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第39期 隧道支护结构体系的协同设计理论与方法

2019-6-11 14:26

52监测网专家报告分享-第39期 《隧道支护结构体系的协同设计理论与方法》 张顶立 北京交通大学土木建筑工程学院院长


52监测网专家报告分享-第39期

隧道支护结构体系的协同设计理论与方法
张顶立 北京交通大学土木建筑工程学院院长

人物简介

张顶立,北京交通大学教授,博士生导师,土木建筑工程学院院长,国家973计划《城市地下工程安全性的基础理论研究》项目首席科学家,国家“863计划”项目“大型跨海隧道钻爆法修建核心技术研究”负责人,中国岩石力学与工程学会常务理事、地下工程分会副理事长、中国土木工程学会工程风险与保险研究分会副理事长,桥梁与隧道工程国家重点学科带头人,隧道及地下工程教育部工程研究中心主任,“隧道及地下工程安全性控制”教育部创新团队带头人,全面负责城市地下工程教育部重点实验室工作。张顶立教授长期致力于隧道及地下工程设计理论与施工技术方面的研究和高层次人才培养。

近十年来主要从事隧道及地下工程方面的研究和教学工作,在隧道病害、隧道注浆技术、海底隧道、安全风险控制、隧道围岩变形机理、支护与围岩“动态作用”体系、围岩稳定性评价体系和控制方法等领域取得了具有创新性的研究成果,形成系统的理论认识和核心技术体系。

发表SCI、EI收录论文100余篇,出版专著4本,教材4本。获得省部级科技进步一等奖6项,二等奖3项,获得国家发明专利授权4项,申请受理2项,在国内外学术大会上做特邀报告10余次。

目录

一、隧道工程的基本问题
二、隧道围岩结构及其荷载效应
三、隧道支护与围岩的动态作用
四、隧道支护结构的协同作用原理
五、总结

内容简介

一、隧道工程的基本问题

按照国家要求,要建设八纵八横高速铁路网。2018年底运营高侧线路2.9万公里,其中隧道4896公里,2025年将建成3.8万公里高速铁路网。隧道工程在高速铁路网建设中地位及其重要。建设过程中也面临着很多问题,主要问题有,长大隧道多、隧道占比大,复杂地质条件难以避开,投资比重大,造价高,隧道施工进度慢。高铁隧道带来的问题,一个是隧道断面大,围岩变异性不可忽略,第二是畅达隧道多,施工进度要求高,第三是不良地质及复杂地形多,施工风险极高。第四是高可靠性要求,工程质量和乃够性控制严。这个是高铁隧道的特殊要求。

现行隧道设计现状存在问题

对围岩结构性及失稳机理认识不清,且围岩变异性影响未予考虑,支护结构荷载无法量化计算;
现行设计理论仅强调二次衬砌结构荷载校验,而忽略初期支护及超前预支护的基本作用,这与事实严重不符;
工程设计中对工程经验的过度依赖性,缺乏系统的设计理论,使得设计方案难以适应复杂多变的地质条件,造成局限性大;
采用基于工程经验的定值设计,无法保证整体结构安全实现量化,迫切需要整体安全性能设计。
对我们隧道设计的时候,首选对围岩进行研究,研究围岩结构特性,来进行荷载效应,我们要研究支护结构特性及其适应性。围岩这一方面要提出来是需求方,它需要多大的帮助,是需要多大的支护,它两之间要满足平衡。要达到平衡,就是要判断围岩的稳定性。

二、隧道围岩结构及其荷载效应

考虑到围岩稳定性的差异性:隧道周边一定范围内丧失整体稳定性而无法实现长期自稳的松动区围岩划分为浅层围岩,这部分围岩需要及时支护;在此范围以外整体稳定性较好而且能够承担地层荷载的围岩则为深层围岩,若对深层围岩采取及时有效的支护和干预则可保持其稳定性。显然,隧道围岩通常是由浅层围岩和深层围岩复合而成。

隧道围岩变形依次经历初始变形、急剧变形、变形减缓和变形稳定等四个阶段。


隧道围岩的荷载效应其本质就是需要各种支护结构所分担的地层荷载,当然剩余的地层荷载全部由地层围岩本身所承担这样,按照围岩结构性理论,对浅层围岩的荷载支护结构需全部承担;而对深层围岩的荷载则取决于对结构层变形的控制程度,变形控制越严则荷载越大,反之亦然。

三、隧道支护与围岩的动态作用

隧道支护-围岩动态相互作用的基本特点

动态性。支护与围岩的相互作用关系具有很强的时空相关性,主要来源于隧道开挖及支护结构的施作过程、围岩的流变特性和混凝土材料的硬化特性。
阶段性。支护-围岩体系不同阶段的主导因素不尽相同,导致重点问题和相应的核心变量始终处于动态转移和相互转化之中。
统一性。支护与围岩作为一个整体:支护结构承载一部分因应力释放而产生的荷载,防止围岩坍塌破坏、控制围岩变形;围岩荷载反作用于支护,要求支护具有足够的强度和刚度。


支护结构的核心作用是控制不同阶段围岩变形的发展,各种支护结构作为协同作用的整体,在支护结构体系形成的全过程中互相配合、合理分工,前序施作的结构是后序结构设计的基础,而后序结构的力学特性也决定了对先期结构的要求。

四、隧道支护结构的协同作用原理

围岩荷载的三个层次:
原始围岩荷载:不对围岩进行任何处理情况下的围岩荷载;
基本围岩荷载:考虑预加固和必要预支护以后的荷载;
结构围岩荷载:将超前预加固、预支护、锚固体系以及初期支护均作为对围岩的改良(作为围岩层面),本质就是现行规范的二次衬砌结构荷载。

隧道支护协同作用的三个层次
支护结构体系与隧道围岩之间的协同;
不同支护结构形式之间的协同;
同一支护形式内部支护要素之间的协同。


高速铁路隧道二次衬砌结构验算及安全储备作用:规范、实测荷载对比


规范:拱顶受力最不利;
实测:局部应力集中处。
实测安全系数普遍大于规范荷载;总体而言围岩级别对实测荷载影响不大;
规范:各级围岩都存在大偏心受压情况;
实测:除极个别测点,安全性由混凝土的抗压强度控制的。

“初期支护承受全部荷载,二次衬砌作为安全储备”设计理念的科学内涵
基于变形控制的设计理念,要求初期支护及其周边围岩变形稳定后才能施做二次衬砌,这是基本前提条件;
重视初期支护的施工质量控制,建立相应的初期支护质量检测评价体系;
强调超前支护的重要作用,在不良地质段可以通过超前支护改良地质条件,使初期支护能够或者更好地联合围岩承担全部荷载。

五、总结

提出了隧道围岩复合结构新理念,创建了隧道围岩结构模型,并给出了支护结构荷载的定量计算方法。

提出了围岩荷载的三个层次,明确了初期支护的主承载作用地位和二次衬砌结构的安全储备作用。

提出了“支护-围岩”作用的四个阶段,建立了隧道支护结构体系的多目标、分阶段协同作用模型,并由此开发了隧道支护结构设计方法。

隧道围岩结构形式与支护结构荷载确定方法是隧道工程的核心问题,也是隧道结构设计必须回答的关键问题,对此分析,可给出相应的计算方法和设计建议,但考虑到隧道围岩条件的极其复杂性以及围岩力学响应的不确定性,隧道支护结构荷载的精确计算十分困难,因此设计中工程经验仍然十分重要!同时应当指出,隧道围岩条件的工程响应和安全效应,比围岩条件本身更应引起关注,这样才能使隧道设计更具科学性!


隧道支护结构体系的协同设计理论与方法
张顶立 北京交通大学土木建筑工程学院院长


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  • 幺不语 2019-6-13 16:41
    第39期 隧道支护结构体系的协同设计理论与方法

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