隧道支护地层-结构计算：地下结构方法

1.概述

在具有一定自支承能力的围岩中建造的隧道，可采用地层-结构法对洞室及支护结构的稳定性进行分析计算。采用地层-结构法进行计算时，应符合以下规定：

1）计算范围内同时包含支护结构和底层围岩；

2）计算过程中应考虑施工开挖步骤的影响；

3）应对施工阶段及适应阶段的围岩与支护结构进行验算；

4）应同时检验围岩的稳定性和支护结构的受力状态；

5）初期支护和围岩局部可处于弹塑性受力状态，但应能保持整体体系稳定；

6）二次衬砌结构应处于弹性受力状态，或经论证可保持稳定的弹塑性受力状态。

2.地层-结构计算方法的荷载应符合如下原则：

1）围岩压力应为释放荷载；

2）对可能同时出现在隧道结构上的荷载，应按规定的原则进行组合，并按最不利荷载组合进行计算；

3）释放荷载应按当前地应力（不一定是初始地应力）计算。各类影响因素，可根据施工开挖步骤和支护施作时机等，设定相应的荷载释放过程；

4）在初期支护计算过程中，较好的围岩可采用较大的释放荷载分担比，使初期支护和围岩承受较大的荷载，结构产生较小的变形；较差的围岩则相反；

5）当初期支护和二次衬砌设定不同的释放荷载分担比时，可通过设定相应的荷载释放过程实现。

3.隧道施工开挖过程的模拟

隧道开挖的边界应根据施工方案确定，释放荷载应根据前一开挖步骤完成时的地应力计算。隧道施工开挖中，释放荷载的作用效用与计算断面的位置、围岩材料的形态、施工开挖方法、支护施作时间等有关，开挖效应的计算应能体现这些因素的影响。荷载释放过程的确定除应综合考虑各类因素的影响外，尚应使围岩和支护结构的受力状态满足对释放荷载分担比的设计要求。围岩最终应力和支护结构的内力，可由增量法叠加求得，其中围岩应力应叠加初始应力。

模拟过程中可在洞周施加与当前围岩应力大小相等、方向相反的释放荷载。在未经扰动的掩体中开挖隧道时，当前围岩应力即为初始地应力；在已扰动过的岩体中开挖隧道时，当前围岩应力为围岩体开挖步骤的应力。初始地应力可采用水压致裂法、钻孔应力法、位移反分析法和回归分析法等方法确定，宜将多种方法结合使用，准确把握地应力分布规律。

在进行隧道施工开挖过程模拟计算时，可采用荷载释放系数模拟洞周初始应力在空间及时间上的作用效应。荷载释放系数应充分反映每个施工开挖步骤内开挖面作用效应，且应反映支护施作时间的影响。

各开挖步骤承载阶段的荷载释放系数之和即为合荷载释放系数。Ⅴ级和Ⅴ级以上的围岩采用复合式支护建造公路隧道时，设计计算应确定合适的释放荷载分担比，保证支护结构和围岩组成联合受力的整体，共同承受释放荷载的作用。隧道各构件释放荷载分担比的确定。

采用地层-结构法对隧道进行分析计算时，应按使用阶段的计算和施工阶段的验算分别组合。采用地层-结构法计算时，使用阶段计算的荷载组合，包括结构自重、附加恒载、释放荷载、混凝土收缩和徐变、水压力及其他可能存在的可变荷载和偶然荷载；施工阶段验算的荷载组合，除包括结构自重和释放荷载等之外，还应计入施工荷载。

4.地层-结构法计算

采用地层-结构法对隧道施工开挖过程进行计算时，应选用与围岩地层及支护结构材料的受力变形特征相适应的本构模型。

岩土材料的本构模型可选用线弹性模型、非线性弹性模型、弹塑性模型、黏弹性模型、黏弹塑性模型及节理模型等。其中最常用的围岩材料本构模型时线弹性模型、黏弹性模型和弹塑性模型。

隧道支护结构中的钢筋材料应采用弹性变形状态设计，喷射混凝土作为初期支护时允许进入塑性受力状态，做为内衬结构的喷射混凝土和混凝土材料均宜处于弹性受力状态。经论证认为支护结构体系可保持稳定时，局部构件结构材料也可处于弹塑性受力状态。当允许结构材料进入塑性状态时，本构模型宜采用理想弹塑性模型，否则应采用各向同性弹性模型或各向异性弹性模型。

采用有限单元法对隧道支护结构进行计算时，计算区域的左右边界应在离相邻侧隧道毛洞壁面的距离达3～5倍以上毛洞跨度的位置上设置，下部边界离隧道毛洞底面的距离应为隧道毛洞高度的3～5倍以上，上部边界宜取至地表。

计算初始自重应力场时，作用荷载为各单元的自重；计算初始构造应力场时，作用荷载为作用在计算区域垂直边界一侧的初始构造应力；计算开挖效应时，作用荷载为沿开挖轮廓线分布的释放荷载。

采用有限单元法计算时，岩土介质和支护结构与离散为仅在结点相连的单元，荷载移置于结点，利用插值函数建立位移模式和确定边界条件后，由矩阵位移法求解结点位移，并据此计算岩土介质的应力和位移，及支护结构的内力，计算时尚应符合以下规定：

1）围岩地层和支护结构均被离散为仅在结点相连的单元；

2）锚杆可离散为杆单元，或提高加固区围岩的c，φ值，计入锚杆作用效应的影响；

3）喷射混凝土可采用梁单元或四边形等参单元近似模拟；

4）钢拱架与格栅拱可不单独划分单元，其作用可通过提高喷射混凝土层的强度指标近似模拟；

5）超前管棚支护的作用效应可通过提高地层c，φ值近似模拟。

采用矩阵位移法计算时，取用的基本未知数是单元结点的位移。对弹性问题的分析，将作用在结点上的外荷载以{R}表示，结点位移以{δ}表示，刚度以[K]表示。其基本方程式为(www.xing528.com)

当岩土介质与支护结构材料本构模型的特征呈非线性形态时，本构模型曲线需分段线性化，应力应变关系宜用增量形式表示。相应的基本方程式为

式中　{Δδ}——结点位移的增量；

　　　{ΔR}——结点荷载的增量；

　　　[K（δ）]——刚度矩阵，矩阵元素的量值与变形有关。

采用荷载增量初应变法进行隧道模拟计算时，可按以下步骤进行：

1）计算岩土体的初始地应力，包括自重应力、构造应力及其合应力；

2）计算当前开挖步骤的开挖释放荷载；

3）按荷载增量步逐级施加开挖释放荷载；

4）对各开挖步骤，可在设定的荷载增量步内施加锚喷支护或衬砌结构；

5）每次施加增量荷载后，先按弹性状态计算，得出各单元的应力增量和位移增量；

6）将算得的单元应力增量和位移增量与增量加载前的单元应力、位移分别叠加，计算出增量加载后的单元应力和位移；

7）计算单元主应力；

8）检验节理单元抗拉强度和抗剪强度是否满足要求；

9）检验节理单元等是否发生受拉或受剪破坏；

10）将各单元中的过量塑性应变转化为等效结点力，并将其作为附加荷载向量，再次进行迭代计算；

11）转至步骤5），重复步骤5）—步骤9）的计算过程，直至满足步骤8）、步骤9）规定的计算要求；

12）转至步骤3），再次施加荷载增量，直到该开挖步加载结束；

13）输出计算结果。

5.隧道稳定性判别

判断隧道的稳定性，应将洞周是否存在稳定的承载环作为基本条件。洞周承载环可分为如下几种类型：

1）围岩地质条件好，自支撑能力强时，洞周围岩可形成稳定的承载环；

2）围岩地质条件较差，自支撑能力低，隧道开挖后洞周岩体易坍塌时，由初始支护与围岩共同形成承载环；

3）围岩地质条件极差，围岩基本无自稳能力时，洞周承载环仅由初期支护和二次衬砌组成。

进行隧道稳定性的判断时，应同时检验围岩和结构的工作状态。隧道处于稳定状态时，洞周承载环应处于如下工作状态：

1）洞周围岩自身可起承载环作用的条件时，围岩处于弹性变形状态，或在拱圈和两侧边墙部位出现塑性区不连通的弹塑性变形状态。

2）当支护结构起承载环作用时，支护结构应处于弹性变形状态，或出现的塑性铰少于3个，且均不在同一侧的侧墙上的弹性变形状态。

3）围岩的工作状态可采用德鲁克-普拉格准则（D-P准则）或摩尔-库仑准则（M-C准则）检验。判定围岩屈服条件的黏聚力和内摩擦角等参数应计入系统锚杆加固效应、注浆加固效应及开挖过程中的松动效应。

对支护结构工作状态的判断应符合以下规定：

1）支护结构应按承载能力极限状态设计，且变形后仍能满足使用功能对净空的要求；

2）对素混凝土衬砌，应验算控制截面的抗压、抗拉强度；

3）对钢筋混凝土结构，应根据相关规定进行计算。