隧道复合式衬砌荷载结构法计算方法的探讨

第20卷　第3期岩石力学与工程学报20(3):370～373 2001年5月Chi nese Journal of Rock Mechanics and Engi neeri ng M ay,2001用隧道围岩站立时间确定复合式衬砌的荷载分配莫勋涛1,2　金德银2　张　清1(1北方交通大学土木建筑学院　北京　100044)　(2石家庄铁道学院交通工程系　石家庄　050043)摘要　利用RM R分级数据库,通过对其中有效的95个实例的分析,建立了隧道特征指标与岩体站立时间的线性关系,证实了围岩的稳定程度主要受岩体质量的控制,隧道的跨度只起次要作用。

结合我国铁路隧道中的围岩压力与站立时间的概率分布相互独立的特点,推出了初期支护和二次衬砌各自在承担围岩压力时的比例计算公式。

关键词　围岩分级,隧道设计,可靠度,复合式衬砌,经验设计,岩石,概率设计,站立时间分类号　TU451+.2 文献标识码　A 文章编号　100026915(2001)03203702041　前　言隧道支护体系设计的主要问题之一是如何确定围岩压力。

国际上的岩体分级体系,均采用分级指标衡量岩体的质量,结合跨度因素直接推荐初期支护和二次衬砌的结构参数,同时给出围岩压力的参考公式[1,2];使用连续体模式者,则着重于研究岩体的物理力学参数与岩体分级指标之间的经验关系[1],间接求解围岩压力。

然而,人们发现,来自不同地域的这些经验公式带有很强的地域特征,外推这些经验公式到其他地域时,往往出现较大的差别[1,3～5]。

已有的研究业已表明,使用连续体理论精确计算围岩压力困难重重[6],更谈不上结果的可靠性。

因此,利用当地已有的经验,建立符合当地实际的围岩压力经验计算方法,似乎是一条必然之路[1,3～5]。

确定复合式衬砌围岩压力,就是要分别确定初期支护和二次衬砌各自所承担压力的大小。

我国长期观测的结果,证明二次衬砌是受力的[7],它的确应当作为承载结构来对待。

隧道衬砌水压力荷载随着路网向山区的拓展，线路标准的提升，特别是高速铁路和高速公路大规模的修建，需要修建大量的“深”、“长”、“大”山岭隧道及江、河、海底隧道。

在山岭隧道的修建过程中，经常会遇到地质条件复杂的地层，有时须穿越高水压富水地区，如渝怀铁路圆梁山隧道、锦屏输水隧洞。

在水下隧道修建过程中，地下水问题更是突出，如日本青函隧道、英法海底铁路隧道、厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道。

本文将对隧道衬砌水压力荷载进行讨论。

标签：隧道；压力；荷载以往，我国山岭隧道工程设计中，对地下水治理采用“防排结合，以排为主”的原则，将衬砌背后的水通过排导系统排入隧道水沟，通常在设计衬砌结构时不考虑外水荷载。

“以排为主”虽能减小衬砌水压力，但不能根治隧道的各种水害，而且直接导致洞顶地下水位下降、地表水和井泉涸竭、地面岩溶塌陷、生态环境恶化，影响人们的生产和生活，隧道部门也苦于补救和巨额赔偿。

生态和环境保护是21世纪可持续发展的主旋律，隧道工程建设必须适应环境保护的要求。

在对地下水的处治过程中，隧道设计理念更新主要体现在防排水措施的变化，而不同的地下水处治方式，会产生不同的衬砌水荷载问题。

地下水对衬砌支护系统的力学作用对隧道的施工安全和建成后的结构可靠度具有重要影响。

到目前为此，国内外学者针对隧道水荷载的研究主要有衬砌水压力取值问题、涌水量预测问题、围岩与衬砌渗流力计算、裂隙岩体渗流状况、水荷载下围岩及衬砌受力状态等几个方面。

1 衬砌水压力问题1.1隧道规范对水压力的考虑国内较早提出衬砌水压力荷载问题的主要集中在水工隧洞界，相比水工部门而言，交通部门对隧道水荷载问题认识水平和研究深度均存在明显的差距。

随着人们对地下水与隧址周边生态环境密切相关的认识不断深入，对隧道工程中地下水处治原则进行了深入的思考，在渝怀铁路的建设中，铁道部第二勘察设计院提出隧道地下水处治的“限量排放”新理念。

至此，隧道工程水压力荷载问题也就完全凸现出来了。

偏压浅埋隧道复合式衬砌的相互作用和结构计算近年来，城市建设进入高速发展时期，城市交通也因此迎来了一波新的建设热潮。

而在城市交通中，地铁隧道优质的建设和维护也是至关重要的。

为了实现地铁隧道的优化建设和运营，偏压浅埋隧道复合式衬砌的相互作用和结构计算成为了关键的技术研究方向之一。

首先，我们需要了解什么是偏压浅埋隧道复合式衬砌。

偏压浅埋隧道是一种地下结构形式，其特点是隧道的直径较小，埋深较浅，且两个隧道之间采用双线隧道。

复合式衬砌是指在偏压浅埋隧道中采用两种以上不同材料的环片进行隧道壳体的构建。

这种结构形式使得偏压浅埋隧道复合式衬砌具有更高的安全性和更好的承重能力。

为了实现偏压浅埋隧道复合式衬砌的结构计算和优化设计，我们可以按照以下步骤进行：一、确定复合式衬砌的结构形式根据偏压浅埋隧道的实际情况，确定复合式衬砌的结构形式和材料选择。

例如，对于沉积岩地质条件下的偏压浅埋隧道，常采用钢筋混凝土-预应力混凝土复合式衬砌结构。

二、建立数值模型根据复合式衬砌的实际情况建立数值模型，采用有限元软件进行计算分析。

数值模型中需要考虑各种外力和内力作用，例如隧道顶部的地面荷载、地震力等。

三、确定合适的材料参数复合式衬砌由多种材料组成，需要对材料参数进行实验和计算，以确保复合式衬砌的稳定性和承重能力。

四、进行结构计算和分析基于数值模型和材料参数，进行偏压浅埋隧道复合式衬砌的结构计算和分析。

主要包括对隧道壳体的稳定性、承载力、变形以及损伤等方面的分析。

五、优化设计依据结构计算和分析的结果，对复合式衬砌的结构进行优化设计，以提高隧道的安全性和承载能力。

总之，偏压浅埋隧道复合式衬砌的相互作用和结构计算在地铁隧道建设中具有重要作用，可以为隧道的优化设计和运营提供有力支持。

第五章隧道衬砌结构检算5.1结构检算一般规定为了保证隧道衬砌结构的安全，需对衬砌进行检算。

隧道结构应按破损阶段法对构件截面强度进行验算。

结构抗裂有要求时，对混凝土应进行抗裂验算。

5.2 隧道结构计算方法本隧道结构计算采用荷载结构法。

其基本原理为：隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。

计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按照弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌结构的内力，并进行结构截面设计。

5.3 隧道结构计算模型本隧道衬砌结构验算采用荷载—结构法进行验算，计算软件为ANSYS10.0。

取单位长度（1m）的隧道结构进行分析，建模时进行了如下简化处理或假定：①衬砌结构简化为二维弹性梁单元（beam3），梁的轴线为二次衬砌厚度中线位置。

②围岩的约束采用弹簧单元（COMBIN14），弹簧单元以铰接的方式支撑在衬砌梁单元之间的节点上，该单元不能承受弯矩，只有在受压时承受轴力，受拉时失效。

计算时通过多次迭代，逐步杀死受拉的COMBIN14单元，只保留受压的COMBIN14单元。

图5-1 受拉弹簧单元的迭代处理过程③衬砌结构上的荷载通过等效换算，以竖直和水平集中力的模式直接施加到梁单元节点上。

④衬砌结构自重通过施加加速度来实现，不再单独施加节点力。

⑤衬砌结构材料采用理想线弹性材料。

⑥衬砌结构单元划分长度小于0.5m。

隧道结构计算模型及荷载施加后如图5-2所示。

5.4 结构检算及配筋本隧道主要验算明洞段、Ⅴ级围岩段和Ⅳ级围岩段衬砌结构。

根据隧道规范深、浅埋判定方法可知，Ⅴ级围岩段分为超浅埋段、浅埋段和深埋段。

Ⅳ级围岩段为深埋段。

根据所给的材料基本参数和修改后的程序，得出各工况下的结构变形图、轴力图、建立图和弯矩图。

从得出的结果可知，Ⅴ级围岩深埋段，所受内力均较大，故对此工况进行结构检算。

5.4.1 材料基本参数 (1)Ⅴ级围岩围岩重度318.5/kN m γ=，弹性抗力系数300/k MPa m =，计算摩擦角045ϕ=，泊松比u=0.4。

铁路隧道衬砌受力计算公式隧道是铁路线路中重要的组成部分，它可以穿越山脉、河流等地形障碍，使铁路线路更加通畅。

而隧道的衬砌是保证隧道结构安全稳定的重要组成部分。

在设计和施工隧道衬砌时，需要对其受力情况进行合理的计算，以保证其安全可靠。

在铁路隧道衬砌的受力计算中，需要考虑到多种因素，包括隧道的地质情况、地表荷载、车辆荷载等。

为了准确计算隧道衬砌的受力情况，需要使用一定的公式和方法。

首先，我们来看一下隧道衬砌的受力计算公式：1. 地表荷载的计算公式：地表荷载是指地表以上的荷载，包括建筑物、交通载荷等。

在铁路隧道衬砌的设计中，需要考虑地表荷载对衬砌的影响。

地表荷载的计算公式为：P = qA。

其中，P为地表荷载，q为单位面积的地表荷载值，A为地表面积。

2. 车辆荷载的计算公式：铁路隧道是铁路线路的一部分，车辆荷载是指通过隧道的列车对隧道衬砌的荷载。

车辆荷载的计算公式为：P = qL。

其中，P为车辆荷载，q为单位长度的车辆荷载值，L为车辆长度。

3. 地质荷载的计算公式：地质荷载是指地下岩层对隧道衬砌的荷载。

地质荷载的计算公式为：P = γh。

其中，P为地质荷载，γ为岩层的密度，h为岩层的厚度。

在实际的隧道衬砌设计中，需要综合考虑地表荷载、车辆荷载和地质荷载对隧道衬砌的影响，进行合理的受力计算，以保证隧道衬砌的安全可靠。

除了上述的受力计算公式外，还需要考虑到隧道衬砌的材料和结构形式对受力的影响。

隧道衬砌的材料通常为混凝土、钢筋混凝土等，其受力性能需要通过实验和理论分析进行评定。

而隧道衬砌的结构形式包括单壁式、双壁式、拱形等，不同结构形式对受力的分布和传递方式有所不同，需要进行详细的计算和分析。

在进行隧道衬砌受力计算时，还需要考虑到温度变化、地震荷载等外部因素对隧道衬砌的影响。

温度变化会导致隧道衬砌的膨胀和收缩，地震荷载会对隧道衬砌产生冲击和振动，这些外部因素需要进行合理的考虑和计算。

总之，铁路隧道衬砌受力计算是一个复杂的工程问题，需要考虑多种因素的综合影响。

隧道复合式衬砌受力分析及施工优化论述摘要：近年来，以客运专线为重点的全国铁路网建设已经全面展开并得到了蓬勃发展，铁路隧道建设数量和总长度均位居世界第一。

隧道建设规模的日益扩大与隧道建设理论不完善的矛盾日益突出，以经验设计方法为主导的隧道设计理论将迎來巨大的挑战。

本文重点关注隧道二次衬砌支护结构，通过理论分析、工程试验和数值计算相结合的技术手段对二次衬砌结构力学特性展开深入研究，对二次衬砌结构设计方案的优化提供借鉴。

（1）通过理论计算机ANSYS数值模拟得到，在V级围岩结构中，衬砌在拱顶及拱腰位置大偏心受压，安全系数最低，最容易产生破坏。

（2）通过在大尖山隧道现场进行的二次衬砌背后受力监控量测，深入分析了二次衬砌背后受力的时空分布特点，指出在二次衬砌拆模时，此时初支、二次衬砌间的接触压力达到峰值，二次衬砌处于最不利受力状态；通常在二次衬砌拆模后一周左右的时间，二次衬砌受力达到稳定；指出由于拱顶混凝土填充不密实，二次衬砌拱顶处接触压力较小。

（3）综合数值模拟及现场实测数据结果分析，针对二衬受力薄弱环节及传统二衬施工工艺不足的问题，对二衬浇筑工艺进行了全面优化设计，对同类工程的修建具有较好的借鉴作用。

关键词：隧道；二次衬砌；数值模拟；监控量测一、复合式衬砌受力研究目前多数的隧道工程衬砌设计仅是针对支护结构中的二次衬砌，采用荷载结构模式，让衬砌承受来自围岩的主动与被动荷载，按照现行规范中已制定的深埋按照塌方高度计算、浅埋按照临界高度来计算的荷载计算方法，验算衬砌强度，优选合理的衬砌厚度或配筋率。

随着新奥法的引入和岩体力学的发展，地层结构法开始被应用，隧道围岩不再被单纯地看作荷载，也被看成是隧道支护系统的组成部分，将隧道围岩、荷载与支护结构视为三位一体的系统。

传统的矿山法也采用与喷锚构筑法类似的喷锚支护体系，只是把喷锚支护当作了取代传统支架作为确保施工安全的一种临时支护措施，而模筑混凝土衬砌的厚度依然如故，这不能不说是一种巨大的浪费，基于喷锚构筑法的二次衬砌作为保障安全储备的必要手段，比之传统意义上的模筑衬砌厚度应有所减薄，保证隧道安全的情况下在造价上也会有所降低。

关于复合式衬砌整体计算模型的思考关于复合式衬砌整体计算模型的思考刘浩1,章慧健2,3,张万斌1,曹林卫1,胥犇1 (1.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司,重庆401121；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 成都610031；3.西南交通大学土木工程学院,成都610031) 摘要：复合式衬砌传统计算方法常忽略初期支护内力计算及其安全性检验,二次衬砌所承担的围岩荷载根据围岩条件进行经验确定。

针对其不足,提出适用于复合衬砌的整体计算模型,并通过实例计算分析传统计算模型与整体计算模型下内力产生差异的原因。

围岩与初支间接触的模拟需考虑其法向及切向约束作用。

软弱围岩对初衬的最大剪切约束力与围岩的黏聚力、内摩擦角及两者所传递的法向压力有关,当围岩与初衬间的剪切力大于最大剪切约束力后,软弱围岩所能发挥的剪切约束与剪切位移、摩擦系数及两者所传递的法向压力有关。

因防水板的设置,初衬与二次衬砌仅需考虑其法向约束作用,以仅受压弹簧模拟围岩与初衬及初衬与二次衬砌间的法向约束,可较为真实地模拟接触受压后方能传递压力的特性。

传统计算模型下,围岩荷载承担比例的增加对衬砌内力分布形式影响较小,衬砌内力值与围岩荷载基本成同比例变化；整体计算模型下,围岩荷载在初衬与二次衬砌间进行自适应分配,衬砌所受荷载大小及分布形式与传统计算模型下的荷载具有较大差异,因此内力大小及分布形式也随之发生变化。

关键词：隧道；复合式衬砌；传统计算方法；整体计算模型；受压弹簧；ANSYS 我国隧道领域复合衬砌的传统设计计算往往根据围岩情况将折减后的围岩荷载作为二次衬砌的设计依据,而对初期支护的安全性常予以忽略。

《公路隧道设计细则》[1]中给出了双车道公路隧道释放荷载分担比的建议值，Ⅳ、Ⅴ级围岩中的二次衬砌分担荷载比的取值范围分别为0.4～0.2、0.6～0.8,但荷载分担比的具体取值具有一定的人为主观性。

《公路隧道设计细则》[1]中表明：围岩条件较差(Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级)时,衬砌计算可不考虑围岩的自我承载能力,围岩荷载全部由初期衬砌及二次衬砌承担,围岩对衬砌具有一定的约束作用。

第四章隧道衬砌荷载计算4.1围岩压力4.1.1围岩压力的概念地下硐室不同于地面建筑，位于岩体介质中，因此应当把围岩视为支护结构的共同承载部分，也就是说，应由支护结构（无论是临时的或永久的）和围岩共同组成静力承载体系。

围岩的静力作用是十分重要的，如果没有这种作用，硐室的施工将是十分困难或者是不可能的。

实际上在岩体中开挖硐室，出现围岩二次应力，同时硐室相应的产生变形和位移。

不同的地质条件和工程条件下，硐室围可能出现两种情况：①硐室的变形属于弹性变形，在无支护情况下仍然能够维持稳定；②硐室的变形属于非弹性变形，由于围岩继续变形导致其破坏，甚至出现大量的塌落，这时就需要支护结构来约束围岩变形的继续扩展，因而支护结构受到围岩变形时产生的压力。

围岩二次应力全部作用称为围岩压力。

围岩二次应力的作用在无支护硐室中出现在硐室周围的部分区域内；在有支护结构（临时的或永久性支护）的硐室中表现为围岩和支护结构的相互作用。

目前一般工程认为的围岩压力是指由二次应力使围岩产生变形或破坏所引起的作用在衬砌上的压力，这种概念实际上是属于狭义的围岩压力。

4.1.2围岩压力的形成关于围岩压力的形成机理以及随时间发生、发展的过程可用奥地利腊布塞维奇教授的剪切滑移破坏理论来说明。

若围岩没有受到其他硐室的影响，且开挖爆破过程中没有受到破坏，则硐室周围的围岩压力随着时间的发展可以分为三个阶段，只讨论在岩体内最大压应力为垂直方向的情况。

在第一阶段，由于岩体的变形，在硐室的周围边界上产生一般的挤压。

同时，在两侧岩石内形成楔形岩块，在两个楔形岩块有向硐室内部滑移的趋势，从而侧向产生压力，这种楔形岩块是由于两侧岩石剪切破坏而形成的。

在第二阶段，在侧向楔形块体发生某种变形以后，硐室的跨度似乎增大。

因此，在岩体内形成了一个垂直椭圆形的高压力区，在椭圆曲线与硐室周界线间的岩体发生了松动。

在第三个阶段，硐顶和硐底的松动岩体开始变形，并向硐内移动，硐顶松动岩石在重力作用下有掉落的趋势，围岩压力逐渐增加。

隧道设计衬砌计算范例(结构力学方法)1.1工程概况川藏公路二郎山隧道位于四川省雅安天全县与甘孜泸定县交界的二郎山地段, 东距成都约260km , 西至康定约97 km , 这里山势险峻雄伟, 地质条件复杂, 气候环境恶劣, 自然灾害频繁, 原有公路坡陡弯急, 交通事故不断, 使其成为千里川藏线上的第一个咽喉险道, 严重影响了川藏线的运输能力, 制约了川藏少数民族地区的经济发展。

二郎山隧道工程自天全县龙胆溪川藏公路K2734+ 560 (K256+ 560)处回头, 沿龙胆溪两侧缓坡展线进洞, 穿越二郎山北支山脉——干海子山, 于泸定县别托村和平沟左岸出洞, 跨和平沟经别托村展线至K2768+ 600 (K265+ 216) 与原川藏公路相接, 总长8166km , 其中二郎山隧道长4176 m , 别托隧道长104 m ,改建后可缩短运营里程2514 km , 使该路段公路达到三级公路标准, 满足了川藏线二郎山段的全天候行车。

1.2工程地质条件1.2.1 地形地貌二郎山段山高坡陡,地形险要,在地貌上位于四川盆地向青藏高原过渡的盆地边缘山区分水岭地带,隶属于龙门山深切割高中地区。

隧道中部地势较高。

隧址区地形地貌与地层岩性及构造条件密切相关。

由于区内地层为软硬相间的层状地层,构造为西倾的单斜构造,故地形呈现东陡西缓的单面山特征。

隧道轴线穿越部位,山体浑厚,东西两侧发育的沟谷多受构造裂隙展布方向的控制。

主沟龙胆溪、和平沟与支沟构成羽状或树枝状,横断面呈对称状和非对称状的“v ”型沟谷,纵坡顺直比降大,局部受岩性构造影响,形成陡崖跌水。

1.2.2 水文气象二郎山位于四川盆地亚热带季风湿润气候区与青藏高原大陆性干冷气候区的交接地带。

由于山系屏障,二郎山东西两侧气候有显著差异。

东坡潮湿多雨,西坡干燥多风,故有“康风雅雨”之称。

全年分早季和雨季。

夏、秋两季受东进的太平洋季风和南来的印度洋季风的控制,降雨量特别集中；冬春季节,则受青藏高原寒冷气候影响,多风少雨,气候严寒。