隧道与地下工程荷载计算的研究现状

隧道与地下工程荷载计算的研究现状

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摘要：目前，我国的科技发展十分迅速，开挖荷载计算是关系到隧道与地下工程设计准确性和可靠性的重要因素，长期以来都受到岩土工程界的高度关注．回顾了隧道与地下工程荷载计算方法发展的三个阶段，即基于结构力学的经典计算方法、岩土力学弹塑性理论的计算方法以及基于施工力学的开挖应力释放计算方法，并分析了各种计算方法的优缺点和实用性，同时认为基于开挖应力释放理论的计算方法由于机理明确、计算精度高，是未来发展的方向．

关键词：地下工程;荷载计算;应力释放

引言

随着人们对隧道围岩力学特性认识的逐渐深入，普遍趋向于认为围岩内部结构的存在，但对其结构性的判定依据和描述方法尚处于探索阶段，尚无系统完整的认识，因此也给支护荷载计算带来困难。本文基于围岩的渐进破坏、结构性及其工程影响特点，提出了“复合围岩结构”的观点。按照围岩稳定性及其荷载效应作用机制的不同，将隧道围岩划分为深层围岩和浅层围岩两大区域，而深层围岩有时或由多组围岩结构组成，呈现阶段性失稳和周期性破坏的特点，并就其判别原则、结构稳定性特点、范围确定方法及其影响因素进行了系统研究。建立了基于复合围岩结构的荷载效应分析模型，明确了深浅层围岩的荷载作用模式，获得了完整的围岩变形全过程特性曲线，提出了相应的荷载效应计算方法和步骤。

1列车振动传播规律的研究

列车运行时，轮轨之间的相互撞击是产生列车振动的主要原因。振动从轨道开始通过轨道扣件和道床传到路基，再由路基传向地下结构，引发地下结构附近岩土体的振动。列车运行时产生的振动一般情况下认为是在地面上由一连串移动式作用点迭加作用形成的，因此可视其为移动性的线状振源即线振源它是一类振幅变化不大的环境振动，也是一种稳态振动。列车运行对大地产生的振动主要以三种波的形式传播，即横波、纵波和表面波，其传播的形态也较为复杂。目前，中外学者对振动的传播规律已经作了大量研究工作。对地铁隧道结构的振动进行了研究，得出的结论是:基岩层的阻尼因子极小，不利于振动衰减，故其振级最高;振动波在硬土中衰减较慢，在软土中衰减较快。研究表明:位于地下2m深处振动加速度值为地表的20%-50%;4m深处为10%30%，可见在车辆运行产生的环境振动中，表面波占主要地位。由于能量的扩散以及周围岩土体对振动能量的吸收作用，振动波在传播时会衰减。

2隧道与地下工程荷载计算的研究现状

2.1围岩失稳模式与范围

进入残余区的围岩，若不及时地加以支护，在重力和外界扰动的综合作用下，则会出现局部围岩垮落而脱离围岩母体。由于重力的影响，拱腰上下不同部分围岩往往呈现不同的失稳模式，上部围岩具有产生向下的垮落趋势，而下部围岩则会产生类似于边坡失稳的滑移趋势，最终垮落区和滑移区在隧道周围共同形成一个整体的无法自稳区域。

2.2岩柱理论

当隧道埋置深度极浅或采用明挖施工时，由于上覆岩土难以形成承载拱，通常认为隧道结构所承受的荷载为上覆岩土体的全部重量，此时采用岩柱理论直接进行荷载计算．但大量实践表明，埋置深度稍大时，完全采用上覆岩土体重量计算的隧道荷载大于实际荷载，因此在实际计算中认为作用在隧道结构上的荷载为上覆岩土体重量减去两侧滑动面上的摩擦力和黏聚力．该计算方法物理意义明确，计算公式简便，但其计算值随埋深线性增加，对于埋深相对较大的隧道，计算结果偏于保守，也不能合理反映隧道荷载产生的机理，一般适用于隧道埋置深度极浅或采用明挖法修建的隧道．

2.3裂缝深度对衬砌承载力的影响

根据试验数据，从裂缝特征、试件破坏过程、短期刚度、极限荷载4个方面进行比较。(1)破坏荷载根据试验结果，不同损伤位置裂缝开展荷载比例，预制裂缝2深度为h/3、h/2时，试件第一到第三条裂缝的开裂荷载比例(29．10%～40．55%)低于无裂缝试件相应裂缝开展时的荷载比例(31．49%～44．86%)。压皱出现时，带预制裂缝的试件的荷载比例(66．38%～72．16%)稍低于无裂缝试件的荷载比例72．46%。最终各试件的破坏均为右拱肩外侧受压破碎导致整个结构失去承载能力。(2)短期刚度不同预制裂缝深度条件下。加载过程中，随裂缝深度增加，试件荷载—刚度曲线逐渐下移。非外力因素(施工、环境等)引起的裂缝对偏压荷载承载力的影响比较大。随着裂缝深度的加大，损伤衬砌结构刚度减小。

2.4开挖应力释放理论

为探究开挖内力变化和开挖变形的关系，开展了大量砂的加卸载室内模型试验和三轴试验，发现散体材料卸载过程中由于颗粒间摩擦、咬合等自锁作用，变形发展表现为典型的三阶段特性，即惰性(微变形)阶段、加速(快速变形)阶段和剧变(大变形)阶段．卸载条件下颗粒体系细观接触力释放与室内试验中砂土内应力释放规律一致．表明散粒体卸载响应在宏观和细观上均可用“惰性、剧变和加速”三阶段特性加以描述．换言之，存在一个临界卸载值，当卸载量小于该临界值时，介质的内应力几乎不释放，卸载引起的变形极小．通常内摩擦越大，临界卸载值越大．为同时考虑初始地应力及开挖后土体卸载的三阶段特性，该模型将传统的“弹簧”与“圣文南”元件并联，圣文南元件作为判断应力释放的工具，但其上的应力不是定值，而是参考库仑摩擦元件的计算方法．与连续介质力学分析采用的微元体思路不同，由于散粒体的内摩擦力参与荷载传递，必须在微元体中增加摩擦分量．因此，将八面体剪应力引入以表征单次加卸载情况下颗粒间的摩擦作用力，并利用虚功原理建立了颗粒间摩擦作用与卸载应力释放特性的关系，将应力释放效应对开挖荷载的影响等效成为修正开挖卸载阶段材料的弹塑性本构关系矩阵，从而实现了考虑卸载摩擦效应的开挖问题计算方法．

2.5深层围岩结构层稳定性分析

在工程实践中，结构层是每组围岩稳定性的控制性岩层，如果第一组围岩的结构层能保持长期稳定，则浅层围岩范围不再扩大；反之任何结构层的失稳都将形成新一轮的大范围的围岩失稳和破坏过程，表现为浅层围岩范围的扩大，直至发展到下一个结构层又达到一个新的相对稳定阶段。内侧结构层的失稳通常伴随着一定范围内围岩的垮落和松动，本质上是拱结构轴线的外移，实现地层荷载向外侧更大范围的岩层中传递，以实现新的平衡。事实上，每组围岩中结构层的力学性态转化和失稳模式都是类似的，客观上也都将造成支护荷载的增大，但由于每组岩层的厚度、岩性构成以及细观结构的差异性，围岩失稳和破坏所产生的影响和控制的难度也会不同。

结语

1)基于极限平衡法的结构力学经典计算方法．这类方法认为衬砌结构承受地层松动荷载，荷载明确，计算简便，但仅能计算作用于地下结构上的极限荷载，无法考虑支护结构与围岩的相互作用和施工过程的影响，计算参数的取值也依赖经验，计算结果与实际情况差别较大，通常偏于保守．2)基于岩土力学弹塑性理论的计算方法．考虑支护结构与围岩的相互作用，共同承受地层荷载，采用连续介质的弹塑性理论计算荷载(应力)，能部分或全部模拟地下工程的施工过程，但应力释放系数这一直接影响计算结果的参数，常按经验取值，其理论基础尚不充分．3)基于施工力学的荷载计算新方法．从细观颗粒尺度描述了开挖应力释放产生的机理，认为土体开挖后出现内应力释放，围岩内应力的释放伴随地下工程施工全过程，能够描述土体卸载的三阶段变形特性，更好地反映了土体的开挖力学行为，使开挖荷载计算更具通用性，显著提高了开挖荷载计算的可靠性和精度．

参考文献

［1］周顺华．地下工程开挖问题计算方法的再认识［J］．科学通报，2019，64(25):2608-2616．

［2］郑颖人，邱陈瑜．普式压力拱理论的局限性［J］．现代隧道技术，2016，53(2):1-8．