【文章內(nèi)容簡介】 二襯與地層間的支護(hù)地層作用，在二襯與地層間的支護(hù)地層作用，在 “荷載荷載 —— 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) ”計(jì)計(jì)算模型中，表現(xiàn)為對(duì)二襯變形的約束，即彈性抗力。算模型中，表現(xiàn)為對(duì)二襯變形的約束，即彈性抗力。這種支護(hù)墊層等效彈性抗力系數(shù)，是通過在某種支護(hù)這種支護(hù)墊層等效彈性抗力系數(shù)，是通過在某種支護(hù)墊層等效抗力作用下的獨(dú)立作用的二襯結(jié)構(gòu)和復(fù)合式墊層等效抗力作用下的獨(dú)立作用的二襯結(jié)構(gòu)和復(fù)合式結(jié)構(gòu)受力效應(yīng)相同來確定。這種支護(hù)墊層等效彈性抗結(jié)構(gòu)受力效應(yīng)相同來確定。這種支護(hù)墊層等效彈性抗力系數(shù)，可通過兩種型式結(jié)構(gòu)截面安全系數(shù)來比較，力系數(shù)，可通過兩種型式結(jié)構(gòu)截面安全系數(shù)來比較，即使兩種型式結(jié)構(gòu)最不利截面安全系數(shù)相同即使兩種型式結(jié)構(gòu)最不利截面安全系數(shù)相同 。 如表所示，北京地鐵十號(hào)線八如表所示，北京地鐵十號(hào)線八 熊區(qū)間熊區(qū)間 (埋深埋深 12 m)和工－呼區(qū)間和工－呼區(qū)間 (埋深埋深 18 m)，不同支護(hù)墊層的等，不同支護(hù)墊層的等效彈性抗力系數(shù)對(duì)截面安全系數(shù)影響情況。效彈性抗力系數(shù)對(duì)截面安全系數(shù)影響情況。 經(jīng)選擇四、五和十號(hào)線礦山法區(qū)間小埋深、中經(jīng)選擇四、五和十號(hào)線礦山法區(qū)間小埋深、中埋深和大埋深有代表隧道進(jìn)行等效性試算。當(dāng)最埋深和大埋深有代表隧道進(jìn)行等效性試算。當(dāng)最不利截面位于仰拱時(shí)，支護(hù)墊層等效彈性抗力為不利截面位于仰拱時(shí)，支護(hù)墊層等效彈性抗力為原地層彈性抗力系數(shù)的原地層彈性抗力系數(shù)的 ~；當(dāng)最不利截面倍；當(dāng)最不利截面位于邊墻時(shí)，支護(hù)墊層等效彈性抗力系數(shù)為位于邊墻時(shí)，支護(hù)墊層等效彈性抗力系數(shù)為~；當(dāng)最不利截面位于拱頂時(shí)，支護(hù)墊層倍；當(dāng)最不利截面位于拱頂時(shí)，支護(hù)墊層等效彈性抗力系數(shù)為等效彈性抗力系數(shù)為 ~，為偏于安全，統(tǒng)倍，為偏于安全，統(tǒng)一取支護(hù)墊層等效彈性抗力系數(shù)為原地層彈性抗一取支護(hù)墊層等效彈性抗力系數(shù)為原地層彈性抗力系數(shù)的力系數(shù)的 。 ②② 等效彈性抗力系數(shù)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)可靠性的影響分析等效彈性抗力系數(shù)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)可靠性的影響分析 為研究彈性抗力大小對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響，選取為研究彈性抗力大小對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響，選取四號(hào)線西動(dòng)區(qū)間四號(hào)線西動(dòng)區(qū)間 (埋深埋深 16 m)隧道標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間為例，分別隧道標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間為例，分別計(jì)算了不同彈性抗力系數(shù)計(jì)算了不同彈性抗力系數(shù) (實(shí)際地層彈性抗力系數(shù)的實(shí)際地層彈性抗力系數(shù)的 n倍倍 )時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的最大截面彎矩、軸力和最不利截面時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的最大截面彎矩、軸力和最不利截面安全系數(shù)可靠指標(biāo)安全系數(shù)可靠指標(biāo) 。 由計(jì)算結(jié)果可知，地層彈性抗力系數(shù)對(duì)襯砌截面內(nèi)由計(jì)算結(jié)果可知，地層彈性抗力系數(shù)對(duì)襯砌截面內(nèi)力、安全系數(shù)及可靠指標(biāo)影響顯著，在力、安全系數(shù)及可靠指標(biāo)影響顯著，在 (~)K范圍范圍內(nèi)，截面內(nèi)力、安全系數(shù)或可靠指標(biāo)呈線性增長，當(dāng)內(nèi)，截面內(nèi)力、安全系數(shù)或可靠指標(biāo)呈線性增長，當(dāng)不計(jì)地層彈性抗力系數(shù)不計(jì)地層彈性抗力系數(shù) (K=0)時(shí)，截面安全系數(shù)迅速時(shí)，截面安全系數(shù)迅速降低，甚至不滿足規(guī)定的安全系數(shù)降低，甚至不滿足規(guī)定的安全系數(shù) 。 (2)北京地鐵區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)復(fù)核北京地鐵區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)復(fù)核 ①① 截面強(qiáng)度檢算方法截面強(qiáng)度檢算方法 安全系數(shù)計(jì)算公式與初期支護(hù)相同。安全系數(shù)計(jì)算公式與初期支護(hù)相同。 ②② 襯砌結(jié)構(gòu)安全度檢算襯砌結(jié)構(gòu)安全度檢算 采用采用 “荷載－結(jié)構(gòu)荷載－結(jié)構(gòu) ”模式，視襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)全部荷載模式，視襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)全部荷載，圍巖直接約束襯砌結(jié)構(gòu)向圍巖方向的變形。按鋼筋混，圍巖直接約束襯砌結(jié)構(gòu)向圍巖方向的變形。按鋼筋混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件截面強(qiáng)度檢算方法，分別檢凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件截面強(qiáng)度檢算方法，分別檢算了四號(hào)線、五號(hào)線和十號(hào)線各區(qū)間隧道，不同荷載組算了四號(hào)線、五號(hào)線和十號(hào)線各區(qū)間隧道，不同荷載組合下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分別如表所示。合下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分別如表所示。 檢算結(jié)果表明四、五和十號(hào)線各區(qū)間隧道截面安全檢算結(jié)果表明四、五和十號(hào)線各區(qū)間隧道截面安全系數(shù)均高于系數(shù)均高于 ，這是否說明截面參數(shù)偏大？還的規(guī)范值，這是否說明截面參數(shù)偏大？還是套用鋼筋混凝土規(guī)范和地層結(jié)構(gòu)荷載組合系數(shù)不合理是套用鋼筋混凝土規(guī)范和地層結(jié)構(gòu)荷載組合系數(shù)不合理呢？這應(yīng)從結(jié)構(gòu)可靠度分析中來回答。呢？這應(yīng)從結(jié)構(gòu)可靠度分析中來回答。 (3)襯砌結(jié)構(gòu)裂縫寬度驗(yàn)算襯砌結(jié)構(gòu)裂縫寬度驗(yàn)算 在永久荷載和可變荷載作用下，二類環(huán)境中二次襯在永久荷載和可變荷載作用下，二類環(huán)境中二次襯砌結(jié)構(gòu)裂縫寬度砌結(jié)構(gòu)裂縫寬度 (迎土面迎土面 )應(yīng)不大于應(yīng)不大于 ，一類環(huán)境，一類環(huán)境 (非迎土面及內(nèi)部混凝土構(gòu)件非迎土面及內(nèi)部混凝土構(gòu)件 )襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫寬度均應(yīng)襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫寬度均應(yīng)不大于不大于 。當(dāng)計(jì)及地震、人防或其他偶然荷載作。當(dāng)計(jì)及地震、人防或其他偶然荷載作用時(shí)，可不驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的裂縫寬度。用時(shí)，可不驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的裂縫寬度。 考慮裂縫寬度分布不均勻性及荷載長期作用影響后考慮裂縫寬度分布不均勻性及荷載長期作用影響后的最大裂縫寬度的最大裂縫寬度 (cm)，可按下列公式計(jì)算：，可按下列公式計(jì)算： 地鐵四、五和十號(hào)線區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫檢算結(jié)地鐵四、五和十號(hào)線區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫檢算結(jié)果如表所示果如表所示 。 (4)北京地鐵區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)分析北京地鐵區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)分析 采用北京地鐵地質(zhì)資料統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)計(jì)算中地層彈性采用北京地鐵地質(zhì)資料統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)計(jì)算中地層彈性模量近似取模量近似取 2倍壓縮模量，彈性抗力系數(shù)近似采用基倍壓縮模量，彈性抗力系數(shù)近似采用基床系數(shù)床系數(shù) 。 ①① 地層物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征地層物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征 ②② 計(jì)算荷載的統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算荷載的統(tǒng)計(jì)特征 地層豎直壓力和水平壓力按前述推薦公式計(jì)算，和地層豎直壓力和水平壓力按前述推薦公式計(jì)算，和計(jì)算式中按考慮參數(shù)的變異性的隨機(jī)計(jì)算方法計(jì)算，計(jì)算式中按考慮參數(shù)的變異性的隨機(jī)計(jì)算方法計(jì)算，即可給出其均值和變異系數(shù)即可給出其均值和變異系數(shù) 。 覆土埋深的測(cè)量誤差相對(duì)較小，取為定值。覆土埋深的測(cè)量誤差相對(duì)較小，取為定值。 根據(jù)地下水位統(tǒng)計(jì)，取其統(tǒng)計(jì)均值和變異系數(shù)。根據(jù)地下水位統(tǒng)計(jì)，取其統(tǒng)計(jì)均值和變異系數(shù)。 c. 地下水壓力地下水壓力 在道路下方的地下結(jié)構(gòu)，地面車輛及施工荷載可按在道路下方的地下結(jié)構(gòu)，地面車輛及施工荷載可按20kPa的均布荷載取值，并不計(jì)沖擊壓力的影響的均布荷載取值，并不計(jì)沖擊壓力的影響 。 在襯砌結(jié)構(gòu)橫截面的抗震設(shè)計(jì)和抗震穩(wěn)定性檢算中在襯砌結(jié)構(gòu)橫截面的抗震設(shè)計(jì)和抗震穩(wěn)定性檢算中采用地震系數(shù)法采用地震系數(shù)法 (慣性力法慣性力法 )，即靜力法。，即靜力法。 地下結(jié)構(gòu)在規(guī)定需要考慮戰(zhàn)時(shí)防護(hù)的部位，作用在地下結(jié)構(gòu)在規(guī)定需要考慮戰(zhàn)時(shí)防護(hù)的部位，作用在結(jié)構(gòu)上的等效荷載按人防規(guī)范的有關(guān)規(guī)定計(jì)算。結(jié)構(gòu)上的等效荷載按人防規(guī)范的有關(guān)規(guī)定計(jì)算。 ③③ 襯砌結(jié)構(gòu)材料的統(tǒng)計(jì)特征分析襯砌結(jié)構(gòu)材料的統(tǒng)計(jì)特征分析 地襯砌結(jié)構(gòu)自重地襯砌結(jié)構(gòu)自重 G的概率特性與襯砌幾何尺寸及材的概率特性與襯砌幾何尺寸及材料容重料容重 γ0的概率特性有關(guān)。的概率特性有關(guān)。 在地鐵施工中，由于支護(hù)厚度較大，支護(hù)內(nèi)輪廓規(guī)在地鐵施工中，由于支護(hù)厚度較大，支護(hù)內(nèi)輪廓規(guī)則，二次襯砌厚度變異相對(duì)較小，計(jì)算中襯砌軸線和則，二次襯砌厚度變異相對(duì)較小，計(jì)算中襯砌軸線和厚度取定值。厚度取定值。 根據(jù)地面結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，混凝土容重的分布為正根據(jù)地面結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，混凝土容重的分布為正態(tài)分布，其均值為規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)值，變異系數(shù)為態(tài)分布，其均值為規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)值，變異系數(shù)為 。 γ0 參考《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》。參考《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》。 e. 鋼筋材料統(tǒng)計(jì)特征鋼筋材料統(tǒng)計(jì)特征 ④④ 極限狀態(tài)方程極限狀態(tài)方程 大偏心承載力的極限狀態(tài)方程表示為一個(gè)方程大偏心承載力的極限狀態(tài)方程表示為一個(gè)方程 ：： 構(gòu)件大小偏心界限狀態(tài)方程為構(gòu)件大小偏心界限狀態(tài)方程為 ：： 構(gòu)件大偏壓破壞的概率為：構(gòu)件大偏壓破壞的概率為： 相應(yīng)的廣義可靠指標(biāo)為相應(yīng)的廣義可靠指標(biāo)為 ：： 構(gòu)件小偏壓破壞的概率為構(gòu)件小偏壓破壞的概率為 ：： 相應(yīng)的廣義可靠指標(biāo)為相應(yīng)的廣義可靠指標(biāo)為 ：： ⑤⑤ 蒙特卡羅法及其樣本容量的確定蒙特卡羅法及其樣本容量的確定 襯砌結(jié)構(gòu)可靠度分析采用蒙特卡羅法。襯砌結(jié)構(gòu)可靠度分析采用蒙特卡羅法。 關(guān)于模擬樣本容量的確定，由于極限狀態(tài)方程關(guān)于模擬樣本容量的確定，由于極限狀態(tài)方程的復(fù)雜性，不能直接推導(dǎo)出在給定誤差時(shí)樣本容量的復(fù)雜性，不能直接推導(dǎo)出在給定誤差時(shí)樣本容量的定量計(jì)算式，故采用試算的方法，在給定各隨機(jī)的定量計(jì)算式，故采用試算的方法，在給定各隨機(jī)變量參數(shù)及結(jié)構(gòu)的情況下計(jì)算出地鐵隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)變量參數(shù)及結(jié)構(gòu)的情況下計(jì)算出地鐵隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)失效概率隨樣本容量變化的關(guān)系如圖所示失效概率隨樣本容量變化的關(guān)系如圖所示 。 由圖可知，在樣本容量達(dá)到由圖可知，在樣本容量達(dá)到 30萬次以后，失效萬次以后，失效概率趨于穩(wěn)定，樣本容量為概率趨于穩(wěn)定，樣本容量為 30萬次與萬次與 100萬次的失萬次的失效概率的相對(duì)誤差為效概率的相對(duì)誤差為 2％，為工程能接受的程度，％，為工程能接受的程度，所以在進(jìn)行地鐵隧道礦山法區(qū)間結(jié)構(gòu)二次襯砌可靠所以在進(jìn)行地鐵隧道礦山法區(qū)間結(jié)構(gòu)二次襯砌可靠度分析時(shí)，將樣本容量定為度分析時(shí)，將樣本容量定為 30萬次萬次 。樣本容量 (萬次 )失效概率 (103)圖 樣本容量與失效概率關(guān)系 ⑥⑥ 忽略支護(hù)層作用時(shí)的襯砌可靠度忽略支護(hù)層作用時(shí)的襯砌可靠度 假設(shè)初期支護(hù)作為一種臨時(shí)支護(hù)，僅在施工階段起假設(shè)初期支護(hù)作為一種臨時(shí)支護(hù)，僅在施工階段起到支護(hù)作用，在建成后的使用階段完全失效，忽略支到支護(hù)作用，在建成后的使用階段完全失效，忽略支護(hù)層承載作用時(shí)，對(duì)北京地鐵四、五、十號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)斷護(hù)層承載作用時(shí)，對(duì)北京地鐵四、五、十號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)斷面二襯結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)如表所示面二襯結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)如表所示 。 由表可以看出，按忽略支護(hù)層作用的假設(shè)，當(dāng)荷載由表可以看出，按忽略支護(hù)層作用的假設(shè)，當(dāng)荷載組合取永久荷載加可變荷載時(shí)，各線大多數(shù)區(qū)間隧道組合取永久荷載加可變荷載時(shí)，各線大多數(shù)區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)較低，這再次說明計(jì)算中需考慮復(fù)襯砌結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)較低，這再次說明計(jì)算中需考慮復(fù)合式襯砌中初期支護(hù)的作用。合式襯砌中初期支護(hù)的作用。 ⑦⑦ 考慮支護(hù)層作用時(shí)的襯砌可靠度考慮支護(hù)層作用時(shí)的襯砌可靠度 如前所述，將等效彈性抗力系數(shù)選為原地層彈如前所述，將等效彈性抗力系數(shù)選為原地層彈性抗力系數(shù)的性抗力系數(shù)的 ，對(duì)北京地鐵四、五、十號(hào)線倍，對(duì)北京地鐵四、五、十號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)斷面二襯結(jié)構(gòu)，重新進(jìn)行可靠度分析，可靠標(biāo)準(zhǔn)斷面二襯結(jié)構(gòu)，重新進(jìn)行可靠度分析，可靠指標(biāo)如表所示指標(biāo)如表所示 。 從表可知，北京地鐵四、五和十號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)斷面從表可知，北京地鐵四、五和十號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)斷面的可靠指標(biāo)都比較高，這表明現(xiàn)有的設(shè)計(jì)有較高的可靠指標(biāo)都比較高，這表明現(xiàn)有的設(shè)計(jì)有較高的安全度和安全儲(chǔ)備。僅五號(hào)線個(gè)別斷面在拱部的安全度和安全儲(chǔ)備。僅五號(hào)線個(gè)別斷面在拱部選用選用 φ14200的配筋，計(jì)算的可靠指標(biāo)偏小的配筋，計(jì)算的可靠指標(biāo)偏小 。 四號(hào)線各區(qū)間襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)與可靠指標(biāo)對(duì)比圖四號(hào)線各區(qū)間襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)與可靠指標(biāo)對(duì)比圖，如圖，如圖 510和圖和圖 511所示?？梢?，隨著安全系數(shù)變大，所示。可見，隨著安全系數(shù)變大，可靠指標(biāo)并沒有呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化，表明用單一安全可靠指標(biāo)并沒有呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化，表明用單一安全系數(shù)設(shè)計(jì)法未能考慮各種變異性和統(tǒng)計(jì)特征，不能反映系數(shù)設(shè)計(jì)法未能考慮各種變異性和統(tǒng)計(jì)特征，不能反映結(jié)構(gòu)的安全程度，及其無法衡量結(jié)構(gòu)的可靠性結(jié)構(gòu)的安全程度，及其無法衡量結(jié)構(gòu)的可靠性 。 (5)安全系數(shù)與可靠指標(biāo)的關(guān)系安全系數(shù)與可靠指標(biāo)的關(guān)系 0246810121416陶菜 菜宣 宣西 新西 西動(dòng) 黃中 動(dòng)白 中成 1 西靈 中成 2 馬石安全系數(shù) 可靠指標(biāo)圖 510 四號(hào)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(dòng) 動(dòng)白 馬石 中成 1 中成 2 西靈可靠指標(biāo) 安全系數(shù)圖 511 四號(hào)線拱部安全系數(shù)與可靠指標(biāo)的關(guān)系 地鐵區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)按其破壞后果，安全等級(jí)當(dāng)?shù)罔F區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)按其破壞后果，安全等級(jí)當(dāng)為一級(jí)，其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期宜為為一級(jí)，其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期宜為 100年。鋼筋混凝土構(gòu)件又年。鋼筋混凝土構(gòu)件又屬脆性破壞，目前我國建筑結(jié)構(gòu)、水利水電工程結(jié)構(gòu)對(duì)屬脆性破壞，目前我國建筑結(jié)構(gòu)、水利