（道路与铁道工程专业论文）大跨公路隧道结构受力特性行为分析.pdf

摘要 摘要 在大跨度高速公路隧道中，虽然衬砌截面尺寸较大，多为铡筋混凝土结构， 但隧道结构常常出现丌裂、整体变形大，影响隧道的诈常使用。引起隧道结构 质量问题的原因固然是多方面的，但隧道结构断面本身的合理性j 否也是。个 不容忽视的重要因素，因此，极有必要对大跨度高速公路隧道的结构做1 全面 的研究，提出合理的结构形式，实现隧道f 程结构的合理设计与施工。 本文以京珠高速公路靠椅山隧道为计算和室内静态模型试验的原型，研究 了大跨公路隧道结构的受力特性。首先，研究了公路隧道衬砌结构的内力，应 用结构力学方法对目前我蚓采用较多的扁平单心圆大跨高速公路隧道的结构形 式，用不同的工况及荷载组合进行分析计算。在计算中，根据相关规范的规定， 按照以文克尔假定为基础的局部变形理论，在v i s u a lf o r t r a n 软 ， ：开发、f 白编 制相应的程序，自动计算了衬砌各截面的内力，再将墙角与仰拱的接合部位蚓 顺过渡以改善受力状态。以衬砌各截面中的偏心距的最大值达到最小为优化日 标，找到最优的隧道截面形式。进行了室内静态模型试验，通过模犁试验来揭 示特殊部位结构的受力特征，找出结构的薄弱环节。最后将试验结果与理论计 算结果进行比较，考虑国内隧道施工实践，再借鉴国外经验，提出合理的大跨 高速公路隧道结构形式。 研究结果表明，以合适的圆角在墙脚过渡可将墙脚弯矩大大减小，从而改 善隧道衬砌结构受力状态，证明本学位论文对公路隧道一程设计确实有一定的 实际意义。 关键词：公路隧道，衬砌，内力计算，仰拱，优化设计，模型试验 a b s t r a c t a b s t r a c t t u n n e lc r a c ka n dt h e1 a r g ed e f o r m a t i o no c c a s i o n a l l yh a p p e nd u r i n gl a r g e s p a n e x p r e s s w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o n a n da f f e c ti t sn o r m a lu s e ，a l t h o u g hs o m eo ft h e ma r e b u i l tw i t hr e i n f o r c e dc o n c r e t ea n dt h es e c t i o no ft h el i n i n gi sh u g e a l t h o u g ht h e r ea r c al o to ff a c t o r sc a u s i n gt u n n e lc o l l a p s e ，i ti sa ni m p o r t a n tl h c t o rn o tt ob en e g l c c t e d w h e t h e rt h et u n n e ls e c t i o nc o n f i g u r a t i o ni sr e a s o n a b l e s o ，i ti sn e c e s s a r yi oc a r r yo u t t h l ls t u d yo nt h es t r u c t u r eo fl a r g e - s p a ne x p r e s s w a yt u n n e lt op u tl b r w a r dr a t i o n a l s t r u c t u r ef b r m t or e d u c et h ef a c t o rc a u s i n gc o l l a p s e ，a n dt or e a l i z es a f ec o n s t r u c t i o n ， f a k i n gk a o y i s h a nt u n n e lo nb e i j i n gt oz h u h a ie x p r e s s w a ya sb a c k g r o u n do l 、 m e c h a n i c a lc a l c u l a t i o na n dl a b o r a t o r ys t a t i cm o d e lt e s t ，t h i st h e s i ss t u d i e dt h e m e c h a n i c a lb e h a v i m o t 、l a r g e s p | d 1 1h i g h w a yt u n n e l f i r s t ，t h ei n t e r n a l l o r c e c a l c u l a t i o no nt u n n e ll i n i n gs t r u c t u r ei sc a r r i e do u t i nt h ec a l c u l a t i o n s t r u c t u r a l m e c h a n i c sm e t h o di sa d o p t e dt oa n a l y z et h el a r g e s p a nf l a ts i n g l ec i r c l ee x p r e s s w a y , t u n n e ls t r u c t u r et h a ti so f t e nu s e di no u rc o u n t r yu n d e rd i f f e r e n tl o a d i n gc o n d i t i o n s a n dd i f l 、e r e n tl o a dc o m b i n a t i o n s a c c o r d i n gt or e l e v a n ts p e c i f i c a t i o n sa n dp a r t i a l d e f o r m a t i o nt h e o r yol w i n k l e rh y p o t h e s i s t h ep r o g r a mt h a ti sd e v e l o p e db yt h e a n o t h e ro nv i s u a lf o r t r a nd e v e l o p e dp l a t f o r ma u t o m a t i c a l l yc a l c u l a t e st h ei n t e r n a l f o r c e so ft h et u n n e l s e c o n d l y , i no r d e rt oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tt h e i o i n tb e t w e e nt h es i d e w a l la n dt h ei n v e r t ，c i r c l e ra r c ht r a n s v e r s et u n n e ls e c t i o ni s t b u n db yd i r e c ts e a r c ht h et a r g e to fm i n i m i z i n gt h em a x i m a la b s o l u t ev a l u eo t 、t h e m o m e n to ft h ed i f f e r e n tl i n i n gs e c t i o n s t h i r d l y ，t h el a b o r a t o r ys t a t i cm o d e lt e s ti s c a r r i e do u tt or e v e a lt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h et u n n e ls t r l 1 c l u r ea n dt of i n d t h ew e a kp o s i t i o no ft h es t r u c t u r e f i n a l l y ，t h et e s tr e s u l t sa r cc o m p a r e dw i t h t h e o r e t i c a la n a l y s i s 7 l h er a t i o n a lt u n n e ls t r u c t u r ef o r mo fl a r g e - s p a nh i g h w a yt u n n e l i s p u tf o r w a r db a s e do ns t u d yr e s u l t sa n dt a k i n g i n t oa c c o u n tt h ep r a c t i c ea n d e x p e r i e n c eo ft u n n e lc o n s t r u c t i o n l h es t u d yr e s u l t so ft h i st h e s i ss h o wt h a tt h em o m e n ta tt h ec o r n e l o l 、s i d e w a l l o b v i o u s l yi sc u td o w nw h e na c i r c u l a rt r a n s i t i o nw i t ha na p ta n g l ei ss e ta tt h ec o r n e r a b s t r a c t o fs i d e w a l la n di n v e n t h e r e f o r e ，t h em e c h a n i c a ls t a t eo ft h et u n n e ll i n i n gi s r e m a r k a b l yi m p r o v e d ，w h i c hp r o v e st h a t t h i st h e s i si so fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot h e d e s i g no f h i g h w a yt u n n e l k e yw o r d s ：h i g h w a yt u n n e l ，l i n i n g ，i n t e r n a lf o r c ec a l c u l a t i o n ，i n v e r t 、o p t i m i z a t i o n d e s i g n ，m o d e lt e s t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另, t j d u 以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：南趣垒口期：2 1 1 垒羔一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位沦文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制于 段保存论文。 f 保密的沦文在解密后应遵守此规定) 签名：监坚! 导师签名：墨墨矍 日期：卫。生旦 第一章绪论 1 1 我国隧道发展的概况 第一章绪论 随着经济建设、国防建设、西部大开发及旅游业的发展，交通运输需求将 日益加大，国家对铁路、公路建设的投资也会逐渐提高。因此，高速公路作为 一种方便、快捷、高效的交通运输方式必将在我国篷勃发展起来，大跨、长大 隧道的修建也越来越多。 人类修建公路隧道已有几百年的历史，建成的隧道小计其数。1 9 2 7 年美困 纽约哈德逊河底的荷兰盾构隧道为双洞单线交通隧道，长度分别为2 6 8 0 m 和 2 5 5 1 m ，高峰小时交通量2 0 0 0 辆，盾构法施工，并且首次采用机械全横向式强 迫通风。其后随着隧道施工新奥法、挪威法以及7 f b m 等方法的应用，诈多长大 公路隧道相继建成。到2 0 0 0 年底，长度超过3 k m 的公路隧道已有近4 0 0 座，最 长的达2 4 5 k m 。总结国内外长大公路隧道的建设经验，分析现代公路隧道发计 和修建过程中存在的问题和发展趋势，对今后长大公路隧道的成功修建和提高 质量都有十1 分重要的现实和历史意义。 我国的“十五”规划中已经将加强公路国道主干道建设、完善公路删络、丌发 人西北、逐步提高路网通达深度等发展计划提卜议程，在这样的大好形势下， 我国高速公路将会穿越祖国的崇山峻岭、大江、大河迅猛地发展起来。公路隧 道作为高速公路中必不可少的组成部分也将会越来越多地被修建。因此，公路 隧道建设前景广阔，但同时也会出现一系列艰难复杂的技术问题有待我们去解 决。 据统计我国在2 0 世纪已建成的公路隧道超过1 0 6 9 座，草洞总长度超过 3 4 0 k m 。近年来，跨越大江、大河、海湾、海峡的特长隧道也被提到议事丌程| _ = 来；在城市建设方面，大量修建立交桥、采用公路跨越公路，会有碍城f 丁的市 容市貌。本着以人为本与环境协调的思想，给桥址附近居民多留一些空划，少 带来一些污染，宜修建地下通道或隧道，来创造个安宁舒适的生存环境。 从上述情况来看，公路隧道的建设任务是繁重的，摆侄我们商魏的问题也 很多。根据近年来在隧道设计施工中遇到的问题，些公路隧道特别是人跨度 第一章绪论 公路隧道塌方案例以及些科研试验积累的可靠数据的分析研究，在总结以往 经验，把握研究前瞻性方向问题的基础上，进行本次关于大跨度公路隧道的结 构分析研究，以求得良好的效果，用于生产施工，解决实际问题，以促进公路 隧道工程的发展。 高速公路目前在我国发展比较迅速，大跨、长大隧道越来越多。我困隧道 界对铁路隧道的研究相对较多、相应的理论与施工实践也比较丰富，而对于大 跨度高速公路隧道的研究则相对少一些。由于缺乏相应成熟理论的指导，在大 跨度高速公路隧道设计和施工中，施工中的坍塌方事故时有发生，有的甚蜂造 成重大的伤亡事故( 如京珠高速公路靠椅| j j 隧道，坍方造成了重大的人员伤：事 故和极坏的社会影响，新闻媒体曾对此做过相关报道) ，建成厉的隧道质量问题 也不少。其原因固然足多方面的，如地质条件、施工工艺等，但隧道结构断面 彤式本身合理与否也是一个不容忽视的重要因素，所以，极有必要对大跨度高 速公路隧道的结构做一全面的研究，提出合理的结构形式，实现隧道工程的合 理设计。 1 ，2 隧道结构的国内外研究现状 1 2 ，1 公路隧道结构断面形式及其优缺点 为满足日益增长的交通量的需求，要求按六车道( 单向= 二车道) 修建的人跨度 大断面公路隧道呈日益增长的趋势。三车道公路隧道的平均开挖而积比通常的 双车道公路隧道增大很多，由于跨度增大引起开挖面积大幅度增加，工程造价 会大幅度l 升，考虑经济性方面要求，在满足公路隧道建筑限界的前提下，尽 量以低扁平率( 高度与跨度之比) 来降低造价：例如采用二车道公路隧道的类吲结 构f 扁平率在0 8 1 0 ) ，开挖断面积在1 6 0 m 2 左右，采用o 6 0 0 6 5 的低扁平率时 可降低至1 3 0 m 2 左右。与此同时，在低扁平率而绝对跨度很火的情况下修建这 类隧道，对施r ：技术提出了极高的要求，有许多技术难点需要解决。从隧道力 学的观点来看，在隧道围岩条件理想，如v 类以上围岩时，不会出现大的修建 技术问题，国内外已有较多的水工、厂房、地下工程等岩石地下结构物在行挖 面积数倍于上述面积的情况下，以低扁平率修建的实例。但l ：述这些地f 结构 物多为点状，且能主动选择在围岩条件极好的地点修建。而公路隧道在线路总 第一章绪论 体走向的控制下，选址只能在局部范围内进行，且隧道为带状地下结构物，沿 隧道纵向往往要遭遇各类断层、软弱罔岩等各种不良地质情况。在这种情况】、， 进行低扁平率大断面长隧道的修建会f _ i 现许多隧道力学方面和旌l i 技术方面的 新课题2 、”。 1 2 2 软弱围岩中的隧道修筑仰拱的必要性 在隧道旋工中，仰拱是衬砌结构的重要组成部分，仰拱的设置对罔护隧道 整体稳定有着重要的作用，特别是在侧压力系数较大的软弱围岩、初始地应力 场中具有较大的水平构造应力的围岩，流变特征明显的围岩以及膨胀性岩体等 围岩情况下，仰拱的作用就更为明显。隧道仰拱能明显的提高支护结构的整体 刚度，从而有效地约束围岩的变形，改善整个衬砌结构的受力状态，并减少隧 道结构病害的发，= ：= 。实践证明，隧道仰拱小仅能提高隧道的安全性，且能提离 隧道衬砌使用的耐久性。因而在上述各条件f 均需修筑仰拱坤”。 1 9 8 2 年，奥地利土木工程学会地p 字问利用分会提出：“在岩质、土砂质介 质中开挖隧道后，应在隧道的围岩内形成个中空状的支撑环为目的”。为能形 成环形支撑环，在设计与施工中，应遵循下列原则： ( 1 ) 考虑地下开挖后罔岩的力学性质的变化； ( 2 ) 应当在适当的时机构筑适宜的支护结构以避免在围岩内f _ 现不利的应 力、应变状态： ( 3 ) 特别是为了能形成在静力学上十分稳定的中空圆筒状结构，必须有一个 闭合的支承环； ( 4 ) 由现场量测来监视围岩的动态，根据容许变形量求得最适宜的支护结构。 这里明确提出一个最核心的问题：在围岩内形成环形支承结构的概念是值 得重视的。力学上认为，隧道是由岩层支承环与支护结构组成的相互作用的厚 壁圆筒构成的。然而，圆筒仅仅在圆环闭合时才在力学i ：发挥其作用，所以除 了下部岩层自身峰硬外，那就要砌筑仰拱，形成闭合环。进一步来说，岩层的 性质变化基本上取决于形成闭合环的时间。仰拱修筑及时、衬砌闭合及时、围 岩与衬砌共同形成闭合环，围岩处在有利的i 轴应力状态。由岩石力学型论知 识，岩层处存三轴应力状态下是最稳定的。反之仰拱修筑过迟，衬砌不及时“j 合，则围岩性态变化在局部会形成不利的应力与应变，岩层处在单轴或双轴应 力状态f ，是不稳定的| | 3j 。 第一蕈绪l 沦 现代隧道施工的实践证明，上述观点是j e 确的，在软弱围岩中使全断面尽 t 封闭，以发挥支护结构的功能，围护隧道的整体稳定，是一个藿要的原则| 1 4s l 。 而实现这一原则的主要方法是修筑仰拱。理论及实践证明，修筑临时仰拱或永 久仰拱不仅在施工中起着稳定隧道，提高施工安全性的作用，刘提高隧道长期 使用的耐久性和使用性也起着重要的作用。 但是，在设计及现场施工中我们也发现，仰拱修筑的时机、仰拱曲率及拱 墙的联结方式、联结点的位置彳i 同，对墙角部分应力状态有着极大的影响，通 常会使墙角部分产生应力集中，使结构的整体性、力学特性受到很大的影响， 给施工及运营留下了安全隐患| l 。目前，对铁路隧道受力特性及横断面设计力 面的研究较多，而对于公路隧道特别是三车道以上的大跨度公路隧道受力特性 及断面形式的研究还不是很多，因此有必要对大跨度公路隧道的力学行为进行 进一步研究，从而提出更为合理的断面形式，为日后的大跨度公路隧道的断面 设计及施工提供帮助。 123 国内外仰拱设计与施工的现状及相关研究 国外在仰拱设计及施i 巾，均采用有利于衬砌轴力传递的仰拱形状，刨衬 砌结构整体轮廓大致为蛋形或圆形。坑道开挖后及时修筑仰拱，使支护结构尽 早封闭成环，有些还采取了先修仰拱的方法，日本、德国就是如此。而在我函 仰拱的设计与施工中均存在一些问题。如铁路隧道衬砌仰拱的形状不够合理、 曲率偏小而施工中又往往是后修仰拱日大多数是在拱部及边墙组成的上部衬 砌变形趋于稳定之后修筑，时机过迟，所以仰拱起不到应有的作用。 近年来，在隧道工程中，对丁隧道结构中仰拱的研究已有了定的成果， 如西南交通大学在1 9 8 9 年和1 9 9 1 年对仰拱的作用进行过模型试验和数值分析， 认为尽早使仰拱与上部衬砌连结成闭合状，不仅能更好地发挥仰拱的作川，丽 且对控制洞室周边位移也有明显的作用；另外地质条件、断面形状及大小、仰 拱的修筑时机等对仰拱作用的发挥都：仃重大的影响。仇文革教授采用三维空间 模型，模拟单双线铁路隧道衬砌有无仰拱、先修仰拱、同时修或后修仰拱的情 况，利用近景摄影测量仪观测和记录隧道纵、横断面的位移场，通过位移场的 变化来分析仰拱的作用，得出了隧道仰拱先于上二部衬砌修筑时效果最好，同修 时效果次之，后修甚至不修仰拱最不利等结论。1 9 9 1 年铁道部专、眦设计院、1 9 9 6 年铁道部科学研究院西南分院主持研究的“隧道底部结构受力状态及合理结构 第一章绪论 形式的研究”取得了一定的成果，对隧道仰拱的设计及受力分析具有一定的借 鉴作用【 。 在隧道横断面研究问题上，国内外对铁路隧道研究的要相对多些，对公 路隧道横断面尤其足大跨公路隧道断面的研究要相对少一些。 广西大学的叶国洪【1 6 1 在他的颂十毕业论文“隧道衬砌内力计算及其横断丽 的优化研究”中，主要研究了隧道横断面形状的优化问题：首先研究了隧道的 衬砌结构的内力计算，根据相关规范的要求，按照以文克尔假定为耩础的局部 变形理论自动计算了弹性抗力的分布与衬砌各截面的内力。在v i s u a lb a s i c 软件 开发平台上编制了相应的程序。然后，按照现代工程结构优化理论，以衬砌各 截面中弯矩绝对值的虽大值达到最小为优化目标，找到最优的隧道横断面形式。 最后，结合工程实际，分析了几个隧道实例。结果表明，内力分布比原设讨更 优。 西南交通大学的吴文正i 在他的硕士毕业论文“铁路隧道仰拱的受力分析” 中主要针对我国铁路隧道仰拱设计与施： 的现状，对仰拱受力机理进行了重点 计算分析。在文章中，用一函数表达应力释放率，将应力释放率视作掌子面距 离的函数。在应力释放率不同时，即距学子面不同距离时构筑衬砌、仰拱，逃 行了多次计算，得到了隧道结构的力学参数，分析了对结构受力状态的影响， 以及上部衬砌、仰拱的施作顺序，灌注时问的合理匹配及其力学作用。讨算结 果与隧道理论研究、施工实践所得的结果吻合得较好。 铁道部科学研究院的赵子荣、刘艳青m i 在“软弱围岩铁路隧道仰拱作用的 试验研究”中介绍了单双线铁路隧道仰拱，在不同厚度、曲率、与边墙连结方 式，以及仰拱结构对称情况等条件下的模型试验。并在对模型试验进行分析和 对比的基础上，可得出仰拱承受着很大的底压力，且发生严重的底鼓，底压力 成马鞍形分布，对仰拱受力不利，因此应重视仰拱的作用，并提出了铁路隧道 仰拱设计、施：r ：的一些改进措施。 西南交通大学桥梁及地下工程系的了i 明年、翁汉民、李志业| 1 圳在“隧道仰 拱的力学行为研究”中通过大比例尺模型试验与有限元分析相结合的方法研究 了犬跨公路隧道仰拱的力学行为。结果表明，隧道仰拱对提高隧道结构的承载 力、抑制围岩内塑性区的扩展、约束隧道洞周位移的发展，提高衬砌结构的安 全度等方面都有非常重要的作用。 在国外，前苏联曾在试验台架( 6 0 0 r a n l 4 0 0 r a m 1 6 0 m m ) 上进行坑道底部降 5 第一章绪论 起的试验研究，研究了不同时期的上体变形的发展过程，整个试验在2 3 周内 完成的。试验表明：位移发展深度约为1 0 0 c m ，相当于3 倍的坑道宽度，而在坑 道底部则达到4 倍宽度，且底部变形显著。且底部隆起具有时叫效应，即具有 粘塑性流动的性质。因此在服务期限长的坑道中，适宜的修筑仰拱是必要的。 1 3 关于结构优化设计工作 传统的结构设计，要求设计者根掘要求，按本人的实践经验，参考类似的 t 程设计，通过判断去创造设计方案，然后进行强度、刚度、稳定性等方商的 计算。实际上这里的计算实质上是对给定的方案作力学分析，起种校核与补 充细节的作用。仅仅证实了原方案的可行性。这样的设计程序和方法，虽然能 够适应于生产逐渐发展到一定阶段一k 的需要，但随着生产的迅速发展，新兴科 学技术的不断涌现，人们新的漫计思想的丰富、充实后也逐渐意谤 到，只是做 到“分析结构”是远远不够的，而且更重要的足要“设计结构”。过去的结构研 究，主要着眼于分析和计算各种结构在外界闪素作用下的受力和变形等力学反 应，现在则把结构优化设计作为研究的目标和任务。 一项工程设计总是要求在一定的技术和物质条件下，取得一个技术经济指 标最佳的设计方案，优化设计就是在这样一埽十思想下产生和发展起来的。 结构优化设计，是设计者根据设计要求，住所有参与计算的量部分以变景 形式出现，形成全部可能的结构设计方案域。在这个没计方案域中有众多的，u 行设计方案和众多不可行、设计方案。根据最优化原理、利用数学规划方法，按 设计者预定的要求，从域中搜索出不但们亍而习足“最优”的设计方案。当然， 这罩所说的“最优”，是相对于设计者预j 乏的要求而言i ”。3 i 。 结构优化设计并不是把结构薄弱环节的潜力都挖尽，丽是追求最合理的利 用材料的性能，使结构内部各单元得到最好的协调，它与传统的结构设计采用 的是相同的基本理论，使用同样的计算公式，遵守同一的设计规范和施： ：技术 或构造规定，因而结构具有相同的安全度。只不过传统的结构设计是一一种仅从 经验出发的被动校核，而结构优化设计是经验j 优化理论相结合的主动搜索。 近2 0 年来，优化设计技术在航空、机械、士建设计领域中广= ，止了很大的影 响，正逐步用理论代替经验设计，用精确设计代替近似设计，j 习优化设计代替 一般设计。 第一蕈绪沦 计算机已经成为设训工作者进行创造性活动的有利工具，它在优化没计+ | 占有极重要的作用。应用计算机进行优化设计与传统设计相比，具自如下特正t ： ( 1 ) 设计遵循的原则与目的，是使、设汁优化。为了达到这个目的，就需要建 立一个能正确反映设计问题的数学模刑。 ( 2 ) 设计的方法是优化数学方法。一个设计方案参数的调整是计算机沿着使 方案向着更好的方向自动进行的，从而选出最优的方案。 ( 3 ) 进行优化设计的手段是使用计算机和计算机程序，由于计算机运算速度 快，重分析一个设计方案可以以分甚至以秒计，因而可以从大量的方案中选出 “最优方案”。 结构优化的发展和应用使结构设计达到新的阶段，使设汁者从被动的分析、 校核而进入主动的设计。利用最优化和电子计算机计算，可迅速求出给定条件 下的最优设计方案使设计人员从繁琐的霞复设计巾解放出来，设汁速度可大大 加快，设计质量也r u 大大提高，由此可见，优化设计是实现设计的最终目标的 一种完全和经济的有效途径。 1 4 问题的提出和主要研究内容 目前，国内在隧道结构受力特性方面上的研究大多集中在对隧道仰拱的7 r 挖时机、丌挖工序的不同等方面，同时进行了室内静态模拟试验和有限元分析 计算，其中考虑了围岩的性念，多篇文献巾论证了结构破坏部位均出现在边墙 及边墙与仰拱的结合部位。研究表明，隧道支护的墙角应力集中处出现压酥状 掉皮，喷层以剪切破坏为主。计算的罔岩塑性区范围和形状，呈x 状分布在拱 腰和墙角与仰拱( 或无仰拱隧道的平底) 的接合部位，此部位由于应力集中，弯矩 值较大，除可适当配些受拉钢筋外，在选择截面时，宜尽可能将此处圆顺过渡， 以改善受力状态。在对试验模型进行超载加荷时，毛洞、支护和结构首先破坏 的部位是边墙下部，围岩、二次衬砌则表现为剪切破坏。并随着荷载的增加， 破坏范围向下扩大到与仰拱的交界处，并最终出现破坏而使结构失去承载力( 对 无仰拱的衬砌结构则出现两拱脚下沉和拱脚被剪切的现象) | 7 j 。尽管文献中分析 了隧道结构的受力形态，但关丁如何对整体结构进行设计及对横断而的优化改 进的具体方法却没有涉及。 第一章绪论 141 问题的提出 大跨高速公路隧道的结构形式各困虽丌i 尽相同，在我国，大跨高速公路隧 道的结构形式大多采用扁平单心圆，从结构的力学分析方面来看，这种结构存 在一定的缺陷。再者，与理论相对成熟的铁路隧道不同，对1 i 大跨高速公路隧 道结构的力学行为的研究，尽管国内外l 二有相关的报道，但仍未有现成的、成 熟的、针对性较好的设计理论和计算方沤。 我国在现阶段经济发展较为迅速，但基础没施相对落后，存今后的基础建 设中肯定要遇到大跨隧道结构工程，如穿越山区的公路工程、南水北调上程、 城市过街隧道、城市供热隧道、城市咆缆隧道、城市地下停车场等。因此，研 究大跨公路隧道结构必定会“生良好的社会经济效益。 1 42 主要研究内容 在公路隧道等地下丁程建设中，人们不断地追求科：各种荷载作用下| l ；| 岩的 性态响应( 应力、位移和稳定陛等) ，使其达到预定的要求。隧道洞窄的轴线1h 选定以后，实际上围岩的介质和初始地f 蔓力场等边界条件也就客观存在不能改 变了，故设计中只能不断地调整涮室断两的几何形态、尺寸等，以改善倒岩的 应力分布及其稳定性状态。隧道断而形状没计的方案不足唯一的，衙是有许多 方案可供选择，这就提出了优化问题| 2 0 i 。 应用结构力学方法和岩体力学方浊刈日前我国公路隧道中采厢较多的扁平 单心圆的结构形式，用不同的荷戡组合进行分析计算，并结合室内模型试验， 研究其受力特点和结构形式的合理性。 将理论分析计算与静态模型试验相结合，并考虑国内隧道的工程实践，借 罄国外经验，提出了合理的大跨度高速公路隧道结构形式。 主要研究内容是是利用v i s u a lf o r t r a n 为设计平台，按照“荷糖结构”模 式，用杆系有限元来分析结构，并以工稃结构优化设计中的枚举法作为实现结 构优化目的的手段，以衬砌结构中的最a 1 偏一0 距值达到最小作为优化闩标，# 成了w i n d o w s 应用程序，使程序能够广一泛应用于现代大跨公路隧道的没讨+ 及施 工时的结构承载能力检算工作之中。 第章隧道皇吉构计算胤理与v f 程序设计 第二章隧道结构计算原理与v f 程序设计 2 1 隧道衬砌结构杆系有限元分析 隧道衬砌结构矩阵有限元分析的基本思想足：采用符合“局部变形原理” 的弹簧地基来模拟围岩，而1 i 采用连续弹性体，所以它属丁隧道支护结构设讲 计算的结构力学方法范畴。首先将衬砌；j 罔岩所组成的衬删结构体系离散化为 有限个衬砌单元和弹簧单元所组成的组合体：其次确定由主动荷裁( 如转压 力，衬砌自重等) 直接作用在计算模型卜所引起的变形，变形的轮廓就是衬砌 与围岩相互作用区。这可以用逐次渐近的方法求得。其方法是：先假定衬砌的 某一段周边处在相互作用区域，求出衬砌的变形轮廓，然后去掉非_ 1 巧：作用区 的弹簧单元；接下来进行第二次训算，求出该状态下衬砌变形轮廓；经过检轰 又去掉新的处在非相互作用区的弹簧午元，若在上次被拿掉弹簧单兀的地力， 又变为相互作用区，则必须再加上弹簧币元。如此反复进行，直到弹簧单兀都 放在相互作用的地方为止【2 7 0 i 。 衬砌结构模型中采用了两种单元：是偏心受压的衬砌单兀：二星约束衬 砌变形的支承链杆单元；在进行程序没计时，采用直接刚度法求解，要按节点 静力平衡建立联立方程，为使各节点符单元的力素和位移直接列入方程中，因 此，各单元的节点力及节点位移都应按结构坐标( 整体坐标) 建立。 2 1 1 衬砌单元的刚度矩阵 在截面尺寸不变的条件h 每个衬硼币元呵看作受弯矩、轴力、剪力作用 的等直梁，局部坐标系f 粱单元的刚度力稃可缩写成矩阵形式： 矿 _ f 网 ( z _ 1 ) 进行坐标变换，将局部坐标系中的值转化到整体坐标系中，则j 看到l 丫l 元 节点力在两种坐标系中存在如下关系： 矿 _ r l i ：0 ( ! 一2 ) 同理，可求得单元节点位移在两个坐钚系 j 的关系式为： 第+ 章隧道结构计算原理与v f 脬序设汁 斟= 【r 玲 式中，旷卜一坐标变换矩阵。 将( 2 2 ) 及( 2 3 ) 式代入( 2 1 ) 中，印得： 咄厂) ：们p ) 在( 2 4 ) 式两边左乘纠1 得： i t 1 旷】杪) = p r 医i p 黔 辂殚得： 因为【7 】正交矩阵，p 令 则： = 旷r l f k l 1 0 2 0 d 时，为抗拉强度控制 = 警等 b 1 9 ) d 式中，r l 混凝土抗拉极限强度。 除需要检算截面的强度以外，隧规还对轴向力偏心距有所 5 ：i 制：要求混 凝土构件的偏心距不宜大于0 4 5 倍的截向厚度；墙底截面的偏心距，对岩石地 基不应大于o 2 5 倍的墙底厚度，对于土质地基不麻大j 二1 6 墙底厚度。 2 2隧道衬砌结构有限元分析的基本步骤 ( 1 ) 将衬砌结构离散为若干个衬砌单元和支承链杆单几。衬砌单元的数日可 视精度要求及计算机容量选定，对于取半个衬砌计算( 结构与荷载均对称r 、j ) 的结构图式，单线隧道衬砌i i 丁离散为1 0 个；币元，烈线隧道衬砌可离散为1 4 个 单元( 含仰拱) 。支承链杆单元视实际情况预先柿置。计算各利砌单儿的长度，、 端部厚度d 以及各节点处的x y 坐标值。定出各衬砌单兀的弹性模量只和各支承 链杆单元的弹性抗力系数k 及弹性支座单元的k 。k ，值( k ，值可任取数值) 。 ( 2 ) 荷载换算成等效节点荷载。 将荷载( 包括竖向荷载、水平侧向荷载以及自重荷载) 按结构坐标系的坐 柄：轴方向化为节点荷载作用存结构节点k ( 3 ) 计算各衬砌单元的删4 度矩阵( 按局部坐标系) 。 ( 4 ) 计算各支承链杆单元和弹性支座单元的刚度矩阵( 局部举标系和结构坐 标系相一致) 。 ( 5 ) 将按局部坐标系建立的衬砌单元刚度矩阵转换成结构举标系的衬砌单 元刚度矩阵。 第：章隧道结构计算原理与v f 程序设汁 ( 6 ) 形成结构刚度矩阵l k i 。 ( 7 ) 按衬砌结构的边界条件( 位移边界条件) 修改结构刚度方程。 ( 8 ) 求节点位移的第一次近似值。 ( 9 ) 根据节点径向位移的f 负值，判别是否去掉某支承链牛| ，并斗h 应修i f 结 构刚度矩阵。 ( 1 0 ) 计算节点位移的第一次近似值，并砸复9 、1 0 二步，直至所有支承链 杆处的节点位移均符合f 0 的条件为止。 ( 1 1 ) 求解最终的结构节点位移值。 ( 1 2 ) 计算局部坐标系中各衬砌单元的箝点力。 2 3 隧道衬砌结构矩阵位移法的程序设计 2 3 1 结构程序设计编制的几点说明 本程序是用呵视化的v i s u a lf o r t r a n i ”。7 i 算法语言编写的。l j 以用f 各种形 式的对称荷载作用下对称衬砌结构的分析计算。计算时i 1 j 将慕奉结构的拱部、 边墙和仰拱离散为任意个有限的衬砌单，i ，支承链杆的和置，从节点3 外始按 顺序安放。 对本程序作如下几点说明： ( 1 ) 结构刚度方程 p _ k 的求解 本程序是通过将 p = = k 】 a 按行展1 j | _ 后直接用高斯列主冗消去法求解 3 8 , 3 9 1 。 ( 2 ) 结构刚度矩阵l 的存储 结构刚度矩阵i k l 是3 ( h + 1 ) x3 ( n + i ) 阶的与阵，若驳n = 1 0 f1 0 个衬砌 单元) ，则为3 3 3 3 阶，在二 乏用普通高斯消左法求解刚度方程时，考虑到凡，1 矩 阵的非零元素集中在主对角线的周围，以及二 零宽度以外的零冗素在运算过程 中始终保持为零的特点，冈此我们只需将限l 的限零i 素存储即，卜同利利用f k l 矩阵的对称性，只需存储卞对角线及其以下的部分，即下三角矩阵中的非零元 素。 6 箱二覃隧道结构计算原理与v f 科! 序设i , t 由于节点编号是顺序渐增的( 没有跳跃) ，因此在按节点肜成e f t _ 元刚度矩阵 并往单元刚度矩阵l k i 中叠加时，每一节点所形成的元素只与其顺序相邻的一个 节点有关，而由于一个节点存在三个节点力( y m ) ，所以i k i 矩阵的下三角 非零元素排列成一个非常规则的阶梯形。在程序中，我们令i ki 矩阵以维形式 出现，而将此阶梯形非零元素按行顺序存入其中，即所谓变带宽一维压缩存储， 其具体编号如下： 【k 】 0 不难看出，在i k l t f r 4 , t 。相应于零节点的= i 个主元素，在一维存储中的编 号分别为1 ，3 ，6 。其后1 t 个节点的相应 ：元素编号呵以根据前一行的主元编 号求得。若以n z 表示存放主元编号的地址，则相应于零节点的三个i 二元放存巾 n z 的编号为： n z ( 1 1 = l ，n z ( 2 ) = 2 ，n z ( 2 ) = 2 而k 】矩阵中节点i ( f - 1 ) 的第3 i 十l 行，第3 l t - 2 行及第3 i + 3 行的 在一维存储中的编号可分别为： 称对 外；掣豇 0 4 9 q d q d q 6 9 ，8 3 3 4 4 0 5 8 2 7 3 3 3 4 4巧” 甜 4 o o 1 j 2 王2 3 5 o 3 7 2 2 2 2 3 h m z 烈引 6 9 b 博 3 5 8 他 2 4 7 m 第二苹隧道结构计算原理与v f 程序设计 _ z ( 3 f + 1 ) = , v z ( 3 i ) + 4 n z ( 3 i 2 ) = n z ( 3 i + 1 ) + 5 ( ：一2 0 ) n z ( 3 i + 3 ) = n z ( 3 i + 3 ) + 6 l 最末一个主元地址n z ( 3 07 + 1 ) ) 所存储的编呼s ，也就是k 】矩阵按维压缩 存储的总储量( 如n = 1 0 时，s = 1 5 6 ) 。找出了各行主元素在一维存储中的地址 编号，便可容易地得到各行主元左端非零范同内各元素的地址编号，从而可将 刚度矩阵元素正确地叠加到按维排列的l kl 矩阵中去，并据此来求解结构刚度 方程式。 23 2 主要变量的定义 本程序的核心部分是用可视化的f o r t r a n ( v i s u a lf o r t r a n ) 语苦编写的，其主 要变量包括： 半衬砌单元总数- 、，； 半拱和边墙的单，l 数a 百( r 1 ) 、过渡圆中元数v r 2 、半仰拱荦元数n r 3 ： 围岩类别w y ： 混凝土构件纵向弯曲系数仃： z ，矩阵( 节点编号矩阵) ； 上，矩阵为胛2 阶矩阵，它的第一列和第二二列元素分别顺序存放单元】， 的 i 端和i 端的节点编号。 隧道单心圆半径凡| 、仰拱半径月! 、过渡网半径r 3 和控制角度n 7 1 ； 竖直均布荷载q ，水平均布荷载系数c 和衬砌容蕈v ； e t c h - “f 7 1 】- 【e t ie t 2 】 式中，e t l 衬砌拱酃及边墙材料的弹。h ：模量值； e 丁2 衬砌仰拱制料的弹性模量值 r a ，r l 矩阵 【r a = 【r a ir a 2 ，融r i 】= 二 t l 1r l 2 r a 存放混凝土的抗压极限强度值； r l 存放混凝土的抗拉极限强度值； 式中，r a1 、月l 2 拱部及边墙材料的棚府值； r a l 、r l 2 一一仰拱材料的相应值。 第二章隧道结构计算j i 理与v f 样序设训 d 矩阵 这是个l ( 胛+ 1 ) 阶矩阵，存放节点处的衬砌截面厚度； 和y 矩阵 为1 ( n + 1 ) 阶矩阵，分别存放节点 ) 处的x 和y 坐年，j i 值： k x 矩阵 麟】_ 【k x 0 ) k x ( 2 ) k x ( n + 1 ) 1 k x ( 3 ) 一k x ( n + i ) 顺序存放链杆3 ”l 的弹性抗力系数： p 矩阵( 节点荷载矩阵) j i ) = 日墨只只咒以。一， 共有3 ( n + 1 ) 个元素。顺序以三个元索为一组，则共有n + l 组。每纠的第 一、第二、第三个元素分别为相应作为用r 节点( ) ”的水平节点荷载k 竖网节 点荷载y 和力矩荷载m 水平、竖向节点荷载1j 隧道衬砌结构计算蚓示坐标轴 相同者为正，力矩以逆时针转动为正； 肛一按一维压缩仔储的结构刚度矩阶( k ) ； o 局k 的丁作矩阵； ou ，巩存放支承链杆出现拉力对的编号； 0 “，v ，( 1 e 尉一一分别为节点的水! f ，竖直，转角位移； 尸2 j p 的工作4 1 向量： od z 衬砌单元的平均厚度： 0 。z ，衬砌单元的惯性矩； o ( m 幔存放支承链杆出现拉力时的编号； m m ，a t ，q q ，l ，止2 ，k - 分* | j 为，p 元端t i 截面的弯l n 轴力，剪 力，偏心矩，相对偏心瓣! 和承载安全系数。 23 3 源程序分块框图 主程序流程图见幽2 1 。 筇二章隧道结构计算原理与v f 程序设计 圈2 1 程j 字流程图 第：章隧道结构计算原理与v r 程序殴计 2 4 程序使用说明 2 41 程序运行环境 本程序可在w i n 9 8 、w i n m c 、w i n 2 0 0 0 、w i n x p 等3 2 位操作系统f 运柏。 如果没有设置环境变量，j j ! i j 需安装v i s u a ll ：o r t t a n 程j 亨_ 。 2 4 2 程序组成 程序包含以下文件： ( 1 ) 主程序文件：人跨公路隧道断面优化设计e x e 。 ( 2 ) 动态链接库文件：c a l d l l 、c a l j y 。d l l 、c a l y hd l l ，分别为计算原曩q 、优化 模型及最优模型的动态链接库文件。 ( 3 1 输入、输出数据文件：f r 8 d a t 、f r l o d a t 、f r l 2 d a t 及f w 8d a t 、r w m d a t 、 f w l 2 d a t ，分别为原型、优化模型及最优模型的数据义件。 ( 4 ) 绘图数据库文件：l t j 1 d a t 、h t w j y d a t 、i _ i y i i d a t ，分别为绘制腻