淺談隧道結(jié)構(gòu)在山區(qū)長輸管道工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算方法

羅志書

摘 要：本文闡述了山區(qū)大口徑長輸管道工程設(shè)計(jì)過程中，在采用隧道結(jié)構(gòu)方式通過時(shí)，所采用的幾種設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：隧道；計(jì)算；方法

在山嶺地區(qū)，油氣管道采用隧道方式穿越，同管道順山勢(shì)敷設(shè)方式通過相比，隧道結(jié)構(gòu)穿越克服了高程和地形障礙，降低了管線施工難度，具有管道敷設(shè)位置穩(wěn)定、安全可靠、落差小、距離短、彎頭彎管小、管線安裝容易，征租地少、無須水工保護(hù)設(shè)施、減少對(duì)自然環(huán)境、植被的破壞、方便生產(chǎn)管理等優(yōu)點(diǎn)。本文就隧道結(jié)構(gòu)的幾種設(shè)計(jì)計(jì)算方法探討如下：

1 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法

1.1 荷載—結(jié)構(gòu)模型的建立

顯然，只要施工過程不能使支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍的巖石保持緊密的連接，有效地阻止圍巖變形和松弛的壓力，隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)荷載—結(jié)構(gòu)模型檢驗(yàn)。荷載—結(jié)構(gòu)模型是由巖體和坍塌破壞引起的豎向和側(cè)向活動(dòng)壓力的主要特征。但也有一些不同的方法來處理周圍的巖石和支撐結(jié)構(gòu)之間的相互作用：

①有源負(fù)載模型（圖1-1a）。在不考慮圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的過程中，在活動(dòng)荷載作用下，支撐結(jié)構(gòu)可以在活動(dòng)荷載作用下變形、計(jì)算原理和結(jié)構(gòu)的作用。該模型主要用于圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的“剛度比”的情況下，軟弱圍巖沒有“能力”來約束剛性襯砌的變形。

②有源負(fù)載加上圍巖的彈性約束的模型（圖1-1b）。圍巖不僅適用于支護(hù)結(jié)構(gòu)，而且還因?yàn)閲鷰r與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用。由于在非均勻分布的影響下，一部分支撐結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生對(duì)圍巖變形的影響，只要周圍巖層具有一定的剛度，就有必要對(duì)變形的結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，這就是所謂的彈性阻力，屬于被動(dòng)性。支撐結(jié)構(gòu)的另一部分是從圍巖變形的隧道中，不會(huì)引起彈性阻力，形成所謂的“走出去”。

對(duì)于①類模型，只要確定了作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)荷載，其余問題用結(jié)構(gòu)力學(xué)的一般方法（如力法、位移法）即可解決。

對(duì)于②類模型，除了上述的主動(dòng)荷裁外，尚需解決圍巖的彈性抗力問題。在圍巖上引起的彈性抗力的大小，目前常用以“溫克列爾（Winkler）假定”為基礎(chǔ)的局部變形理論來確定。它認(rèn)為圍巖的彈性抗力是與圍巖在該點(diǎn)的變形成正比的，用公式表示為：

σi=Kδi

式中的δi為圍巖表面上任意一點(diǎn)所產(chǎn)生的彈性抗力；σi為圍巖在同一點(diǎn)i的壓縮變形；K為比例系數(shù)，稱為圍巖的彈性抗力系數(shù)。

彈性阻力的大小和分布取決于支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與彈性阻力有關(guān)。按②類模型的內(nèi)力是一個(gè)非線性問題，采用迭代方法或線性假設(shè)是必要的。

1.2 李寧隧道結(jié)構(gòu)受力和變形特性

隧道襯砌在圍巖壓力下產(chǎn)生變形（如圖1-2）。在隧道拱頂中，圍巖變形是不受圍巖約束的，稱為“拆離帶”；圍巖變形受圍巖變形影響。因此，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的圍巖變形的雙重作用：既有積極的圍巖壓力，使襯砌結(jié)構(gòu)變形，又能防止被動(dòng)抵抗形成對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的變形。這種效果的前提是，周圍的巖石和隧道襯砌必須充分和密切接觸

1.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法

在荷載—結(jié)構(gòu)模型中，分析計(jì)算的對(duì)象是支護(hù)結(jié)構(gòu)，即襯砌。因此，要根據(jù)襯砌的受力特點(diǎn)，進(jìn)一步研究它的力學(xué)模擬和計(jì)算圖式的問題。由于隧道長度較之橫斷面尺寸要大得多，而且，又假設(shè)荷載和結(jié)構(gòu)特性沿隧道長度方向是不變的，因此，可以認(rèn)為隧道襯砌不會(huì)產(chǎn)生縱向位移，即處于平面變形狀態(tài)。

1.4 主動(dòng)荷載模式

1.4.1 彈性固定的無鉸拱

適用于這類計(jì)算模式的常有半襯砌。先拱后墻施工時(shí)，做好的拱圈在隧洞口前的工況就是這種半襯砌。這種拱圈的拱腳支承在彈性圍巖上，故稱彈性固定無鉸拱。半襯砌拱拱升跨比一般小，當(dāng)豎向荷載作用下，多數(shù)情況下，拱環(huán)是內(nèi)部的隧道變形，彈性阻力。

1.4.2 圓形襯砌

修建在軟土地層中的圓形襯砌，也常常按主動(dòng)荷載模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。承受的荷載主要有土壓力、水壓力、結(jié)構(gòu)自重和與之相平衡的地基反力。

1.5 主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模式

1.5.1 假定抗力圖形

該法的計(jì)算特點(diǎn)是假定抗力的分布范圍的分布規(guī)律，如上、下零點(diǎn)和最大值的位置。而抗力的最大值和結(jié)構(gòu)由主動(dòng)荷載與被動(dòng)荷載共同作用在該點(diǎn)產(chǎn)生的變位有關(guān)。因此這是一個(gè)非線性問題。只要能附加一個(gè)最大抗力點(diǎn)的抗力與其位移成正比為條件列出的方程即可求出最大抗力值和冗力。將主動(dòng)荷載與被動(dòng)荷載求出的內(nèi)力值進(jìn)行疊加，即為結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

1.5.2 局部變形地基梁法

局部變形地基梁法，由于拱形直墻襯砌內(nèi)力的特點(diǎn)，將拱圈和邊墻分為兩個(gè)單元分別進(jìn)行計(jì)算，在各自的計(jì)算中考慮相互影響。計(jì)算中拱圈視為彈性固定無鉸拱，邊墻視為雙向彈性地基梁。拱圈和邊墻受力變形的相互影響，表現(xiàn)為計(jì)算拱圈時(shí)，拱腳的變位應(yīng)取邊墻墻頂?shù)淖兾唬?jì)算邊墻時(shí)，墻頂?shù)某跏紬l件與拱腳的內(nèi)力和變位一致。

2 巖體力學(xué)方法

由于現(xiàn)代隧道施工技術(shù)的發(fā)展，可在隧道開挖后及時(shí)地給圍巖以必要的約束，抑制其變形，阻止圍巖松弛，不使其因變形過度而產(chǎn)生松動(dòng)壓力。此時(shí)，開挖隧道而釋放的圍巖應(yīng)變能將由圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)所組成的結(jié)構(gòu)體系共同承擔(dān)，隧道結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生應(yīng)力重新分布而達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

在隧道在結(jié)構(gòu)體系中，一方面，圍巖具有一定的支護(hù)力，這是由應(yīng)力調(diào)整引起的，從而達(dá)到了新的穩(wěn)定；另一方面，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)能防止圍巖變形，因此必須對(duì)圍巖進(jìn)行一個(gè)變量的調(diào)整。這種反應(yīng)力和周圍巖石的松動(dòng)壓力是非常不同的，它是支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖變形過程中的支撐壓力，它可以稱之為“變形壓力”。

目前對(duì)于這種模型求解方法有分析方法、數(shù)值法、特征曲線法三種。

2.1 分析方法

根據(jù)給定的邊界條件，該方法直接求解了平衡方程、幾何方程和物理方程。這是一個(gè)彈塑性力學(xué)問題，求解時(shí)，假定圍巖為無重平面，初始應(yīng)力作用在無窮遠(yuǎn)處，并假定支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖密貼，即其外徑與隧道的開挖半徑相等，且與開挖同時(shí)瞬間完成。由于數(shù)學(xué)上的困難，現(xiàn)在還只能對(duì)少數(shù)幾個(gè)問題（例如圓形隧道）給出具體解答。

2.2 數(shù)值方法

對(duì)于復(fù)雜的隧道，特別是圍巖的非線性特性，必須采用數(shù)值計(jì)算方法。該方法主要是指將有限元法分為圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)能量原理建立了整個(gè)系統(tǒng)的虛擬工作方程，也稱為剛度方程，從而系統(tǒng)對(duì)各節(jié)點(diǎn)的位移和應(yīng)力的單位。隧道結(jié)構(gòu)體系有限元分析的一般步驟為：結(jié)構(gòu)體系離散化（包括荷載的離散化）、單元分析（形成單元?jiǎng)偠染仃嚕?、整體分析（形成總體剛度矩陣）、求解剛度方程（求節(jié)點(diǎn)位移）、求單元應(yīng)力。

2.3 特征曲線法

特征曲線法也稱為“收斂—約束”法，是用圍巖的支護(hù)需求曲線和支護(hù)結(jié)構(gòu)的補(bǔ)給曲線以求得達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。特征曲線法的基本原理是：隧道開挖后，如無支護(hù)，圍巖必然產(chǎn)生向隧道內(nèi)的變形（收斂）。施加支護(hù)以后，支護(hù)結(jié)構(gòu)約束了圍巖的變形（約束），此時(shí)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受圍巖擠向隧道的變形壓力。

3 基于圍巖分類的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

在大多數(shù)情況下，隧道的支持系統(tǒng)還取決于“體驗(yàn)設(shè)計(jì)”，并在實(shí)施過程中，根據(jù)信息量進(jìn)行修改和驗(yàn)證。實(shí)證設(shè)計(jì)的前提是正確對(duì)隧道圍巖進(jìn)行分類，然后根據(jù)典型圖的支護(hù)結(jié)構(gòu)分類體系。

3.1 對(duì)隧道圍巖要有正確的分級(jí)

對(duì)隧道圍巖要有一個(gè)正確的分級(jí)，這些分級(jí)是根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，為隧道單獨(dú)編制的；大體上把隧道圍巖分為四個(gè)基本類型。即：

①完整、穩(wěn)定巖體；

②易破碎、剝離的塊狀巖體；

③有地壓作用的破碎巖體；

④強(qiáng)烈擠壓性巖體或有強(qiáng)大地壓的巖體。

3.2 參數(shù)的選用

在各類巖體中，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)大體是按下述原則選用的：

①完整，穩(wěn)定的巖體：錨桿長<1.5m，根數(shù)n=4～5根/m左右，從力學(xué)上看是不期待錨桿的，圍巖本身強(qiáng)度就可以支護(hù)坑道，但因有局部裂隙或巖爆等，用其加以構(gòu)造控制而已。

噴混凝土用于填平補(bǔ)齊，為確保洞內(nèi)安全作業(yè)應(yīng)設(shè)金屬網(wǎng)防止頂部巖石剝離。

②易破碎、剝離的塊狀巖體：這類巖體范圍較廣，還可細(xì)分為若干亞類。

錨桿長1.5～3.5m，n=10根/m左右，多數(shù)情況是長、短錨桿配合使用，短錨桿用脹殼式，長錨桿用膠結(jié)式。噴層厚0～10cm，穩(wěn)定性好些的用來填平補(bǔ)齊，也可只在拱部噴射，此時(shí)開挖正面無須噴射。金屬網(wǎng)與①同，特殊情況要采用可縮性支撐或輕型格柵鋼支撐。二次襯砌厚度約30～40cm，包括噴層在內(nèi)約40cm就可以了。

③有地壓作用的破碎巖體：錨桿長3.0～4.0m，有時(shí)用6.0m的全面膠結(jié)式，n=10根/m左右，這種圍巖視單軸抗壓強(qiáng)度與埋深壓力的比值，預(yù)計(jì)有塑性區(qū)發(fā)生時(shí)，從控制它的發(fā)展看，錨桿必須用噴混凝土等加強(qiáng)。噴層厚約15～20cm（拱部和側(cè)壁），視巖體破碎情況正面也要噴3cm左右。開挖進(jìn)度要注意，必要時(shí)控制在1m以下。二次襯砌厚度，包括噴層在內(nèi)為40～50cm，盡可能薄些。

④強(qiáng)烈擠壓性巖體或有強(qiáng)大地壓的巖體：在這種圍巖中施工是很困難的，要分臺(tái)階施工，限制分部的面積。錨桿長4.0～6.0m，n=15根/m左右。噴層厚20～25cm，正面噴3～5cm。必須采用可縮性支撐，間距約75cm。二次襯砌厚度按50cm考慮。在30天以內(nèi)斷面要閉合，即要修好仰拱。

3.3 爆破技術(shù)的控制

在施工中應(yīng)盡量少損害圍巖，使其盡量保持原有巖體的強(qiáng)度，因此，應(yīng)采用控制爆破技術(shù)。

3.4 開挖面的全面防護(hù)

預(yù)計(jì)有大變形和松弛的情況下，開挖面要全面防護(hù)（包括正面），使之有充分的約束效應(yīng)，在分臺(tái)階開挖時(shí)，上半斷面進(jìn)深不宜過長，以免影響整個(gè)斷面的閉合時(shí)間。

3.5 防水層

二次襯砌通常是模筑的，在內(nèi)襯防水層的組合中，形成防水層。內(nèi)襯變薄，可減少彎矩，彎曲失效可降至最低。

3.6 巖石變形的作用

允許甚至希望，巖石變形，以減少需要完成的配套措施，這些防護(hù)措施包括襯砌，必要時(shí)加上抑拱以及附在或深入到不穩(wěn)定巖層內(nèi)部的錨固系統(tǒng)，或其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

4 監(jiān)控設(shè)計(jì)方法

由于地下結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)極其復(fù)雜，近年來，在鐵路隧道的測(cè)量、監(jiān)測(cè)、圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場監(jiān)測(cè)結(jié)果的研究中，對(duì)一些工程進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工。而現(xiàn)場測(cè)量與工程地質(zhì)、力學(xué)分析緊密結(jié)合，正在逐步形成一套完整的信息設(shè)計(jì)原則和方法。信息設(shè)計(jì)通常包括兩個(gè)階段：施工前預(yù)設(shè)計(jì)階段和修正設(shè)計(jì)階段。施工前預(yù)設(shè)計(jì)是在認(rèn)真研究勘測(cè)資料和地質(zhì)調(diào)查成果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用工程類比法進(jìn)行；該校正設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)場監(jiān)測(cè)測(cè)量所獲得的信息，進(jìn)行了理論分析和數(shù)值分析，對(duì)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性作出綜合判斷，得出最終合理的設(shè)計(jì)參數(shù)與施工對(duì)策。

信息設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)包括：現(xiàn)場監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、信息反饋三個(gè)方面?，F(xiàn)場監(jiān)測(cè)包括：制定監(jiān)測(cè)方案、確定測(cè)試內(nèi)容、選擇測(cè)試手段、實(shí)施監(jiān)測(cè)計(jì)劃。數(shù)據(jù)處理包括：原始數(shù)據(jù)的整理、明確數(shù)據(jù)處理的目的、選擇處理方法、提出處理結(jié)果。信息反饋包括：反饋方法（理論反饋與經(jīng)驗(yàn)反饋）和反饋的作用（修正設(shè)計(jì)與指導(dǎo)施工）。

5 結(jié)束語

通過以上幾種計(jì)算方法的表述，可以看出各有特點(diǎn)，故而，在工程設(shè)計(jì)中，我們常可同時(shí)采用兩種或兩種以上的方法，通過橫向比較、綜合分析，得到更為全面、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，為山區(qū)管道工程項(xiàng)目，提供理論支撐。