隧道结构设计模型概述

隧道结构设计模型概述

摘要：目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下四种设计模型：○1以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法；○2以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法如收敛——约束法。○3作用与反作用模型，即荷载—结构模型○4连续介质模型，包括解析法和数值法。针对各种模型特点谈谈一下对该四种模型的认识。

1隧道结构体系设计计算模型的建立原则

对于均匀介质中的圆形隧道，当它处于平面轴对称状态时，将围岩与支护结构的相互作用问题抽象为支护需求曲线和支护补给曲线的收敛—约束关系，从而求出围岩与支护结构达到平衡时的支护阻力Pa。有了这个值就可以计算出围岩和支护结构的应力状态。由此可以看出，即使对于如此理想的问题，都需要事先将研究对象的几何形状、初始应力状态、开挖和支护过程、岩体和支护结构的物理力学特性等条件转换为数学力学模型，然后运用数学力学方法求出模型的、作为设计标准的特征值(如应力、位移或极限荷载等)。一个理想的隧道工程的数学力学模型应能反映下列的因素：

①必须能描述有裂隙和破坏带的，以及开挖面形状变化所形成的三维几何形状。

②对围岩的地质状况和初始应力场不仅要能说明当时的，而且还要包括将来可能出现的状态。

③应包括对围岩应力重分布有影响的岩石和支护材料非线性特性，而且还要能准确地测定出反映这些特性的参数。

④如果要知道所设计的支护结构和开挖方法能否获得成功，即想评估其安全度，则必须将围岩、锚杆和混凝土等材料的局部破坏和整体失稳的判断条件纳入模型中。当然，条件必须满足现行设计规范的有关规定。

⑤要经得起实际的检验，这种检验不能只是偶然巧合，而是需要保证系统的一致性。

这样的理想模型对于科学研究是十分必要的，因为只有准确地模拟围岩性质和施工过程，才能更好地了解围岩与支护结构的实际工作状态，作出符合实际的决策。然而这种理想模型的参数太多又不易精确测定，将各种影响因素都机械地转换到模型中来也是十分困难的。因此，理想模型还不宜直接用于设计实践，必须在可能的情况下，由理想模型推演出一些较简单的计算模型，或称为工程师模型。

2隧道结构体系的计算模型

国际隧道协会在1987年成立了隧道结构设计模型研究组，收集和汇总了各会员国目前采用的地下结构设计方法。经过总结，国际隧道协会认为，目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下4种设计模型：

2.1工程类比法

以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主，根据以往类似工程的实际经验，确定隧道与地下结构的形状、主体尺寸和衬砌厚度。在大多数情况下，隧道支护体系还是依赖“经验设计”的，并在实施过程中依据量测信息加以修改和验证。我们大致上可以发现在进行支护结构经验设计时，需要注意的几点的原则是：

○1首先对隧道围岩要有一个正确的分级。

○2在各类岩体中，支护结构参数大体是按下述原则选用的。

○3在施工中应尽量少损害围岩，使其尽量保持原有岩体的强度，因此，应采用控制爆破技术。

○4预计有大变形和松弛的情况下，开挖面要全面防护(包括正面)，使之有充分的约束效应，在台阶开挖时，上半断面进深不宜过长，以免影响整个断面的闭合时间。

○5二次衬砌通常是模筑的，在修二次衬砌之前要设防水层，形成具有防水性能的组合衬砌。

○6允许甚至希望岩石出现一定的变形，以减少为完成支护作用所需的防护措施。

○7制定详细周密的量测计划。通过量测，确定所建立的支护阻力是否和围岩类型相适应以及还需要什么样的加强措施等。

支护结构的施工顺序与正确地掌握岩体的时间效应很有关系。

2.2收敛—约束法

收敛—约束法也称特性曲线法，是一种采用测试数据反馈于设计的实用方法，通常以施工中隧道断面的变形量测值为依据。其要点为测绘洞室壁面径向压应力与径向位移的关系曲线与洞壁位移-时间曲线，它反映四个阶段：①围岩无约束自由变形；②从初期支护开始，变形由于受支护约束抗力的反作用而减缓；

③从仰拱完成开始，由于形成了封闭结构使变形速度大为降低；④最后变形稳定。若所采用的支护刚度较大，则地压急剧增长，若支护时间过晚，则出现松动地压。由此可见，支护时间和支护自身刚度及其与围岩接触好坏均影响到围岩的稳定和支护所受地层压力的大小。收敛变形曲线可供判断支护是否适当和变形是否趋于

稳定。此外，尚可配合现场和实验室的岩土力学试验和应力与应变测试以及实验室模型试验等，作为设计计算的依据。

与其它设计方法相比，收敛约束法有以下优点:

(1)通过对隧道进行简单的轴对称假设后，位于开挖面附近的围岩与支护的相互作用过程可简化成二维或一维的平面应变问题。

(2)基于此方法设计的洞室周边围岩变形更接近实际变形;

(3)能定量给出围岩支护系统在锚喷支护末期洞周收敛的概略值;

(4)通过控制围岩变形可直观地体现出支护效果。

但是，收敛约束法的基础离不开岩体材料的本构关系特性，它是该方法的要害所在。这些问题目前正在研究与探索，陆续有一些这方面的成果出现，其中仍有许多基础性问题，因此其应用程度存在一定的限制。

2.3连续介质模型

连续介质模型包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。

解析法中有封闭解和近似解。如圆形洞室的弹性力学解-基尔施解和圆形洞室的弹塑性解-芬纳－塔洛布公式。数值法目前以有限元法为主，尚有差分法、边界积分法等。有限元法将结构离散化为有限个单元，各相邻单元在共同的节点上为铰结，建立结构体系的总体刚度矩阵和平衡方程，按各节点位移推求各单元的应力。

从各国的地下结构设计实践看，目前，在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算模型，一类是以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型。另一类则相反，视围岩为承载主体，支护结构则为约束围岩变形的模型。前者又称为传统的结构力学模型。它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，故又可称为荷载-结构模型。在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支承约束支护结构变形的抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。这一类计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。所以说，利用这类模型进行隧道支护结构设计的关键问题，是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的是围岩所产生的松动压力，以及弹性支承给支护结构的弹性抗力。一旦这两个问题解决了，剩下的就只是运用普通结构力学方法求出超静定体系的内力和位移