地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

地鐵礦山法法區(qū)間隧道道結(jié)構(gòu)設(shè)計計方法研究究石家莊鐵道道學(xué)院1.合同規(guī)定的的主要研究究內(nèi)容匯報內(nèi)容2.區(qū)間隧道地地層物理力力學(xué)參數(shù)統(tǒng)統(tǒng)計分析3.區(qū)間隧道覆覆土壓力荷荷載的確定定4.礦山法區(qū)間間隧道支護(hù)護(hù)強(qiáng)度設(shè)計計方法5.礦山法區(qū)間間隧道支護(hù)護(hù)剛度計算算方法6.礦山法區(qū)間間隧道襯砌砌結(jié)構(gòu)設(shè)計計計算方法法7.區(qū)間隧道結(jié)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)應(yīng)力伸縮縫縫計算分析析8.礦山法區(qū)間間隧道施工工階段設(shè)計計方法9.主要研究成成果及結(jié)論論(1)北京地鐵礦礦山法區(qū)間間隧道不同同條件下合合理設(shè)計模模式研究；；1.合同規(guī)定的的主要研究究內(nèi)容(2)北京地鐵礦礦山法區(qū)間間隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)可靠度設(shè)設(shè)計研究；；(3)北京地鐵礦礦山法區(qū)間間隧道施工工階段設(shè)計計方法研究究。2.區(qū)間隧道地地層物理力力學(xué)參數(shù)統(tǒng)統(tǒng)計分析北京地鐵四四號線、五五號線和十十號線共有有車站71座、區(qū)間68座，收集到到的地質(zhì)資資料車站37座，區(qū)間工工程36座，共73座，占總工工程數(shù)的52.5％。結(jié)構(gòu)資資料僅收集集了部分礦礦山法區(qū)間間隧道初步步設(shè)計的縱縱橫斷面圖圖，共25座占區(qū)間總總數(shù)的36.8％。(1)區(qū)間隧道地地層資料工工程名稱采用VFP建立地鐵四四、五和十十號線地質(zhì)質(zhì)資料數(shù)據(jù)據(jù)庫，建庫庫中統(tǒng)一地地層編號，，統(tǒng)一后的的地層編號號如表1-4所示。(2)地質(zhì)資料的的數(shù)據(jù)庫各錄入界面面錄入的數(shù)數(shù)據(jù)，由數(shù)數(shù)據(jù)庫讀入入統(tǒng)一、庫庫容量達(dá)3萬余條。。在VFP北京地鐵地地質(zhì)資料數(shù)數(shù)據(jù)庫的基基礎(chǔ)上，按按地層編號號提取各主主要物性、、地下水位位、埋深等等數(shù)據(jù)表，，按統(tǒng)計學(xué)學(xué)的原理進(jìn)進(jìn)行統(tǒng)計分分析，并給給出具體統(tǒng)統(tǒng)計特征，，為后續(xù)研研究工作奠奠定基礎(chǔ)。。完成了：：(3)地層物性指指標(biāo)統(tǒng)計分分析①地層分層厚厚度統(tǒng)計特特征②地層天然密密度統(tǒng)計特特征③內(nèi)聚力統(tǒng)計計特征④內(nèi)摩擦角統(tǒng)統(tǒng)計特征⑤壓縮模量統(tǒng)統(tǒng)計特征⑥泊松比統(tǒng)計計特征⑦基床系數(shù)統(tǒng)統(tǒng)計特征⑧隧道覆土埋埋深統(tǒng)計特特征(平均覆土深深度為12.75m，最大19.31m，最小4.6m)３.區(qū)間隧道覆覆土壓力荷荷載的確定定地鐵設(shè)計規(guī)規(guī)范中解釋釋：一般情情況，石質(zhì)質(zhì)隧道，可可根據(jù)圍巖巖分級，依依工程類比比確定圍巖巖壓力；填填土隧道及及淺埋暗挖挖隧道一般般按計算截截面以上全全部土柱重重量考慮；；深埋暗挖挖隧道按泰泰沙基公式式、普氏公公式或其它它經(jīng)驗(yàn)公式式計算。。(1)地鐵設(shè)計規(guī)規(guī)范關(guān)于地地層荷載的的規(guī)定及存存在的問題題①地鐵設(shè)計規(guī)規(guī)范關(guān)于地地層荷載的的規(guī)定a.我國隧道有有關(guān)規(guī)定②深淺埋分界界及土壓力力的有關(guān)規(guī)規(guī)定地下鐵道設(shè)設(shè)計規(guī)范沒沒有深淺埋埋分界的具具體規(guī)定。。鐵路隧道道設(shè)計規(guī)范范以統(tǒng)計隧隧道坍落拱拱高度為基基礎(chǔ)，埋深豎直土壓全土柱謝家烋公式規(guī)范深埋公式h02.5h0圖2-1鐵路隧道圍巖壓力埋深H≤h0時用全土柱柱，埋深h0＜H≤(2~2.5)h0時用謝家烋烋公式，埋埋深H＞(2~2.5)h0時用γh0，不同深度度土壓力計計算結(jié)果如如圖2-1。b.日本的有關(guān)關(guān)規(guī)定(a)如果覆土厚厚比隧道外外徑小(H＜D)，用全土柱柱壓力。(b)在粘性土中中全土柱作作垂直壓力力。(c)在砂土和硬硬粘土中，，若覆土厚厚度比外徑徑大許多倍倍(H>>D)，取“松弛土土壓”，按按泰沙基公公式計算。。c.比爾鮑曼和和泰沙基理理論的有關(guān)關(guān)規(guī)定(a)用比爾鮑曼曼公式，但但H增加到σv趨于常數(shù)時時即為深埋埋，不必分分界。粘性性土，c、φ都計；砂土土只計φ，不計c。(b)用泰沙基公公式，H≥5B，σv＝常數(shù)。。a.埋深較淺時時地層荷載載按全土柱柱。③目前的習(xí)慣慣b.埋深較大時時按泰沙基基公式進(jìn)行行修正折減減；c.埋深多大開開始修正折折減由各人人經(jīng)驗(yàn)，并并不統(tǒng)一。。④壓力理論地地層壓力的的比較及存存在問題以北京地鐵鐵十號線礦礦山法區(qū)間間標(biāo)準(zhǔn)段隧隧道斷面(6.0m×6.33m，寬×高)為例，采用用各種不同同公式計算算豎向地層層壓力，得得出地層壓壓力值隨埋埋深的關(guān)系系，如圖所所示。埋深h豎向荷載2D(12m)2hs圖不同壓力理論地層壓力與埋深的關(guān)系從圖及設(shè)計計實(shí)踐中存存在以下一一些問題：：a.深淺埋分界界取為(1~2)D(D為隧道跨度度)是否合適？？這個范圍圍值該如何何選?。縝.取2D或2h為深淺埋分分界，淺埋埋時用全土土柱荷載，，深埋時用用泰沙基理理論或普氏氏理論，必必然出現(xiàn)分分界處呈鋸鋸齒形，壓壓力陡降，，讓設(shè)計者者很難處理理，深度稍稍微變大，，豎向地層層壓力反而而降低，地地層的挾制制作用本來來應(yīng)是逐漸漸加大的，，將漸變采采用突變來來處理并不不合理，如如何解決？？c.不論埋深情情況均采用用γH全土柱公式式，則地層層壓力明顯顯偏大，必必將帶來不不經(jīng)濟(jì)的設(shè)設(shè)計；采用用泰沙基公公式時，深深埋結(jié)果是是否會得出出不安全的的設(shè)計？此此問題值得得重視。通過對北京京地鐵四號號線、五號號線和十號號線的結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計資料料分析與整整理，設(shè)計計中大多遵遵循2倍洞室跨度度為深淺埋埋分界，低低于2倍洞室跨度度時采用全全土柱荷載載，高于2倍洞室跨度度時采用泰泰沙基公式式，這樣上上述問題就就不可避免免。(4)不同壓力理理論地層分分層和加權(quán)權(quán)計算對比比與分析根據(jù)北京地地鐵的斷面面情況，采采用不同壓壓力理論，，按照覆土土深度內(nèi)各各地層物理理力學(xué)指標(biāo)標(biāo)加權(quán)平均均以及各地地層分段計計算，由計計算結(jié)果可可知，在北北京地鐵礦礦山法區(qū)間間隧道埋深深和地層實(shí)實(shí)際條件下下，不同的的土層壓力力理論結(jié)果果相差明顯顯，并隨埋埋深的增大大，其差異異更加顯著著。以全土土柱壓力最最大，泰沙沙基壓力最最小，比爾爾鮑曼和謝謝家烋理論論結(jié)果居中中。分層地地層的計算算，對物性性指標(biāo)加權(quán)權(quán)平均的單單一地層計計算時，比比爾鮑曼和和泰沙基理理論與實(shí)際際分層計算算差異顯著著，而對全全土柱和謝謝家烋理論論差異較小小。(5)地層豎向荷荷載計算表表達(dá)式推導(dǎo)導(dǎo)與建議針對上述問問題，地層層豎向荷載載計算方法法似應(yīng)作些些改進(jìn)，主主要思路是是：極淺埋埋仍用全土土柱，淺埋埋適當(dāng)提高高地層壓力力，深淺埋埋分界不用用突變鋸齒齒方式，而而用平順過過渡。建議：在隧隧道埋深小小于隧道跨跨度時采用用全土柱，，隧道埋深深大于隧道道跨度時采采用比爾鮑鮑曼公式。。關(guān)于深淺淺埋分界建建議不宜采采用某個定定值出現(xiàn)壓壓力鋸齒形形突變的方方式，而認(rèn)認(rèn)為當(dāng)挾制制作用隨深深度增加到到使土壓力力成為定值值或最大時時，此深度度即為深淺淺埋的分界界，這樣土土壓力是漸漸變增大的的，不會出出現(xiàn)突變。。比爾鮑曼公公式在埋置置達(dá)到一定定深度以后后曲線出現(xiàn)現(xiàn)向下彎曲曲，為了避避免這種情情況，在曲曲線拐點(diǎn)處處用水平切切線代替，，視為深埋埋隧道(土壓力已與與埋深無關(guān)關(guān))，此埋深為為D1。綜合上述各各種因素，，建議地鐵鐵隧道豎向向土壓力計計算公式為為：豎向荷載與與隧道埋深深的關(guān)系如如圖所示曲曲線。D埋深h豎向荷載D1圖推薦公式(6)地層側(cè)向荷荷載計算表表達(dá)式地層側(cè)向壓壓力：(7)建議地層壓壓力公式使使用效果分分析以北京地鐵鐵十號線區(qū)區(qū)間隧道標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)段為例例，隧道覆覆土厚度為為12m，用全土柱柱、普氏及及本文推薦薦的公式計計算豎向地地層壓力，，對初期支支護(hù)進(jìn)行安安全度分析析，控制截截面(計算安全系系數(shù)最小的的截面)的結(jié)果如表表所示。由表可知，，采用本文文推薦的豎豎向土壓力力荷載計算算結(jié)構(gòu)的安安全度介于于全土柱和和普氏理論論之間，且且能滿足安安全度的要要求。另外外用本文推推薦的豎向向土壓力荷荷載對北京京地鐵四、、五、十號號線標(biāo)準(zhǔn)斷斷面的初期期支護(hù)在6m、9m、12m、15m以及19.8m埋深情況下下的安全度度進(jìn)行了分分析，由計計算結(jié)果可可知，豎向向土壓力如如果用本文文推薦的公公式，現(xiàn)有有的結(jié)構(gòu)均均能滿足安安全度要求求。國內(nèi)部分城城市地鐵礦礦山法隧道道施工中的的圍巖壓力力實(shí)測資料料，如表所所示，實(shí)測測地層壓力力都小于全全土柱重量量，大部分分大于泰沙沙基理論壓壓力。相比比較而言，，接近于本本指南推薦薦公式的壓壓力。4.礦山法區(qū)間間隧道支護(hù)護(hù)強(qiáng)度設(shè)計計方法噴錨襯砌和和復(fù)合式襯襯砌的初期期支護(hù)應(yīng)按按主要承載載結(jié)構(gòu)設(shè)計計。其設(shè)計計參數(shù)可采采用工程類類比法確定定，施工中中通過監(jiān)測測進(jìn)行修正正。淺埋、、大跨度、、圍巖或環(huán)環(huán)境條件復(fù)復(fù)雜、形式式特殊的結(jié)結(jié)構(gòu)，應(yīng)通通過理論計計算進(jìn)行檢檢算。(1)地鐵設(shè)計規(guī)規(guī)范的有關(guān)關(guān)規(guī)定①礦山法施工工的結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計要求復(fù)合式襯砌砌中的二次次襯砌，應(yīng)應(yīng)根據(jù)其施施工時間、、施工后荷荷載的變化化情況、工工程地質(zhì)和和水文地質(zhì)質(zhì)條件、埋埋深和耐久久性要求等等因素設(shè)計計。隧道道開開挖挖輪輪廓廓形形狀狀應(yīng)應(yīng)盡盡可可能能保保持持平平整整、、圓圓順順，，避避免免出出現(xiàn)現(xiàn)隅隅角角及及局局部部應(yīng)應(yīng)力力集集中中，，確確保保圍圍巖巖的的承承載載效效應(yīng)應(yīng)；；一一般般不不宜宜采采用用直直墻墻式式拱拱形形輪輪廓廓，，特特別別是是底底板板與與壁壁的的隅隅角角形形狀狀應(yīng)應(yīng)確確保保圓圓順順。。②混凝土土結(jié)構(gòu)構(gòu)耐久久性設(shè)設(shè)計要要求根據(jù)圍圍巖條條件、、地形形條件件，隧隧道襯襯砌均均應(yīng)采采用曲曲墻式式混凝凝土或或鋼筋筋混凝凝土襯襯砌。。用隔離離層隔隔絕或或減輕輕二次次襯砌砌背后后環(huán)境境因素素的影影響。。設(shè)置置必要要的誘誘導(dǎo)縫縫，隔隔離板板等控控制二二次襯襯砌的的初期期開裂裂。礦山法法地鐵鐵隧道道埋深深淺，，水土土荷載載較為為明確確，支支護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)厚厚度較較大，，獨(dú)立立工作作時間間較長長，因因此常常用的的“荷荷載-結(jié)構(gòu)””和““地層層-結(jié)構(gòu)””兩種種計算算模式式均可可采用用。但但“荷荷載-結(jié)構(gòu)””計算算模式式相對對簡單單，與與地鐵鐵隧道道襯砌砌結(jié)構(gòu)構(gòu)計算算模式式一致致。因因此，，檢算算支護(hù)護(hù)強(qiáng)度度時宜宜采用用“荷荷載-結(jié)構(gòu)””模式式，檢檢算地地層位位移、、支護(hù)護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)剛度度時宜宜采用用“地地層-結(jié)構(gòu)””模式式。③支護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)計計算方方法采用““荷載載—結(jié)構(gòu)””模型型。(3)隧道支支護(hù)強(qiáng)強(qiáng)度計計算方方法①計算模模型a.圓角型型斷面面支護(hù)護(hù)計算算模型型圓角(54°29＇49＂)處同時時設(shè)水水平鏈鏈桿和和豎直直鏈桿桿，計計算模模型如如圖所所示，，結(jié)果果受力力合理理。圖16計算初選模型圖3-4計算模型b.直角型型斷面面的支支護(hù)計計算模模型對于直直角型型斷面面(如四、、五號號線)，初選選模型型如圖圖3-6所示，，計算算結(jié)果果如圖圖3-7所示。。圖3-6直角型斷面計算模型圖3-7直角型斷面模型計算結(jié)果對于直直角型型斷面面(如四、、五號號線)，初選選模型型如圖圖3-6所示，，計算算結(jié)果果如圖圖3-7所示。。計算結(jié)結(jié)果顯顯示，，在墻墻腳處處最大大彎矩矩139.574kN·m，軸力力814.81kN，應(yīng)力力集中中特別別嚴(yán)重重。這這種計計算結(jié)結(jié)果與與實(shí)際際不符符的原原因主主要有有，未未考慮慮實(shí)際際施工工過程程中支支護(hù)仰仰拱后后于拱拱墻施施工，，墻腳腳處已已經(jīng)產(chǎn)產(chǎn)生了了一定定變形形量，，墻腳腳應(yīng)力力集中中將大大幅度度緩解解，另另外也也未考考慮直直墻腳腳所受受到地地層的的支撐撐、摩摩擦和和約束束作用用。為簡化化計算算，在在直角角拐角角處按按有導(dǎo)導(dǎo)角加加厚處處理，，如圖圖3-8所示。。dddd檢算時取用厚度檢算時取用彎矩計算彎矩圖3-8直角型斷面墻腳應(yīng)力計算方法c.截面強(qiáng)強(qiáng)度檢檢算方方法根據(jù)《鐵路隧隧道設(shè)設(shè)計規(guī)規(guī)范》(TB10003－2019)，鋼筋筋混凝凝土矩矩形截截面的的偏心心受壓壓構(gòu)件件的計計算公公式：：大偏心心受壓壓構(gòu)件件(x≤0.55h0)時：：大偏心心受壓壓構(gòu)件件(x＞0.55h0)時：：②十號線線初期期支護(hù)護(hù)強(qiáng)度度檢算算結(jié)果果a.標(biāo)準(zhǔn)斷斷面根據(jù)對對北京京地鐵鐵埋深深情況況的統(tǒng)統(tǒng)計，，最大大埋深深為20m，標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)斷面面檢算算了埋埋深為為6m、7.2m、20m時的情情況。。檢算算結(jié)果果如表表所示示。b.大斷面面除標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)斷面面外，，另外外選擇擇了斷斷面比比較大大的太太陽宮宮站~麥子店店西路路站3－3結(jié)構(gòu)斷斷面(跨度為為12.2m)以及蘇蘇州街街站~黃莊站站F型結(jié)構(gòu)構(gòu)斷面面(跨度為為16.5m)進(jìn)行了了檢算算，檢檢算時時豎向向土壓壓力以以實(shí)際際埋深深為準(zhǔn)準(zhǔn)，檢檢算結(jié)結(jié)果如如表所所示。。③四號線線檢算算標(biāo)準(zhǔn)斷斷面為為5.96m跨度，，檢算算埋深深為5.96m、7.15m、20m時的情情況。。檢算算結(jié)果果如表表所示示。。④五號線線檢算算標(biāo)準(zhǔn)斷斷面為為5.8m跨度，，檢算算埋深深為5.8m、6.96m、20m時的情情況。。檢算算結(jié)果果如表表所示示。(4)小結(jié)①支護(hù)強(qiáng)強(qiáng)度檢檢算可可采用用“荷荷載－－結(jié)構(gòu)構(gòu)”計計算模模式，，該方方法概概念清清晰、、操作作簡單單。。②目前采采用的的圓角角斷面面形式式，應(yīng)應(yīng)在圓圓角處處設(shè)置置雙鏈鏈桿形形式的的計算算模型型；直直角型型斷面面形式式在直直角拐拐角處處形成成較大大的應(yīng)應(yīng)力集集中，，其結(jié)結(jié)果與與實(shí)際際情況況不符符，計計算中中可按按導(dǎo)角角加厚厚處理理。。③支護(hù)截截面強(qiáng)強(qiáng)度檢檢算結(jié)結(jié)果顯顯示，，支護(hù)護(hù)截面面的強(qiáng)強(qiáng)度安安全系系數(shù)隨隨埋深深增大大而減減小，，隨斷斷面增增大而而降低低。十十號線線圓角角型標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)斷斷面截截面最最小安安全系系數(shù)為為4.21，大跨跨度、、大埋埋深斷斷面截截面最最小安安全系系數(shù)為為3.03；四號號線和和五號號線直直角型型標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)斷面面截面面最小小安全全系數(shù)數(shù)為1.74，大跨跨度、、大埋埋深斷斷面截截面最最小安安全系系數(shù)為為1.18，直角角型斷斷面最最不利利截面面都是是在直直角邊邊墻腳腳處。。④考慮到到支護(hù)護(hù)僅在在施工工階段段獨(dú)立立工作作，支支護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)截截面允允許安安全系系數(shù)定定為1.7，如表表所示示。5.礦山法法區(qū)間間隧道道支護(hù)護(hù)剛度度計算算方法法土體勘測測試驗(yàn)的的壓縮模模量是在在固結(jié)儀儀內(nèi)進(jìn)行行壓縮試試驗(yàn)所得得的結(jié)果果如圖所所示。由由圖可得得壓縮模模量的計計算式為為式：(1)計算彈性性模量的的取值P1P2e1e2M1M2Pe圖固結(jié)壓縮試驗(yàn)曲線壓縮模量量是無側(cè)側(cè)向變形形時試件件軸向應(yīng)應(yīng)力與軸軸向應(yīng)變變之比值值。由彈彈性理論論可得壓壓縮模量量與彈性性模量之之間的關(guān)關(guān)系式為為式：：經(jīng)過長期期實(shí)踐，，我國建建立了和和二者之之間的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系系如下：：高壓縮性性土：低壓縮性性土：：K≤10黃土：K＝2~5。根據(jù)資料料，北京京地區(qū)E0/Es值一般為為2~3，數(shù)值計計算中采采用的彈彈性模量量一般大大于變形形模量。。為簡化化計算，，本文中中按彈性性模量為為2.0Es計算。(1)計算彈性性模量的的取值①地層－結(jié)結(jié)構(gòu)計算算模型②應(yīng)力釋放放率設(shè)定定應(yīng)用有限限元數(shù)值值方法，，確定圍圍巖的特特征曲線線，再根根據(jù)特征征曲線直直線段和和曲線之之間的變變化點(diǎn)進(jìn)進(jìn)行確定定。視圍圍巖特征征曲線直直線段部部分，為為圍巖的的彈性應(yīng)應(yīng)力釋放放區(qū)段，，來估計計區(qū)間隧隧道開挖挖后圍巖巖彈性應(yīng)應(yīng)力釋放放所占的的比例。。按圍巖特特性曲線線確定洞洞室彈性性應(yīng)力釋釋放率如如表所示示。隧道開挖挖圍巖應(yīng)應(yīng)力釋放放率與地地層性質(zhì)質(zhì)、硐室室大小、、形成、、支護(hù)性性質(zhì)、支支護(hù)時機(jī)機(jī)及施工工方法等等多因素素相關(guān)。。實(shí)際支支護(hù)所受受的圍巖巖壓力要要小于僅僅產(chǎn)生彈彈性應(yīng)力力釋放后后的全部部地層壓壓力，但但也應(yīng)注注意到模模型誤差差以及一一定的安安全因素素。在綜合上述因因素后，礦山山法區(qū)間隧道道全斷面開挖挖時，初始應(yīng)應(yīng)力釋放率開開挖時定為40%，支護(hù)為60%。臺階法開挖挖時，上臺階階開挖釋放30%，支護(hù)時釋放放70%；下臺階開挖挖時釋放25%，支護(hù)時釋放放75%。③全斷面開挖模模擬方法開挖時釋放40%初始應(yīng)力，支支護(hù)承擔(dān)60%初始應(yīng)力。全全斷面開挖各各施工步地表表最大沉降值值、支護(hù)最大大彎矩值和支支護(hù)最大軸力力值見表。。④臺階法開挖模模擬方法各施工步地表表最大沉降值值、支護(hù)最大大彎矩值和支支護(hù)最大軸力力值見表。。由以上計算結(jié)結(jié)果，可以看看出：全斷面面開挖地表沉沉降值大于臺臺階開挖。不不管哪種開挖挖方法，其初初始開挖的地地表沉降量占占到其最大沉沉降量的很大大一部分。。(3)小結(jié)①礦山法區(qū)間隧隧道施工地層層位移、支護(hù)護(hù)剛度計算應(yīng)應(yīng)采用“地層層－結(jié)構(gòu)”模模式。②在“地層－結(jié)結(jié)構(gòu)”模式計計算中，地層層計算彈性模模量可取2倍地層壓縮模模量勘探值；；應(yīng)力釋放率率或支護(hù)施作作時機(jī)為30～50％。6.礦山法區(qū)間隧隧道襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計計算方方法(1)計算模型①支護(hù)層作用的的簡化方法“荷載－結(jié)構(gòu)””模式。根據(jù)地鐵區(qū)間間隧道由初支支和二襯共同同作用的實(shí)際際情況，采用用“荷載－結(jié)結(jié)構(gòu)”復(fù)合模模型，支護(hù)與與二襯間以受受壓彈簧模擬擬，支護(hù)與地地層間以地層層水土壓力荷荷載和彈性約約束鏈桿來模模擬，計算復(fù)復(fù)合式結(jié)構(gòu)的的二襯部分內(nèi)內(nèi)力，選取計計算模型如圖圖5-1所示。圖5-1復(fù)合計算模型若將二襯結(jié)構(gòu)構(gòu)單獨(dú)簡化計計算，即計算算中視地層通通過支護(hù)墊層層將地層荷載載和地層約束束作用于二襯襯結(jié)構(gòu)(如圖5-2所示)，使在支護(hù)墊墊層某種作用用下獨(dú)立作用用的二襯結(jié)構(gòu)構(gòu)和支護(hù)與結(jié)結(jié)構(gòu)共同承載載復(fù)合式結(jié)構(gòu)構(gòu)受力效應(yīng)相相同。圖5-2二襯結(jié)構(gòu)計算模型由于支護(hù)墊層層的作用，二二襯結(jié)構(gòu)獨(dú)立立計算中直接接采用地層的的彈性抗力系系數(shù)顯然是不不合理的。地地層通過支護(hù)護(hù)層將其約束束作用于二襯襯上，其作用用效果顯然與與洞室大小、、形狀、支護(hù)護(hù)混凝土厚度度與強(qiáng)度等因因素有關(guān)，難難以找到某種種解析表達(dá)式式。二襯與地層間間的支護(hù)地層層作用，在““荷載—結(jié)構(gòu)”計算模模型中，表現(xiàn)現(xiàn)為對二襯變變形的約束，，即彈性抗力力。這種支護(hù)護(hù)墊層等效彈彈性抗力系數(shù)數(shù)，是通過在在某種支護(hù)墊墊層等效抗力力作用下的獨(dú)獨(dú)立作用的二二襯結(jié)構(gòu)和復(fù)復(fù)合式結(jié)構(gòu)受受力效應(yīng)相同同來確定。這這種支護(hù)墊層層等效彈性抗抗力系數(shù)，可可通過兩種型型式結(jié)構(gòu)截面面安全系數(shù)來來比較，即使使兩種型式結(jié)結(jié)構(gòu)最不利截截面安全系數(shù)數(shù)相同。如表所示，北北京地鐵十號號線八-熊區(qū)間(埋深12m)和工－呼區(qū)間間(埋深18m)，不同支護(hù)墊墊層的等效彈彈性抗力系數(shù)數(shù)對截面安全全系數(shù)影響情情況。經(jīng)選擇四、五五和十號線礦礦山法區(qū)間小小埋深、中埋埋深和大埋深深有代表隧道道進(jìn)行等效性性試算。當(dāng)最最不利截面位位于仰拱時，，支護(hù)墊層等等效彈性抗力力為原地層彈彈性抗力系數(shù)數(shù)的2.0~3.0倍；當(dāng)最不利利截面位于邊邊墻時，支護(hù)護(hù)墊層等效彈彈性抗力系數(shù)數(shù)為3.0~5.0倍；當(dāng)最不利利截面位于拱拱頂時，支護(hù)護(hù)墊層等效彈彈性抗力系數(shù)數(shù)為5.0~10.0倍，為偏于安安全，統(tǒng)一取取支護(hù)墊層等等效彈性抗力力系數(shù)為原地地層彈性抗力力系數(shù)的2.0倍。②等效彈性抗力力系數(shù)對襯砌砌結(jié)構(gòu)可靠性性的影響分析析為研究彈性抗抗力大小對結(jié)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)數(shù)的影響，選選取四號線西西動區(qū)間(埋深16m)隧道標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間間為例，分別別計算了不同同彈性抗力系系數(shù)(實(shí)際地層彈性性抗力系數(shù)的的n倍)時，襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)的最大截面面彎矩、軸力力和最不利截截面安全系數(shù)數(shù)可靠指標(biāo)。。由計算結(jié)果可可知，地層彈彈性抗力系數(shù)數(shù)對襯砌截面面內(nèi)力、安全全系數(shù)及可靠靠指標(biāo)影響顯顯著，在(1.0~4.0)K范圍內(nèi)，截面面內(nèi)力、安全全系數(shù)或可靠靠指標(biāo)呈線性性增長，當(dāng)不不計地層彈性性抗力系數(shù)(K=0)時，截面安全全系數(shù)迅速降降低，甚至不不滿足規(guī)定的的安全系數(shù)。。(2)北京地鐵區(qū)間間隧道襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)數(shù)復(fù)核①截面強(qiáng)度檢算算方法安全系數(shù)計算算公式與初期期支護(hù)相同。。②襯砌結(jié)構(gòu)安全全度檢算采用“荷載－－結(jié)構(gòu)”模式式，視襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)承擔(dān)全部部荷載，圍巖巖直接約束襯襯砌結(jié)構(gòu)向圍圍巖方向的變變形。按鋼筋筋混凝土矩形形截面偏心受受壓構(gòu)件截面面強(qiáng)度檢算方方法，分別檢檢算了四號線線、五號線和和十號線各區(qū)區(qū)間隧道，不不同荷載組合合下，隧道襯襯砌結(jié)構(gòu)安全全系數(shù)分別如如表所示。檢算結(jié)果表明明四、五和十十號線各區(qū)間間隧道截面安安全系數(shù)均高高于2.0的規(guī)范值，這這是否說明截截面參數(shù)偏大大？還是套用用鋼筋混凝土土規(guī)范和地層層結(jié)構(gòu)荷載組組合系數(shù)不合合理呢？這應(yīng)應(yīng)從結(jié)構(gòu)可靠靠度分析中來來回答。(3)襯砌結(jié)構(gòu)裂縫縫寬度驗(yàn)算在永久荷載和和可變荷載作作用下，二類類環(huán)境中二次次襯砌結(jié)構(gòu)裂裂縫寬度(迎土面)應(yīng)不大于0.2mm，一類環(huán)境(非迎土面及內(nèi)內(nèi)部混凝土構(gòu)構(gòu)件)襯砌結(jié)構(gòu)的裂裂縫寬度均應(yīng)應(yīng)不大于0.3mm。當(dāng)計及地震震、人防或其其他偶然荷載載作用時，可可不驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)的裂縫寬度度?？紤]裂縫寬度度分布不均勻勻性及荷載長長期作用影響響后的最大裂裂縫寬度(cm)，可按下列公公式計算：地鐵四、五和和十號線區(qū)間間隧道襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)裂縫檢算算結(jié)果如表所所示。(4)北京地鐵區(qū)間間隧道襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)標(biāo)分析采用北京地鐵鐵地質(zhì)資料統(tǒng)統(tǒng)計，設(shè)計計計算中地層彈彈性模量近似似取2倍壓縮模量，，彈性抗力系系數(shù)近似采用用基床系數(shù)。。①地層物理力學(xué)學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計計特征②計算荷載的統(tǒng)統(tǒng)計特征地層豎直壓力力和水平壓力力按前述推薦薦公式計算，，和計算式中中按考慮參數(shù)數(shù)的變異性的的隨機(jī)計算方方法計算，即即可給出其均均值和變異系系數(shù)。a.地層荷載b.覆土埋深覆土埋深的測測量誤差相對對較小，取為為定值。根據(jù)地下水位位統(tǒng)計，取其其統(tǒng)計均值和和變異系數(shù)。。c.地下水壓力d.地面荷載在道路下方的的地下結(jié)構(gòu)，，地面車輛及及施工荷載可可按20kPa的均布荷載取取值，并不計計沖擊壓力的的影響。e.地震荷載在襯砌結(jié)構(gòu)橫橫截面的抗震震設(shè)計和抗震震穩(wěn)定性檢算算中采用地震震系數(shù)法(慣性力法)，即靜力法。。f.人防荷載地下結(jié)構(gòu)在規(guī)規(guī)定需要考慮慮戰(zhàn)時防護(hù)的的部位，作用用在結(jié)構(gòu)上的的等效荷載按按人防規(guī)范的的有關(guān)規(guī)定計計算。③襯砌結(jié)構(gòu)材料料的統(tǒng)計特征征分析地襯砌結(jié)構(gòu)自自重G的概率特性與與襯砌幾何尺尺寸及材料容容重γ0的概率特性有有關(guān)。a.襯砌結(jié)構(gòu)自重重在地鐵施工中中，由于支護(hù)護(hù)厚度較大，，支護(hù)內(nèi)輪廓廓規(guī)則，二次次襯砌厚度變變異相對較小小，計算中襯襯砌軸線和厚厚度取定值。。b.襯砌幾何尺寸寸的概率特性性根據(jù)地面結(jié)構(gòu)構(gòu)的統(tǒng)計結(jié)果果，混凝土容容重的分布為為正態(tài)分布，，其均值為規(guī)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)值值，變異系數(shù)數(shù)為0.02。c.襯砌材料的容容重γ0參考《混凝土設(shè)計規(guī)規(guī)范》。d.混凝土物理力力學(xué)指標(biāo)e.鋼筋材料統(tǒng)計計特征④極限狀態(tài)方程程大偏心承載力力的極限狀態(tài)態(tài)方程表示為為一個方程：：構(gòu)件大小偏心心界限狀態(tài)方方程為：構(gòu)件大偏壓破破壞的概率為為：相應(yīng)的廣義可可靠指標(biāo)為：：構(gòu)件小偏壓破破壞的概率為為：相應(yīng)的廣義可可靠指標(biāo)為：：⑤蒙特卡羅法及及其樣本容量量的確定襯砌結(jié)構(gòu)可靠靠度分析采用用蒙特卡羅法法。關(guān)于模擬樣本本容量的確定定，由于極限限狀態(tài)方程的的復(fù)雜性，不不能直接推導(dǎo)導(dǎo)出在給定誤誤差時樣本容容量的定量計計算式，故采采用試算的方方法，在給定定各隨機(jī)變量量參數(shù)及結(jié)構(gòu)構(gòu)的情況下計計算出地鐵隧隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)構(gòu)失效概率隨隨樣本容量變變化的關(guān)系如如圖所示。。由圖可知，在在樣本容量達(dá)達(dá)到30萬次以后，失失效概率趨于于穩(wěn)定，樣本本容量為30萬次與100萬次的失效概概率的相對誤誤差為2％，為工程能能接受的程度度，所以在進(jìn)進(jìn)行地鐵隧道道礦山法區(qū)間間結(jié)構(gòu)二次襯襯砌可靠度分分析時，將樣樣本容量定為為30萬次。樣本容量(萬次)失效概率(10-3)圖樣本容量與失效概率關(guān)系⑥忽略支護(hù)層作作用時的襯砌砌可靠度假設(shè)初期支護(hù)護(hù)作為一種臨臨時支護(hù)，僅僅在施工階段段起到支護(hù)作作用，在建成成后的使用階階段完全失效效，忽略支護(hù)護(hù)層承載作用用時，對北京京地鐵四、五五、十號線標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)斷面二襯襯結(jié)構(gòu)可靠指指標(biāo)如表所示示。由表可以看看出，按忽忽略支護(hù)層層作用的假假設(shè)，當(dāng)荷荷載組合取取永久荷載載加可變荷荷載時，各各線大多數(shù)數(shù)區(qū)間隧道道襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)可靠指標(biāo)標(biāo)較低，這這再次說明明計算中需需考慮復(fù)合合式襯砌中中初期支護(hù)護(hù)的作用。。⑦考慮支護(hù)層層作用時的的襯砌可靠靠度如前所述，，將等效彈彈性抗力系系數(shù)選為原原地層彈性性抗力系數(shù)數(shù)的2.0倍，對北京京地鐵四、、五、十號號線標(biāo)準(zhǔn)斷斷面二襯結(jié)結(jié)構(gòu)，重新新進(jìn)行可靠靠度分析，，可靠指標(biāo)標(biāo)如表所示示。從表可知，，北京地鐵鐵四、五和和十號線標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)斷面的的可靠指標(biāo)標(biāo)都比較高高，這表明明現(xiàn)有的設(shè)設(shè)計有較高高的安全度度和安全儲儲備。僅五五號線個別別斷面在拱拱部選用φ14200的配筋，計計算的可靠靠指標(biāo)偏小小。四號線各區(qū)區(qū)間襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)安全系系數(shù)與可靠靠指標(biāo)對比比圖，如圖圖5-10和圖5-11所示?？梢娨?，隨著安安全系數(shù)變變大，可靠靠指標(biāo)并沒沒有呈現(xiàn)出出有規(guī)律的的變化，表表明用單一一安全系數(shù)數(shù)設(shè)計法未未能考慮各各種變異性性和統(tǒng)計特特征，不能能反映結(jié)構(gòu)構(gòu)的安全程程度，及其其無法衡量量結(jié)構(gòu)的可可靠性。。(5)安全系數(shù)與與可靠指標(biāo)標(biāo)的關(guān)系0246810121416陶菜菜宣宣西新西西動黃中動白中成1西靈中成2馬石安全系數(shù)可靠指標(biāo)圖5-10四號線仰拱安全系數(shù)與可靠指標(biāo)的關(guān)系024681012新西陶菜菜宣黃中宣西西動動白馬石中成1中成2西靈可靠指標(biāo)安全系數(shù)圖5-11四號線拱部安全系數(shù)與可靠指標(biāo)的關(guān)系地鐵區(qū)間隧隧道襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)按其破破壞后果，，安全等級級當(dāng)為一級級，其設(shè)計計基準(zhǔn)期宜宜為100年。鋼筋混混凝土構(gòu)件件又屬脆性性破壞，目目前我國建建筑結(jié)構(gòu)、、水利水電電工程結(jié)構(gòu)構(gòu)對于一級級安全結(jié)構(gòu)構(gòu)，脆性破破壞承載能能力目標(biāo)可可靠指標(biāo)都都定為4.2，北歐五國國頒布的《承載結(jié)構(gòu)的的荷載及安安全規(guī)定》NKBREPPORTNO.55E中對于安全全級別一般般的結(jié)構(gòu)物物，目標(biāo)可可靠指標(biāo)也也定為4.2，對于高級級別的結(jié)構(gòu)構(gòu)，還提高高到4.75。為與相近近行業(yè)的技技術(shù)水平相相一致，建建議地鐵區(qū)區(qū)間隧道襯襯砌結(jié)構(gòu)的的目標(biāo)可靠靠指標(biāo)也定定為4.2。(6)區(qū)間隧道襯襯砌結(jié)構(gòu)目目標(biāo)可靠指指標(biāo)對于鋼筋混混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)，《建筑結(jié)構(gòu)可可靠度設(shè)計計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)(GB50068-2019)》規(guī)定：當(dāng)永永久荷載效效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)不利時，，其分項(xiàng)系系數(shù)取1.2(可變荷載效效應(yīng)控制的的組合)或1.35(永久荷載效效應(yīng)控制的的組合)。(7)區(qū)間隧道襯襯砌結(jié)構(gòu)分分項(xiàng)系數(shù)統(tǒng)計分析所所選用的構(gòu)構(gòu)件主要是是建筑構(gòu)件件，采用的的永久荷載載主要是結(jié)結(jié)構(gòu)和永久久設(shè)備自重重，而地鐵鐵區(qū)間隧道道結(jié)構(gòu)設(shè)計計中起控制制作用的土土壓力并未未納入統(tǒng)計計，即現(xiàn)行行《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的永永久荷載分分項(xiàng)系數(shù)并并不能簡單單的用于地地鐵區(qū)間隧隧道設(shè)計。。對于地鐵區(qū)區(qū)間隧道襯襯砌結(jié)構(gòu)，，應(yīng)考慮2種荷載組合合形式(持久狀況下下的基本組組合與偶然然狀況下的的偶然荷載載組合)。①分項(xiàng)系數(shù)的的確定原則則對于地鐵區(qū)區(qū)間隧道襯襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計，采用用5個分項(xiàng)系數(shù)數(shù)，即結(jié)構(gòu)構(gòu)重要性系系數(shù)，永久久荷載分項(xiàng)項(xiàng)系數(shù)，可可變荷載分分項(xiàng)系數(shù)，，偶然荷載載分項(xiàng)系數(shù)數(shù)，材料強(qiáng)強(qiáng)度分項(xiàng)系系數(shù)。其中中的結(jié)構(gòu)重重要性系數(shù)數(shù)、可變荷荷載分項(xiàng)系系數(shù)、偶然然荷載分項(xiàng)項(xiàng)系數(shù)以及及材料強(qiáng)度度分項(xiàng)系數(shù)數(shù)均可參照照《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行取取值，對于于永久荷載載分項(xiàng)系數(shù)數(shù)包括水土土壓力分項(xiàng)項(xiàng)系數(shù)和結(jié)結(jié)構(gòu)自重分分項(xiàng)系數(shù)，，結(jié)構(gòu)自重重作為恒載載加以考慮慮，取其分分項(xiàng)系數(shù)為為1.35。這樣在其其它分項(xiàng)系系數(shù)事先選選定的條件件下，剩下下的任務(wù)就就是如何確確定合適的的水土壓力力分項(xiàng)系數(shù)數(shù)。確定分項(xiàng)系系數(shù)的原則則為：根據(jù)據(jù)各基本變變量變異性性的大小，，事先選定定合適的結(jié)結(jié)構(gòu)重要性性系數(shù)、可可變荷載分分項(xiàng)系數(shù)、、偶然荷載載分項(xiàng)系數(shù)數(shù)、材料強(qiáng)強(qiáng)度分項(xiàng)系系數(shù)，然后后采取可靠靠性分析和和校準(zhǔn)相結(jié)結(jié)合的方法法，確定設(shè)設(shè)計中的土土水壓力荷荷載分項(xiàng)系系數(shù)。根據(jù)可靠性性校準(zhǔn)分析析所確定的的目標(biāo)可靠靠指標(biāo)以及及事先選定定的其它分分項(xiàng)系數(shù)，，通過概率率分析方法法，根據(jù)已已經(jīng)確定的的目標(biāo)可靠靠指標(biāo)和各各基本變量量的統(tǒng)計參參數(shù)與概率率分布類型型，利用““分位值法法”，求水水土壓力分分項(xiàng)系數(shù)。。②分項(xiàng)項(xiàng)系系數(shù)數(shù)的的確確定定方方法法③區(qū)間間隧隧道道標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)斷斷面面分分項(xiàng)項(xiàng)系系數(shù)數(shù)根據(jù)據(jù)作作用用效效應(yīng)應(yīng)和和抗抗力力的的概概率率特特性性，，取取目目標(biāo)標(biāo)可可靠靠指指標(biāo)標(biāo)為為4.2，對對北北京京地地鐵鐵四四、、五五、、十十號號線線的的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)斷斷面面在在各各種種埋埋深深下下的的水水土土壓壓力力的的分分項(xiàng)項(xiàng)系系數(shù)數(shù)進(jìn)進(jìn)行行計計算算，，所所得得結(jié)結(jié)果果如如表表5-21所示示。。由表表5-21可知知，，分分項(xiàng)項(xiàng)系系數(shù)數(shù)在在1.15～1.3之間間，，在在確確定定分分項(xiàng)項(xiàng)系系數(shù)數(shù)時時，，建建議議仍仍按按1.35選用用。。根根據(jù)據(jù)以以上上結(jié)結(jié)果果各各分分項(xiàng)項(xiàng)系系數(shù)數(shù)的的選選取取如如表表5-22所示示。。根據(jù)據(jù)北北京京地地鐵鐵四四、、五五、、十十號號線線標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)斷斷面面的的情情況況，，對對選選取取的的各各分分項(xiàng)項(xiàng)系系數(shù)數(shù)進(jìn)進(jìn)行行檢檢驗(yàn)驗(yàn)，，從從計計算算結(jié)結(jié)果果可可知知，，標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)端端面面的的強(qiáng)強(qiáng)度度均均能能滿滿足足要要求求，，主主要要是是裂裂縫縫寬寬度度控控制制配配筋筋。。④分項(xiàng)項(xiàng)系系數(shù)數(shù)的的合合理理性性檢檢驗(yàn)驗(yàn)a.對在在長長期期自自然然環(huán)環(huán)境境下下地地鐵鐵隧隧道道復(fù)復(fù)合合式式襯襯砌砌中中初初期期支支護(hù)護(hù)與與二二次次襯襯砌砌各各自自的的作作用用進(jìn)進(jìn)行行了了探探討討，，認(rèn)認(rèn)為為在在長長期期自自然然環(huán)環(huán)境境下下，，二二次次襯襯砌砌單單獨(dú)獨(dú)承承受受長長期期作作用用的的荷荷載載，，初初期期支支護(hù)護(hù)的的存存在在改改善善了了二二次次襯襯砌砌的的環(huán)環(huán)境境條條件件和和約約束束條條件件，，相相當(dāng)當(dāng)于于提提高高了了地地層層對對結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的彈彈性性抗抗力力約約束束力力，，即即對對地地層層的的彈彈性性抗抗力力系系數(shù)數(shù)有有所所提提高高，，至至于于初初期期支支護(hù)護(hù)對對地地層層彈彈性性抗抗力力提提高高的的數(shù)數(shù)值值，，本本文文取取為為2.0。(8)小結(jié)結(jié)b.對北北京京地地鐵鐵區(qū)區(qū)間間隧隧道道標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)斷斷面面二二次次襯襯砌砌的的可可靠靠度度進(jìn)進(jìn)行行了了分分析析，，為為地地鐵鐵隧隧道道襯襯砌砌結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)可可靠靠度度分分析析提提供供了了方方法法，，對對確確定定地地鐵鐵襯襯砌砌結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的可可靠靠度度水水平平具具有有一一定定的的參參考考價價值值。。c.通過過對對北北京京地地鐵鐵部部分分區(qū)區(qū)間間隧隧道道襯襯砌砌結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)安安全全系系數(shù)數(shù)與與可可靠靠指指標(biāo)標(biāo)進(jìn)進(jìn)行行對對比比，，表表明明用用單單一一安安全全系系數(shù)數(shù)設(shè)設(shè)計計法法不不能能反反映映結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的安安全全程程度度，，無無法法衡衡量量結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的可可靠靠性性。。因因此此，，在在地地下下結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計中中應(yīng)應(yīng)用用可可靠靠性性理理論論，，推推行行概概率率極極限限狀狀態(tài)態(tài)設(shè)設(shè)計計，，制制定定相相應(yīng)應(yīng)的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，，是是地地下下結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計發(fā)發(fā)展展的的必必然然趨趨勢勢。。d.目標(biāo)可可靠指指標(biāo)的的確定定，是是一項(xiàng)項(xiàng)技術(shù)術(shù)性和和政策策性都都很強(qiáng)強(qiáng)的工工作。。為與與相近近行業(yè)業(yè)的技技術(shù)水水平相相一致致，本本文建建議地地鐵區(qū)區(qū)間隧隧道襯襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)抗抗壓破破壞的的目標(biāo)標(biāo)可靠靠指標(biāo)標(biāo)也定定為4.2。7.區(qū)間隧隧道結(jié)結(jié)構(gòu)溫溫度應(yīng)應(yīng)力伸伸縮縫縫計算算分析析(1)區(qū)間隧隧道結(jié)結(jié)構(gòu)溫溫度應(yīng)應(yīng)力研研究現(xiàn)現(xiàn)狀目前資資料顯顯示，，既有有地鐵鐵區(qū)間間隧道道一般般情況況下均均未設(shè)設(shè)置伸伸縮縫縫。但但從北北京地地鐵的的調(diào)查查情況況來看看，部部分區(qū)區(qū)間隧隧道結(jié)結(jié)構(gòu)不不同程程度發(fā)發(fā)生環(huán)環(huán)向裂裂縫，，分析析認(rèn)為為這些些裂縫縫可能能與溫溫度應(yīng)應(yīng)力有有關(guān)。。在實(shí)際際工程程中，，解決決溫度度應(yīng)力力危害害的有有效措措施是是設(shè)置置合理理的伸伸縮縫縫，但但伸縮縮縫的的設(shè)置置間距距、伸伸縮縫縫寬度度以及及合理理的伸伸縮縫縫形式式等方方面的的研究究，必必須建建立在在隧道道溫度度應(yīng)力力分布布規(guī)律律分析析的基基礎(chǔ)之之上。。(2)區(qū)間隧隧道結(jié)結(jié)構(gòu)溫溫度應(yīng)應(yīng)力的的計算算原理理①溫度應(yīng)應(yīng)力基基本方方程建立如如圖6-1所示的的一維維線形形結(jié)構(gòu)構(gòu)，左左端固固定，，右端端受彈彈性約約束，，在溫溫差T的作用用下，，其一一端產(chǎn)產(chǎn)生的的變位位為其其自由由變位位與彈彈性約約束變變位之之代數(shù)數(shù)和，，即zL圖6-1一維結(jié)構(gòu)模型式(6-2)為溫度度變化化狀態(tài)態(tài)下一一維彈彈性約約束結(jié)結(jié)構(gòu)的的應(yīng)力力—應(yīng)變方方程。。(6-2)②外部約約束應(yīng)應(yīng)力方方程當(dāng)兩種種面接接觸的的物體體產(chǎn)生生相對對位移移時，，在接接觸面面上必必然產(chǎn)產(chǎn)生剪剪切應(yīng)應(yīng)力，，此時時剪切切應(yīng)力力可表表示為為：③區(qū)間隧隧道襯襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)溫溫度應(yīng)應(yīng)力方方程的的建立立假定區(qū)區(qū)間長長度為為L，二襯襯結(jié)構(gòu)構(gòu)壁厚厚為t，初支支與二二襯之之間水水平阻阻力系系數(shù)為為，若若坐標(biāo)標(biāo)原點(diǎn)點(diǎn)設(shè)在在長度度為一一半處處，則則隧道道結(jié)構(gòu)構(gòu)約束束作用用分布布如圖圖6-2所示。。沿縱縱向在在任意意點(diǎn)z處截取取dz長的微微元體體，建建立z向平衡衡方程程，最最后推推導(dǎo)出出③當(dāng)z＝0時，σs達(dá)最大大，即即由上式式可以以看出出，隧隧道結(jié)結(jié)構(gòu)最最大溫溫度應(yīng)應(yīng)力與與溫度度荷載載、混混凝土土彈模模、線線膨脹脹系數(shù)數(shù)成正正比，，同時時還與與周邊邊約束束條件件以及及結(jié)構(gòu)構(gòu)形狀狀、厚厚度等等因素素有關(guān)關(guān)。。(3)區(qū)間隧隧道二二襯溫溫度應(yīng)應(yīng)力模模擬計計算分分析①計算條條件a.區(qū)間長長度為真實(shí)實(shí)反應(yīng)應(yīng)北京京地鐵鐵區(qū)間間隧道道的情情況，，計算算中分分別對對50m、100m、150m、200m、600m、800m、1000m以及1200m長度進(jìn)進(jìn)行模模擬計計算。。b.區(qū)間隧隧道襯襯砌壁壁面溫溫變化化范圍圍為了解解地鐵鐵內(nèi)環(huán)環(huán)境溫溫度變變化情情況，，首先先必須須掌握握包括括列車車活塞塞風(fēng)的的流動動、沿沿線溫溫度分分布、、沿線線壁面面熱流流分布布、隧隧道結(jié)結(jié)構(gòu)溫溫度變變化及及列車車發(fā)熱熱量等等與熱熱負(fù)荷荷相關(guān)關(guān)的熱熱工數(shù)數(shù)據(jù)，，而這這些數(shù)數(shù)據(jù)通通常要要通過過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)獲得得。圖圖6-3、6-4分別為為冬季季和夏夏季測測試期期間，，北京京市軌軌道交交通建建設(shè)管管理有有限公公司對對北京京地鐵鐵1、2號線地地鐵區(qū)區(qū)間隧隧道內(nèi)內(nèi)各測測試斷斷面的的平均均空氣氣溫度度ta、平均均壁面面溫度度tw，以及及平均均壁面面熱流流Qw的實(shí)測測結(jié)果果。由圖6-3、6-4可以看看出，，空氣氣溫度度及壁壁面溫溫度沿沿風(fēng)道道及隧隧道長長度方方向都都按指指數(shù)函函數(shù)規(guī)規(guī)律下下降，，冬夏夏洞內(nèi)內(nèi)襯砌砌壁面面溫差差大致致在4℃左右。。受地地鐵區(qū)區(qū)間隧隧道環(huán)環(huán)境特特點(diǎn)影影響，，一般般襯砌砌壁面面晝夜夜溫差差不會會太大大，因因此，，計算算中應(yīng)應(yīng)充分分考慮慮由于于季節(jié)節(jié)變化化所造造成的的襯砌砌壁面面溫度度的變變化范范圍。。在研研究中中，對對于二二次襯襯砌主主要考考慮了了3℃、5℃、7℃、8℃、10℃和12℃的溫降荷荷載。。135791113152468101214162324252627282922風(fēng)道隧道溫度/℃熱流/(W/m2)圖6-3夏季平均溫度及熱流的實(shí)測結(jié)果Qwtatwta5811141720232624681012141618134567891029圖6-4冬季平均溫度及熱流的實(shí)測結(jié)果距風(fēng)亭入口的距離/m風(fēng)道隧道溫度/℃熱流/(W/m2)Qwtwtac.結(jié)構(gòu)外約約束條件件二襯在溫溫度變化化引起的的變形過過程中，，外約束束主要是是混凝土土外壁與與防水層層之間的的摩擦作作用。外外約束越越強(qiáng)，結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生生的溫度度應(yīng)力越越大，相相應(yīng)的工工程防裂裂措施需需要越強(qiáng)強(qiáng)。地基基水平阻阻力系數(shù)數(shù)的大小小直接反反應(yīng)約束束條件的的強(qiáng)弱。。根據(jù)目目前掌握握的情況況，還未未見鋼筋筋混凝土土材料與與高分子子防水卷卷材之間間的水平平阻力系系數(shù)研究究成果的的相應(yīng)報報道。根根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)構(gòu)裂縫控控制》可以認(rèn)為為，一般般情況下下二襯與與防水層層之間的的水平阻阻力系數(shù)數(shù)在100××10-2N/mm3以下。在在計算分分析時，，Cz分別取為為10×10-2N/mm3、50×10-2N/mm3、100××10-2N/mm3。②計算模型型按10號線標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)斷面采采用ANSYS10.0有限元程程序進(jìn)行行三維計計算模擬擬，模型型中單元元采用SOLID45實(shí)體單元元，約束束條件只只考慮外外表面水水平彈性性約束(模擬初支支與二襯襯之間的的約束情情況)，并采用用彈簧單單元模擬擬水平變變形約束束，忽略略了洞周周地層對對結(jié)構(gòu)的的垂直約約束；隧隧道一端端假定為為自由伸伸縮，計計算中取取隧道長長度一般般作為分分析對象象，并假假定該端端為固定定約束。。③計算結(jié)果果分析a.隧道區(qū)段段長度對對溫度應(yīng)應(yīng)力的影影響在3℃負(fù)溫荷載載下，不不同長度度隧道二二襯結(jié)構(gòu)構(gòu)溫度應(yīng)應(yīng)力分布布如圖6-5所示(Cz＝10×10-2N/mm3)。隧道不不同長度度條件下下，拱頂頂最大溫溫度隨長長度變化化情況見見圖6-6。圖6-5不同長度隧道二襯結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分布從計算結(jié)結(jié)果可以以看出，，當(dāng)隧道道長度較較短時，，結(jié)構(gòu)長長度對最最大溫度度應(yīng)力影影響較大大，即隨隨著隧道道長度的的增加，，二襯溫溫度應(yīng)力力也不斷斷增加；；當(dāng)隧道道長度增增加到一一定程度度(400m)以后，隧隧道長度度對結(jié)構(gòu)構(gòu)最大溫溫度應(yīng)力力的影響響變得不不再顯著著。圖6-6二襯拱頂部位最大溫度應(yīng)力與隧道長度關(guān)系b.橫斷面溫溫度應(yīng)力力分布根據(jù)不同同位置斷斷面的溫溫度應(yīng)力力分布情情況，橫橫斷面應(yīng)應(yīng)力分布布特點(diǎn)可可以歸納納以下幾幾點(diǎn)：a)受約束條條件的影影響，襯襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)外側(cè)拉拉應(yīng)力大大于內(nèi)側(cè)側(cè)；b)受北京地地鐵區(qū)間間隧道斷斷面形狀狀影響，，從底板板到邊墻墻再到拱拱頂，襯襯砌溫度度應(yīng)力逐逐漸減小??；c)當(dāng)隧道長長度增加加到一定定數(shù)值后后，由于于對稱斷斷面附近近結(jié)構(gòu)位位移接近近于0，約束作作用也接接近于0，斷面應(yīng)應(yīng)力趨于于一致。。c.結(jié)構(gòu)沿程程溫度應(yīng)應(yīng)力分布布不同溫度度荷載下下，結(jié)構(gòu)構(gòu)拱頂應(yīng)應(yīng)力沿程程變化如如圖6-11所示。圖6-11不同溫度荷載下拱頂應(yīng)力沿程分布根據(jù)計算算結(jié)果，，隧道襯襯砌最大大溫度應(yīng)應(yīng)力與溫溫度荷載載呈線性性關(guān)系，，溫差越越大，襯襯砌所受受拉應(yīng)力力越大。。在Cz＝10×10-2N/mm3條件下，區(qū)間間地鐵隧道襯襯砌C30混凝土能承受受7℃的負(fù)溫荷載，，當(dāng)降溫超過過7℃時，溫度荷載載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)構(gòu)拉應(yīng)力將超超過混凝土的的抗拉極限強(qiáng)強(qiáng)度，從而產(chǎn)產(chǎn)生環(huán)向受拉拉溫度裂縫。。d.結(jié)構(gòu)外約束條條件對溫度應(yīng)應(yīng)力的影響從初支及防水水層對襯砌的的約束條件對對襯砌溫度應(yīng)應(yīng)力分布的影影響規(guī)律可以以得出，外部部約束條件對對自由端一定定長度范圍內(nèi)內(nèi)襯砌應(yīng)力分分布影響較大大，外部約束束越強(qiáng)，影響響的長度越短短；約束越弱弱，溫度應(yīng)力力達(dá)到最大值值所經(jīng)歷的長長度越長。但但只要溫度荷荷載不變，襯襯砌結(jié)構(gòu)的最最大溫度應(yīng)力力值將保持不不變。e.結(jié)構(gòu)材料彈模模對溫度應(yīng)力力的影響根據(jù)目前地鐵鐵區(qū)間隧道的的實(shí)際情況，，計算中材料料的彈性模量量主要考慮了了C20、C25、C30三種混凝土的的情況，計算算不同彈模對對襯砌溫度應(yīng)應(yīng)力的影響。。從計算結(jié)果果可以看出，，彈模的取值值對襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)的溫度應(yīng)力力最大值產(chǎn)生生了一定影響響，襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)拉應(yīng)力最大大值一般隨彈彈模呈線性增增長。(4)區(qū)間隧道初支支溫度應(yīng)力計計算分析初支計算模型型與二襯的區(qū)區(qū)別主要表現(xiàn)現(xiàn)除支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)外側(cè)有圍巖巖水平彈性約約束外，在初初支內(nèi)側(cè)還要要受到內(nèi)襯和和防水層的變變形約束作用用。除此之外外，初支材料料參數(shù)與二襯襯材料也有所所不同。①計算模型a.圍巖水平阻力力系數(shù)②計算條件初支與二襯之之間的水平阻阻力系數(shù)取值值襯砌計算中中相同。計算時溫降范范圍取為3～12℃。b.初支溫降范圍圍由于初支計算算方法和模型型與二襯情況況相似，因此此，此處僅列列出隧道初支支最大溫度應(yīng)應(yīng)力隨溫度的的變化規(guī)律(如表6-1)，其它規(guī)律應(yīng)應(yīng)該與二襯情情況類似。③計算結(jié)果(5)區(qū)間隧道溫升升對襯砌應(yīng)力力狀態(tài)影響的的估算地鐵隧道在長長期運(yùn)營過程程中會產(chǎn)生大大量的熱能，，隨著時間的的推移，洞內(nèi)內(nèi)空氣溫度將將不斷提升，，根據(jù)文獻(xiàn)的的研究成果，，一般情況下下，各地地鐵鐵隧道同一季季節(jié)洞內(nèi)溫升升均控制在10℃以內(nèi)，否則將將影響地鐵運(yùn)運(yùn)營環(huán)境、旅旅客乘車舒適適度以及運(yùn)營營成本。因此，在本研研究中洞內(nèi)襯襯砌結(jié)構(gòu)的長長期最大溫升升按10℃考慮，若襯砌砌材料按C30鋼筋混凝土考考慮，在不設(shè)設(shè)伸縮縫的不不利條件下，，結(jié)構(gòu)的最大大溫度應(yīng)力(壓應(yīng)力)可表示為：σa＝E·α·T，式中符號同同前。則隧道道襯砌最大壓壓應(yīng)力約為3.1MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混混凝土的極限限抗壓強(qiáng)度。。因此，對于于地鐵區(qū)間隧隧道，隧道結(jié)結(jié)構(gòu)由于溫降降產(chǎn)生的拉應(yīng)應(yīng)力才是本研研究中的主要要分析對象。。(6)區(qū)間隧道溫度度應(yīng)力應(yīng)對措措施①工程措施的討討論根據(jù)上述計算算分析的結(jié)果果，對于C30鋼筋混凝土襯襯砌結(jié)構(gòu)，最最大可承受－－7℃的溫度荷載而而不產(chǎn)生環(huán)向向受拉裂縫(與區(qū)間長度無無關(guān))，當(dāng)溫降超過過－8℃以上時，襯砌砌在溫度應(yīng)力力作用下將發(fā)發(fā)生縱向受拉拉破壞，出現(xiàn)現(xiàn)環(huán)向裂縫。。針對這種情況況，可以從以以下兩個方面面采取措施，，控制溫度應(yīng)應(yīng)力危害的發(fā)發(fā)展。從隧道通風(fēng)模模式和空調(diào)技技術(shù)角度出發(fā)發(fā)，優(yōu)化通風(fēng)風(fēng)方案和空調(diào)調(diào)手段，盡量量保持洞內(nèi)環(huán)環(huán)境溫度穩(wěn)定定，將隧道襯襯砌結(jié)構(gòu)溫度度變化范圍控控制在7℃以內(nèi)。設(shè)置伸縮縫，，防止結(jié)構(gòu)溫溫度應(yīng)力危害害的發(fā)生。當(dāng)當(dāng)溫度荷載超超過-8℃時，可設(shè)置合合理的伸縮縫縫，降低結(jié)構(gòu)構(gòu)溫度應(yīng)力的的量值，確保保隧道結(jié)構(gòu)在在長期運(yùn)營過過程中的安全全與使用功能能。②伸縮縫設(shè)置參參數(shù)分析從前面的計算算分析結(jié)果來來看，極限長長度不僅與溫溫度荷載有關(guān)關(guān)，還與外部部約束條件有有關(guān)，但與模模型計算長度度無關(guān)。具體體計算結(jié)果見見表6-2。a.伸縮縫設(shè)置間間距設(shè)計過程中，，伸縮縫的間間距可與隧道道極限應(yīng)力發(fā)發(fā)生的極限長長度相一致。。根據(jù)工程經(jīng)經(jīng)驗(yàn)，初支與與二襯之間的的水平阻力系系數(shù)一般應(yīng)在在10×10-2N/mm3左右，則在8～12℃溫差時，區(qū)間間隧道的伸縮縮縫設(shè)置間距距可選擇80～120m。伸縮縫的設(shè)置置寬度與伸縮縮縫兩端(自由端)的位移有關(guān)，，一般取自由由端水平位移移值的2倍。對于襯砌砌結(jié)構(gòu)自由端端水平位移的的計算結(jié)果見見表6-3。b.伸縮縫合理縫縫寬從計算結(jié)果可可以看出，隧隧道襯砌自由由端(伸縮縫位置)的計算位移與與外部約束關(guān)關(guān)系較大，外外部水平約束束越強(qiáng)，其位位移越小。若若伸縮縫設(shè)置置寬度取端部部計算位移的的2倍，則在8～12℃溫差時，伸縮縮縫的設(shè)置寬寬度應(yīng)在6～10mm，考慮到施工工誤差，建議議伸縮縫縫寬寬取20～30mm。(7)小結(jié)①對于地鐵區(qū)間間隧道，在一一般情況下，，溫升引起的的結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝凝土抗壓極限限，實(shí)際工程程中可不予考考慮；而溫降降引起的拉應(yīng)應(yīng)力對隧道結(jié)結(jié)果安全性和和使用功能影影響相對顯著著，須引起有有關(guān)方面注意意。②隧道結(jié)構(gòu)溫度度應(yīng)力與溫度度荷載以及材材料彈性模量量基本上呈線線性增長規(guī)律律。③隧道洞周水平平約束對溫度度應(yīng)力分布產(chǎn)產(chǎn)生一定影響響，但當(dāng)隧道道長度增加到到一定程度以以后(一般300m以上)，最大溫度應(yīng)應(yīng)力不再受洞洞周約束的影影響。④計算結(jié)果顯示示，隧道初支支和襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)均能承受－－7℃的溫度荷載，，當(dāng)溫度荷載載超過該數(shù)值值后，襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)產(chǎn)生環(huán)向受拉拉裂縫。⑤實(shí)際工程中，，對溫度應(yīng)力力的處理可采采用兩種手段段，一方面可可以通過改善善通風(fēng)方式和和洞內(nèi)空調(diào)措措施，改善洞洞內(nèi)運(yùn)營環(huán)境境，保持洞內(nèi)內(nèi)環(huán)境溫度基基本穩(wěn)定；另另一方面可以以增設(shè)結(jié)構(gòu)伸伸縮縫，減小小溫度拉應(yīng)力力，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)安全。⑥外部約束對伸伸縮縫設(shè)置參參數(shù)影響較大大：外部約束束越強(qiáng)，伸縮縮縫設(shè)置間距距要求越短，，但同時伸縮縮縫處縱向位位移越小。根根據(jù)分析結(jié)果果，地鐵區(qū)間間隧道實(shí)測結(jié)結(jié)構(gòu)混凝土壁壁面的季節(jié)溫溫差在4℃左右；同時考考慮到長期運(yùn)運(yùn)營過程中洞洞內(nèi)溫度積累累遞增的規(guī)律律，即同季節(jié)節(jié)溫升可控制制在10℃以下的具體情情況，計算按按8～12℃季節(jié)溫差考慮慮條件下，伸伸縮縫的設(shè)置置間距可取80～120m，伸縮縫的縫縫寬可取20～30mm。8.礦山法區(qū)間隧隧道施工階段段設(shè)計方法(1)計算模型礦山法區(qū)間隧隧道施工階段段設(shè)計，是指指隧道開挖、、支護(hù)、支護(hù)護(hù)拆除等施工工過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)應(yīng)力與應(yīng)變變關(guān)系。隧道施工過程程的力學(xué)效應(yīng)應(yīng)采用空間模模型進(jìn)行計算算模擬。隧道開挖、支支護(hù)與圍巖的的相互作用，，可按形變壓壓力理論“連連續(xù)體”計算算模型來描述述圍巖開孔、、圍巖與支護(hù)護(hù)一起變形和和承受地層壓壓力的實(shí)際情情況。(2)施工過程模模擬方法大管棚和小小導(dǎo)管超前前支護(hù)具有有“加固圈圈”和“梁梁”的實(shí)際際作用。模模擬中若用用梁單元模模擬管棚可可取得比較較好的計算算效果，但但計算建模模復(fù)雜，計計算單元大大幅增加。。為簡化計計算，可采采用“等效效加固圈””來模擬大大管棚和小小導(dǎo)管的支支護(hù)作用，，即以大管管棚或小導(dǎo)導(dǎo)管為中心心20～30cm厚地層的參參數(shù)提高，，其參數(shù)按按相同地層層參數(shù)的C5~C10的砂漿或混混凝土采用用。①大管棚和小小導(dǎo)管超前前支護(hù)隧道主要施施工(開挖)方法有：全全斷面法、