【正文】 料與高弱。根據(jù)目前掌握的情況，還未見鋼筋混凝土材料與高分子防水卷材之間的水平阻力系數(shù)研究成果的相應(yīng)報(bào)分子防水卷材之間的水平阻力系數(shù)研究成果的相應(yīng)報(bào)道。根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》可以認(rèn)為，一般情況下道。根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》可以認(rèn)為，一般情況下二襯與防水層之間的水平阻力系數(shù)在二襯與防水層之間的水平阻力系數(shù)在 100102N/mm3以以下。在計(jì)算分析時(shí)，下。在計(jì)算分析時(shí)， Cz分別取為分別取為 10102N/mm 50102N/mm 100102N/mm3。 ②② 計(jì)算模型計(jì)算模型 按按 10號線標(biāo)準(zhǔn)斷面采用號線標(biāo)準(zhǔn)斷面采用 三維計(jì)算模擬，模型中單元采用三維計(jì)算模擬，模型中單元采用 SOLID45實(shí)體單元，實(shí)體單元，約束條件只考慮外表面水平彈性約束約束條件只考慮外表面水平彈性約束 (模擬初支與二襯模擬初支與二襯之間的約束情況之間的約束情況 )，并采用彈簧單元模擬水平變形約束，并采用彈簧單元模擬水平變形約束，忽略了洞周地層對結(jié)構(gòu)的垂直約束；隧道一端假定為，忽略了洞周地層對結(jié)構(gòu)的垂直約束；隧道一端假定為自由伸縮，計(jì)算中取隧道長度一般作為分析對象，并假自由伸縮，計(jì)算中取隧道長度一般作為分析對象，并假定該端為固定約束定該端為固定約束 。 ③③ 計(jì)算結(jié)果分析計(jì)算結(jié)果分析 在在 3℃℃ 負(fù)溫荷載下，不同長度隧道二襯結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)負(fù)溫荷載下，不同長度隧道二襯結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分布如圖力分布如圖 65所示所示 (Cz＝＝ 10102N/mm3)。隧道不同長。隧道不同長度條件下，拱頂最大溫度隨長度變化情況見圖度條件下，拱頂最大溫度隨長度變化情況見圖 66。 圖 65 不同長度隧道二襯結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分布 從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)隧道長度較短時(shí)，結(jié)構(gòu)長從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)隧道長度較短時(shí)，結(jié)構(gòu)長度對最大溫度應(yīng)力影響較大，即隨著隧道長度的增加，度對最大溫度應(yīng)力影響較大，即隨著隧道長度的增加，二襯溫度應(yīng)力也不斷增加；當(dāng)隧道長度增加到一定程度二襯溫度應(yīng)力也不斷增加；當(dāng)隧道長度增加到一定程度(400m)以后，隧道長度對結(jié)構(gòu)最大溫度應(yīng)力的影響變得以后，隧道長度對結(jié)構(gòu)最大溫度應(yīng)力的影響變得不再顯著不再顯著 。 圖 66 二襯拱頂部位最大溫度應(yīng)力與隧道長度關(guān)系 根據(jù)不同位置斷面的溫度應(yīng)力分布情況，橫斷面應(yīng)根據(jù)不同位置斷面的溫度應(yīng)力分布情況，橫斷面應(yīng)力分布特點(diǎn)可以歸納以下幾點(diǎn)：力分布特點(diǎn)可以歸納以下幾點(diǎn)： a)受約束條件的影響，受約束條件的影響，襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)拉應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)；襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)拉應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)； b)受北京地鐵區(qū)間隧道受北京地鐵區(qū)間隧道斷面形狀影響，從底板到邊墻再到拱頂，襯砌溫度應(yīng)力斷面形狀影響，從底板到邊墻再到拱頂，襯砌溫度應(yīng)力逐漸減小；逐漸減小； c)當(dāng)隧道長度增加到一定數(shù)值后，由于對稱當(dāng)隧道長度增加到一定數(shù)值后，由于對稱斷面附近結(jié)構(gòu)位移接近于斷面附近結(jié)構(gòu)位移接近于 0，約束作用也接近于，約束作用也接近于 0，斷面，斷面應(yīng)力趨于一致。應(yīng)力趨于一致。 不同溫度荷載下，結(jié)構(gòu)拱頂應(yīng)力沿程變化如圖不同溫度荷載下，結(jié)構(gòu)拱頂應(yīng)力沿程變化如圖 611所示。所示。 圖 611 不同溫度荷載下拱頂應(yīng)力沿程分布 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隧道襯砌最大溫度應(yīng)力與溫度荷載根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隧道襯砌最大溫度應(yīng)力與溫度荷載呈線性關(guān)系，溫差越大，襯砌所受拉應(yīng)力越大。在呈線性關(guān)系，溫差越大，襯砌所受拉應(yīng)力越大。在 Cz＝＝ 10102N/mm3條件下，區(qū)間地鐵隧道襯砌條件下，區(qū)間地鐵隧道襯砌 C30混凝混凝土能承受土能承受 7℃℃ 的負(fù)溫荷載，當(dāng)降溫超過的負(fù)溫荷載，當(dāng)降溫超過 7℃℃ 時(shí)，溫度荷載時(shí)，溫度荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力將超過混凝土的抗拉極限強(qiáng)度，從而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力將超過混凝土的抗拉極限強(qiáng)度，從而產(chǎn)生環(huán)向受拉溫度裂縫產(chǎn)生環(huán)向受拉溫度裂縫 。 從初支及防水層對襯砌的約束條件對襯砌溫度應(yīng)力從初支及防水層對襯砌的約束條件對襯砌溫度應(yīng)力分布的影響規(guī)律可以得出，外部約束條件對自由端一定分布的影響規(guī)律可以得出，外部約束條件對自由端一定長度范圍內(nèi)襯砌應(yīng)力分布影響較大，外部約束越強(qiáng)，影長度范圍內(nèi)襯砌應(yīng)力分布影響較大，外部約束越強(qiáng)，影響的長度越短；約束越弱，溫度應(yīng)力達(dá)到最大值所經(jīng)歷響的長度越短；約束越弱，溫度應(yīng)力達(dá)到最大值所經(jīng)歷的長度越長。但只要溫度荷載不變，襯砌結(jié)構(gòu)的最大溫的長度越長。但只要溫度荷載不變，襯砌結(jié)構(gòu)的最大溫度應(yīng)力值將保持不變。度應(yīng)力值將保持不變。 根據(jù)目前地鐵區(qū)間隧道的實(shí)際情況，計(jì)算中材料的根據(jù)目前地鐵區(qū)間隧道的實(shí)際情況，計(jì)算中材料的彈性模量主要考慮了彈性模量主要考慮了 C C2 C30三種混凝土的情三種混凝土的情況，計(jì)算不同彈模對襯砌溫度應(yīng)力的影響。從計(jì)算結(jié)果況，計(jì)算不同彈模對襯砌溫度應(yīng)力的影響。從計(jì)算結(jié)果可以看出，彈模的取值對襯砌結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力最大值產(chǎn)可以看出，彈模的取值對襯砌結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力最大值產(chǎn)生了一定影響，襯砌結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大值一般隨彈模呈線生了一定影響，襯砌結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大值一般隨彈模呈線性增長性增長 。 (4)區(qū)間隧道初支溫度應(yīng)力計(jì)算分析區(qū)間隧道初支溫度應(yīng)力計(jì)算分析 初支計(jì)算模型與二襯的區(qū)別主要表現(xiàn)除支護(hù)結(jié)構(gòu)初支計(jì)算模型與二襯的區(qū)別主要表現(xiàn)除支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)有圍巖水平彈性約束外，在初支內(nèi)側(cè)還要受到外側(cè)有圍巖水平彈性約束外，在初支內(nèi)側(cè)還要受到內(nèi)襯和防水層的變形約束作用。除此之外，初支材內(nèi)襯和防水層的變形約束作用。除此之外，初支材料參數(shù)與二襯材料也有所不同。料參數(shù)與二襯材料也有所不同。 ①① 計(jì)算模型計(jì)算模型 ②② 計(jì)算條件計(jì)算條件 初支與二襯之間的水平阻力系數(shù)取值襯砌計(jì)算中初支與二襯之間的水平阻力系數(shù)取值襯砌計(jì)算中相同。相同。 計(jì)算時(shí)溫降范圍取為計(jì)算時(shí)溫降范圍取為 3～～ 12℃℃ 。 由于初支計(jì)算方法和模型與二襯情況相似，因此由于初支計(jì)算方法和模型與二襯情況相似，因此，此處僅列出隧道初支最大溫度應(yīng)力隨溫度的變化，此處僅列出隧道初支最大溫度應(yīng)力隨溫度的變化規(guī)律規(guī)律 (如表如表 61)，其它規(guī)律應(yīng)該與二襯情況類似。，其它規(guī)律應(yīng)該與二襯情況類似。 ③③ 計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果(5)區(qū)間隧道溫升對襯砌應(yīng)力狀態(tài)影響的估算區(qū)間隧道溫升對襯砌應(yīng)力狀態(tài)影響的估算 地鐵隧道在長期運(yùn)營過程中會產(chǎn)生大量的熱能，地鐵隧道在長期運(yùn)營過程中會產(chǎn)生大量的熱能，隨著時(shí)間的推移，洞內(nèi)空氣溫度將不斷提升，根據(jù)隨著時(shí)間的推移，洞內(nèi)空氣溫度將不斷提升，根據(jù)文獻(xiàn)的研究成果，一般情況下，各地地鐵隧道同一文獻(xiàn)的研究成果，一般情況下，各地地鐵隧道同一季節(jié)洞內(nèi)溫升均控制在季節(jié)洞內(nèi)溫升均控制在 10℃℃ 以內(nèi)，否則將影響地鐵以內(nèi)，否則將影響地鐵運(yùn)營環(huán)境、旅客乘車舒適度以及運(yùn)營成本。運(yùn)營環(huán)境、旅客乘車舒適度以及運(yùn)營成本。 因此，在本研究中洞內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)的長期最大溫升因此，在本研究中洞內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)的長期最大溫升按按 10℃℃ 考慮，若襯砌材料按考慮，若襯砌材料按 C30鋼筋混凝土考慮，鋼筋混凝土考慮，在不設(shè)伸縮縫的不利條件下，結(jié)構(gòu)的最大溫度應(yīng)力在不設(shè)伸縮縫的不利條件下，結(jié)構(gòu)的最大溫度應(yīng)力(壓應(yīng)力壓應(yīng)力 )可表示為：可表示為： σa＝＝ EαT，式中符號同前。則，式中符號同前。則隧道襯砌最大壓應(yīng)力約為隧道襯砌最大壓應(yīng)力約為 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土的極限抗壓強(qiáng)度。因此，對于地鐵區(qū)間隧道，隧道的極限抗壓強(qiáng)度。因此，對于地鐵區(qū)間隧道，隧道結(jié)構(gòu)由于溫降產(chǎn)生的拉應(yīng)力才是本研究中的主要分結(jié)構(gòu)由于溫降產(chǎn)生的拉應(yīng)力才是本研究中的主要分析對象。析對象。 (6)區(qū)間隧道溫度應(yīng)力應(yīng)對措施區(qū)間隧道溫度應(yīng)力應(yīng)對措施 ①① 工程措施的討論工程措施的討論 根據(jù)上述計(jì)算分析的結(jié)果，對于根據(jù)上述計(jì)算分析的結(jié)果，對于 C30鋼筋混凝土鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，最大可承受－襯砌結(jié)構(gòu)，最大可承受－ 7℃℃ 的溫度荷載而不產(chǎn)生的溫度荷載而不產(chǎn)生環(huán)向受拉裂縫環(huán)向受拉裂縫 (與區(qū)間長度無關(guān)與區(qū)間長度無關(guān) )，當(dāng)溫降超過－，當(dāng)溫降超過－ 8℃℃以上時(shí)，襯砌在溫度應(yīng)力作用下將發(fā)生縱向受拉破以上時(shí)，襯砌在溫度應(yīng)力作用下將發(fā)生縱向受拉破壞，出現(xiàn)環(huán)向裂縫。壞，出現(xiàn)環(huán)向裂縫。 針對這種情況，可以從以下兩個(gè)方面采取措施，針對這種情況，可以從以下兩個(gè)方面采取措施，控制溫度應(yīng)力危害的發(fā)展?？刂茰囟葢?yīng)力危害的發(fā)展。 從隧道通風(fēng)模式和空調(diào)技術(shù)角度出發(fā)，優(yōu)化通風(fēng)從隧道通風(fēng)模式和空調(diào)技術(shù)角度出發(fā)，優(yōu)化通風(fēng)方案和空調(diào)手段，盡量保持洞內(nèi)環(huán)境溫度穩(wěn)定，將方案和空調(diào)手段，盡量保持洞內(nèi)環(huán)境溫度穩(wěn)定，將隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度變化范圍控制在隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度變化范圍控制在 7℃℃ 以內(nèi)。以內(nèi)。 設(shè)置伸縮縫，防止結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力危害的發(fā)生。當(dāng)設(shè)置伸縮縫，防止結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力危害的發(fā)生。當(dāng)溫度荷載超過溫度荷載超過 8℃℃ 時(shí)，可設(shè)置合理的伸縮縫，降低時(shí)，可設(shè)置合理的伸縮縫，降低結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的量值，確保隧道結(jié)構(gòu)在長期運(yùn)營過結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的量值，確保隧道結(jié)構(gòu)在長期運(yùn)營過程中的安全與使用功能程中的安全與使用功能 。 ②② 伸縮縫設(shè)置參數(shù)分析伸縮縫設(shè)置參數(shù)分析 從前面的計(jì)算分析結(jié)果來看，極限長度不僅與溫從前面的計(jì)算分析結(jié)果來看，極限長度不僅與溫度荷載有關(guān)，還與外部約束條件有關(guān)，但與模型計(jì)度荷載有關(guān)，還與外部約束條件有關(guān)，但與模型計(jì)算長度無關(guān)。具體計(jì)算結(jié)果見表算長度無關(guān)。具體計(jì)算結(jié)果見表 62 。 a. 伸縮縫設(shè)置間距伸縮縫設(shè)置間距 設(shè)計(jì)過程中，伸縮縫的間距可與隧道極限應(yīng)力發(fā)設(shè)計(jì)過程中，伸縮縫的間距可與隧道極限應(yīng)力發(fā)生的極限長度相一致。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，初支與二襯生的極限長度相一致。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，初支與二襯之間的水平阻力系數(shù)一般應(yīng)在之間的水平阻力系數(shù)一般應(yīng)在 10102N/mm3左右，左右，則在則在 8～～ 12℃℃ 溫差時(shí)，區(qū)間隧道的伸縮縫設(shè)置間距溫差時(shí)，區(qū)間隧道的伸縮縫設(shè)置間距可選擇可選擇 80～～ 120m 。 伸縮縫的設(shè)置寬度與伸縮縫兩端伸縮縫的設(shè)置寬度與伸縮縫兩端 (自由端自由端 )的位移有的位移有關(guān)，一般取自由端水平位移值的關(guān)，一般取自由端水平位移值的 2倍。對于襯砌結(jié)構(gòu)自倍。對于襯砌結(jié)構(gòu)自由端水平位移的計(jì)算結(jié)果見表由端水平位移的計(jì)算結(jié)果見表 63 。 b. 伸縮縫合理縫寬伸縮縫合理縫寬 從計(jì)算結(jié)果可以看出，隧道襯砌自由端從計(jì)算結(jié)果可以看出，隧道襯砌自由端 (伸縮縫位置伸縮縫位置)的計(jì)算位移與外部約束關(guān)系較大，外部水平約束越強(qiáng)的計(jì)算位移與外部約束關(guān)系較大，外部水平約束越強(qiáng)，其位移越小。若伸縮縫設(shè)置寬度取端部計(jì)算位移的，其位移越小。若伸縮縫設(shè)置寬度取端部計(jì)算位移的 2倍，則在倍，則在 8～～ 12℃℃ 溫差時(shí)，伸縮縫的設(shè)置寬度應(yīng)在溫差時(shí)，伸縮縫的設(shè)置寬度應(yīng)在 6～～10mm，考慮到施工誤差，建議伸縮縫縫寬取，考慮到施工誤差，建議伸縮縫縫寬取 20～～30mm。(7)小結(jié)小結(jié) ①① 對于地鐵區(qū)間隧道，在一般情況下，溫升引起對于地鐵區(qū)間隧道，在一般情況下，溫升引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土抗壓極限，實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土抗壓極限，實(shí)際工程中可不予考慮；而溫降引起的拉應(yīng)力對隧道結(jié)果安全可不予考慮；而溫降引起的拉應(yīng)力對隧道結(jié)果安全性和使用功能影響相對顯著，須引起有關(guān)方面注意性和使用功能影響相對顯著，須引起有關(guān)方面注意 。 ②② 隧道結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力與溫度荷載以及材料彈性模隧道結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力與溫度荷載以及材料彈性模量基本上呈線性增長規(guī)律量基本上呈線性增長規(guī)律 。 ③③ 隧道洞周水平約束對溫度應(yīng)力分布產(chǎn)生一定影隧道洞周水平約束對溫度應(yīng)力分布產(chǎn)生一定影響，但當(dāng)隧道長度增加到一定程度以后響，但當(dāng)隧道長度增加到一定程度以后 (一般一般 300m以上以上 )，最大溫度應(yīng)力不再受洞周約束的影響，最大溫度應(yīng)力不再受洞周約束的影響 。 ④④ 計(jì)算結(jié)果顯示，隧道初支和襯砌結(jié)構(gòu)均能承受計(jì)算結(jié)果顯示，隧道初支和襯砌結(jié)構(gòu)均能承受－－ 7℃℃ 的溫度荷載，當(dāng)溫度荷載超過該數(shù)值后，襯的溫度荷載，當(dāng)溫度荷載超過該數(shù)值后，襯砌結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生環(huán)向受拉裂縫砌結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生環(huán)向受拉裂縫 。 ⑤⑤ 實(shí)際工程中，對溫度應(yīng)力的處理可采用兩種手實(shí)際工程中，對溫度應(yīng)力的處理可采用兩種手段，一方面可以通過改善通風(fēng)方式和洞內(nèi)空調(diào)措施段，一方面可以通過改善通風(fēng)方式和洞內(nèi)空調(diào)措施，改善洞內(nèi)運(yùn)營環(huán)境，保持洞內(nèi)環(huán)境溫度基本穩(wěn)定，改善洞內(nèi)運(yùn)營環(huán)境，保持洞內(nèi)環(huán)境溫度基本穩(wěn)定；另一方面可以增設(shè)結(jié)構(gòu)伸縮縫，減小溫度拉應(yīng)力；另一方面可以增設(shè)結(jié)構(gòu)伸縮縫，減小溫度拉應(yīng)力，確保結(jié)構(gòu)安全，確保結(jié)構(gòu)安全 。 ⑥⑥ 外部約束對伸縮縫設(shè)置參數(shù)影響較大：外部外部約束對伸縮縫設(shè)置參數(shù)影響較大：外部約束越強(qiáng)，伸縮縫設(shè)置間距要求越短，但同時(shí)伸縮約束越強(qiáng)，伸縮縫設(shè)置間距要求越短，但同時(shí)伸縮縫處縱向位移越小。根據(jù)分析結(jié)果，地鐵區(qū)間隧道縫處縱向位移越小。根據(jù)分析結(jié)果，地鐵區(qū)間隧道實(shí)測結(jié)構(gòu)混凝土壁面的季節(jié)溫差在實(shí)測結(jié)構(gòu)混凝土壁面