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隧道结构的力学分析与设计隧道是地下人工结构中常见的一种，其基本功能是为了通行或者储藏等目的，常常与地铁、水利工程等密切相关。
隧道施工需要考虑的诸多因素中，结构稳定性和力学强度是设计的两个关键点。
隧道因其特殊的地理位置，地下水压力、地面荷载、周围岩土等多种外力作用会对其产生不同程度的影响，因此需要进行力学分析与设计。
一、隧道的力学特性隧道在各种地质条件下均存在受力的情况，它的应力特点是集中在围岩表面，并且受到侧向和周向的阻力。
隧道内部的强度应与围岩强度和稳定性相匹配，这在设计隧道结构上是必须要考虑的问题。
在分析隧道的力学特性时，通常需要考虑以下几点：1. 隧道的形状和大小；2. 围岩的物理性质和力学特性；3. 隧道所受的外力，如水压力、地面荷载等；4. 隧道所使用的材料和施工工艺；5. 隧道的使用寿命和耐久性。
二、隧道结构的力学分析隧道结构的力学分析是设计工作中的关键步骤之一。
它是指通过对隧道受力状态的分析，确定隧道结构的质量和稳定性是否达到设计要求的一种方法。
通常的工作流程包括以下几个步骤：1. 确定隧道的受力状态。
这包括隧道施工前和施工中所受的外力，以及隧道使用期间的荷载情况。
2. 确定隧道所受的应力及位移状态。
通过数学模型及地形图等手段建立模型，推算隧道所遭受到的压力、应变、位移等。
3. 推算隧道的强度和稳定性。
根据隧道所需承受的荷载和受力状态，进行强度和稳定性的分析。
4. 设计隧道的结构形式和材料。
根据隧道所需承受的荷载和受力状态，确定适合隧道的结构形式和材料。
5. 完成设计方案和建议。
依据上述分析，完成隧道结构设计方案和相关建议，并报告给相关的设计和决策部门。
三、隧道结构设计隧道结构设计通常是一项复杂的任务，它包括了建筑工程、土木工程、力学分析、地质勘探等多个方面。
因此，在设计隧道结构时，应该从多个方面考虑。
1. 隧道的外形和尺寸。
这是一个基本问题，需要考虑隧道的使用需求和周围的地质状况等因素。
Value Engineering0引言随着经济的发展，车流量日益增加的社会需求，采用双车道公路隧道的理论进行设计、施工，已不能符合实际需求。
因此目前国内的公路隧道施工逐渐倾向于采用四车道公路隧道的施工，同扁平率较大的单洞双线公路隧道的施工不同，四车道公路隧道的大断面隧道，横断面的跨度较双车道增加了一倍，如还按照双车道隧道施工的高跨比即扁平率来设计，工程造价会有大幅提升，因此我们只能以降低扁平率的方式来降低成本。
因为扁平率的降低，会造成对围岩稳定度以及隧道结构稳定性的极大影响，尤其在以自重应力场为主的情况下对扁平结构影响会更大，必然由此带来更多新的技术问题。
对四车道公路隧道施工中的力学体系进行深入研究越来越显得重要。
同时此课题的研究也适合我国基础建设的设计与施工实际需求，从而使四车道隧道施工达到经济合理、安全快速的施工要求。
1国外四车道隧道施工现状分析国外如瑞典、奥地利、挪威、日本以及韩国在四车道公路隧道领域的建设中处于世界先进水平，其中又以韩国最为熟练和先进。
新奥法设计与施工技术、围岩动态分析技术、中隔壁法、TBM 法和双侧壁导坑超前法等技术在大跨度扁坦公路隧道施工中被广泛应用。
韩国现有的11座四车道大跨度公路隧道全是采用的新奥法（NATM 法），在设计、施工上根据实际地质，采用土力学和岩力学中的数值分析方法进行计算。
结合新奥法基本原理和要求，在实际施工期，在洞室内部进行严格的监控测量。
具体工作有拱周边变形监测、围岩变形监测、拱顶下沉监测、锚杆轴力和锚固力的测定以及喷射混凝土与围岩间接触应力的测定等一系列内容。
2国内四车道施工现状分析过去，我国公路隧道主要为二车道或三车道，这也是由我国实际情况所决定的：①国内岩石的物理力学特性及隧道工程地质条件相当复杂；②国内在大跨度扁坦公路隧道施工上千差万别，没有统一的勘查规范；③行业内极少有关于大跨度公路隧道施工力学、施工方法、断面结构和支护衬砌工艺等研究的学术成果。
四车道高速公路大断面隧道分部台阶施工工法四车道高速公路大断面隧道分部台阶施工工法一、前言四车道高速公路大断面隧道分部台阶施工工法是一种用于在大断面隧道中进行台阶施工的方法。
通过该工法，可以实现高效、安全、质量可控的台阶施工，保证了大断面隧道的施工进度和质量。
二、工法特点该工法的主要特点是：1. 采用分部台阶施工，使得台阶的施工顺序清晰、逐步完善，减少了工期压力。
2. 结合大断面隧道的实际情况，采用了适应性强的施工方案，能够满足不同断面的施工需求。
3. 通过合理的劳动组织和机具设备的运用，能够最大程度地提高工效，减少人力和物力的浪费。
4. 该工法对施工质量的要求高，采取了一系列质量控制措施，确保了台阶的稳定性和安全性。
三、适应范围该工法适用于四车道高速公路大断面隧道的分部台阶施工，可适用于各种断面形状和地质条件。
四、工艺原理四车道高速公路大断面隧道分部台阶施工工法的工艺原理如下：1. 施工工法与实际工程之间的联系：该工法是根据大断面隧道的特点和施工要求设计出来的，与实际工程紧密相连，能够满足台阶施工的需求。
2. 采取的技术措施：该工法采用了分部台阶施工的方式，将台阶的施工过程分成若干个阶段，逐步进行，确保每个台阶的施工质量和安全性。
五、施工工艺施工工法的各个施工阶段如下：1. 桩基施工：根据设计要求进行桩基施工，保证台阶的基础稳固。
2. 模板搭设：搭设模板，根据设计要求和台阶的具体形状进行调整，确保模板的稳定性和可靠性。
3. 混凝土浇筑：按照预定的浇筑方案逐层浇筑混凝土，保证台阶的强度和稳定性。
4. 硬化养护：对浇筑完成的台阶进行适当的硬化养护，确保混凝土的质量和强度。
六、劳动组织根据具体的施工工艺和要求，合理组织劳动力，确保施工进度和质量的同时，减少人力和物力的浪费。
七、机具设备在施工过程中，需要使用一系列机具设备，包括挖掘机、大型混凝土搅拌车、模板支撑架等，这些设备能够提高施工效率，保证施工质量。
四车道高速公路大断面隧道分部台阶施工工法四车道高速公路大断面隧道分部台阶施工工法一、前言随着交通网络的不断扩展和交通流量的增加，建设四车道高速公路已成为我国基础设施建设的关键之一。
而在高速公路建设中，大断面隧道是不可或缺的一部分。
本文将介绍一种适用于四车道高速公路大断面隧道的分部台阶施工工法，该工法具有以下几个特点和优势，能够为实际工程提供有效的指导。
二、工法特点1. 适应性强：该工法适用于四车道高速公路大断面隧道的施工，能够满足隧道设计的要求，并能够根据具体情况进行合理调整。
2. 施工效率高：分部台阶施工工法能够同时进行多个工序，加快施工进度，提高施工效率。
3.质量可控：该工法采用了一系列的质量控制措施，确保施工过程中的质量达到设计要求。
4. 安全性高：在施工过程中，采取了严谨的安全措施，保证工人的安全，并减少事故发生的风险。
三、适应范围该工法适用于四车道高速公路大断面隧道的施工，对于隧道的凹凸台、顶部和内墙分部台阶的施工均具有指导意义。
四、工艺原理该工法的实际工程应用是建立在以下工艺原理基础上的：1. 与实际工程的联系：该工法充分考虑了隧道结构的特点和施工条件，能够与实际工程紧密结合，确保施工的顺利进行。
2. 技术措施的采用：该工法采用了一系列的技术措施，如模板支撑、混凝土浇筑、后续补偿等，保证施工过程的稳定和安全。
五、施工工艺该工法的施工包括以下几个阶段：1. 模板安装：根据设计要求，安装适当的模板，用于支撑隧道的分部台阶施工。
2. 混凝土浇筑：按照设计要求，进行混凝土浇筑，形成隧道的分部台阶结构。
3. 后续处理：对浇筑完成的分部台阶进行后续处理，包括表面平整、防水等工序。
六、劳动组织在施工过程中，需要合理组织劳动力，确保施工进度和质量的同时，保证工人的安全。
七、机具设备该工法所需的机具设备包括模板支撑系统、混凝土搅拌机、输送泵等，这些设备能够满足施工需求，并提高施工效率。
八、质量控制为了确保施工过程的质量达到设计要求，需要进行严格的质量控制，包括测量、检查和验收等环节。
四车道公路隧道施工的力学研究摘要：随着当前社会经济的不断发展，国内的公路隧道施工摒弃了既往的双车道公路隧道设计施工模式，逐渐倾向于采用四车道公路隧道的施工，本文从四车道隧道施工的技术问题入手，研究并探讨了一系列四车道公路隧道施工过程中所面临的力学问题。
abstract： as the development of current social economy，the domestic highway tunnel construction abandons the traditional two-line highway tunnel construction model， and gradually adapts four-lane highway tunnel construction. starting from the four lane tunnel construction technology，this paper studies and discusses a series of mechanics issue in four-lane tunnel construction process.关键词：四车道公路隧道；力学；新奥法key words： four-lane highway tunnel；mechanics；new austrian method中图分类号：u455 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）02-0097-020 引言随着经济的发展，车流量日益增加的社会需求，采用双车道公路隧道的理论进行设计、施工，已不能符合实际需求。
因此目前国内的公路隧道施工逐渐倾向于采用四车道公路隧道的施工，同扁平率较大的单洞双线公路隧道的施工不同，四车道公路隧道的大断面隧道，横断面的跨度较双车道增加了一倍，如还按照双车道隧道施工的高跨比即扁平率来设计，工程造价会有大幅提升，因此我们只能以降低扁平率的方式来降低成本。
因为扁平率的降低，会造成对围岩稳定度以及隧道结构稳定性的极大影响，尤其在以自重应力场为主的情况下对扁平结构影响会更大，必然由此带来更多新的技术问题。
对四车道公路隧道施工中的力学体系进行深入研究越来越显得重要。
同时此课题的研究也适合我国基础建设的设计与施工实际需求，从而使四车道隧道施工达到经济合理、安全快速的施工要求。
1 国外四车道隧道施工现状分析国外如瑞典、奥地利、挪威、日本以及韩国在四车道公路隧道领域的建设中处于世界先进水平，其中又以韩国最为熟练和先进。
新奥法设计与施工技术、围岩动态分析技术、中隔壁法、tbm法和双侧壁导坑超前法等技术在大跨度扁坦公路隧道施工中被广泛应用。
韩国现有的11座四车道大跨度公路隧道全是采用的新奥法（natm法），在设计、施工上根据实际地质，采用土力学和岩力学中的数值分析方法进行计算。
结合新奥法基本原理和要求，在实际施工期，在洞室内部进行严格的监控测量。
具体工作有拱周边变形监测、围岩变形监测、拱顶下沉监测、锚杆轴力和锚固力的测定以及喷射混凝土与围岩间接触应力的测定等一系列内容。
2 国内四车道施工现状分析过去，我国公路隧道主要为二车道或三车道，这也是由我国实际情况所决定的：①国内岩石的物理力学特性及隧道工程地质条件相当复杂；②国内在大跨度扁坦公路隧道施工上千差万别，没有统一的勘查规范；③行业内极少有关于大跨度公路隧道施工力学、施工方法、断面结构和支护衬砌工艺等研究的学术成果。
而国内的四车道公路隧道多数处于规划和建设中。
1990年通车的沈大高速全长375公里，是国内双向四车道开创新纪元，被称为“神州第一路”。
不过现在也因日益增加的车流量而不堪重负。
2003年2月21日，国务院所批“十五”期间重点改扩建项目，由交通部确定的“高速公路改扩建示范工程”的沈大高速开始全线封闭改扩建，从双向四车道改为双向八车道。
这就充分暴露了我们在实际的设计和施工过程中，缺乏超前意识，以静止的观点规划高速公路建设，结果不断的重复投资和重复建设，造成资金和原材料等资源的浪费。
3 现行隧道工程设计与施工方法分析与研究传统的隧道设计是基于经验设计方法的“荷载一结构”模式，而在理论上更为完善、合理的“岩体一结构”模式中，围岩不但是荷载，而且也是结构，在分析过程中要重视结构与围岩的共同作用，以及围岩的自承能力，体现了新奥法的理念与精髓。
在实际隧道和地下工程施工中，关键的问题是开挖和支护两个工序。
在施工力学行为上，四车道公路隧道施工与两车道公路隧道有着明显的区别，不仅跨度大于断面扁平，且在自重应力场作用下，围岩开挖后拱部岩体向洞内变形导致两侧岩体向外挤压，使边墙部位产生拉应力区。
水平收敛远远小于拱顶下沉，尤其在边墙位移小，部分位移甚至向外发生膨胀。
拱顶下沉是四车道隧道中围岩稳定判据的关键因素。
位移随着开挖呈台阶式增加，而历时曲线则总体呈s形，用hill函数拟合其拟合程度最好。
3.1 大跨度公路隧道分部开挖施工力学分析岩体在初始应力状态（自重及参与构造应力状态等）下处于一定的平衡状态。
当洞室开挖之后，由于工程力的作用破坏了原先的初始状态，使洞室周围一定范围内的缘由岩体受到影响。
从洞室开挖始，原先的初始状态被工程力的作用破坏，洞室周围的原有岩体受到影响，在影响范围内的那部分岩体即称之为围岩。
围岩的稳定性是指在保持施工中洞室结构形成的暴露面尺寸和形状的性质。
通常围岩丧失稳定性有如下三种形式：①上部岩层重量引发应力集中区的岩石被破坏；②在自重力作用下崩落岩石形成冒落；③岩石裸露表面因塑性变形形成无明显破坏的大幅度位移。
因隧道的纵向长度远大于横断面尺寸，所以围岩中应力分布可以视为平面问题，除位于隧道两端围岩可能同时产生沿纵轴方向的变形外，其余各处的围岩都只会产生沿横断面方向的变形。
因此，隧道围岩的应力分布问题为平面应变问题。
3.2 新奥法中支护与围岩共同作用施工的力学分析围岩在自身平衡过成长的变形、破裂使支护结构因受压力并变形，因此围岩性态及其变化对支护的作用有重要影响。
另外，支护的刚度和强度抑制岩体变形和破裂的发展，同时，也影响了支护自身的受力。
因此，支护与围岩形成一个共同体；共同体的耦合作用和互为影响的情况，形成“围岩—支护”的共同作用。
所以，在新奥法中，支护结构的设计原理其实就是柔性支护和围岩体共同变形、破坏的塑性和弹性理论。
隧道开挖后，引起一定范围内围岩应力重分布，并有局部地层残余应力的释放。
一定范围内围岩发生位移并形成松弛，从而恶化围岩的物理力学性质，引发薄弱处隧道围岩发生局部破坏。
随着破坏的扩大，从而造成整个隧道的坍塌。
给予围岩内缘的支护力的大小，直接决定围岩体中的塑性区的大小。
若危岩体中塑性区变大，则围岩对支护的变形压力越小。
而原岩一次压力越大，塑性的半径也就会越大，围岩强度性质由两个指标反映——内摩擦角值和粘结力越小，岩体强度则越低，塑性半径就越大。
以上是新奥法柔性支护理论的出发点，在隧道设计、施工工程中采取支护措施时需要积极利用。
由此使支护受到的变形压力尽可能的小，并相应的降低支护工程量和工程造价。
3.3 锚喷支护作用施工的力学分析以喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土等结构组合起来的形式称之为锚喷形式。
实际工程实践说明相较于以往的现浇混凝土衬砌，锚喷支护更为优越。
锚喷结构能及时、有效的支护和控制围岩变形，防止岩块坠落或坍塌，发挥围岩自承能力，所以锚喷支护更为优越和合理。
锚喷支护能大量的节省混凝土、劳动力、原材料等，提高工程施工效率，工程造价相较于现浇混凝土衬砌可降低400%，并有利于施工机械化，进一步改善劳动条件。
锚喷支护以其良好的物理力学性能，是一种符合岩体力学原理的积极支护方法。
能及时支护加固围岩，并与围岩密贴，封闭岩体的张性裂隙和节理，加固围岩结构面，有效的发挥和利用岩块间的镶嵌、咬合和自锁作用，从而提高岩体自身的强度、自承能力和整体性。
锚喷支护结构柔性好，与围岩构成共同承载体系，共同变形。
能在变形过程中调整围岩应力，抑制变形发展，避免坍塌，并能抑制大的松散压力出现。
不过，到目前为止，锚喷支护仍需发展和不断完善，从作用机理的探讨到设计、施工方法研究等方面，都有待科学技术工作者的进一步成就，以实现理论和实际的融合。
3.4 结合新奥法隧道设计施工的基本思想和岩石力学分析在岩石力学基本原理和新奥法隧道设计施工的基本思想的指导下，本文利用大型有限元分析软件ansys对沈大高速公路韩家岭四车道公路隧道的施工开挖方法及未按稳定进行了有限元模拟分析，取得了一定的成果。
3.4.1 就严格意义上来说，现行规范无法指导设计四车道公路隧道的设计、施工，忽略了围岩本身亦是结构这一关键特性，只能指导设计15m以内跨度的公路隧道工程。
用有限元分析软件ansys 分析软件对几种常用的施工方法施工过程进行相关的有限元模拟分析，即能解决上述问题。
大量的实际计算分析结果表明：隧道设计，考虑围岩不能仅作荷载，它同时也是结构，应意识到围岩与结构共同作用的重要性，考虑其自承能力，以更为完善、合理的“岩体—结构”模式取代基于经验设计方法的传统“荷载—结构”模式。
3.4.2 新奥法从理论上计算出在施工开挖各部时围岩与支护结构式各个点的应力应变情况能随时及时的判断支护结构、围岩在开挖后的稳定性，使设计更为安全可靠、经济合理，杜绝施工阶段险情的发生。
3.4.3 通过实际有限元的分析结果，我们能知道，隧道分部开挖，是有其科学依据的。
同时，如果分部过细过多，则会造成增加对围岩体的扰动，延长扰动时间，违反了控制围岩与支护结构稳定性的初衷，适得其反。
因而分部最好不要超过六部，在时间上，也最好采用左右对称开挖，效果更为显著。
对于四车道公路隧道，由于断面特别大，施工方法宜采用中隔壁法（cd工法）、中隔壁交叉台阶法（crd工法）、双侧壁导坑法（眼镜法）。
加速施工法即尽快形成一次支护封闭断面的做法，是防止变形、坍塌的关键步骤。
从塑性区分布上来看，施工中采用长锚杆稳定地层并加固围岩的做法，既不经济，又不能加快施工进度。
下导坑超前台阶法由于分部过细过多，致使围岩收到严重的扰动，与新奥法的基本思想相悖，无法有效控制支护结构与围岩稳定性，施工过程又复杂，支护工艺要求高，工程造价就更高了。
4 结束语本文没有对涉及沿途流变分析动力进行分析，随着理论技术水平的提高，和计算机技术的不断深入与发展，公路隧道及地下工程的动力稳定性分析也将具有更深远的研究意义。
我们通常所做的数值分析工作仅是通过有限的几种常用方法进行二维平面问题的模拟，而公路隧道及地下工程的开挖在实际中其实是一个复杂的三维时间—空间的问题，施工开挖的的方法也还有许多值得研究探讨和提高。
如何利用大型三维有限元模型进行大跨度公路隧道及地下工程的施工力学效应数值模拟分析，仍将是未来一个值得研究的课题。
