基于安全系數(shù)的地鐵車站襯砌優(yōu)化設計

1、專業(yè)專業(yè)知識分享版分享版使命：加速中國職業(yè)化進程使命：加速中國職業(yè)化進程摘要:實際工程中初襯受力與變形很大因而初襯會進入塑性，應將初襯視作彈塑性加固材料進行設計計算。結合一個青島地鐵車站襯砌的設計計算，將強度折減法應用于隧道穩(wěn)定性分析。考慮襯砌施作時的圍巖應力釋放率影響，利用強度折減法計算隧洞圍巖及襯砌的安全系數(shù)。初襯后圍巖安全系數(shù)不應小于115～120，如果圍巖安全系數(shù)小于130，此時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)的乘積應大于2，以確保二襯安全。通過計算可以定量的確定初襯和二襯的結構尺寸，確保隧洞安全并合理降低成本。關鍵詞:襯砌強度折減法安全系數(shù)應力釋放率1引言隨著我國經濟實力不斷增強，許多城市開始修建地鐵，目前隧道的主要結構尺寸數(shù)據(jù)大都來自工程類比確定，或按比較保守的經驗公式確定。廣泛應用的鐵路隧道設計規(guī)范與公路隧道設計規(guī)范，規(guī)定的結構尺寸都較大。如何安全合理的降低襯砌的尺寸，對降低地鐵土建工程造價有著較大的影響。近年來鄭穎人等［1～3］將強

3、度折減法引入到隧道穩(wěn)定性計算，提出隧洞的剪切破壞與拉破壞安全系數(shù)，通過模型試驗與數(shù)值模擬兩種方法對隧洞破壞機理與破壞過程進行對比分析，弄清了隧道破壞機理，并證明強度折減法可以應用于隧道穩(wěn)定性分析，從而使隧道圍巖穩(wěn)定性有了嚴格力學依據(jù)的圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)的標準。本文在上述研究的基礎上，結合一個青島地鐵車站襯砌的設計計算，利用強度折減法與FLAC軟件對靜力狀態(tài)下地鐵淺埋暗挖車站進行計算，并利用圍巖安全系數(shù)與襯砌安全系數(shù)定量對車站隧洞襯砌結構尺

4、寸進行優(yōu)化設計。2強度折減法簡介21強度折減法原理所謂強度折減法［4］就是將土體的抗剪強度指標c和φ，用一個折減系數(shù)K進行折減，然后用折減后的抗剪強度指標取代原來的抗剪強度指標c和φ，進行數(shù)值模擬計算直至最終達到破壞狀態(tài)為止，此時的折減系數(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，整個滑面達到極限平衡狀態(tài)，并且土坡整體不能繼續(xù)承載同時，滑面上的應變與位

5、移發(fā)生突變，巖土體沿滑面快速滑動直至滑落，坍塌。一般認為邊坡整個滑面上都達到極限平衡狀態(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)。也有一些人認為，即使滑面上每點都達到極限應力狀態(tài)，但由于邊界條件的約束，土體沒有足夠的應變與位移時仍不會發(fā)生滑動破壞。按此觀點，把滑面上每點都達到極限平衡作為整體破壞條件不夠全面，它表征著漸進破壞的開始。認為只有整個滑面上每點的應變也都達到極限應變才會發(fā)生滑動。運用FLAC進行強

6、度折減法計算時，綜合專業(yè)專業(yè)知識分享版分享版使命：加速中國職業(yè)化進程使命：加速中國職業(yè)化進程襯砌選用復合式襯砌結構，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，計算中將初襯視作彈塑性加固材料，考慮到進入塑性后混凝土強度會有所降低，這里考慮c值降低13，φ值降低20%。二襯仍按彈性材料計算?；炷敛牧霞板^桿的物理力學參數(shù)如表4、表5所示。34毛洞安全系數(shù)計算浮山所站毛洞計算時，選取關鍵點A、

7、D豎向位移，B、C水平位移進行檢測，折減069和070時監(jiān)測點位移與彈塑性狀態(tài)圖如圖5～圖8所示。由折減069時監(jiān)測點位移圖可看出隨著荷載步的增加曲線最終保持水平，說明隧洞圍巖狀態(tài)趨于穩(wěn)定，未達到破壞狀態(tài)。而當折減07時，監(jiān)測點A豎向位移曲線始終沒有保持水平，說明隧洞圍巖已達極限破壞狀態(tài)，隧道已經破壞。由折減069時的彈塑性狀態(tài)圖可以看出整個隧洞圍巖都處于彈性狀態(tài)，只有拱部兩側邊角很小的區(qū)域出現(xiàn)拉破壞，而當折減07時，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時的監(jiān)測點位移圖可得隧洞底部位移較小，因此可適當減小此處的襯砌厚度。計算時開挖后圍巖應力釋放50%后施作初襯，施作初襯后圍巖應力釋放剩余的50%。初襯初步厚度設計方案與計算得到的各方案下圍巖安全系數(shù)如表6所示。對三種方案進行比較，方案1安全系數(shù)小于

9、115表明此時初襯厚度不足，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，在保證施工安全的情況下應優(yōu)先選擇方案2，此時二襯也將承受一定的荷載。將初襯后圍巖應力卸載10%后，此時方案2安全系數(shù)達到131，因此二襯將承受10%的荷載。36二襯安全系數(shù)計算由于初襯已可以保證施工安全和圍巖穩(wěn)定，二襯可視作安全儲備，二襯尺寸厚度取拱部、側墻、底部均為40cm。計算時開挖后圍巖應力釋放