隧道結構設計技術思索

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1結構設計的影響因素

根據隧道力學的知識，隧道結構是由圍巖和襯砌結構共同組成的一個聯合整體，圍巖既是承受荷載的結構又是襯砌結構上的荷載來源。圍巖是隧道結構的主體，其地質條件是隧道結構設計巾必須考慮的重要因素之一。隧道結構上的荷載是由圍巖和襯徹結構之問的相互作用所產生的，荷載的大小與圍巖的地質條件、施工方法和施_T過程等因素密切相關，其離散性大、不定因素多，隧道結構是一個高度復雜的體系。基于概率理論的極限狀態法，H前還不能較好地適用于隧道_T程的結構設計中，尤其是復合式襯砌的隧道結構，破損階段法或容許應力法仍然是隧道結構設汁中的主要的設計方法之一。由于圍巖與襯砌結構之間、襯砌結構中的初期支護與二次襯砌之間的相互作用極為復雜，初期支護和二次襯砌如何分擔來自圍巖的荷載一直是一個問題。隧道襯砌結構必須滿足環境作用下的耐久性要求，除了要承受嗣巖衙載外，還要承受來自洞內大氣和圍巖的環境作片j。隧道環境中含有眾多的化學物質和地下水，它們直接接觸襯砌結構，井對襯砌結構產生不同程度的損傷，造成襯砌結構的安令性和適用性降低．影響襯砌結構的耐久性。因此，環境作用是隧道結卡勾設計巾必須考慮的因素。

2常用的設計方法

目前，隧道復合式襯砌結構常用的設計方法主要有以下3種：I)初期支護為主要承載結構，二次襯砌作為安全儲備，按構造要求沒計。2)初期支護和二次襯砌按承載結構設計。3)初期支護承擔施期間的全部荷載，二次襯砌承擔運營期間的全部荷載第1、2種方法是我困鐵路隧道和公路隧道設計規范中規定的方法，第1種方法適踴于I一Ⅲ級圍巖地段，第2種方法適用于ⅣV級圍巖地段，這兩種方法的選擇依據是同巖級別，并未考慮襯砌結構在設計使用年限內在環境作用下的耐久性問題。第3種方法主要考慮了結構的耐久性，適用于初期支護不能滿足耐久性要求的情況。第1、3種方法的荷載和承載結構比較明確，荷載分別由初期支護和二次襯砌單獨承擔。情況比較復雜的是第2種方法，圍巖荷載是由初期支護和二次襯砌分擔的。工程中的習慣做法是根據圍巖級別將荷載分攤到初期支護和二次襯砌結構』二，但是荷載分攤比例沒有統一的規定，實際應用中也不盡相同。一般情況下，V級圍巖地段的初期支護和二次襯砌的荷載分攤比例可采用30：70，1V級圍巖地段采用40：60。很顯然，荷載分攤方式的人為成分較大。

3選擇合理結構設計方法的討論

隧道結構防水設計往往是隧道設計的重點。在富水的圍巖f}J。m于對隧道施工安全的考慮，隧道結構設計一般應采取圍巖注漿加同等輔助技術措施，以封堵圍巖滲漏水和提高圍巖的自承能力．．程實踐表明，由于隧道工程呈隨機性特征，尤其是在IV—V級嗣巖中，對圍巖進行注漿堵水很難達到理想的效果。因此，隧道結構防水一般采用多道設防的設計理念。由于水是環境作用中非常重要的因素，因而多道設防的設計理念同樣也適用于隧道襯砌結構的耐久性設計。為此，在襯砌結構的耐久性設計中，除了要根據地質情況采用圍巖注漿加同等技術措施外，還必須采用提高結構材料性能和保護層厚度等構造要求，確保噴射混凝土和二次襯砌混凝土具有相應的抗滲透性和抗腐蝕性，防水層材料也應具備相應的抗老化性能，即使如此，還應根據環境作用條件采用相應的結構設計方法。

3．1I～Ⅲ級圍巖地段的結構設計方法I一Ⅲ級圍巖的地質條件較好，巖石較堅硬，巖體較完整，圍巖的透水性差，隧道的深埋一般比較深，圍巖具有較強的自承能力；一般情況下地下水含水量也比較少，或者采用圍巖注漿堵水等技術措施后可達到洞內基本無滲水。因此，洞內環境比較干燥。對于初期支護，即使圍巖中存在有害物質，由于缺少地下水的參與，環境對初期支護的侵蝕作用比較有限。對于二次襯砌，當采用鋼筋混凝土結構時，必須具有足夠的鋼筋保護層厚度，以防止混凝土可能發生的碳化影響。該圍巖中的結構設計方法為：初期支護為主要承載結構，按工程類比法設計；二次襯砌作為安全儲備，按構造要求設計。

3．21V—V級圃巖地段的結構設計方法Ⅳ一V級圍巖的地質條件較差，巖石較軟弱，巖體較破碎，其完整性差，罔巖的透水性比較強；一般情況下，隧道的埋深較淺或者位于斷層構造帶、節理密集帶等不良地質地段，嗣巖的自承能力較差。其地下水情況比較復雜，一般在淺埋地段的地下水含水量呈季節性變化，受大氣降水補給的影響，在雨季時水量豐富，旱季時水量較小或無水；對于深埋地段，地下水一般為基巖或構造裂隙水，其含水量大小呈隨機性特征。該圍巖地段的結構設計若遇到腐蝕環境可做如下處理：在凍融環境、氯化物環境和化學環境下，其環境作用等級為中度(C級)至極端嚴重(F級)。由于噴混凝土結構的密實性較差，初期支護難以滿足腐蝕環境中結構的耐久性要求，可按臨時施工結構設計。二次襯砌按永久結構設計，應承受可能的各種作用。結構設計方法為：初期支護承擔施工期間的全部荷載，按工程類比法或地層結構法設計；二次襯砌承擔運營期間的全部荷載，按工程類比法或荷載結構法設計。值得說明的是，Ⅳ一V級圍巖地段的地下水可能會串流到鄰近的IⅢ級圍巖地段，因此，受到地下水影響的I～Ⅲ級圍巖地段的結構設計應采用Ⅳ一V級圍巖地段相應的結構設計方法。