淺析隧洞結構力學模型及應用

摘 要：在隧洞模型計算中常見的結構設計有兩類，一類為結構力學模型，第二類為巖體力學模型，文章分別介紹這兩類結構設計模型的特點及應用，探討隧洞襯砌結構力學模型的建立方法。

關鍵詞：隧洞；襯砌；力學模型

近年來不斷的研究和實踐可以看出：復合襯砌能充分發揮圍巖自承能力，提高襯砌承載力。它是在新奧法的基礎上設計施工的一種新型支護結構。因此，對于探討隧洞復合襯砌結構計算理論有著十分重要的意義。

1 結構設計的主要模型

由當前世界上的隧洞施工可以看出，用于隧洞的計算模型結構設計有兩類：第一類是結構力學模型，這類模型是圍巖對支護結構產生變形約束作用，它以支護結構作為承載體，而荷載的來源是圍巖，；第二類稱為連續介質力學模型，它與結構力學模型不同，承載主體是圍巖，支護結構約束圍巖向隧洞內發生變形作用。

1.1 結構力學模型

結構力學模型又稱作荷載-結構模型，這種模型分開將支護結構及圍巖在計算中進行考慮，支護是承載主體，圍巖作為支護結構的彈性支承以及荷載來源。圖1所示即為荷載-結構模型。

在荷載-結構模型中，作用在結構和圍巖當中的力是以彈性支承對支護結構產生約束來實現的。因此，圍巖的承載能力越高，其自承力相對越高，而產生于支護結構的圍巖壓力就越弱。在進行設計時，首先應該判斷圍巖的狀態，判斷是否適用于這類模型進行支護結構設計；其次，應確定結構荷載。一旦這兩點明確了，就成了運用普通力學方法求體系的位移以及內力的問題。

常見的結構力學模型的計算方法包含有：彈性連續框架（含拱形）法、假定抗力法和彈性地基梁（含曲梁和圓環）法等。當結構變形的約束能力較小時，結構內力計算常采用彈性連續框架法；反之，則可采用彈性地基法以及假定抗力法。假定抗力法以及彈性地基梁法已逐步形成了一些經典計算方法。由于此模型計算簡便，概念清晰，至今仍在廣泛使用。

1.2 巖體力學模型

第二類模型又稱巖體力學模型。這種方法將支護結構與圍巖視作共同承載的隧洞結構的體系，因此這種模型又稱作圍巖-結構模型。在這種模型中承載主體是圍巖，支護結構僅用于約束和限制圍巖發生變形。如圖2所示。

在巖體力學模型中部分問題可以采用解析法來計算，或者收斂-約束法進行圖解。利用這個模型進行設計的主要問題，是確定圍巖的初始應力場及展現材料特性的各種參數的變化。由于復合整體模型符合目前的施工水平，它是目前隧洞結構體系設計中并正在逐步發展并且優先采用的模型。

2 隧洞常見結構設計方法

國際隧洞協會（I.T.A）在1987年成立了隧洞結構設計模型研究組，收集和匯總了各會員國目前采用的地下結構設計方法，最常用的有以下4種基本設計模型[1]：

（1）參照對比以往隧洞工程施工經驗進行類比的經驗設計法。

（2）以現場量測數據和實驗室試驗為主要參考依據的實用設計方法。

（3）作用與反作用模型，即荷載-結構模型。（4）連續介質模型，包括解析法和數值法。

各種方法有其優點，但也有其缺點和不足。由于在設計中往往受到外界環境及各種因素的干擾，因而在設計中應該注重以往的類似工程經驗。即便在分析時采用較為嚴密的理論依據，其計算結果也需要用以往的經驗來進行調整。當然，在工程設計中為了取得更為經濟合理的設計，往往要同時采用多種設計方法來進行計算。

3 隧洞襯砌結構力學模型

隧洞設計中選取一般如下：對于隧洞襯砌初期支護設計，應采用圍巖-結構模型進行內力和變形分析，同時可得開挖后圍巖的應力狀態、塑性區范圍及洞周邊變形等，由此可判斷初期支護參數的選擇合理與否，是否能夠滿足圍巖開挖后洞室的穩定，能否確保隧洞及地下工程施工的順利進行。初期支護參數包括錨桿的數量、大小和長度，鋼拱架的H值和間距，鋼筋網的大小和間距，噴射混凝土的厚度等；對于二次襯砌設計，應采用荷載-結構模型進行內力分析和變形分析，從而驗算二次襯砌混凝土的標號、厚度和鋼筋配置數量以及二次襯砌輪廓線是否合理等。

4 結束語

目前對復合式襯砌結構中的二次襯砌設計多數采用工程類比結合一定的結構計算分析來進行綜合確定的。由于復合式襯砌結構形式特殊，而受力狀態又較為復雜。因此，在進行相關設計時，往往需要結合實際情況，建立既能滿足結構安全性又能兼顧經濟性要求的力學模型。

參考文獻

[1]李世輝.隧道支護設計新論-典型類比分析法應用和理論[M].北京：科學出版社，1999.

作者簡介：張敬博（1984-），男，漢族，碩士研究生，助教。