隧道复合式衬砌荷载结构法计算方法的探讨
输水隧洞复合式衬砌结构分析
图 １ 隧洞洞身结构尺寸 ２ 计算模型 均质 弹性无 限域 中开挖 的洞 室 ， 由于荷载释放 而引起 的 洞室周 围介质应力和位移变化 ， ５倍洞 径范围之外将 小于 在
图１ 所示 的某 隧洞 为城 门洞型无 压洞 ， 所处岩体属 于 Ｉ ｖ
收 稿 日期 ：０ ２０ －１ ２ １－３０
现 ［ ．０ ８ Ｄ］２ ０ ．
［］ ８ 魏涛 ．面 向三 维 几何 建模 的数据 融 合 与交 互修 补 技 术研 究
［ ， ０ ７ Ｄ］ ２０ ．
（ 责任编辑 ： 程
茜）
３ ５
根 据 图 ４可 知 ， 大 拉 应 力 出 现 在 边 墙 墙 脚 处 ， 最 为
［ ］陶凯 ．基于 Ｃ ＴＡ的水泵 三维重构和参数动态模拟的设计和实 ７ ＡＩ
．
［ ３］贺磊 ，余春平 ，李广 云 ．激光扫描数据的多站配准方法［ ］ 测 Ｊ 绘科学技术学报 ， ０８ ２ （ ） ２０ ， ５ ６ ． ［ ］梁新合 ，梁晋 ， ４ 郭成 ，曹巨 明 ．法 向约束 的多幅点 云数据 融合 算 法 ［］ Ｊ ．西安交通大学学报 ， ０９， ３ ５ ． ２０ ４ （ ）
（ ． 南 农 业 大 学 ，云 南 昆 明 ６０ ０ ；． 南建 工 水 利 水 电建 设 有 限公 司 ， － １云 ５ ２ １２ 云 － 南 昆明 ６ ０ １ Ｚ ５０ ） ４
摘
要 ： 对传统结构力学方法在输水 隧洞复合 式衬砌设计 分析 中不能真 实地考虑初期 支护和二 次衬砌 的荷 载承 针
担比例 问题 ． 以城 门洞型隧洞为例 ， 用有限单元法对 围岩的稳定性 、 采 初期支护和二 次衬砌 的应 力状 态进行 了计算
分 析 ； 获得 了二 次 衬 砌 作 为承 载 构 件 时 的 围 岩 压 力 分 担 比 例 。 并 关键词 ： 洞 ； 隧 围岩 ； 砌 ； 限元 衬 有 中图 分 类 号 ：Ｖ ７ Ｔ ６２ 文 献 标 识 码 ： Ｂ 文 章 编 号 ：０ １ ２ ５ ２ １ ）４０ ３ －３ １０ － ３ （０ ２ ０ － ５０ ９ ０
隧洞衬砌的结构计算
的
应力。可通过工程措施予以解决，如控制水灰比、加强保养、
结
配筋等。只在非常寒冷的地区才予考虑。
构 （8）地震荷载
计
埋深30米的隧洞在地震时所受地震力只有地面的1／10，所以
算
衬砌设计中地震影响可不考虑。
9度或8度（I级结构）：验算隧洞和围岩的抗震强度和稳定性
大于7度：隧洞进出口位置，验证抗震稳定性
（9）荷载组合
§5-5 隧洞衬砌的结构计算
目的：验算在设计规定的荷载组合下衬砌的强度，
隧
使之满足规范规定的要求。
洞 一、荷载及其组合
衬
内水压力
砌
自 重 可准确计算
的
外水压力
结
灌浆压力
构
可近似计算 温度荷载
计
地震荷载
算
围岩压力
弹性抗力 难以准确计算
（1）自重
自重应包括平均超挖回填部分，约 0.1 ~0.3 m。
隧
( ) G自＝g × pR2－pr2
洞 衬
衬砌厚度：
R－r
=
(1 8
-
1 12
)D洞
砌 （2）内水压力（有压隧洞主要荷载） 的 （1）发电引水隧洞：内水压力为全水头加 水击压力；
结 （2）有压洞：内水压力为均匀内水压力和 无水头洞内满水压力两部分； 构 （3）无压洞：内水压力为水面线以下的静水压力； 计
v基本荷载：
隧
衬砌自重、围岩压力、预应力、设计条件下的
洞
衬
内水压力及地下水压力；
砌
v特殊荷载：
的
校核水位下的内水压力及地下水压力、施工荷
结
载、温度荷载、灌浆压力、地震荷载
构
计
隧道衬砌结构及拱脚地基荷载计算
土质地基不大于1/6倍墙底厚度。
第4讲 结构力学方法—隧道拱脚地基荷载的计算
二、隧道拱脚地基荷载的计算
目前我国隧道的相关规范只对明洞地基提出了承载力的要求， 对暗洞地基的承载力没有明确规定。
第4讲 结构力学方法—矩阵位移法
（5）建立结构刚度方程
PP101对）结结KK构构10100每刚个KK度101节11 方点K建程122 立的静形力成平衡方程式，将所有节点的平
0 1
PPiPPP衡nn321方Sii程式S集ii1合SSKiiRii在2211ix一KKK起K32K3i22iii,就,iiii,1i11是KK323结ii33i11构K 的K34K4Kii刚i,iii,ii1,i1K度nn K方i1i1,ini1,i程12 。KKninn,1nR,n11i
Ni Qi Mi Nj
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l
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12EI l3 6EI l2
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l3 6EI l2
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6EI l2 4EI l
0
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l2 2EI
l
EA l 0
0 EA l 0
0
0
12EI l3
6EI l2
0
12EI l3
6EI l2
第4讲 结构力学方法—矩阵位移法
（2)计算过程
（1）进行单元分析，确定单元节点力和单元节点位移的关 系——单元刚度矩阵 （2）进行整体分析，将每一个节点上有共同位移的各单元刚 度矩阵元素简单的叠加起来，建立以节点静力平衡为条件的结 构刚度方程 （3）利用边界条件，由结构刚度方程中解出未知的结构各节 点的位移，也就是解结构刚度方程 （4）根据变形协调条件，求得汇交于该节点各单元的单元节 点位移，进而求出单元节点力——衬砌内力
2001用隧道围岩站立时间确定复合式衬砌的荷载分配
第20卷 第3期岩石力学与工程学报20(3):370～373 2001年5月Chi nese Journal of Rock Mechanics and Engi neeri ng M ay,2001用隧道围岩站立时间确定复合式衬砌的荷载分配莫勋涛1,2 金德银2 张 清1(1北方交通大学土木建筑学院 北京 100044) (2石家庄铁道学院交通工程系 石家庄 050043)摘要 利用RM R分级数据库,通过对其中有效的95个实例的分析,建立了隧道特征指标与岩体站立时间的线性关系,证实了围岩的稳定程度主要受岩体质量的控制,隧道的跨度只起次要作用。
结合我国铁路隧道中的围岩压力与站立时间的概率分布相互独立的特点,推出了初期支护和二次衬砌各自在承担围岩压力时的比例计算公式。
关键词 围岩分级,隧道设计,可靠度,复合式衬砌,经验设计,岩石,概率设计,站立时间分类号 TU451+.2 文献标识码 A 文章编号 100026915(2001)03203702041 前 言隧道支护体系设计的主要问题之一是如何确定围岩压力。
国际上的岩体分级体系,均采用分级指标衡量岩体的质量,结合跨度因素直接推荐初期支护和二次衬砌的结构参数,同时给出围岩压力的参考公式[1,2];使用连续体模式者,则着重于研究岩体的物理力学参数与岩体分级指标之间的经验关系[1],间接求解围岩压力。
然而,人们发现,来自不同地域的这些经验公式带有很强的地域特征,外推这些经验公式到其他地域时,往往出现较大的差别[1,3～5]。
已有的研究业已表明,使用连续体理论精确计算围岩压力困难重重[6],更谈不上结果的可靠性。
因此,利用当地已有的经验,建立符合当地实际的围岩压力经验计算方法,似乎是一条必然之路[1,3～5]。
确定复合式衬砌围岩压力,就是要分别确定初期支护和二次衬砌各自所承担压力的大小。
我国长期观测的结果,证明二次衬砌是受力的[7],它的确应当作为承载结构来对待。
隧道衬砌水压力荷载
隧道衬砌水压力荷载随着路网向山区的拓展，线路标准的提升，特别是高速铁路和高速公路大规模的修建，需要修建大量的“深”、“长”、“大”山岭隧道及江、河、海底隧道。
在山岭隧道的修建过程中，经常会遇到地质条件复杂的地层，有时须穿越高水压富水地区，如渝怀铁路圆梁山隧道、锦屏输水隧洞。
在水下隧道修建过程中，地下水问题更是突出，如日本青函隧道、英法海底铁路隧道、厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道。
本文将对隧道衬砌水压力荷载进行讨论。
标签：隧道；压力；荷载以往，我国山岭隧道工程设计中，对地下水治理采用“防排结合，以排为主”的原则，将衬砌背后的水通过排导系统排入隧道水沟，通常在设计衬砌结构时不考虑外水荷载。
“以排为主”虽能减小衬砌水压力，但不能根治隧道的各种水害，而且直接导致洞顶地下水位下降、地表水和井泉涸竭、地面岩溶塌陷、生态环境恶化，影响人们的生产和生活，隧道部门也苦于补救和巨额赔偿。
生态和环境保护是21世纪可持续发展的主旋律，隧道工程建设必须适应环境保护的要求。
在对地下水的处治过程中，隧道设计理念更新主要体现在防排水措施的变化，而不同的地下水处治方式，会产生不同的衬砌水荷载问题。
地下水对衬砌支护系统的力学作用对隧道的施工安全和建成后的结构可靠度具有重要影响。
到目前为此，国内外学者针对隧道水荷载的研究主要有衬砌水压力取值问题、涌水量预测问题、围岩与衬砌渗流力计算、裂隙岩体渗流状况、水荷载下围岩及衬砌受力状态等几个方面。
1 衬砌水压力问题1.1隧道规范对水压力的考虑国内较早提出衬砌水压力荷载问题的主要集中在水工隧洞界，相比水工部门而言，交通部门对隧道水荷载问题认识水平和研究深度均存在明显的差距。
随着人们对地下水与隧址周边生态环境密切相关的认识不断深入，对隧道工程中地下水处治原则进行了深入的思考，在渝怀铁路的建设中，铁道部第二勘察设计院提出隧道地下水处治的“限量排放”新理念。
至此，隧道工程水压力荷载问题也就完全凸现出来了。
偏压浅埋隧道复合式衬砌的相互作用和结构计算
偏压浅埋隧道复合式衬砌的相互作用和结构计算近年来，城市建设进入高速发展时期，城市交通也因此迎来了一波新的建设热潮。
而在城市交通中，地铁隧道优质的建设和维护也是至关重要的。
为了实现地铁隧道的优化建设和运营，偏压浅埋隧道复合式衬砌的相互作用和结构计算成为了关键的技术研究方向之一。
首先，我们需要了解什么是偏压浅埋隧道复合式衬砌。
偏压浅埋隧道是一种地下结构形式，其特点是隧道的直径较小，埋深较浅，且两个隧道之间采用双线隧道。
复合式衬砌是指在偏压浅埋隧道中采用两种以上不同材料的环片进行隧道壳体的构建。
这种结构形式使得偏压浅埋隧道复合式衬砌具有更高的安全性和更好的承重能力。
为了实现偏压浅埋隧道复合式衬砌的结构计算和优化设计，我们可以按照以下步骤进行：一、确定复合式衬砌的结构形式根据偏压浅埋隧道的实际情况，确定复合式衬砌的结构形式和材料选择。
例如，对于沉积岩地质条件下的偏压浅埋隧道，常采用钢筋混凝土-预应力混凝土复合式衬砌结构。
二、建立数值模型根据复合式衬砌的实际情况建立数值模型，采用有限元软件进行计算分析。
数值模型中需要考虑各种外力和内力作用，例如隧道顶部的地面荷载、地震力等。
三、确定合适的材料参数复合式衬砌由多种材料组成，需要对材料参数进行实验和计算，以确保复合式衬砌的稳定性和承重能力。
四、进行结构计算和分析基于数值模型和材料参数，进行偏压浅埋隧道复合式衬砌的结构计算和分析。
主要包括对隧道壳体的稳定性、承载力、变形以及损伤等方面的分析。
五、优化设计依据结构计算和分析的结果，对复合式衬砌的结构进行优化设计，以提高隧道的安全性和承载能力。
总之，偏压浅埋隧道复合式衬砌的相互作用和结构计算在地铁隧道建设中具有重要作用，可以为隧道的优化设计和运营提供有力支持。
隧道衬砌计算
第五章隧道衬砌结构检算5.1结构检算一般规定为了保证隧道衬砌结构的安全，需对衬砌进行检算。
隧道结构应按破损阶段法对构件截面强度进行验算。
结构抗裂有要求时，对混凝土应进行抗裂验算。
5.2 隧道结构计算方法本隧道结构计算采用荷载结构法。
其基本原理为：隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。
计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按照弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌结构的内力，并进行结构截面设计。
5.3 隧道结构计算模型本隧道衬砌结构验算采用荷载—结构法进行验算，计算软件为ANSYS10.0。
取单位长度（1m）的隧道结构进行分析，建模时进行了如下简化处理或假定：①衬砌结构简化为二维弹性梁单元（beam3），梁的轴线为二次衬砌厚度中线位置。
②围岩的约束采用弹簧单元（COMBIN14），弹簧单元以铰接的方式支撑在衬砌梁单元之间的节点上，该单元不能承受弯矩，只有在受压时承受轴力，受拉时失效。
计算时通过多次迭代，逐步杀死受拉的COMBIN14单元，只保留受压的COMBIN14单元。
图5-1 受拉弹簧单元的迭代处理过程③衬砌结构上的荷载通过等效换算，以竖直和水平集中力的模式直接施加到梁单元节点上。
④衬砌结构自重通过施加加速度来实现，不再单独施加节点力。
⑤衬砌结构材料采用理想线弹性材料。
⑥衬砌结构单元划分长度小于0.5m。
隧道结构计算模型及荷载施加后如图5-2所示。
5.4 结构检算及配筋本隧道主要验算明洞段、Ⅴ级围岩段和Ⅳ级围岩段衬砌结构。
根据隧道规范深、浅埋判定方法可知，Ⅴ级围岩段分为超浅埋段、浅埋段和深埋段。
Ⅳ级围岩段为深埋段。
根据所给的材料基本参数和修改后的程序，得出各工况下的结构变形图、轴力图、建立图和弯矩图。
从得出的结果可知，Ⅴ级围岩深埋段，所受内力均较大，故对此工况进行结构检算。
5.4.1 材料基本参数 (1)Ⅴ级围岩围岩重度318.5/kN m γ=，弹性抗力系数300/k MPa m =，计算摩擦角045ϕ=，泊松比u=0.4。
隧道衬砌上的荷载类型及其组合结构计算
2、隧道结构体系的计算模型 经过总结，国际隧道协会(ITA) 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：
● 以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经 验设计法；
● 以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法
● 作用与反作用模型，即荷载—结构模型
● 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。
6.2 隧道衬砌上的荷载类型及其组合
1、基本荷载 围岩压力与结构自重力是隧道结构计算的基本荷载
2、隧道结构上的荷载及其类型 作用在衬砌上的荷载，按其性质也可以区分为主动荷载
与被动荷载。 ● 主动荷载是主动作用于结构、并引起结构变形的荷载； ● 被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗 力，即弹性抗力，它对结构变形起限制作用。
2、边墙的计算 ——弹性地基上的直梁
⑴ 直边墙计算分类：
● 刚性边墙 h 1 ● 短边墙 1 h 2.75 ● 长边墙 h 2.75
⑵ 边墙为短梁的计算： 短梁的一端受力及变形对另一端有影响，计算墙顶变位时，要考
虑到墙脚的受力和变形的影响。
●
墙顶在单位弯矩M c
1单独作用下，墙顶的转角
和水平位移
⑴ 在垂直荷载作用下拱圈向坑道内变形，为自由变形， 不产生弹性抗力 ；
⑵ 拱脚产生角位移和线位移，并使拱圈内力发生改变， 计算中除按固端无铰拱考虑外，还必须考虑拱脚位移的 影响
⑶ 假定拱脚没有径向位移，只有切向位移；
⑷ 对称的垂直分位移对拱圈内力不产生影响；
⑸ 拱脚的转角 和a 切向位移的水平分位移 是u必a 须考虑
X1 (11 1 ) X 2 (12 f1 ) 1 a 0 X1 ( 21 f1 ) X 2 ( 22 f 2 1 ) 2 f a 0
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结构分析 中 ， 工程经验一直起着主 导作 用。 目前 山岭隧道 各 围岩 浅埋衬砌结构荷载计算结果如表 ２所 示。
几何参数
衬砌结构总高／ ｍ 初支／ ｍ 二次衬砌拱圈／ ｍ 仰拱／ ｍ 初 期支护 二次衬砌
在 山岭隧道结构 验算 中 ， 由于荷 载结构 模 型受 力 明确 ， 容易 为工程技术人 员理 解和 掌握 ， 目前仍然是 山岭隧道 结构验算 的主 要方法 。采 用该计 算模 型 分析 隧道 结 构 时， 般仅 计 算 二衬 内 一 力， 其荷载则依 据经验 公 式计算 ， 并全 部或 部分加 载到 二衬 结构 上， 以求得内力。该方 法的缺 点是不 能得 到初衬 的 内力 ， 根据 工 程经验分配荷 载比例难 以得 到精确 的计算 结 果 ； 略初衬 ， 接 忽 直
采 用接地 弹簧模拟地层对 二次衬 砌的约束和 其提供 的抗力 ， 不尽 合理。故本文主要探讨将两层衬砌 结构作为整体 ， 用荷载 结构 应
模型计算结构 内力的方 法。
２ 隧道整体荷载结构法计算
本文 以某高速公路项 目两车道 隧道 Ｖ级 、 Ⅳ级衬 砌的整体建
模计算为例 ， 简要介 绍该计算方法。结构设 计图见图 １ 。
第３ ８卷 第 ７期 ２０ １２年 ３月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣ ＴＥ Ｔ ＨＩ Ｃ ＵＲＥ
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ． １３ ７
Ｍａ． ２ １ ｒ ０２
・１ ７５ ・
文章 编号：０ ９ ６ ２ （０ ２ ０ — １ ５０ １０ —８ ５ ２ １ ） ７ ０ ７ —３
材料
表 ２ 浅埋衬砌 荷载一览表
项目 计算埋深／ ｍ 围岩弹性抗力系￣／ ａ （ ＭＰ 容重 ｋ ・ ｌ ３ Ｎ ｎ 一 围岩计 算摩擦角／ 。 （） 滑移面摩阻角／ 。 （） 荷载折减系数 侧压 力系数取值 Ａ 竖向荷载 ｑ ｋ ｍ一 ｌ Ｎ・ Ｖ级浅埋 ３ ２ １０ ５ ２ ０ ４ ５ ２ ７ ０７ ． Ｏ２ ．２ ４ｌ ５ Ⅳ级浅埋 ｌ ６ ３０ ０ ２ ０ ５ ０ ４ ５ ０６ ．９ ０２ ．４ ２０ ２
中图分 类号 ：４ ５ ９ Ｕ ５．１ 文献标识码 ： Ａ
１ 概 述
由于岩体 、 土体 的性 质具 有显著 的不 确定 性 ， 以 山岭 隧道 所
级别 的支 护参 数 主要 依 据工 程类 比确定 ， 辅 以必 要 的计 算分 并 析 。隧道初期支 护参数 一般 都按 工程经验 确定 ， Ⅱ， Ｉ， Ⅲ级 围岩 由于岩体稳定性 好 ， 岩体本 身具 有很 高的承 载能 力， 不再 进行 故 结构计算分析 。Ⅳ， Ｖ级围岩则应该在 工程 类 比的基 础上开 展结
水平荷载 ｅｋ ｉ一 ／ Ｎ・ｌ ， ｌ 备注
ｅ： ３ ｅ： ３ ｌ１ ２１ ４ ８ 。： ｅ：１ １ ７ ２１８ ７ 具体计算方法参见隧规附录 Ｅ
Ｖ， Ⅳ围岩深埋衬 砌结构 荷载计算结 果如表 ３所示。
表 ３ 深埋衬砌荷载一览表
项目 Ｖ级深埋 Ⅳ级深埋
围岩弹性抗力系］／ Ｐ ￣Ｍａ 容重 ｋ ・ 。 Ｎ ｍ一 围岩压 力增减率 ｉ 宽度影 响系数 侧压 力系数取值 ＾ 竖 向荷载 ｑｋ ｍ一 ／ Ｎ・
隧道复 合式衬砌荷载结构法计算方法的探讨
邓 文龙
摘
王
飞
２０８ ） ３０ ８
（ 安徽省交 通规 划设 计研究 院， 安徽 合肥
要： 探讨 了将隧道复合式衬砌 的两层衬砌结构作为整体考虑 ， 采用荷载结构法计算内力的方法 ， 对采 用整体 计算和初 期支护、
二次衬砌 按比例分担荷载的计算结果进行 了比较 ， 出了有 指导 意义 的结论。 得 关键 词 ： 初期支护 ， 二次衬 砌 ， 荷载结构法 ， 内力
１０ ５ ２ ０ ０１ ． ０ ２ ．３ ０４ ． ２ ９９ ４．８
３０ ０ ２ ０ ０１ ． Ｏ１ ．８ ０２ ．５ １３ ５ ２ ．５
水平 荷载 ｅ Ｎ・ ／ ｍ２ ｋ
备注
９． ９９ ９
３． Ｏ８ ９
ｑ ０ ４ ２ ～ ￣ ｔ： ＝ ＝ ．５ ｘ ｙ ｅ 加 ｏ
Ｖ 型衬砌断面图（： ０ ｂ １０） １
砌传递径 向力， 而不考 虑切 向力 ， 采 用释 放弯矩 的连杆 连接 内 故 外两层梁单元 的节点 ， 以传递荷载作 用。其计算简图见图 ２ 。
图 １ 结构设计图
２ １ 计算几何参数及材料 ．
隧道衬砌结构几何参数及材料如表 １ 所示。
计算时采 用局部变形 理论 （ 即温克尔 假定 ） 考虑地 层约 束作
用。将地基可 以看成 由无限多个各 自孤 立的弹簧构成 ， 地基 的沉
降即相 当于弹簧压缩 ， 弹簧常数 即相 当于弹性压缩系数。
取隧道纵 向 １ｉ长度 建立横 断面计 算模 型。计 算 时采 用梁 ｎ
单ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ模拟初期支护和二次衬砌结构 ； 采用接地弹簧模 拟地 层约束 和抗 力： 虑两次衬 砌 之间不 允许变形 ， 考 且初期 支护仅 向二次 衬
收稿 日期 ：０ ２０ —７ ２ １ — １１ 作者简介 ： 邓文龙 （９０ ， ， １８ －） 男 工程师
构验算工作 。
２２ ． －计 算荷载 和计 算模 型
依据 ＪＧ Ｄ ０２ ０ Ｔ ７ －０４公路 隧道设计规 范相 关规定 ， Ⅳ 围岩 Ｖ，
表 １ 几何参数及材料表
项目 计算跨度／ ｍ Ｖ级浅埋 Ｖ级深埋 Ⅳ级浅埋 Ⅳ级深埋 １ ．８ ２ ３ １ ．６ ２ ３ １． ｏ ２２ １．６ ２ １ ８９ ．９ ０２ ．４ ０４ ．５ ０４ ．５ Ｃ５ ２ Ｃ０ ３ ８５８ ． ８ ０２ ．３ ０ ４ ．５ ０ ４ ．５ Ｃ５ ２ Ｃ０ ３ ８４ ．８ Ｏ２ ．Ｏ ０４ ．０ ０４ ．０ Ｃ５ ２ Ｃ０ ３ ８４ ５ ．５ ０ １ ．８ ０４ ． ０ ０４ ． ０ Ｃ５ ２ Ｃ５ ２