基于安全系數(shù)的地鐵車站襯砌優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、專業(yè)專業(yè)知識(shí)分享版分享版使命：加速中國(guó)職業(yè)化進(jìn)程使命：加速中國(guó)職業(yè)化進(jìn)程摘要:實(shí)際工程中初襯受力與變形很大因而初襯會(huì)進(jìn)入塑性，應(yīng)將初襯視作彈塑性加固材料進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。結(jié)合一個(gè)青島地鐵車站襯砌的設(shè)計(jì)計(jì)算，將強(qiáng)度折減法應(yīng)用于隧道穩(wěn)定性分析。考慮襯砌施作時(shí)的圍巖應(yīng)力釋放率影響，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算隧洞圍巖及襯砌的安全系數(shù)。初襯后圍巖安全系數(shù)不應(yīng)小于115～120，如果圍巖安全系數(shù)小于130，此時(shí)二襯將承受一定荷載。二襯安全系數(shù)與初襯后圍巖安全系

2、數(shù)的乘積應(yīng)大于2，以確保二襯安全。通過(guò)計(jì)算可以定量的確定初襯和二襯的結(jié)構(gòu)尺寸，確保隧洞安全并合理降低成本。關(guān)鍵詞:襯砌強(qiáng)度折減法安全系數(shù)應(yīng)力釋放率1引言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)，許多城市開(kāi)始修建地鐵，目前隧道的主要結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)大都來(lái)自工程類比確定，或按比較保守的經(jīng)驗(yàn)公式確定。廣泛應(yīng)用的鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范與公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，規(guī)定的結(jié)構(gòu)尺寸都較大。如何安全合理的降低襯砌的尺寸，對(duì)降低地鐵土建工程造價(jià)有著較大的影響。近年來(lái)鄭穎人等［1～3］將強(qiáng)

3、度折減法引入到隧道穩(wěn)定性計(jì)算，提出隧洞的剪切破壞與拉破壞安全系數(shù)，通過(guò)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬兩種方法對(duì)隧洞破壞機(jī)理與破壞過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，弄清了隧道破壞機(jī)理，并證明強(qiáng)度折減法可以應(yīng)用于隧道穩(wěn)定性分析，從而使隧道圍巖穩(wěn)定性有了嚴(yán)格力學(xué)依據(jù)的圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合一個(gè)青島地鐵車站襯砌的設(shè)計(jì)計(jì)算，利用強(qiáng)度折減法與FLAC軟件對(duì)靜力狀態(tài)下地鐵淺埋暗挖車站進(jìn)行計(jì)算，并利用圍巖安全系數(shù)與襯砌安全系數(shù)定量對(duì)車站隧洞襯砌結(jié)構(gòu)尺

4、寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。2強(qiáng)度折減法簡(jiǎn)介21強(qiáng)度折減法原理所謂強(qiáng)度折減法［4］就是將土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ，用一個(gè)折減系數(shù)K進(jìn)行折減，然后用折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取代原來(lái)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算直至最終達(dá)到破壞狀態(tài)為止，此時(shí)的折減系數(shù)K即為安全系數(shù)。式中:c為土體粘聚力，φ為土體的內(nèi)摩擦角。22整體失穩(wěn)的判據(jù)巖土體的整體失穩(wěn)破壞是指巖土體沿滑面發(fā)生滑落或崩塌，整個(gè)滑面達(dá)到極限平衡狀態(tài)，并且土坡整體不能繼續(xù)承載同時(shí)，滑面上的應(yīng)變與位

5、移發(fā)生突變，巖土體沿滑面快速滑動(dòng)直至滑落，坍塌。一般認(rèn)為邊坡整個(gè)滑面上都達(dá)到極限平衡狀態(tài)，就是整體失穩(wěn)破壞［5］，因而建議把滑面上塑性區(qū)貫通作為整體失穩(wěn)的判據(jù)。也有一些人認(rèn)為，即使滑面上每點(diǎn)都達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài)，但由于邊界條件的約束，土體沒(méi)有足夠的應(yīng)變與位移時(shí)仍不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)破壞。按此觀點(diǎn)，把滑面上每點(diǎn)都達(dá)到極限平衡作為整體破壞條件不夠全面，它表征著漸進(jìn)破壞的開(kāi)始。認(rèn)為只有整個(gè)滑面上每點(diǎn)的應(yīng)變也都達(dá)到極限應(yīng)變才會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。運(yùn)用FLAC進(jìn)行強(qiáng)

6、度折減法計(jì)算時(shí)，綜合專業(yè)專業(yè)知識(shí)分享版分享版使命：加速中國(guó)職業(yè)化進(jìn)程使命：加速中國(guó)職業(yè)化進(jìn)程襯砌選用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初襯噴C25混凝土，布置Ф22砂漿錨桿L=3m，間距12m12m。二襯選用C40模筑混凝土，計(jì)算中將初襯視作彈塑性加固材料，考慮到進(jìn)入塑性后混凝土強(qiáng)度會(huì)有所降低，這里考慮c值降低13，φ值降低20%。二襯仍按彈性材料計(jì)算?；炷敛牧霞板^桿的物理力學(xué)參數(shù)如表4、表5所示。34毛洞安全系數(shù)計(jì)算浮山所站毛洞計(jì)算時(shí)，選取關(guān)鍵點(diǎn)A、

7、D豎向位移，B、C水平位移進(jìn)行檢測(cè)，折減069和070時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與彈塑性狀態(tài)圖如圖5～圖8所示。由折減069時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移圖可看出隨著荷載步的增加曲線最終保持水平，說(shuō)明隧洞圍巖狀態(tài)趨于穩(wěn)定，未達(dá)到破壞狀態(tài)。而當(dāng)折減07時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A豎向位移曲線始終沒(méi)有保持水平，說(shuō)明隧洞圍巖已達(dá)極限破壞狀態(tài)，隧道已經(jīng)破壞。由折減069時(shí)的彈塑性狀態(tài)圖可以看出整個(gè)隧洞圍巖都處于彈性狀態(tài)，只有拱部?jī)蓚?cè)邊角很小的區(qū)域出現(xiàn)拉破壞，而當(dāng)折減07時(shí)，拱頂處圍巖出現(xiàn)大面

8、積的受拉與受剪破壞區(qū)域，形成了塑性貫通區(qū)。因此，毛洞的安全系數(shù)為069。35初襯后圍巖安全系數(shù)計(jì)算由毛洞安全系數(shù)可得隧洞的自穩(wěn)能力不足，需施作初襯以保證施工安全及隧洞圍巖安全穩(wěn)定。由折減069時(shí)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移圖可得隧洞底部位移較小，因此可適當(dāng)減小此處的襯砌厚度。計(jì)算時(shí)開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力釋放50%后施作初襯，施作初襯后圍巖應(yīng)力釋放剩余的50%。初襯初步厚度設(shè)計(jì)方案與計(jì)算得到的各方案下圍巖安全系數(shù)如表6所示。對(duì)三種方案進(jìn)行比較，方案1安全系數(shù)小于

9、115表明此時(shí)初襯厚度不足，不能保證隧洞安全。方案2、3安全系數(shù)均大于12，可以保證施工安全，但考慮到襯砌厚度的減小可以顯著降低工程造價(jià)，在保證施工安全的情況下應(yīng)優(yōu)先選擇方案2，此時(shí)二襯也將承受一定的荷載。將初襯后圍巖應(yīng)力卸載10%后，此時(shí)方案2安全系數(shù)達(dá)到131，因此二襯將承受10%的荷載。36二襯安全系數(shù)計(jì)算由于初襯已可以保證施工安全和圍巖穩(wěn)定，二襯可視作安全儲(chǔ)備，二襯尺寸厚度取拱部、側(cè)墻、底部均為40cm。計(jì)算時(shí)開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力釋放