隧道工程论文

隧道工程论文

为期九周的隧道工程课程终于结束了，通过这一段时间对隧道的学习,我受益匪浅。课上闫老师系统地为我们讲解了隧道工程各项内容，包括隧道的勘测设计、主体及附属结构、围岩分级及围岩压力、隧道的支护结构计算以及隧道的施工方法等等，再加上自己暑期也在隧道施工现场实习过一段时间，所以，自己对隧道工程的理解得到了进一步的加深。这次，老师布置的隧道论文是描述隧道的四种结构设计模型。虽然这四种结构设计模型我们在课堂学习的比较少，但是通过查阅相关的资料，我大概知道了隧道的主要设计模型及其相关内容，这四种模型包括作用——反作用模型、收敛——约束模型、连续体模型和工程类比法模型。虽然对这四种模型没有进行深入的学习，但是结合课堂知识，以及自己的理解，再联系相关的资料，我对此有了一定的认识。下面就对这四种模型一一进行阐述。

连续体（或不连续体）模型

七十年代中期以来，随着电子计算机的广泛应用，特别是有限元，边界元，杂交元的等方法的推广，为连续体模型在隧道中的应用创造了条件。喷锚支护这类以“主动”加固岩体为机制的支护型式，以及以这种新型支护技术为背景的新奥法的应用，使连续体模型得以发展。在这种模型中，围岩和支护系统不再作为相互作用的两个方面，而是作为一个联合系统加以考虑，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。在荷载反力模型和收敛约束模型中，主要检算对象是衬砌支护系统。在连续体模型中，计算的对象主要是岩体本身。这种连续体模型，在强调围岩支护共同作用的同时，目前国内外尚无与之相对应的安全度评价标准，缺乏明确的定量设计依据以及围岩稳定性判据，以致在进行洞室的有限元计算得到支护应力及围岩塑性区范围后，无法判定设计的支护强度是否合理。近年来，追求高精度、能考虑多种因数的有限元电算，已经成为各设计和研究部门的首选，许多大型重要工程都用了不止一种有限元程序进行电算。本来采用有限元等方法是一种更精确的定量分析方法，但其计算结果多数都没有用到工程实践上，只能为设计人员和方案决策者提供一个定性的参考，往往求得的只是一种心理上的安全感，面对研究部门提供的科研成果和现行设计规范之间的差异，工程设计人员感到茫然而不知所从。

为了将连续体模型得出的计算结果能够为工程设计人员所用，有人提出了用相应的数值积分理论将连续体模型求得的有限元高斯积

分点上的应力、转换为结构截面内力的计算方法，反推出衬砌支护结构的弯矩、轴力、剪力等内力值，以利于工程设计人员“照章办事”。这似乎又回到了荷载结构模式，或者说连续体模式并未真正摆脱荷载结构模式，衬砌结构又成了主要的承载结构，而对于岩体结构的状态无法评价。

喷锚支护作为现行隧道设计中常用的重要支护手段，其支护效果的有效性是众所周知的，可以说，由于喷锚支护在隧道工程中的推广应用，促进了隧道设计与施工技术的根本性变革。但是，理论上对它的研究，还不能真正解释它们为何有如此巨大的作用。按照通常的支护抗力法考虑，喷锚支护对围岩提供的支护抗力是非常有限的，基于弹塑性理论采用连续体模型有限元法计算的围岩塑性区半径和位移，并没有因喷锚支护的施做而使计算结果有明显的改善。计算结果与实际效果的明显背离，足以使我们对这种结构设计计算模型中的喷护结构的简化处理的合理性产生怀疑，这也许是计算结果目前仅能作定性参考的根源所在。

理论研究的滞后困扰着新技术的推广应用，但是，不能因此而否定理论工作者在这方面的诸多努力，他们把有限元，边界元、离散元，杂交元、甚至神经元网络等计算方法引入到隧道工程，在隧道工程结构计算中考虑了弹、塑、粘以及反映岩体不可逆、剪胀、应变软化、各项异性等种种不同情况。这些目前看来还只能算是“学院式”的研究成果，其深奥的理论和目前仅可作定性参考的计算结果，也许在将来会逐渐发现他们的利用价值，这也意味着今后在这方面的努力绝不可能一蹴而就。

作用——反作用模型

作用——反作用模型，也就是荷载--结构模型。荷载—结构模型是我国隧道设计规范中推荐采用的一种结构力学法。其特点是考虑地下结构朝向围岩变形的区段上将受到围岩的被动（弹性抗力）作用，其中局部变形理论（温克勒假定）认为地基的沉陷仅与该点的应力成正比。在此类模型计算中，认为围岩压应力的来源是坍塌岩块的重量。采用这种设计计算模型，方法简单，工作量小，具有明确的安全系数评价方法。结构设计人员采用这种方法设计计算时，依据规范而行，比较有信心和把握。我国铁路隧道结构设计中，大量采用的隧道衬砌标准图，就是基于这种理论而编制的，它构成了我国铁路隧道结构设计的基础。

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坍塌，支护结构主动承担围岩“松动压力”的情况。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产生的松动压力)，以及围岩给支护结构的弹性抗力。一旦这两种荷载都求出之后，剩下的就只是运用普通结构力学方法求出超静定结构的内力和变形了。

收敛——约束模型

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。若采用的支护刚度过大，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。

收敛一约束模式被国际隧协归纳为以测试为依据的实用方法，监控量测动态设计和反分析被日益广泛应用，映证了这一归纳的正确性。但是，地层属于灰色系统，它的很多复杂条件，特别是与支护相互作用的很多过程我们还没有清楚认识。灰色系统所包含的知识不完善性，随机不确定性和模糊不确定性在隧道与围岩中都能体现出来。监控量测得到的信息就有很强的随机性。进行反分析和稳定判别中也具有明显的模糊不确定性和知识不完善性。忽视这些随机性和不确定性而将量测信息作为定值处理，显然容易与客观实际发生重大偏离，或不能反映真实的客观状况。因此，在应用收敛—约束模型过程中重视这些随机性，结合概率数理统计方法，用概率来反映支护系统发挥功能的状况就更为必要和具有实际意义。具体来说就是将前边所述的通过位移判别隧道稳定性的方法和位移反分析方法用概率加以深化，尽量将各种随机性和不确定性的影响反映出来，使之更接近实际。

工程类比法模型

隧道界的教授、专家，特别是有经验的高级工程师，不免发出这样的感慨：隧道工程与其说是一门科学，倒不如说是一门艺术（自然它是一种基于科学基础上的经验艺术）。工程类比法在我国甚至世界隧道及地下工程的设计领域任然占据主导地位。我国已经成功修建的长14.295Km的大瑶山隧道，以及已经建成的我国最长的秦岭隧道（18.46Km）其跨世纪的宏伟自不必说，但在结构设计中毫不例外地