大跨度山岭隧道结构设计方法_结构承载能力法

　文章编号:0451-0712(2000)05-0040-06

大跨度山岭隧道结构设计方法

——结构承载能力法

郭小红

(中交第二公路勘察设计研究院　武汉市　430052)

[摘要]　新奥法是现阶段隧道设计施工的首选方法,但是由于它只提出一些比较合理的原则与概念,在实际应用时,特别是在结构设计过程中很难把握,如作为结构一部分的围岩怎样参与作用,怎样对复合衬砌参数进行分析计算,如何将结构设计与新奥法的灵魂——监控量测统一起来等等。作为对大跨度山岭隧道设计方法的一种探索,本文指出:了解隧道各部分结构的承载能力是做好新奥法设计与施工的关键,并从结构承载能力与新奥法设计、结构承载能力与新奥法施工以及结构承载能力计算方法等方面对这种设计方法作了比较全面的阐述。

关键词　隧道　结构设计　新奥法　承载能力

文献标识码:B

概述

新奥法是应用现代岩体力学理论和充分总结已有地下工程经验的成果,其基本原则可归纳为如下几点:

(1)将围岩视为支护结构的一部分,充分利用围岩的自身承载能力;

(2)根据量测结果确定支护参数及支护施作时间;

(3)开挖断面要圆顺,开挖步骤要少,以尽量减少对周边岩体的扰动破坏;

(4)控制洞室周边变形,以减少松散荷载,同时又容许洞室周边围岩有限的变形,以减少周边变形荷载;

(5)衬砌必须是薄而柔性的结构。

从根本上讲新奥法并不是一种拿来即可用的理论,它只是提出了一些有关隧道设计与施工的合理原则,是一种隧道设计与施工的“新”概念。基于新奥法,设计人员要求将其基本原则贯穿到隧道结构设计中去,施工技术人员要能领会设计意图,遵照其原则进行施工,这要求设计和施工双方应有较高的技术素质。

公路隧道由于跨度大,防水要求高,一般均应用新奥法原理采用复合衬砌,这是因为现阶段隧道设计工程师已对其优越性取得共识,如喷锚初期支护能充分发挥围岩的自身承载能力,节约支护成本;先期施作的初期支护不仅为敷设防水层提供了较好界面,而且为保证二次衬砌质量提供了良好的施工条件;在监测指导下施工更加安全合理等等,特别是处于软弱围岩地段的大跨度公路隧道,更有必要应用新奥法原理来指导设计与施工。但是现今大多数隧道支护参数的拟定一般还是以经验类比为主,只是对处于软弱围岩地段的初期支护钢拱架与二次衬砌辅以必要的强度验算。尽管在隧道设计上遵循了一些新奥法的基本原则,但是由于新奥法先天性的理论不足,在实际应用时很难把握,如作为结构一部分的围岩如何发挥作用,怎样对复合衬砌参数进行分析计算,如何将结构设计与施工过程中的监控量测统一起来等等,因此这种设计方法的缺陷是很明显的:

(1)大跨度公路隧道结构设计不宜盲目应用“经验类比法”。应用经验类比法进行隧道结构设计必须具备一些条件,如地质条件相差不大,隧道跨度相近,施工方法相似等等。对于公路隧道来说,一方面近几年才开始大规模建设,很多经验还未进行及时

　公路　2000年5月　第5期 H IGHWA Y　M ay12000　N o15　

总结,可供参照的经验并不多;另一方面以铁路隧道作为公路隧道经验类比设计法的类比对象也不合适,这不仅是因为隧道跨度相差较大,而且隧道形状相差也较大。

(2)这种设计方法只能对隧道结构的永久安全度作定性的检验,无法对结构在施工过程中的安全度进行评价,因此没有将设计与施工过程,特别是施工过程中的监控量测联系起来,导致了新奥法的灵魂——施工监测成了可有可无的东西。

(3)这种设计方法对结构在使用阶段的安全度也不能完全保证。一方面根据现代岩体力学理论,施加在隧道结构上的荷载与施工过程有关,结构施作越早,作用在结构上的荷载越大。另一方面荷载可能并不会按照设计比例分摊到初期支护与二次衬砌之上。特别是作为大跨度隧道结构设计工作重点的软弱围岩地段,荷载分配系数的变化很可能使结构处于很不利的工作状态。

1　隧道结构、结构的承载能力曲线与承载能力法隧道结构一般由喷锚初期支护与模注混凝土二次衬砌组成,如果岩体很差,在初期支护的喷混凝土中还必须设置钢拱架;如果围岩自稳时间较短,还必须考虑设置超前支护。这些支护,包括周边岩体,共同构成了隧道抵抗围岩变形与松散塌落的承载体系。因此隧道结构应该包含如下几个方面:

超前支护:超前锚杆,超前小导管,超前长管棚,超前注浆等等。

围岩:自然岩体,注浆岩体。

初期支护:喷射混凝土,钢筋网,系统锚杆,钢拱架等等。

二次衬砌:素混凝土,钢筋混凝土。

隧道各部分结构在一定条件下均具有维持洞室稳定的作用,也就是说各部分结构在一定条件下存在一定的抵抗周边荷载的能力,这就是结构的承载能力。隧道各部分结构的承载能力所依赖的条件是不一样的,如系统锚杆的承载能力不仅与自身长度及间距有关,而且与岩体物理力学参数、围岩的侧压力系数以及弹性抗力系数等等密切相关;而初期支护钢拱架的承载能力则与围岩侧压力系数以及弹性抗力系数关系最大。

在实际工作中,对于某一类型的围岩,其物理力学参数,弹性抗力系数以及作用在结构上的荷载侧压力系数等等均存在一定程度的测不准,一般只能确定其变化范围。因此设计过程中给出的隧道各部分结构的承载能力必须是各相关参数在一定范围波动的变化曲线,以适应多变的实际条件。

隧道设计的结构承载能力法就是充分利用各部分结构的承载能力曲线指导隧道结构设计与施工,其相互关系见图1,这也是其与传统设计方法(仅进行特定条件下的强度校核)相比较最本质的差别。隧道结构的承载能力曲线是新奥法设计与施工的关键点,因为隧道结构的承载能力,也就是结构在相关条件下对洞室的容许支护压力,应用现代岩体力学理论就可以分析洞室的荷载,预测荷载的发展与变化,确定各部分支护的最佳施作时机等;同时结构的承载能力曲线使新奥法施工的监控量测工作有了坚实的基础,结构承载能力曲线提供了岩体各项参数在最可能的波动范围的连续值,通过施工过程的监控量测就可准确地确定影响结构承载能力的各项参数,从而确定结构在特定条件下的承载能力,根据预测或监测分析荷载就可准确了解结构的工作状态。而传统结构分析计算是针对围岩的特定物理力学参数,一旦实际检测值与分析采用值不符,就很难判断原来分析结果的可靠性

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图1　隧道结构承载能力曲线与隧道设计及施工的关系

2　结构的承载能力曲线与隧道荷载分析

无特殊地质条件时,作用在隧道结构上的围岩荷载可分为松动荷载与变形荷载,松动荷载又可分为初始爆破松动荷载,后期爆破松动荷载及变形松动荷载;变形荷载又可分为弹性变形荷载、塑性变形荷载及蠕变变形荷载。

松动荷载可应用多种经验公式计算,如普氏公式,太沙基公式等等,一般情况下可采用《公路隧道设计规范》所推荐的经验公式。变形荷载在软弱围岩地段及地应力较大时表现比较明显,与结构的承载

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