衬砌计算

衬砌计算

9．2．1 深埋隧道中的整体式衬砌通常用于自成拱能力差的Ⅵ级围岩，浅埋隧道中的衬砌及明洞衬砌上方的覆盖层通常不能形成卸载拱，故均应按荷载结构模型设计。程序软件方面，国内自行研制的专用软件有“GeoFBA”、“2D-σ”、“3D-σ”等。

复合式衬砌的二次衬砌理论上应按地层结构法计算，然而由于以往有对其采用荷载结构法计算的经验，因而本条提出也可采用荷载结构法计算。

9．2．2 模型试验及理论分析表明，隧道衬砌承载后的变形受到围岩的约束，从而改善了衬砌的工作状态，提高了衬砌的承载能力，故在计算衬砌时，应考虑围岩对衬砌变形的约束作用。

采用荷载结构模型设计时，规定通过设置弹性抗力考虑围岩对衬砌变形的约束作用。

弹性抗力、粘结力均属围岩对衬砌的约束力。鉴于迄今对粘结力作用的研究不多，故通常仅按弹性抗力计算，而将粘结力对衬砌结构的有利作用视为安全储备。

为简化计算，弹性抗力的摩擦力对衬砌内力的影响也不考虑，即也视为衬砌结构的安全储备。

9．2．3 基底围岩过于松软时，有先做仰拱稳定坑道底部，然后再建边墙的施工方法，这时应考虑仰拱对隧道衬砌结构内力的影响。如果仰拱在边墙之后修建，一般不需计算仰拱的作用。但若遇到在隧道竣工后，围岩压力增长仍较显著的地层，则亦需考虑仰拱对结构内力的影响。

模筑衬砌考虑仰拱对结构内力的影响时，仰拱按弹性地基上的曲梁计-箅。

9．2．4 表9．2．4—l和表9．2．4-2所列数值主要参照《铁路隧道没计规范》(TBJ 10003)，这些安全系数是以我国41条已建及新建的近400座铁路隧道的调查及实践经验为基础提出的，且结构基本上是安全的。因此，可以认为，在结构计算理论和材料指标没有较大变动的情况下，这些安全系数值基本上是合适的。特别是根据地下建筑的特点(如衬砌施工条件差、质量不易保证、作用变异大、结构计算简图与实际受力状态有出入等)，结构强度安全系数的取值应较地面结构略有提高，以保证隧道建筑物在正常设计施工条件下具有必要的安全储备。

检算施工阶段强度时，因隧道衬砌和明洞结构处于施工阶段的时间比使用阶段短得多，围岩压力等荷载一般不会立即达到使用阶段的最大值，且在检算施工阶段强度的计算假定中，受力较好的空间结构常被简化为内力较大的平面结构，一些对衬砌受力有利的因素，如工作缝的粘结强度、围岩的阻抗及衬砌与围岩的粘结作用等常忽略或取很小的数值，故本规范规定对施工阶段安全系数可按使用阶段的值乘以折减系数0．9后采用。

9．2．5 由于岩土体介质的性质通常具有明显的不确定特征，岩土工程问题分析中经验常起主导作用，因而本规范规定I～Ⅴ级围岩中复合式衬砌的初期支护主要按工程类比法设计，即参照已往工程实例确定支护参数。

经验表明，I-Ⅲ级围岩具有较强的自支承能力，对其施作薄层喷射混凝土和少量锚杆后即可保持稳定，因而不必计算；IV、Ⅴ级围岩则在根据经验选定支护参数后仍需进行检验计算。

对Ⅳ、Ⅴ级围岩中的初期支护，采用连续介质力学的有限元方法，按地层结构设计模型

计算内力和变形的理论与方法已较成熟，且这类方法可较好模拟开挖施工步骤的影响，因而本规范规定采用这类方法计算。国内自行研制的程序软件参见9．2．1的条文说明。同济大学对宜兴抽水蓄能电站的岩屑砂岩进行的试验表明，经锚杆支护加固后围岩结构面的内聚力c值可提高l0倍以上。鉴于目前进行的试验尚少，以及岩体的参数值低于岩样，计算时可令内摩擦角φ值保持不变，并参照已往经验将c值提高20％-30％，体现锚杆支护的作用。确定具体比例时，对Ⅳ级围岩取较小的值，Ⅴ级围岩取较大的值。采用地层结构法计算时，可通过对释放荷载设置释放系数控制初期支护的受力，以使初期支护和二次衬砌能按较为合理的分担比例共同承受释放荷载的作用。具体分担比例可参考表9-1选定。

9．2．6 复合式衬砌的二次衬砌用于；I—Ⅲ级围岩时，由于初期支护作为永久结构巳可使围岩保持稳定，因而二次衬砌可按构造要求选定厚度，不必进行验算。对于Ⅳ、Ⅴ级围岩，二次衬砌应按承载结构进行力学分析，计算原理和方法与同类围岩中的初期支护相同。然而，由于已往有对其采用荷载结构法计算的经验，因而对其也可采用荷载结构法计算。

9．2．7 由于岩层性质具有明显的随机性特征，工程设计中按地质资料选用或按规范查取的围岩地层特性参数值仍与工程实际有差异，因而本规范规定在隧道开挖后，应根据在施工现场进行的监控量测对其作修正。

9．2．8 表9．2．8参照国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB 50086)拟定。该表主要依据国内一些地下工程的测试实例制定，具有—定的实用性。但因受实际工程的时间和数量的限制，特别是岩层性质具有多变性和复杂性，表内所列数据不可能很准确，因此需要在施工实测中根据资料进行适当修正和补充。

9．2．9 鉴于本规范规定对隧道衬砌须按满足正常使用要求计算，因而列入本条规定。其余参见9．1．1条的说明。

9．2．10 对隧道衬砌和明洞混凝土偏心受压构件偏心距的要求规定的用词为“不宜”，其理由是：

1 当检算衬砌截面强度时，应同时满足安全系数和偏心距的要求。但在一般情况下，安全系数易于满足，偏心距则往往超出限值，这时如拱轴线不易调整，为了满足偏心要求，

必须加厚衬砌截面，而这常是不合理的。

2 隧道衬砌刚度大，且衬砌背后一般均密实回填，衬砌结构通常不会因偏心大而失去稳定。

3 已往计算衬砌时，实际算得的偏心距略超出容许偏心距亦未出问题，这主要是衬砌使用阶段与破坏阶段有距离，故在衬砌使用阶段不容许出现裂缝的前提下，对偏心距设有必要作过严的限制。

目前国内地下建筑设计混凝土衬砌时，很多部门和单位均不计偏心。本规范对衬砌截面的偏心距仍作出规定，目的是使衬砌结构形式选择合理，以充分发挥混凝土的抗压能力。因为当偏心距超过一定数值后，衬砌截面系抗拉强度控制，而混凝土的抗拉强度远远低于其抗压强度，随着偏心距的增加，衬砌截面的承载能力将显著降低，故除满足强度要求外，对偏心距也应适当加以控制。当衬砌截面强度符合要求，而偏心距超出规定较多时，宜适当调整拱轴，使衬砌结构形式趋于合理。如拱轴不能调整，则可放宽偏心要求，而不宜加厚衬砌截面。

9．2．11 构件偏心受压时，由于合力作用点偏离截面核心，承压面积减少，部分截面还可能受拉等原因，承载能力将比轴心受压有所减小。偏心影响系数α的意义是混凝土构件偏心受压时的极限承载能力与同强度同截面尺寸混凝土构件轴心受压时的极限

承载能力的比值，用于体现由于偏心受压使构件极限承载能力比轴心受压降低的程度。由于实际情况复杂，影响因素较多，α与相对偏心距e。/h的关系实际上是一个随机过程，用简化

假定和理论计算难以全面概括和反映，较好的办法是通过大量试验找出其统计特征。本规范采用的表9．2．11—2的数值和α的计算公式是各种强度等级的混凝土、6种偏心距、300多根偏压和轴心受压试件的试验结果的统计特征。表9．2．11-1中所列纵向弯曲系数F值系参照《钢筋混凝土结构设计规范》拟定。

9．2．12 为与《钢筋混凝土结构设计规范》取得一致，式(9．2．12)中的系数采用1．75。为计算方便，本条对混凝土矩形截面偏心受压构件按本规范给出的混凝土抗压、抗拉极限强度(R a、R1)，安全系数及偏心影响系数值，导出抗压强度控制与抗拉强度控制的分界偏心e0取0．2h，此控制分界偏心的意义不是受拉区或受压区先破坏的实际分界偏心，而是判别抗拉或抗压控制的分界偏心。它不是依据试验得到，而是通过计算求得的，它的数值随N压—e0/h及N拉—e0/h曲线不同而不同，也随拉、压安全系数的比值R a／R1不同而变化。在此控制分界偏心处，抗拉和抗压承载力相等；在此分界偏心的两侧分别为抗压控制承载能力或抗拉控制承载能力，见图9—1。