中国隧道支护结构设计理论及方法发展与展望.pdf
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1、中国隧道支护结构设计理论及方法发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024收稿日期:2024-02-21修回日期:2024-03-21作者简介:赵 勇(1969-),男,博士,正高级工程师,主要从事隧道与地下工程方面的科学研究、技术咨询、设计评审和建设管理工作,E-mail:.中国隧道支护结构设计理论及方法发展与展望赵 勇1王明年2,3于 丽2,3张 霄2,3(1.西藏铁路建设有限公司,林芝 860000;2.西南交通大学 隧道工程教
2、育部重点实验室,成都 610031;3.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)摘要:自1888年修建第一座隧道狮球岭铁路隧道以来,中国隧道支护结构设计理论及方法的发展经历了起步阶段、探索阶段、发展阶段及创新阶段。隧道围岩分级由单一指标的定性分级方法,发展到基于多指标的综合分级方法;隧道围岩压力由塌方荷载,发展到形变压力;隧道支护结构内力计算方法由不考虑围岩抗力的“荷载-结构”法,发展到考虑围岩抗力的“荷载-结构”法及“地层-结构”法;隧道支护结构安全度检算由容许应力法及破损阶段法,发展到基于可靠度理论的概率极限状态法。隧道支护结构设计理论及方法总体上由依赖经验的类比设计和标准设计方法,
3、逐渐向半定量和完全数值定量的解析设计方法转变,并向信息化、智能化方向发展。文章系统地回顾了我国隧道工程建设情况、隧道围岩分级、隧道支护结构内力计算方法及安全度检算方法的发展历程,总结了我国隧道支护结构设计理论及方法在各阶段的技术突破,展望了以主动支护为核心的隧道支护结构智能设计方法。关键词:交通隧道工程;支护结构;设计理论;设计方法中图分类号:U452文献标志码:A文章编号:1009-6582(2024)02-0028-15DOI:10.13807/ki.mtt.2024.02.004引文格式:赵 勇,王明年,于 丽,等.中国隧道支护结构设计理论及方法发展与展望J.现代隧道技术,2024,61
4、(2):28-42+79.ZHAO Yong,WANG Mingnian,YU Li,et al.Development and Prospect of Tunnel Support Structure Design Theory andMethod in ChinaJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(2):28-42+79.1引 言自1888年修建第一座隧道狮球岭铁路隧道以来,我国隧道建设已有130余年的历史。进入21世纪以来,我国铁路隧道、公路隧道及地铁隧道的规模和数量都得到了飞速发展,已成为名副其实的隧道大国。截至2022年底,我国交通隧道总里程
5、约为55 892 km,建成铁路隧道约17 873座,总长约21 978 km1(截至2023年底,建成铁路隧道约18 573座,总长约23 508 km2),建成公路隧道约24 850座,总长约26 784.3 km3,建成地铁隧道约7 129.96 km4,如图1所示。目前,我国隧道支护结构设计方法主要包括标准设计法、类比设计法及解析设计法。标准设计法是标准支护模式设计方法的简称,是根据隧道的埋深大小、围岩等级、运输方式、速度目标值、股道/车道数量、铁路轨道形式、防排水方式等内容,依照国家或行业有关部门发布的标准图、通用图开展工程图1 截至2022年底中国交通隧道里程统计1,36Fig.1
6、 Chinas traffic tunnel mileage by the end of 20221,36设计的方法。类比设计法是类似条件设计方法的简称,也称为经验设计法或工程类比法,是通过对具有类似围岩条件、断面形式、使用功能的既有隧道工程案例的综合分析,开展新建隧道设计的方法。隧道支护结构解析设计法就是根据力学原理,建立起能模拟围岩与支护结构相互作用的力学模型,在给定边界和初值条件下,用数学解析的方法对隧道力学行为进行分析预测,以达到隧道支护结构设计的目28中国隧道支护结构设计理论及方法发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,N
7、o.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版的。其中,标准设计法及类比设计法的核心在于准确的评价围岩等级,解析设计法的核心在于准确计算隧道结构内力、评价隧道结构安全度。经过100多年的探索,我国隧道支护结构设计水平有了大幅度提高,这一进步与隧道施工技术、支护型式、机械化水平、支护材料的发展密不可分。19世纪以来,我国隧道施工方法从人工分部法发展为大型机械化-智能化全断面法;隧道支护型式由整体式衬砌发展为复合式衬砌、装配式衬砌;隧道支护结构材料由砖石、普通混凝土、砂浆锚杆发展为高性能混凝土、预应力锚杆(索)等。围岩分级由单一指标的定性分级
8、,发展为基于多指标、多数据的智能化分级;隧道支护结构内力计算方法由不考虑围岩抗力的“荷载-结构”法,发展到考虑围岩抗力的“荷载-结构”法及“地层-结构”法;隧道围岩压力由塌方荷载,发展到形变压力;隧道支护结构安全度检算由容许应力法及破损阶段法,发展到基于可靠度理论的概率极限状态法。隧道支护结构设计理论及方法总体上由依赖经验的标准设计和类比设计方法,逐渐向半定量和完全数值定量的解析设计方法转变,并向信息化、智能化方向发展。同时,设计理念从依靠衬砌承载的观点,改变为主要依靠围岩承载,充分利用围岩自承能力的设计理念深入人心79,并且形成了一系列具有中国特色的隧道支护结构设计方法,如隧道机械化大断面设
9、计方法10、隧道主动支护结构体系设计方法11、隧道支护结构设计总安全系数法12及隧道围岩变形控制设计方法13等。但随着某高原铁路、重大水电项目等一大批重难点工程的修建,我国隧道支护结构设计还面临着巨大的技术挑战。本文以我国隧道支护结构设计及施工技术的重大创新时间节点为标志,将我国隧道支护结构设计理论及方法的发展分为4个阶段,即起步阶段(20世纪 70 年代以前)、探索阶段(20 世纪 7080 年代)、发展阶段(20世纪90年代21世纪10年代中期)、创新阶段(21世纪10年代中期至今),并展望了以主动支护为核心的隧道支护结构智能设计方法,对进一步提高中国隧道支护结构设计理论及方法的水平进行探
10、索。2起步阶段(20世纪70年代以前)2.1起步阶段隧道工程建设概况20世纪70年代以前,我国建成京张、成昆、成渝、滇缅、叙昆等铁路工程,建成铁路隧道约2 782座,总长约1 122.8 km5;建成川藏、青藏等公路工程,其中公路隧道总长不超过 10 km;建成首条地铁北京地铁一期工程苹果园到北京站,线路长23.6 km14。代表性隧道工程如图2所示。图2 20世纪70年代以前中国代表性隧道工程Fig.2 Chinas representative tunnels before the 1970s20世纪70年代以前15,我国交通隧道工程主要以单线铁路隧道、低等级公路隧道、地铁隧道为主,跨度较
11、小。山岭隧道施工方法主要为上导坑先拱后墙法、上下导坑先拱后墙法、蘑菇形开挖先拱后墙法等分部开挖法(图3(a);地铁隧道施工方法主要为明挖法,施工过程中,多用木料作为临时支护(图3(b),永久衬砌多采用整体式衬砌,少数采用喷锚支护。大部分隧道的开挖、运碴、支护都由人工完成(图3(c),少数隧道(如成昆铁路隧道)配备了小型机械设备。由于分部法对围岩扰动大,施工机械化程度低、施工进度慢,整体式衬砌不能及时支护围岩,导致隧道开挖后围岩暴露时间长、支护结构闭环时间长,隧道塌方事故时有发生,隧道结构所受围岩压力主要为松散荷载(或塌方荷载),因此,这一时期我国隧道支护结构设计所采用的荷载主要是松散荷载。2.
12、2起步阶段隧道围岩分级20世纪70年代以前,我国隧道围岩分级主要采用基于单一指标的围岩分级方法。其中,50年代以前,我国隧道围岩分级基本上是采用以岩石极限抗压强度及岩石天然重度为基础的、适用于土石方工29中国隧道支护结构设计理论及方法发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024图3 20世纪70年代以前中国隧道典型施工技术Fig.3 Typical construction technology of Chinese tunnel b
13、eforethe 1970s程的土石分类方法。自1955年起,我国开始引入普氏分级16,即用单一岩性指标坚固性系数f值将隧道围岩分为10类。这种分类方法单一、简明,给隧道设计、施工带来一定方便,在隧道工程中得到广泛应用,但工程师们通过工程实践逐渐发现单纯依靠f值不能充分反映围岩的基本特性和稳定状态。2.3起步阶段隧道支护结构内力计算20世纪50年代以前,我国隧道支护结构内力计算处于刚性结构阶段,采用不考虑地层弹性抗力的“荷载-结构”计算模式,基于压力线理论将隧道结构简化为三铰拱或无铰拱,计算结果偏于保守,导致设计的衬砌截面偏厚。竖向、水平向围岩压力分别采用Terzaghi公式及朗金公式17(式
14、(1)和式(2),适用于深、浅埋隧道,因此无深、浅埋隧道之分,如图4所示。竖向围岩压力:V=btan0()1-e-tan0hb(1)水平向围岩压力:e=()v+12httan2()45-02(2)式中:ht为隧道净高;h为隧道埋深;0为围岩似摩擦角;为围岩侧压力系数;为围岩重度。20世纪5060年代,我国隧道支护结构内力计算进入弹性结构阶段,采用考虑地层弹性抗力的“荷图4 Terzaghi围岩压力示意18Fig.4 Terzaghis earth pressure diagram18载-结构”计算模式,其中曲墙式衬砌多采用假定抗力图形法,即假定衬砌结构周边抗力分布的范围及抗力区各点抗力变化的图
15、形(图5);直墙式衬砌多采用弹性地基梁法,即将衬砌结构看成置于弹性地基上的曲梁或直梁(图6)。图5 假定抗力图形法示意18Fig.5 Schematic diagram of assumed resistance graph method18图6 弹性地基梁法示意18Fig.6 Elastic foundation beam method diagram1830中国隧道支护结构设计理论及方法发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版
16、这一时期,围岩压力主要采用普氏的塌落拱理论(式(3),以2倍压力拱高度作为隧道深、浅埋分界,如图7所示。图7 普氏理论围岩压力示意16,18Fig.7 Schematic diagram of Protodyakonov theory of groundpressure16,18竖向围岩压力:q=hk(3)式中:hk=bt/f为自然拱高度;f为围岩坚固性系数,f=tan0;bt为自然拱的半跨度,坚硬岩体中bt=B,破碎岩体中bt=B+httan(45+0/2);B为隧道净跨;水平向围岩压力采用朗金公式(式(2)。20世纪60年代,我国隧道工程师根据隧道工程实践,总结了浅埋隧道的破坏模式(图8)
17、,提出了浅埋隧道围岩压力计算公式19(式(4)式(8),并随后在此基础上提出了浅埋偏压隧道围岩压力计算公式。图8 浅埋隧道围岩压力示意19Fig.8 Diagram of surrounding rock pressure in shallow buriedtunnel19浅埋隧道竖向围岩压力:q=h(1-htanB)(4)=tan-tanctan 1+tan(tanc-tan)+tanctan(5)tan=tanc+(tan2c+1)tanctanc-tan(6)式中:为顶板土柱两侧摩擦角;0为围岩的计算摩擦角;为产生最大推力时的破裂角。浅埋隧道顶部和底部水平向围岩压力分别为:e1=h(7)
18、e2=H(8)式中:H为隧道底部至地表距离;h为隧道顶部至地表距离。2.4起步阶段隧道支护结构安全度检算20世纪50年代以前,我国隧道衬砌安全度检算采用容许应力法,即结构的尺寸必须保证在最不利荷载组合下,结构的控制内力不超过材料的允许应力。20世纪50年代之后,我国隧道衬砌安全度检算开始采用破损阶段法,即结构的尺寸必须保证在最不利荷载组合下,结构的控制内力不超过材料的极限承载力,当偏心距e00.225h时为大偏心结构,e00.225h时为小偏心结构,其中h为截面厚度。3探索阶段(20世纪7080年代)3.1探索阶段隧道工程建设概况20世纪7080年代,我国建成湘渝、湘黔、大秦(一期)、衡广复线
19、等铁路工程,建成铁路隧道约2 279座,总长约1 236.8 km5;建成沪嘉高速公路、独库公路等公路工程,其中公路隧道不足100 km20;建成天津地铁一号线新华路海光寺段、北京地铁二期工程复兴门建国门环线段、天津地铁一号线铁路西站新华路段,总长约27.1 km;建成第一座水下隧道打浦路公路隧道,长2.76 km14,其中的代表性隧道工程如图9所示。在此阶段,我国隧道长度首次突破10 km,最长隧道为1988年通车的衡广复线大瑶山铁路隧道,长度为14.295 km。20世纪7080年代,我国交通隧道工程主要以单线铁路隧道、双线铁路隧道、低等级公路隧道、地铁隧道为主,跨度逐渐增大。随着新奥法的
20、推广及应用,我国山岭隧道施工方法仍以分部法为主,部分隧道采用了台阶法,进行了大断面法、全断面法的探索,地铁隧道施工方法主要为明挖法及浅埋暗挖法21。支护型式由整体式衬砌向复合式衬砌过渡,31中国隧道支护结构设计理论及方法发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024图9 20世纪7080年代中国代表性隧道工程Fig.9 Chinas representative tunnels in the 1970s and1980s也有部分隧道采用
21、喷锚结构作为永久衬砌。在此阶段,我国隧道施工机械化水平进一步提高,由小型机械施工步入到半机械化施工,并进行了大型机械化施工探索,如衡广复线大瑶山双线隧道22、大秦铁路隧道工程23。随着机械化程度的提高及喷锚支护的应用,隧道围岩暴露时间及支护结构封闭时间缩短,围岩变形得到有效控制,因此复合式衬砌及锚喷支护所受围岩压力为形变压力,整体式衬砌所受围岩压力为松散荷载。但由于对形变压力认识不足等原因,这一时期我国隧道结构设计所采用的围岩压力仍为松散荷载。而基于有限元、边界元等理论的“地层-结构”模型也逐渐被应用于隧道结构设计中。图10 20世纪7080年代中国典型隧道施工技术Fig.10 Typical
22、 construction technology of Chinese tunnel in the1970s and 1980s3.2探索阶段隧道围岩分级20世纪7080年代,我国隧道围岩分级摒弃了基于单一f指标的普氏分级,建立了基于多指标的综合定性分级方法24。该方法以岩石强度、岩体完整状态及地下水影响3个因素来判断围岩稳定性和进行围岩分级,并采用了弹性波速度这一定量指标进行综合分级25,将隧道围岩分为级。由此形成了我国铁路隧道工程领域的围岩分级方法,推动了我国水电、公路等部门地下工程围岩分类方法的形成,为建立我国工程岩体分级标准奠定了基础。3.3探索阶段隧道支护结构内力计算20世纪7080
23、年代,随着电子计算机使用范围的扩大,线性代数、计算技术等工程数学结合工程实际的应用,结构矩阵分析的发展,无须假设地层抗力模式的“荷载-结构”模型弹性支承法(也被称为“弹性链杆法”)得到应用,该方法将具有一定弹性的支承(如梁单元、杆单元)以铰接的方式支承在衬砌单元之间的节点上,以此简化围岩-隧道结构之间的相互作用,如图11所示。图11 弹性支承法示意18Fig.11 Diagram of elastic support method18围岩压力计算方面,70年代根据对成昆、贵昆、川黔等铁路线127座单线铁路隧道的417个塌方资料的统计分析,以5 m为基本跨度,基于局部塌方、拱形塌方、异形塌方3种
24、破坏模式,提出了深埋隧道围岩压力计算公式26,随后推广至公路行业27,并沿用至今。用塌方统计高度计算围岩压力时,认为在形成较为稳定的塌方轮廓时,上覆地层应有一定厚度,否则塌方还会扩展到地面。因此,深、浅埋分界深度比塌方平均高度应大些。根据经验,这个深度约为22.5倍的塌方平均高度值ha,此判据至今仍在使用。至此,我国已提出了具有中国特色的深、浅埋隧道围岩压力计算方法。深埋隧道竖向围岩压力:32中国隧道支护结构设计理论及方法发展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总
25、第415期),2024年4月出版q=ha(9)ha=0.45 2S-1(10)深埋隧道水平向围岩压力:e=q(11)式中:S 为围岩等级;w为宽度影响系数,w=1+i()B-5;B为隧道宽度;i为B每增加1 m时,围岩压力的增减率(以B=5 m为基准),当B5 m时取i=0.2,B5 m时,取i=0.1;为侧压力系数。同时,随着新奥法的推广及应用,隧道支护结构设计更加重视发挥围岩的自承能力,并开始采用施工中修正设计的动态设计方法,且复合式衬砌的研究也逐渐展开28,29,形成了不同围岩条件下,二次衬砌应按安全储备或承载结构进行设计的原则。此外,随着人们对锚喷支护机理认识的不断深入,认为把围岩看作
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