隧道初支侵限段结构安全性评价Word格式.docx

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7.1计算结论26

7.2工程建议27

本报告根据现行《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）（以下简称《隧规》）有关要求进行计算。

计算通过通用有限元程序ANSYS完成：

采用荷载结构法计算轴力、弯矩，并以此为基础计算结构安全系数，并以安全系数为基础评估结构的安全性。

1计算依据

（1）《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）；

（2）《铁路工程设计技术手册隧道》；

（3）《北京东路0#隧道施工图设计文件》；

（4）《北京东路1#隧道施工图设计文件》；

（5）《北京东路0#隧道工程地质勘察报告》；

（6）《北京东路1#隧道工程地质勘察报告》；

（7）《结构原理与结构概念设计》。

2计算参数

2.1结构设计参数

北京东路0#隧道、1#隧道隧道全长均按Ⅴ级围岩进行衬砌设计，0#隧道的衬砌类型简称Ⅴ0，1#隧道的衬砌类型简称Ⅴ1，针对部分段落初支已经侵限的情况，又设计了Ⅴ0-1、Ⅴ0-2、Ⅴ0-3、Ⅴ1-1、Ⅴ1-2、Ⅴ1-3、Ⅴ1-4等7种二衬型式，具体结构设计参数如下。

表1衬砌支护参数表（单位：

cm）

衬砌

类型

地质

条件

喷砼

（cm）

锚杆（cm）

钢筋网

钢架（cm）

预留

变形量

砼拱墙

砼仰拱

横×

纵

Ⅴ0

V级围岩

C20砼厚30

450

@80×

50

φ8双层

@20

I22a

@50

18

C30钢筋砼厚70

φ22@10

φ22@20

Ⅴ0-1

同上

C30钢筋砼厚60

Ⅴ0-2

C30钢筋砼厚50

Ⅴ0-3

C30钢筋砼厚40

Ⅴ1

C25钢纤维砼厚33

I25a

C30钢筋砼厚80

φ28@10

φ28@20

Ⅴ1-1

Ⅴ1-2

Ⅴ1-3

Ⅴ1-4

2.2材料参数

计算所涉及的材料主要为岩土、支护结构（混凝土、钢筋），岩土材料参数参照《北京东路0#隧道工程地质勘察报告》、《北京东路1#隧道工程地质勘察报告》取值，支护结构（混凝土、钢筋）材料参数参照《隧规》取值，见表2~表3。

表2岩土材料参数

容重

（kN/m3）

粘聚力C（kPa）

摩擦角φ（°

）

计算摩擦角φc（°

泊松比υ

弹性抗力系数k（kPa/m）

20.9

159

19.2

40

0.45

100×

103

表3支护材料参数

弹性模量E

（kPa）

抗拉极限强度Rl（kPa）

抗压极限强度Ra（kPa）

C20砼

22

2.1×

107

0.2

1.7×

1.55×

104

C25钢纤维砼

2.3×

2.0×

1.90×

C30钢筋砼

25

3.1×

2.2×

2.25×

HRB335钢筋

77

/

2.68×

105

3计算方法

3.1荷载计算方法

3.1.1浅埋段荷载计算方法

1）深浅埋隧道分界深度

根据《隧规》附录E与P29页的相关公式计算深浅埋隧道分界深度。

（公式31）

（公式32）

式中：

—深浅埋隧道分界深度（m）；

—荷载等效高度（m）；

S—围岩级别；

—隧道宽度影响系数，按下式计算；

（公式33）

—隧道宽度（m）；

—B每增减1m时的围岩压力增减率，

m时取

0.1。

IV、V级围岩取

，小于此深浅埋隧道分界深度，应按浅埋隧道计算荷载。

2）浅埋段荷载计算方法

（1）埋深小于或等于等效荷载高度

时

1）垂直方向荷载

（公式34）

—浅埋隧道围岩垂直均布压力（kN/m2）；

—围岩重度（kN/m3）；

H—隧道埋深（m）。

2）水平方向荷载

（公式35）

—侧向均布压力（kN/m2）；

—隧道高度（kN/m3）；

—围岩计算摩擦角（°

）。

其余符号同上。

（2）埋深大于等效荷载高度

图1

＜埋深≤

荷载作用模式

（公式36）

（公式37）

（公式38）

—侧压力系数；

—滑面摩擦角，无实测资料时，V级取0.7

，IV级围岩取0.8

；

其余各符号见图1。

拱顶：

（公式39）

隧底：

（公式310）

图2浅埋隧道荷载作用模式

3.1.2深埋段荷载计算方法

当埋深超过深浅埋隧道分界深度时，按《隧规》“6荷载”中给定的深埋隧道荷载计算方法确定围岩荷载。

荷载图示见图3。

（公式311）

—深埋隧道围岩垂直均布压力（kN/m2）；

、

—符号意义同前，

的计算方法同前；

2）水平均布荷载

（公式312）

—深埋隧道围岩水平均布压力（kN/m2）；

—侧压力系数，IV级围岩取0.22，V级围岩取0.4。

图3深埋隧道荷载作用模式

3.1.3地面楼房荷载计算

《结构原理与结构概念设计》中给出的楼房荷载为9～14kN/m2×

楼层数。

3.1.4荷载分担比例

Ⅴ级围岩荷载分担比例参照《隧规》P185页，Ⅴ级围岩中围岩+初期支护分担20%～40%，二次衬砌分担80%～60%，综合考虑围岩条件与支护参数，确定荷载分担比例如下：

围岩分担5%，初支分担30%，二衬分担65%。

3.2钢支撑对喷混凝土的加强作用

通过对隧道工程的长期观察、实践，认为通过配筋等效的方式模拟钢支撑对喷砼的加强作用更加合理：

即将嵌在喷砼中的钢支撑看成是对喷砼的配筋，将C20喷砼+钢支撑的联合承载体看作钢筋混凝土，该方法较合理的考虑了C20喷砼+钢支撑的联合承载作用，因此更贴近于实际，也更符合设计者的初衷。

钢支撑、φ8钢筋网对喷砼都有加筋作用，计算时偏于安全的只将工字钢翼缘附近的部分作为有效配筋面积，见下图，而腹板、φ8钢筋网则作为安全储备。

图4钢架有效配筋面积

3.3结构安全性评价方法

3.3.1钢筋混凝土受压构件安全系数的计算方法

将带钢架的喷射混凝土与配筋的二次衬砌均看作是钢筋混凝土受压构件进行安全系数的计算，并以安全系数作为评价其安全性的唯一指标。

钢筋混凝土受压构件的安全系数计算方法如下：

根据《铁路工程设计技术手册隧道》中的相关计算公式，当已知轴力、弯矩、截面尺寸、安全系数时，可计算配筋面积，那么反过来当已知轴力、弯矩、截面尺寸、配筋面积时，也可以反算安全系数。

首先对公式中的参数进行说明。

Ag、Ag’—纵向受拉及纵向受压钢筋的截面积；

K—安全系数，取为2.4；

N—轴力；

Rg—钢筋的抗拉或抗压计算强度；

h0—截面的有效高度；

a’—自钢筋Ag、Ag’的重心分别至截面最近边缘的距离；

Ra—混凝土的抗压极限强度；

b—每延米喷混凝土的截面宽度；

e、e’—轴力作用点至Ag、Ag’重心的距离；

Rw—混凝土的弯曲抗压极限强度；

取受拉和受压钢筋数量相同，即

。

按以下公式求解

（公式313）

验算

＞0.55h0，若验算条件满足，即可求得安全系数K。

否则

（公式314）

验算2

＜

＜0.55h0，若验算条件满足，即可求得安全系数K。

（公式315）

＜2

，若验算条件满足，即可求得安全系数K。

如果钢筋混凝土的安全系数K＞2.0，则结构满足《隧规》规定。

3.3.2喷混凝土与二衬的安全性评价方法

（1）喷混凝土的安全性评价方法

根据《隧规》P41页9.2.4，验算施工阶段的强度时，喷射混凝土最危险单元的安全系数应大于1.7×

0.9=1.53。

（2）二次衬砌的安全性评价方法

二次衬砌是承载主体，也是整个支护体系的最后一道屏障，不允许其出现较大变形或开裂，因此要求二衬不配筋时最危险单元的安全系数大于2.4（抗压强度控制承载能力）或者3.6（抗拉强度控制承载能力），二衬配筋时最危险单元的安全系数大于2.0。

4计算工况

根据现场实测，0#隧道YK1+068～+100与1#隧道YK0+930断面附近初支变形侵限严重，故分别选取0#隧道YK1+068～+100与1#隧道YK0+930断面附近的最不利断面（荷载最大断面）作为计算分析的对象。

根据3.1.1中的相关公式可以算出0#、1#隧道的深浅埋分界深度分别为38.49m、38.85m，隧道埋深小于该深度时荷载随埋深的增加而增加，达到分界深度时荷载最大，超过分界深度时荷载减小并趋于恒定。

0#隧道YK1+068～+100的埋深为11.2m～13.3m，属于浅埋隧道，荷载最大的位置为YK1+100断面，而且该断面地表还有5层高的楼房荷载也要予以考虑；

1#隧道YK0+930断面的埋深为21.25m，且地表横坡为1:

2.25，存在明显的偏压现象，计算时也要加以考虑。

综合考虑荷载与初支变形侵限情况，确定计算工况如下：

表4计算工况统计表

隧道编号

桩号

埋深

（m）

地表坡比

楼房荷载

（kN/m2）

工况0

0#

YK1+100

13.3

12×

5=60

工况0-1

工况0-2

工况0-3

工况1

1#

YK0+930

21.25

1:

2.25

工况1-1

工况1-2

工况1-3

工况1-4

5计算建模

采用结构－荷载法计算，计算模式为平面应变模式。

拱圈和仰拱采用梁单元模拟，地层用不抗拉弹簧单元模拟，通过参数设置使该单元只能受压不能受拉。

计算中单位制均采用kN-m，建立的计算模型如图5。

图5荷载结构计算模型

6结构安全性评价

6.1工况0结构安全性评价

6.1.1工况0初支安全性评价

（1）工况0初支的变形

图6变形

由上图可知，初支的最大变形发生在拱顶位置，为2.19cm，实际施工过程中该位置发生较大沉降可能是由于拱脚处基础软弱引发的，在以后段落的施工中应予以注意。

（2）工况0初支的内力

图7轴力

图8弯矩

（3）工况0初支的安全系数

图9安全系数

由以上内力与安全系数图可知，拱脚部位的安全系数最小为3.17，满足规范中初支最小安全系数1.53的要求。

6.1.2工况0二衬安全性评价

（1）工况0二衬的变形

图10变形

由上图可知，二衬的最大变形发生在拱顶位置，为1.95cm。

（2）工况0二衬的内力

图11轴力

图12弯矩

（3）工况0二衬的安全系数

图13安全系数

由以上内力与安全系数可知，拱顶部位的轴力最小，弯矩最大，偏心距最大，安全系数最小为2.67，满足规范中二衬最小安全系数2的要求。

6.2工况0-1二衬安全性评价

（1）工况0-1二衬的变形

图14变形

由上图可知，二衬的最大变形应发生在拱顶位置，为2.15cm。

（2）工况0-1二衬的内力

图15轴力

图16弯矩

（3）工况0-1二衬的安全系数

图17安全系数

由以上内力与安全系数可知，拱顶部位的轴力最小，弯矩最大，偏心距最大，安全系数最小为2.86，满足规范中二衬最小安全系数2的要求。

6.3工况0-2二衬安全性评价

（1）工况0-2二衬的变形

图18变形

由上图可知，二衬的最大变形应发生在拱顶位置，为2.43cm。

（2）工况0-2二衬的内力

图19轴力

图20弯矩

（3）工况0-2二衬的安全系数

图21安全系数

由以上内力与安全系数可知，拱顶部位的轴力最小，弯矩最大，偏心距最大，安全系数最小为2.95，满足规范中二衬最小安全系数2的要求。

6.4工况0-3二衬安全性评价

（1）工况0-3二衬的变形

图22变形

由上图可知，二衬的最大变形应发生在拱顶位置，为2.87cm。

（2）工况0-3二衬的内力

图23轴力

图24弯矩

（3）工况0-3二衬的安全系数

图25安全系数

由以上内力与安全系数可知，安全系数最小为2.4，满足规范中二衬最小安全系数2的要求。

6.5工况1结构安全性评价

6.5.1工况1初支安全性评价

（1）工况1初支的变形

图26变形

由上图可知，初支的最大变形应发生在拱顶位置，为2.37cm，施工过程中该位置发生较大沉降可能是由于拱脚处基础不实引发的，在以后段落的施工中应予以注意。

（2）工况1初支的内力

图27轴力

图28弯矩

（3）工况1初支的安全系数

图29安全系数

由以上内力与安全系数图可知，拱脚部位的安全系数最小为3.29，满足规范中初支最小安全系数1.53的要求。

6.5.2工况1二衬安全性评价

（1）工况1二衬的变形

图30变形

由上图可知，二衬的最大变形应发生在拱顶偏右位置，为2.16cm。

（2）工况1二衬的内力

图31轴力

图32弯矩

（3）工况1二衬的安全系数

图33安全系数

由以上内力与安全系数可知，拱顶部位的轴力最小，弯矩最大，偏心距最大，安全系数最小为3.07，满足规范中二衬最小安全系数2的要求。

6.6工况1-1二衬安全性评价

（1）工况1-1二衬的变形

图34变形

由上图可知，二衬的最大变形发生在拱顶位置，为2.35cm。

（2）工况1-1二衬的内力

图35轴力

图36弯矩

（3）工况1-1二衬的安全系数

图37安全系数

由以上内力与安全系数可知，拱顶部位的轴力最小，弯矩最大，偏心距最大，安全系数最小为3.24，满足规范中二衬最小安全系数2的要求。

6.7工况1-2二衬安全性评价

（1）工况1-2二衬的变形

图38变形

由上图可知，二衬的最大变形发生在拱顶位置，为2.6cm。

（2）工况1-2二衬的内力

图39轴力

图40弯矩

（3）工况1-2二衬的安全系数

图41安全系数

由以上内力与安全系数可知，拱顶部位的轴力最小，弯矩最大，偏心距最大，安全系数最小为3.3，满足规范中二衬最小安全系数2的要求。

6.8工况1-3二衬安全性评价

（1）工况1-3二衬的变形

图42变形

由上图可知，二衬的最大变形发生在拱顶位置，为2.95cm。

（2）工况1-3二衬的内力

图43轴力

图44弯矩

（3）工况1-3二衬的安全系数

图45安全系数

由以上内力与安全系数可知，安全系数最小为2.73，满足规范中二衬最小安全系数2的要求。

6.9工况1-4二衬安全性评价

（1）工况1-4二衬的变形

图46变形

由上图可知，二衬的最大变形应发生在拱顶位置，为3.48cm。

（2）工况1-4二衬的内力

图47轴力

图48弯矩

（3）工况1-4二衬的安全系数

图49安全系数

由以上内力与安全系数可知，安全系数最小为2.18，满足规范中二衬最小安全系数2的要求。

7计算结论与工程建议

7.1计算结论

（1）0#隧道YK1+068～+100与1#隧道YK0+930断面原设计的初支与二衬均符合规范要求，且有较高的安全储备。

（2）在正常施工的情况下，0#隧道YK1+068～+100与1#隧道YK0+930断面附近初支均不应该发生拱顶沉降超过设计值的情况，施工方应从施工过程中找出原因，比如①有没有按照设计施作锁脚锚杆？

②钢架脚部基础是否稳固，有没有按照设计要求设置砼垫块？

③初支背后是否密实有没有空洞？

④钢架接头有没有按照设计要求认真施作？

有没有接头处刚度减弱的情况？

（3）在荷载与配筋均已确定的情况下，结构安全系数并不一定随着二衬厚度的变薄而减小，也不一定随着二衬厚度的增加而增大。

例如，某座桥梁在荷载与跨径均已确定的情况下，选用1m的梁高最为合理，若是选用0.3m的梁高则不安全，若是选用3m的梁高也不一定安全，究其原因是结构截面变厚，抗弯能力变强，但是刚度也随厚度的增加而增加，从而内力（尤其是弯矩）也会增加，因此安全系数不一定就增大。

这种现象在隧道工程中同样存在，具体请看下图。

图500#隧道YK1+100处二衬最小安全系数与二衬厚度的关系

图511#隧道YK0+930处二衬最小安全系数与二衬厚度的关系

因此对于一种工况，均对应着一个最合理的二衬截面厚度，例如0#隧道YK1+100处二衬选用φ22钢筋10cm的间距时，二衬最合理的截面厚度为50cm，1#隧道YK0+930处二衬选用φ28钢筋10cm的间距时，二衬最合理的截面厚度为60cm。

7.2工程建议

（1）初支上下台阶交界处与拱脚处每处打设两根4m长φ42注浆小导管，并且要注浆，小导管末端与钢架要焊接牢固，如下图所示。

图52锁脚小导管

（2）采用一些稳固上台阶钢架脚部的措施如扩大脚部基础，设置砼垫块等，防止由于脚部不稳导致拱顶出现较大下沉。

（3）注意钢架接头处的施工质量。

（4）初支尽快封闭。

（5）由于换拱存在很大的施工风险，因此在能够保证0#隧道YK1+068～+100与1#隧道YK0+930断面附近二衬厚度最小不小于40cm的情况下，可以施作二衬，不需要增大配筋。

（6）如果想要进一步提高整个支护体系的安全性，可以考虑在二衬施作之前在拱腰至拱脚部位用4m长φ42注浆小导管注浆加固围岩，以求达到增大围岩抗力系数的目的。

图53注浆加固范围