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行业动态

隧道与地下工程设计理论与方法
发布时间:2022年06月12日

设计理论

目前,地下工程结构设计理论的发展大概经历了三个阶段:第一阶段,古典设计理论阶段;第二阶段,荷载结构理论(散体压力理论)阶段;第三阶段,连续介质理论阶段(共同作用理论阶段)。

在地下工程结构计算理论研究的发展过程中,后期提出的计算方法一般并不否定前期的研究成果。鉴于岩土介质的复杂多变性,这些计算方法一般都有各自的适用场合,但都带有一定的局限性。目前,我国在地下工程的结构计算中,采用较多的仍是以散体压力理论为基础的荷载 - 结构法,原因是:一方面该理论发展时间较长,应用中有较多经验;另一方面,该计算理论形式简单,比较容易为工程设计人员所掌握。


设计方法

隧道及地下工程结构的设计方法主要有工程类比法、荷载 - 结构法、地层结构法、信息反馈法、综合设计法和针对地震荷载的动力设计法6 种类型。

国际隧道协会于 1978 年曾成立结构设计模型研究组(working group on structural design models),收集和汇总了各国会员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。

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设计的方法。

2) 收敛 - 约束法:也称特征曲线法。以现场量测和室内试验为主的实用设计方法。

3) 荷载 - 结构法:以作用、反作用模型,采用结构力学理论进行设计的方法,例如,弹性地基圆环计算、弹性地基框架计算、温克尔假定的链杆法等计算方法。

4) 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。

每种设计模型或方法各有其适用的场合,也各有自身的局限性。由于地下结构的设计受各种复杂因素的影响,围岩变形破坏机制与相应理论还不成熟,因此,工程类比法和链杆法是目前主要的设计方法。

盾构管片设计计算方法

作为盾构隧道支护的管片衬砌,不管是在单层衬砌形式下作为仅的永久结构承载或双层衬砌形式下与二衬复合承载,都是隧道的主要承载结构,直接关系到结构的使用功能、安全性和耐久性。现阶段国内已经有了大量工程实践经验,在此基础上,有必要对其受力形态和相关的计算方法进行评述和思考。

首先,盾构隧道和常见的地下工程一样,也涉及结构本体和地层之间相互作用关系的拟合问题,常用的有两种模型:地层 - 结构模型和荷载 - 结构模型。

另外,在盾构隧道中管片作为一个多接头的预制拼装混凝土构件(极少数为钢构件或铸铁构件),拼装是其施工工艺和结构受力的一个最主要特征。其结构形式不同于我们常见的矿山法隧道或明挖法隧道,结构既不是均质的,也不是连续体,这就造成计算模型和方法的复杂化。具体说来,管片衬砌环的不同分块、接头的不同构造、环与环间接头的不同分布都对结构的受力和变形产生不同的影响,因此实际分析中对管片接头的不同拟合方式就形成了多种不同的计算方法。其中以荷载 - 结构模型为基础的修正惯用设计法和梁 - 弹簧模型法应用最为广泛。

洞门及洞口段设计

在洞门及洞口段设计上,由洞门、明洞和洞口内浅埋段组成。 19 世纪 50 年代初以端墙式和翼墙式两种挡土结构为主,明洞则以拱形为主。洞门形式有端墙式、柱式、翼墙式、耳墙式、台阶式等。洞门的设计主要考虑功能的需要,从力学和安全的角度出发,按标准图模式,为适应地形变化作一些小修改,而在结构形式上创新少。几十年来,洞门的结构形式未发生多大变化,仍以端墙式和翼墙式为主,因此,需要修建一段路堑进洞,必要时还要加筑洞口挡墙、翼墙等挡土结构,以保持边、仰坡的稳定。这种做法不可避免地对洞口山体稳定性和植被产生破坏,设计要考虑生态和环保的有关要求。

随着人们环保意识的提高和隧道施工技术的进步,已出现一大批不开挖边、仰坡的洞口结构形式。采用隧道早进晚出,设计了许多凸出式、无洞门的结构形式,极大地减少了施工对山体地扰动破坏,对保持洞口山体稳定和保护环境有重要意义。

洞门的设计,已不仅仅停留在结构的功能上,而是应将环境、美学、力学融为一体,使洞门的设计与周围环境融为一体,形成一道美丽的风景,洞门设计力求达到建筑学、园林学、环境美学和力学的优秀统一 。