地铁区间隧道设计计算模型的分析探讨

第３３卷第３期　・２６２・　２　０　０　７年１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　Ａ】ＲＣ｝Ⅱ１１　兀瓜Ｅ　Ｖｌ０１．３３Ｎｏ．３　Ｊａｎ．２０ｏ７　文章编号：１００９．６８２５｛２００７１０３．ｏ２６２．ｏ２　地铁区间隧道设计计算模型的分析探讨　孥红老　摘要：归纳总结了目前隧道衬砌结构计算的几种常见模型，分析了各种模型间的主要特点及其区别，同时探讨了各种　计算模型的局限性，提出了不同的围岩对应不同计算模型的原则和建议。　关键词：隧道设计，计算模型，围岩　中图分类号：Ｕ４５２．２　文献标识码：Ａ　隧道工程的实践早已走在了理论的前面，但隧道工程实践迫　出的荷载表示，而地层抵抗变形的被动反作用力则由Ｗｉｎｋｌｅｒ（温　切需要力学分析予以指导，随着地铁工程建设加速，隧道建设的　克尔）地基（温克尔假定）模量模拟。　高潮必将到来。从我国设计总体水平来看，仍然处于以经验类比　３）收敛一约束模型。根据隧道内径向位移和支护反力的相　法为主的阶段，必然造成一定的浪费，隧道力学发展长期落后于　互作用特征曲线，以及表示衬砌结构受力变形的支护线，用　工程实践的现状必须改变。　两者的交点表示支护抗力值的设计衬砌结构。　１概述　４）工程类比法（经验设计法）。隧道的初期支护，很多是由经　根据国际隧道协会规定，目前所采用的隧道结构设计模型分　验来选择。如果把从成功的隧道工程中取得的经验转用到相似　的新隧道工程上，这种方法更具优点。　为以下四种：　１）连续体或不连续体模型。地层可模拟为匀质的或异质的、　根据我国地下结构设计的特点，我国学者将隧道结构设计模型　工程类比　型，荷载反力模型，收敛约束模型，连续体模型　各向同性的或各向异性的、二维的或三维的弹性介质。衬砌既可　分为：模拟为具有抗弯刚度的梁单元，也可模拟为连续体。计算采用解　２特点及适用范围分析　析解（弹性、塑性、粘弹性）和数值解（有限元、边界元等）。　２．１荷载反力模型　荷载反力模型是我国隧道设计规范和地铁设计规范中推荐采　２）作用一反作用模型（基础梁模型）。作用的地层压力由给　按体积计量。杜绝因抢施工进度而增大用水量，控制拌合时间，　时间为混凝土摊铺后，人能在其上行走，强度达到１．１　ＭＰａ即可。　应拌和均匀，颜色一致，不得有离析和泌水现象，满足运输和浇捣　３．８不利季节混凝土路面的施工　要求的流动性，进行坍落度试验，不符合要求的拌合物不准进入　混凝土的温差不能在浇筑过程中得以根本解决，但是合理的　工地。　浇筑方法能有效地削减最高温升值，从而减小初始温差和内表温　３．５水泥混凝土路面铺筑　差。施工中主要从混凝土的拌制、运输、浇捣方面考虑，采取措　在摊铺和振捣过程中，应根据新拌混凝土的稠度，调整摊铺　施，减少从拌好到浇筑完毕中间间隔时间，减少中间转运次数。　速度和振捣频率。当新拌混凝土显得过稀时，应适当降低振捣频　在冬季施工，为保证混凝土浇筑质量，采用暖棚法施工。气温在　率，加快摊铺速度；当新拌混凝土显得过干时，应提高振捣频率，　０℃以下时，水及集料必须加温，同时在混凝土浇筑完后，用塑料　降低摊铺速度。　布覆盖混凝土表层，从而降低环境与混凝土表面的温差，也可减　３．６水泥混凝土路面养生　少其水分收缩。在夏季高温条件下，应避开午间气温高峰，高温　增加水分的蒸发量，容易使混凝土板表面出现　水泥混凝土路面铺筑完毕后，应及时进行养护，路面养护宜　会促进水化作用，　采用塑料薄膜养护方式，也可采用蓄水的麻袋、草袋、草帘、喷撒　裂缝。混凝土施工应尽量安排在早晨、夜间施工。养护剂等方式，覆盖养生期最少为７　ｄ。养生初期应减少水分蒸　４结语　发，避免阳光照射，防止风吹和雨淋，在达到设计强度的４０％以　后，撤除养护覆盖物方可允许行人、自行车通行。　控制水泥混凝土病害的产生，需要施工单位树立“质量第一”　的观念，严格按规范要求施工，保证路面基层和路基的施工质量，　从材料进场到混凝土养护，每一道工序、每一个环节都要精心组　３．７水泥混凝土路面切缝　为了防止混凝土面板收缩时应力集中产生断板现象，须采用　织安排，尽量采用新工艺、新方法铺设试验路段，用科学的理论和　　软切缝机来切割收缩缝，施工缝采用常规切缝机切割。软切缝的　成功的经验指导施工，就能降低水泥混凝土路面病害的产生。ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｅａｓｅｓ　ｈａｐｐｅｎｅｄ　ｏｎ　ｃｅｍｅｎｔ　ｒｏａｄ　ＹＡＮＧ　Ｘｕ－ｆｅｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｏｒｃｄｉｎｇ　ｔ０　ｍａｎｙ　ｙｅａｒｓ’ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｉｔｏｎ　ａｎｄ　ｍａｋｎ￣，ｉｔ　ｍａｋｅｓ　ａ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　！ａ　ｗｈｉｃｈ　ＣａＬＩ￣ｔｈｅ　ｄ￣ｅａｓｅｓ　ｏｎ　ｃｆ￣ｎｅｎｔ　ｒｏａｄ．ｂｒｉｎｇｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ　ＳＯ　８Ｓ　ｔ０　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｓｅａｓｅｓ　ｏｎ　ｒｏａｄ　ａｎｄ　ｅ】　艘　ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅ　ｒｏａｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｅｍｅｎｔ　ｒｏａｄ，ｄｉｓｅａｓｅｓ，ｂｒｏｋｅｎ　ｂｏａｒｄ，ｍ啦ｒａｔｅ　收稿日期：２０ｏ６．ｏ７．Ｏ８　作者简介：李红岩（１９７８．），男，中南大学硕士研究生，助教，湖南交通职业技术学院，湖南长沙４１０００７　维普资讯 http://www.cqvip.com

２　０　第３３卷第３期　０　７年１月　李红岩：地铁区间隧道设计计算模型的分析探讨　・２６３・　用的方法，在这种模型中，认为围岩压力的来源是坍塌岩块的重　直觉的材料，以更确切地估计地层和结构的稳定性和安全度，常　量。计算方法简单，工作量小，具有明确的安全系数评价方法　姑　受到现场人员的欢迎。但在具体作用的时候，存在很多问题难以　且不考虑这种安全系数是否真正代表了结构的安全度）。设计人　解决。目前无法正确的确定地层和支护的响应曲线（特征曲线），　员在采用这种方法计算的时候，依照规范而行，比较有把握和信　心。在地下结构设计中，除了确有可供借鉴的工程经验进行类比　珏ⅡⅡ目目目　从而使该方法停留在定性的描述阶段。法　　２．３连续体模型　外，一般都要进行受力分析，目前，我国铁路隧道规范推荐的计算　２０世纪７０年代以来，随着电子计算机的广泛应用，特别是有　模式主要是“荷载一结构”模式，对于这种模式，根据地层对结构　限元、边界元、杂交元等方法的推广，为连续体模型在隧道中的应　变形的约束能力，又分为“径向和切向反力法”、“自由变形法”、目　　用创造了条件。该模型将地层和衬砌结构视为共同受力的统一　“三角形反力法”和“径向反力法”四种模型，如图１，图２，图３，图４　体，计算的目的在于分析，由于开挖引起的地应力重分布和由此　所示。　产生的变形和围岩稳定性问题，支护手段是作为连续体模型的一　种边界条件来考虑的，分别计算衬砌和地层的内力，并据此验算　地层的稳定性和进行结构断面设计。从理论上讲，这种模型最为　合理，但由于实际问题的复杂性，目前只有小部分问题取得了解　鼠　析解，一部分是在作各种简化条件下的近似解，而大部分问题只　能依赖数值解。对于数值解而言，目　使用最多的是有限元。有限元　皿Ⅲ皿Ⅲ皿皿　皿ⅢⅡ】Ｉ圆　本身严密精确，但由于岩土本构关系的复杂性、岩土计算参数确　图１径向和切向反力　图２　自由变形法　定的不精确性以及其结果难以验证的特点，往往使有限元计算结　果未能在工程中得到直接应用，只能作为设计人员的定性参考。　２．４工程类比法　工程类比法在我国甚至世界隧道及地下工程的设计领域仍　占据主导地位，我国已成功修建的长达１４．２９５　ｋｍ的大瑶山隧　道，以及秦岭特长隧道（长１８．４６　ｋｍ），在结构设计中都毫不例外　地以工程类比法为主。当然辅以力学计算方法也绝不可能排斥　建立在工程类比基础上的经验设计方法。另外，主要根据经验总　图３画　三角形反力法　图４径向反力法　结而创立的新奥法在预设计阶段，支护参数仍需要采用工程类比　１）“径向和切向反力法”：除了考虑地层的径向反力作用，还　的经验方法来确定，即便是依据监控量测资料来进行施工方法和　应考虑地层对结构的切向摩擦力作用（即切向反力），地层对结构　支护参数的设计变更，经验仍起决定作用。工程类比法的经验设　的径向和切向摩擦作用分别用沿结构的径向弹簧和切向弹簧进　计方法的关键在于建立正确的围岩分类，以及既有工程资料的积　行模拟。２）“自由变形法”：认为结构处于自由变形状态，结构所　累和整理，现行围岩分类本身带有很大的人为因素，仍是一个定　承受的荷载作用只考虑土体的水平和垂直压力、结构自重以及竖　性为主的分类，而工程类比也只是各单位仅依据局部有限的经验　向均布的地基反力，而不考虑地层对结构的弹性反力作用。３）　进行类比，同时标准图的设计方法可对具体工程的适应性也绝非　“三角形反力法”：假定在外荷载作用下，衬砌结构两侧产生朝向　尽善尽美，由此设计出来的隧道工程设计文件，不知如何才能做　地层方向的水平变形，地层阻止此种变形而对结构产生水平ｌ的弹　到精益求精，经济合理的评定标准也只能人为而已。　性反力作用，同时假定地层反力ＰＫ与衬砌水平变形　成比例增　加，按三角形分布，在水平直径处地层反力最大，反力主要作用在　３结语　结构上与水平轴成±４５。的范围。４）“径向反力法”：认为当结构在　由于每一种计算方法均有一些假定和种种条件，使得它　外荷载作用下向地层发生位移时，地层会提供沿结构的径向弹性　们的使用范围各不相同，因此，若采用某种单一的计算模式，便不　反力，但不考虑地层对结构的切向摩擦力作用，在计算模型中，结　足以全面真实地反映隧道及地下结构在形式上的多样化，以及它　构外侧用全环径向弹簧单元模拟地层反力（仅考虑弹簧受压而不　与周围地层或岩体相互制约而呈现的受力复杂性，采用多种计算　考虑其受拉作用）。这四种模型以“自由变形法”最为简单，“径向　模式，将计算结果相互对比分析，可过分依赖某一种计算模式造　和切向反力法”最为复杂，但四种模型的计算精度从“自由变形　成的风险。　法”到“径向和切向反力法”越来越高。　参考文献：　２．２收敛约束模型　［１］李世辉．隧道支护设计新论［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９９．　［２］朱维申，何满朝．复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学　该模型认为围岩压力和支护抗力是在围岩和支护系统共同　［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９６．　变形中形成的，它主要关心的是支护抗力作用下的地层状态，而　［３］王立川，赵喜斌，耿伟．管式锚杆在地下工程中的运用［Ｊ］．　不是荷载作用下的支护结构状态，从而体现了新奥法的岩石支承　作用的思想。该方法是以测试为主的设计方法，因为它能够提供　隧道建设，１９９５（８）：３５．３６．　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔ．ｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｔｕｎｎｅｌ　ｏｆ　ｍｅｔｒｏ　ＬＩ　Ｈｏｎｇ－ｙａｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｖｅｒｍａｉｄｓ　ｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｉｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｕｎｎｅｌ　ａｒｅ　ｓｕｍｍｆｌ／ｉｚｅｄ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆ　ｅｖｅｒｙｍａｉ—　ｅｌｓ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ａｍｏｎｇｔｈｅｍ．Ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｏｓｅｍａｉｄｓａｒｅ　ｄｉＳｃｕｓｓｅｄ．Ｉｎｔｈｅ　ｅｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｓｅａｒｅｐｒｏｌ：ｘ３ｓｅｄｆｏｒＶｓ＿ｒｉｏｕｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍａｉｄｓｉｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋｓ．　．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ　ｄｅｓｉｇｎ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍａｉｅｌ，ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎ４￣ｒｏｃｋ