩最大变形量HD

(2)隧道二次衬砌结构承载性能达到设计值前，二次衬砌承担的荷载不得大于承载函数值。

在本发明中，作为一种改进，所述步骤(2)中的计算参数包括：

(1)确定隧道初期支护围岩变形时程曲线函数，其中，隧道围岩变形时程函数为SD(t)，围岩变形最大值为SD

(2)确定隧道二次衬砌结构承载性能时程曲线函数，其中，隧道二次衬砌结构承载性能时程函数为CS(t)，设计值为CS

(3)确定隧道快速施工周期设计，以隧道初期支护施作完成为时间起点t

(4)确定隧道二次衬砌荷载时程曲线函数，二次衬砌荷载时程曲线函数为L(t)。

在本发明中，作为一种改进，隧道快速施工周期设计时，应满足：

t

t

以满足隧道快速施工的控制目标为前提，则相关参数需满足如下条件：

当t

SD(t)-SD(t

在本发明中，作为一种改进，所述步骤(3)中隧道缓冲层压缩与荷载传递模式包括如下两种：

(1)理想弹性应力应变模式；

(2)非线性应力应变模式。

在本发明中，作为一种改进，(1)所述理想弹性应力应变模式表述为：

HD＝Hε；

L＝Eε；

其中，HD为缓冲层变形量；E为缓冲层弹性模量；H为缓冲层厚度；ε为缓冲层应变量；L为缓冲层单位面积压缩荷载；

(2)所述非线性应力应变模式采用分段函数表述：

1)第一阶段，ε≤ε

HD＝Hε；

L＝E

2)第二阶段，ε

ε＝ε

HD＝Hε；

L＝E

3)第三阶段，ε≥ε

ε＝ε

HD＝Hε；

L＝E

其中，Δε为各阶段的应变增量；E

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本方法旨在提出了以避免隧道快速施工过程二次衬砌早期开裂为控制目标的缓冲层设计方法，赋予了缓冲层在快速施工中的功能，给出了缓冲层设计的计算方法。

(2)将缓冲层引入以快速施工为施工控制目标的隧道中，可通过缓冲层压缩变形为隧道二次衬砌提供所需时间，保障衬砌结构的早期安全。

(3)本方法解决了隧道快速施工与现行新奥法施工之间存在的工期及质量之间的矛盾，改变了隧道快速施工的认识，为施工中工程控制措施的制定提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的隧道初期支护变形时程曲线；

图3为本发明的弹性模量的函数变化曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：如图1所示，一种隧道快速施工的缓冲层设计方法，所述方法包括如下步骤：

(1)确立隧道快速施工的控制目标；

(2)根据控制目标确定所需的计算参数；

(3)选择隧道缓冲层压缩与荷载传递模式；

(4)根据隧道缓冲层压缩与荷载传递模式计算并确定缓冲层性能指标与设计参数，其中，性能指标为弹性模量，设计参数为厚度和最大压缩变形量。

将缓冲层应用于快速施工中，首先应明确应用缓冲层后需达到隧道快速施工的控制目标，所述目标主要包括以下两个方面：

一个是隧道初期支护在隧道二次衬砌施作后、隧道二次衬砌结构承载性能达到设计值前的变形量不大于隧道缓冲层压缩最大变形量(HD

另一个是在隧道二次衬砌结构承载性能达到设计值的时间前，二次衬砌承担的荷载不得大于承载函数值，由公式表述为：

当t

SD(t)-SD(t

其中，承载函数值是指隧道混凝土结构初期承载随着时间增加，承载性能在不断增加，符合某一函数CS(t)，这个函数称为承载函数值，而二次衬砌承担的载荷在时间T时的实际承载力，不能大于这个时间点T的承载函数值，否则会造成二次衬砌的负荷超载，对二次衬砌造成破坏。

为达到控制目标所需要计算的参数有：

(1)确定隧道初期支护围岩变形时程曲线函数，该曲线或函数采用经验隧道围岩变形函数或由现场实测数据回归分析获取，其中，隧道围岩变形时程函数为SD(t)，围岩变形最大值为SD

(2)确定隧道二次衬砌结构承载性能时程曲线函数，所述隧道二次衬砌结构承载性能时程函数或曲线由室内试验标准混凝土试件测得，其中，隧道二次衬砌结构承载性能时程函数为CS(t)，设计值为CS

(3)确定隧道快速施工周期设计，以隧道初期支护施作完成为时间起点t

t

t

(4)确定隧道二次衬砌荷载时程曲线函数，所述隧道二次衬砌荷载时程曲线函数由缓冲层压缩和荷载传递模式决定，二次衬砌荷载时程曲线函数为 L(t)。

所述隧道缓冲层压缩与荷载传递模式分为两种模式：一种是理想弹性应力应变模式，一种非线性应力应变模式，在缓冲层的设计过程中根据缓冲层材质的实际工况选择其中一种模式。

1)所述理想弹性应力应变模式采用公式表述为：

HD＝Hε；

L＝Eε；

其中，HD为缓冲层变形量；E为缓冲层弹性模量；H为缓冲层厚度；ε为缓冲层应变量；L为缓冲层单位面积压缩荷载；

2)所述非线性应力应变模式采用分段函数表述：

①第1阶段，ε≤ε

HD＝Hε；

L＝E

②第2阶段，ε

ε＝ε

HD＝Hε；

L＝E

③第3阶段，ε≥ε

ε＝ε

HD＝Hε；

L＝E

其中，Δε为各阶段的应变增量；E

(5)选取隧道缓冲层压缩与荷载传递模式，计算确定隧道缓冲层性能指标与设计参数，其具体计算过程如下：

1)根据初期支护时间、二次衬砌施作时间及二次衬砌结构承载性能时程函数为CS(t)及设计值CS

HD

2)为保证隧道二次衬砌安全可靠，二次衬砌荷载时程曲线应满足：

L(t)≤CS(t) (15)

CS(t

3)缓冲层压缩荷载计算

隧道支护结构系统中，隧道二次衬砌的位移量为零，因此，缓冲层压缩变形量等于隧道初期支护变形量，即：

HD(t)＝SD(t)-SD(t

则缓冲层应变时程曲线为：

因此，缓冲层压缩荷载时程曲线：

其中，缓冲层弹模根据应力应变关系模式选取，材料类型可选取聚乙烯、聚氨酯等有机化学类聚合类材料。

当隧道缓冲层厚度较小时，不考虑内部应力沿厚度的变化，因此，缓冲层的压力即为二次衬砌荷载。

4)缓冲层弹性模量计算

由公式(15)和(19)可知：

其中，二次衬砌施作到承受荷载的时间为t，t≥1。

即弹性模量应满足：

或，缓冲层厚度应满足：

其中，弹性模量根据材料属性选取。

所述选取隧道缓冲层的厚度与初期支护厚度相匹配，厚度不小于初期支护厚度的10％，不大于初期支护厚度的60％。

实施例二：以软岩隧道快速施工为例，其中，隧道初期支护施作完成时间为1月20日，隧道初期支护厚度为30cm；隧道初期支护结构变形函数为：

(1)计算隧道初期支护变形时长

根据隧道初期支护结构变形函数，绘出隧道初期支护变形时程曲线，其具体曲线如图2所示，由此得出隧道初期支护变形时程曲线图，由隧道初期支护变形时程曲线可以判断在70天时，隧道初期支护变形基本达到最大值，故T

(2)施工周期中各时间点确定

已知，隧道初期支护施作完成时间为1月20日(即t

隧道二次衬砌施作时间为t

隧道二次衬砌结构承载性能达到设计值的时间为：t

在统一以初期支护施作完成为时间轴零点时，隧道二次衬砌结构承载性能时程函数变为：

且t

(3)计算缓冲层最大压缩变形量

缓冲层最大压缩变形量HD

HD

SD(32)-SD(4)＝20.25-8.7＝11.55mm；

即：

HD

取：

HD

(4)二次衬砌荷载时程曲线应满足如下公式：

(5)缓冲层压缩荷载计算

缓冲层压缩变形量时程曲线函数为：

则缓冲层应变时程曲线为：

缓冲层压缩荷载时程曲线：

(6)缓冲层厚度与弹性模量关系确定

缓冲层材料根据理想弹性应力应变模式选取。

其中，弹性模量应满足：

即：

式中5≤t≤32，该函数变化关系如图3的函数曲线所示，函数值随时间增加而增加，并趋于定值，在t＝5时取得最小值0.3×10

即：

H≥3.3E×10

缓冲层厚度应满足：

即：

H≥0.284×10

H≥3.3E×10

因此，厚度与弹性模量关系应满足：

H≥3.3E×10

缓冲层材料选取聚氨酯材料，材料弹性模量为20MPa，即厚度满足：

H≥66×10

(7)缓冲层厚度确定

已知隧道初期支护厚度为30cm，隧道缓冲层厚度与初期支护厚度不小于初期支护厚度的10％，不大于初期支护厚度的60％，即缓冲层厚度范围为：

3cm≤H≤18cm；

因此，缓冲层最小设计厚度为6.6cm，取整数7cm。

则，缓冲层最大允许压缩变形量(t＝32)为：

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。