【正文】 隧道襯砌結(jié)構(gòu)按其破壞后果，安全等級當(dāng)為一級，其設(shè)計基準(zhǔn)期宜為為一級，其設(shè)計基準(zhǔn)期宜為 100年?？梢?，隨著安全系數(shù)變大，所示。僅五號線個別斷面在拱部選用選用 φ14200的配筋，計算的可靠指標(biāo)偏小的配筋，計算的可靠指標(biāo)偏小 。 從表可知，北京地鐵四、五和十號線標(biāo)準(zhǔn)斷面從表可知，北京地鐵四、五和十號線標(biāo)準(zhǔn)斷面的可靠指標(biāo)都比較高，這表明現(xiàn)有的設(shè)計有較高的可靠指標(biāo)都比較高，這表明現(xiàn)有的設(shè)計有較高的安全度和安全儲備。合式襯砌中初期支護的作用。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 忽略支護層作用時的襯砌可靠度忽略支護層作用時的襯砌可靠度 假設(shè)初期支護作為一種臨時支護，僅在施工階段起假設(shè)初期支護作為一種臨時支護，僅在施工階段起到支護作用，在建成后的使用階段完全失效，忽略支到支護作用，在建成后的使用階段完全失效，忽略支護層承載作用時，對北京地鐵四、五、十號線標(biāo)準(zhǔn)斷護層承載作用時，對北京地鐵四、五、十號線標(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 。 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)出在給定誤差時樣本容量的復(fù)雜性，不能直接推導(dǎo)出在給定誤差時樣本容量的定量計算式，故采用試算的方法，在給定各隨機的定量計算式，故采用試算的方法，在給定各隨機變量參數(shù)及結(jié)構(gòu)的情況下計算出地鐵隧道區(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 。 e. 鋼筋材料統(tǒng)計特征鋼筋材料統(tǒng)計特征 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)方程表示為一個方程大偏心承載力的極限狀態(tài)方程表示為一個方程 ：： 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。 γ0 參考《混凝土設(shè)計規(guī)范》。厚度取定值。的概率特性有關(guān)。結(jié)構(gòu)上的等效荷載按人防規(guī)范的有關(guān)規(guī)定計算。即靜力法。 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，并不計沖擊壓力的影響的均布荷載取值，并不計沖擊壓力的影響 。 根據(jù)地下水位統(tǒng)計，取其統(tǒng)計均值和變異系數(shù)。 覆土埋深的測量誤差相對較小，取為定值。 (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，設(shè)計計算中地層彈性采用北京地鐵地質(zhì)資料統(tǒng)計，設(shè)計計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) 。用時，可不驗算結(jié)構(gòu)的裂縫寬度。當(dāng)計及地震、人防或其他偶然荷載作。呢？這應(yīng)從結(jié)構(gòu)可靠度分析中來回答。合下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分別如表所示。按鋼筋混，圍巖直接約束襯砌結(jié)構(gòu)向圍巖方向的變形。安全系數(shù)計算公式與初期支護相同。 由計算結(jié)果可知，地層彈性抗力系數(shù)對襯砌截面內(nèi)由計算結(jié)果可知，地層彈性抗力系數(shù)對襯砌截面內(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)不計地層彈性抗力系數(shù)不計地層彈性抗力系數(shù) (K=0)時，截面安全系數(shù)迅速時，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) 。當(dāng)最不利截面位于仰拱時，支護墊層等效彈性抗力為不利截面位于仰拱時，支護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，支護墊層等效彈性抗力系數(shù)為位于邊墻時，支護墊層等效彈性抗力系數(shù)為~；當(dāng)最不利截面位于拱頂時，支護墊層倍；當(dāng)最不利截面位于拱頂時，支護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)一取支護墊層等效彈性抗力系數(shù)為原地層彈性抗一取支護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 。 經(jīng)選擇四、五和十號線礦山法區(qū)間小埋深、中經(jīng)選擇四、五和十號線礦山法區(qū)間小埋深、中埋深和大埋深有代表隧道進行等效性試算。 如表所示，北京地鐵十號線八如表所示，北京地鐵十號線八 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)，不同支護墊層的等，不同支護墊層的等效彈性抗力系數(shù)對截面安全系數(shù)影響情況。這種支護墊層等效彈性抗結(jié)構(gòu)受力效應(yīng)相同來確定。算模型中，表現(xiàn)為對二襯變形的約束，即彈性抗力。地層通過支護層將其約束作用于二襯上，其作用效果顯然與洞室護層將其約束作用于二襯上，其作用效果顯然與洞室大小、形狀、支護混凝土厚度與強度等因素有關(guān)，難大小、形狀、支護混凝土厚度與強度等因素有關(guān)，難以找到某種解析表達式以找到某種解析表達式 。 圖 52 二襯結(jié)構(gòu)計算模型 由于支護墊層的作用，二襯結(jié)構(gòu)獨立計算中直接采由于支護墊層的作用，二襯結(jié)構(gòu)獨立計算中直接采用地層的彈性抗力系數(shù)顯然是不合理的。 圖 51 復(fù)合計算模型 若將二襯結(jié)構(gòu)單獨簡化計算，即計算中視地層若將二襯結(jié)構(gòu)單獨簡化計算，即計算中視地層通過支護墊層將地層荷載和地層約束作用于二襯通過支護墊層將地層荷載和地層約束作用于二襯結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) (如圖如圖 52所示所示 )，使在支護墊層某種作用下獨，使在支護墊層某種作用下獨立作用的二襯結(jié)構(gòu)和支護與結(jié)構(gòu)共同承載復(fù)合式立作用的二襯結(jié)構(gòu)和支護與結(jié)構(gòu)共同承載復(fù)合式結(jié)構(gòu)受力效應(yīng)相同。 根據(jù)地鐵區(qū)間隧道由初支和二襯共同作用的實根據(jù)地鐵區(qū)間隧道由初支和二襯共同作用的實際情況，采用際情況，采用 “荷載－結(jié)構(gòu)荷載－結(jié)構(gòu) ”復(fù)合模型，支護與二復(fù)合模型，支護與二襯間以受壓彈簧模擬，支護與地層間以地層水土襯間以受壓彈簧模擬，支護與地層間以地層水土壓力荷載和彈性約束鏈桿來模擬，計算復(fù)合式結(jié)壓力荷載和彈性約束鏈桿來模擬，計算復(fù)合式結(jié)構(gòu)的二襯部分內(nèi)力，選取計算模型如圖構(gòu)的二襯部分內(nèi)力，選取計算模型如圖 51所示。 (1) 計算模型計算模型 ①① 支護層作用的簡化方法支護層作用的簡化方法 “荷載－結(jié)構(gòu)荷載－結(jié)構(gòu) ”模式。模式。不管哪種開挖方法，其初始開挖的地表沉降量占到其最大沉降量的很大一部分挖的地表沉降量占到其最大沉降量的很大一部分 。 由以上計算結(jié)果，可以看出：全斷面開挖地表沉由以上計算結(jié)果，可以看出：全斷面開挖地表沉降值大于臺階開挖。全斷面開挖各施工步地表最大沉降值、支護最大彎矩值和支護最大軸力值見表護最大彎矩值和支護最大軸力值見表 。 ③③ 全斷面開挖模擬方法全斷面開挖模擬方法 開挖時釋放開挖時釋放 40% 初始應(yīng)力，支護承擔(dān)初始應(yīng)力，支護承擔(dān) 60% 初始初始應(yīng)力。臺階法開挖時，上臺階開挖釋放。實際支護所受的圍巖壓力要小于僅產(chǎn)生彈性應(yīng)力釋放后的全部地層壓力，但也應(yīng)注意生彈性應(yīng)力釋放后的全部地層壓力，但也應(yīng)注意到模型誤差以及一定的安全因素到模型誤差以及一定的安全因素 。 隧道開挖圍巖應(yīng)力釋放率與地層性質(zhì)、硐室大隧道開挖圍巖應(yīng)力釋放率與地層性質(zhì)、硐室大小、形成、支護性質(zhì)、支護時機及施工方法等多小、形成、支護性質(zhì)、支護時機及施工方法等多因素相關(guān)。性應(yīng)力釋放所占的比例。視圍巖特征曲線直線段部分，為圍巖的彈確定。計算。為簡計算中采用的彈性模量一般大于變形模量。由彈性理論可得壓縮模量與彈性模量之間的關(guān)系式為式量之間的關(guān)系式為式 ：： 經(jīng)過長期實踐，我國建立了和二者之間的經(jīng)驗經(jīng)過長期實踐，我國建立了和二者之間的經(jīng)驗關(guān)系如下關(guān)系如下 ：： 高壓縮性土：高壓縮性土： 低壓縮性土低壓縮性土 ：： K≤10 黃土：黃土： K＝＝ 2~5。由圖可得壓縮模量的計算式為式：模量的計算式為式： (1) 計算彈性模量的取值計算彈性模量的取值 P1 P2e1e2M1M2Pe圖 固結(jié)壓縮試驗曲線 壓縮模量是無側(cè)向變形時試件軸向應(yīng)力與軸向壓縮模量是無側(cè)向變形時試件軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比值。 土體勘測試驗的壓縮土體勘測試驗的壓縮模量是在固結(jié)儀內(nèi)進行模量是在固結(jié)儀內(nèi)進行壓縮試驗所得的結(jié)果如壓縮試驗所得的結(jié)果如圖所示。 ④④ 考慮到支護僅在施工階段獨立工作，支護結(jié)考慮到支護僅在施工階段獨立工作，支護結(jié)構(gòu)截面允許安全系數(shù)定為構(gòu)截面允許安全系數(shù)定為 ，如表所示。十號線圓角型標(biāo)準(zhǔn)斷面截面最小安全系數(shù)為低。 ②② 目前采用的圓角斷面形式，應(yīng)在圓角處設(shè)置目前采用的圓角斷面形式，應(yīng)在圓角處設(shè)置雙鏈桿形式的計算模型；直角型斷面形式在直角拐雙鏈桿形式的計算模型；直角型斷面形式在直角拐角處形成較大的應(yīng)力集中，其結(jié)果與實際情況不符角處形成較大的應(yīng)力集中，其結(jié)果與實際情況不符，計算中可按導(dǎo)角加厚處理，計算中可按導(dǎo)角加厚處理 。檢算結(jié)果如表所示。檢算結(jié)果如表所示。檢算結(jié)果如表所示 。 ③③ 四號線檢算四號線檢算 標(biāo)準(zhǔn)斷面為標(biāo)準(zhǔn)斷面為 ，檢算埋深為跨度，檢算埋深為 、 20m時的情況。檢算結(jié)果如表所示。檢算結(jié)果如表所示。所示。慮直墻腳所受到地層的支撐、摩擦和約束作用。這種計算結(jié)，應(yīng)力集中特別嚴(yán)重。 計算結(jié)果顯示，在墻腳處最大彎矩計算結(jié)果顯示，在墻腳處最大彎矩 圖 36直角型斷面計算模型 圖 37 直角型斷面模型計算結(jié)果 對于直角型斷面對于直角型斷面 (如四、五號線如四、五號線 )，初選模型如圖，初選模型如圖36所示，計算結(jié)果如圖所示，計算結(jié)果如圖 37所示。 圖 16 計算初選模型圖 34 計算模型 對于直角型斷面對于直角型斷面 (如四、五號線如四、五號線 )，初選模型如圖，初選模型如圖36所示，計算結(jié)果如圖所示，計算結(jié)果如圖 37所示。29＇＇ 49＂＂ )處同處同時設(shè)水平鏈桿和豎直鏈桿時設(shè)水平鏈桿和豎直鏈桿，計算模型如圖所示，結(jié)，計算模型如圖所示，結(jié)果受力合理。模型。模式。因此，檢算支護強度時道襯砌結(jié)構(gòu)計算模式一致。但用。的初期開裂。設(shè)置必要的誘導(dǎo)縫，隔離板等控制二次襯砌影響。曲墻式混凝土或鋼筋混凝土襯砌。壁的隅角形狀應(yīng)確保圓順。 (1)地鐵設(shè)計規(guī)范的有關(guān)規(guī)定地鐵設(shè)計規(guī)范的有關(guān)規(guī)定 ①① 礦山法施工的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求礦山法施工的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 復(fù)合式襯砌中的二次襯砌，應(yīng)根據(jù)其施工時復(fù)合式襯砌中的二次襯砌，應(yīng)根據(jù)其施工時間、施工后荷載的變化情況、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)間、施工后荷載的變化情況、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、埋深和耐久性要求等因素設(shè)計條件、埋深和耐久性要求等因素設(shè)計 。淺埋、大跨度、圍巖或施工中通過監(jiān)測進行修正。其設(shè)計參數(shù)可采用工程類比法確定，載結(jié)構(gòu)設(shè)計。相比較而言，接近于本指南推薦公式的壓力，接近于本指南推薦公式的壓力 。 國內(nèi)部分城市地鐵礦山法隧道施工中的圍巖壓國內(nèi)部分城市地鐵礦山法隧道施工中的圍巖壓力實測資料，如表所示，實測地層壓力都小于全土力實測資料，如表所示，實測地層壓力都小于全土柱重量，大部分大于泰沙基理論壓力。另外用本文推薦的豎向土壓力荷載對北京地鐵四、五、十號線標(biāo)準(zhǔn)斷面的初期支荷載對北京地鐵四、五、十號線標(biāo)準(zhǔn)斷面的初期支護在護在 6m、 9m、 12m、 15m以及以及 安全度進行了分析，由計算結(jié)果可知，豎向土壓力安全度進行了分析，由計算結(jié)果可知，豎向土壓力如果用本文推薦的公式，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)均能滿足安全如果用本文推薦的公式，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)均能滿足安全度要求。 由表可知，采用本文推薦的豎向土壓力荷載計由表可知，采用本文推薦的豎向土壓力荷載計算結(jié)構(gòu)的安全度介于全土柱和普氏理論之間，且能算結(jié)構(gòu)的安全度介于全土柱和普氏理論之間，且能滿足安全度的要求。 D 埋深 h豎向荷載D1圖 推薦公式(6)地層側(cè)向荷載計算表達式地層側(cè)向荷載計算表達式 地層側(cè)向壓力：地層側(cè)向壓力： (7)建議地層壓力公式使用效果分析建議地層壓力公式使用效果分析 以北京地鐵十號線區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)段為例，隧道以北京地鐵十號線區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)段為例，隧道覆土厚度為覆土厚度為 12m，用全土柱、普氏及本文推薦的公，用全土柱、普氏及本文推薦的公式計算豎向地層壓力，對初期支