淺析隧洞結(jié)構(gòu)力學(xué)模型及應(yīng)用

摘 要：在隧洞模型計(jì)算中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩類(lèi)，一類(lèi)為結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，第二類(lèi)為巖體力學(xué)模型，文章分別介紹這兩類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的特點(diǎn)及應(yīng)用，探討隧洞襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的建立方法。

關(guān)鍵詞：隧洞；襯砌；力學(xué)模型

近年來(lái)不斷的研究和實(shí)踐可以看出：復(fù)合襯砌能充分發(fā)揮圍巖自承能力，提高襯砌承載力。它是在新奧法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)施工的一種新型支護(hù)結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)于探討隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算理論有著十分重要的意義。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要模型

由當(dāng)前世界上的隧洞施工可以看出，用于隧洞的計(jì)算模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩類(lèi)：第一類(lèi)是結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，這類(lèi)模型是圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形約束作用，它以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載體，而荷載的來(lái)源是圍巖，；第二類(lèi)稱(chēng)為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型，它與結(jié)構(gòu)力學(xué)模型不同，承載主體是圍巖，支護(hù)結(jié)構(gòu)約束圍巖向隧洞內(nèi)發(fā)生變形作用。

1.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

結(jié)構(gòu)力學(xué)模型又稱(chēng)作荷載-結(jié)構(gòu)模型，這種模型分開(kāi)將支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖在計(jì)算中進(jìn)行考慮，支護(hù)是承載主體，圍巖作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支承以及荷載來(lái)源。圖1所示即為荷載-結(jié)構(gòu)模型。

在荷載-結(jié)構(gòu)模型中，作用在結(jié)構(gòu)和圍巖當(dāng)中的力是以彈性支承對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生約束來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，圍巖的承載能力越高，其自承力相對(duì)越高，而產(chǎn)生于支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍巖壓力就越弱。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該判斷圍巖的狀態(tài)，判斷是否適用于這類(lèi)模型進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；其次，應(yīng)確定結(jié)構(gòu)荷載。一旦這兩點(diǎn)明確了，就成了運(yùn)用普通力學(xué)方法求體系的位移以及內(nèi)力的問(wèn)題。

常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的計(jì)算方法包含有：彈性連續(xù)框架（含拱形）法、假定抗力法和彈性地基梁（含曲梁和圓環(huán)）法等。當(dāng)結(jié)構(gòu)變形的約束能力較小時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算常采用彈性連續(xù)框架法；反之，則可采用彈性地基法以及假定抗力法。假定抗力法以及彈性地基梁法已逐步形成了一些經(jīng)典計(jì)算方法。由于此模型計(jì)算簡(jiǎn)便，概念清晰，至今仍在廣泛使用。

1.2 巖體力學(xué)模型

第二類(lèi)模型又稱(chēng)巖體力學(xué)模型。這種方法將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視作共同承載的隧洞結(jié)構(gòu)的體系，因此這種模型又稱(chēng)作圍巖-結(jié)構(gòu)模型。在這種模型中承載主體是圍巖，支護(hù)結(jié)構(gòu)僅用于約束和限制圍巖發(fā)生變形。如圖2所示。

在巖體力學(xué)模型中部分問(wèn)題可以采用解析法來(lái)計(jì)算，或者收斂-約束法進(jìn)行圖解。利用這個(gè)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題，是確定圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)及展現(xiàn)材料特性的各種參數(shù)的變化。由于復(fù)合整體模型符合目前的施工水平，它是目前隧洞結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中并正在逐步發(fā)展并且優(yōu)先采用的模型。

2 隧洞常見(jiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

國(guó)際隧洞協(xié)會(huì)（I.T.A）在1987年成立了隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型研究組，收集和匯總了各會(huì)員國(guó)目前采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，最常用的有以下4種基本設(shè)計(jì)模型[1]：

（1）參照對(duì)比以往隧洞工程施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類(lèi)比的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。

（2）以現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)為主要參考依據(jù)的實(shí)用設(shè)計(jì)方法。

（3）作用與反作用模型，即荷載-結(jié)構(gòu)模型。（4）連續(xù)介質(zhì)模型，包括解析法和數(shù)值法。

各種方法有其優(yōu)點(diǎn)，但也有其缺點(diǎn)和不足。由于在設(shè)計(jì)中往往受到外界環(huán)境及各種因素的干擾，因而在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注重以往的類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)。即便在分析時(shí)采用較為嚴(yán)密的理論依據(jù)，其計(jì)算結(jié)果也需要用以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)然，在工程設(shè)計(jì)中為了取得更為經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)，往往要同時(shí)采用多種設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

3 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

隧洞設(shè)計(jì)中選取一般如下：對(duì)于隧洞襯砌初期支護(hù)設(shè)計(jì)，應(yīng)采用圍巖-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行內(nèi)力和變形分析，同時(shí)可得開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、塑性區(qū)范圍及洞周邊變形等，由此可判斷初期支護(hù)參數(shù)的選擇合理與否，是否能夠滿(mǎn)足圍巖開(kāi)挖后洞室的穩(wěn)定，能否確保隧洞及地下工程施工的順利進(jìn)行。初期支護(hù)參數(shù)包括錨桿的數(shù)量、大小和長(zhǎng)度，鋼拱架的H值和間距，鋼筋網(wǎng)的大小和間距，噴射混凝土的厚度等；對(duì)于二次襯砌設(shè)計(jì)，應(yīng)采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行內(nèi)力分析和變形分析，從而驗(yàn)算二次襯砌混凝土的標(biāo)號(hào)、厚度和鋼筋配置數(shù)量以及二次襯砌輪廓線(xiàn)是否合理等。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前對(duì)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)中的二次襯砌設(shè)計(jì)多數(shù)采用工程類(lèi)比結(jié)合一定的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析來(lái)進(jìn)行綜合確定的。由于復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式特殊，而受力狀態(tài)又較為復(fù)雜。因此，在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要結(jié)合實(shí)際情況，建立既能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全性又能兼顧經(jīng)濟(jì)性要求的力學(xué)模型。

參考文獻(xiàn)

[1]李世輝.隧道支護(hù)設(shè)計(jì)新論-典型類(lèi)比分析法應(yīng)用和理論[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

作者簡(jiǎn)介：張敬博（1984-），男，漢族，碩士研究生，助教。