山区长输管道工程设计中隧道结构计算方法
9页1、山区长输管道工程设计中隧道结构计算山区长输管道工程设计中隧道结构计算 方法方法在山岭地区,油气管道采用隧道方式穿越,同管道顺山势敷设方式通过相比,隧道结构穿越克服了高程和地形障碍,降低了管线施工难度,具有管道敷设位置稳定、安全可靠、落差小、距离短、弯头弯管小、管线安装容易,征租地少、无须水工保护设施、减少对自然环境、植被的破坏、方便生产管理等优点。本文就隧道结构的几种设计计算方法探讨如下:1 结构力学方法荷载结构模型的建立显然,只要施工过程不能使支护结构和周围的岩石保持紧密的连接,有效地阻止围岩变形和松弛的压力,隧道的支护结构应根据荷载结构模型检验。荷载结构模型是由岩体和坍塌破坏引起的竖向和侧向活动压力的主要特征。但也有一些不同的方法来处理周围的岩石和支撑结构之间的相互作用:有源负载模型在不考虑围岩与支护结构相互作用的过程中,在活动荷载作用下,支撑结构可以在活动荷载作用下变形、计算原理和结构的作用。该模型主要用于围岩和支护结构的“刚度比”的情况下,软弱围岩没有“能力”来约束刚性衬砌的变形。有源负载加上围岩的弹性约束的模型(图 1-1b) 。围岩不仅适用于支护结构,而且还因为围岩与支护结
2、构相互作用。由于在非均匀分布的影响下,一部分支撑结构会发生对围岩变形的影响,只要周围岩层具有一定的刚度,就有必要对变形的结构进行支撑,这就是所谓的弹性阻力,属于被动性。支撑结构的另一部分是从围岩变形的隧道中,不会引起弹性阻力,形成所谓的“走出去” 。对于类模型,只要确定了作用在支护结构上的主动荷载,其余问题用结构力学的一般方法(如力法、位移法)即可解决。对于类模型,除了上述的主动荷裁外,尚需解决围岩的弹性抗力问题。在围岩上引起的弹性抗力的大小,目前常用以“温克列尔(Winkler)假定”为基础的局部变形理论来确定。它认为围岩的弹性抗力是与围岩在该点的变形成正比的,用公式表示为:i=Ki 式中的 i 为围岩表面上任意一点所产生的弹性抗力;i 为围岩在同一点 i 的压缩变形;K 为比例系数,称为围岩的弹性抗力系数。弹性阻力的大小和分布取决于支护结构的变形,支护结构的变形与弹性阻力有关。按类模型的内力是一个非线性问题,采用迭代方法或线性假设是必要的。李宁隧道结构受力和变形特性隧道衬砌在围岩压力下产生变形。在隧道拱顶中,围岩变形是不受围岩约束的,称为“拆离带” ;围岩变形受围岩变形影响。因此,
3、隧道衬砌结构的围岩变形的双重作用:既有积极的围岩压力,使衬砌结构变形,又能防止被动抵抗形成对衬砌结构的变形。这种效果的前提是,周围的岩石和隧道衬砌必须充分和密切接触。支护结构的计算方法在荷载结构模型中,分析计算的对象是支护结构,即衬砌。因此,要根据衬砌的受力特点,进一步研究它的力学模拟和计算图式的问题。由于隧道长度较之横断面尺寸要大得多,而且,又假设荷载和结构特性沿隧道长度方向是不变的,因此,可以认为隧道衬砌不会产生纵向位移,即处于平面变形状态。主动荷载模式弹性固定的无铰拱适用于这类计算模式的常有半衬砌。先拱后墙施工时,做好的拱圈在隧洞口前的工况就是这种半衬砌。这种拱圈的拱脚支承在弹性围岩上,故称弹性固定无铰拱。半衬砌拱拱升跨比一般小,当竖向荷载作用下,多数情况下,拱环是内部的隧道变形,弹性阻力。圆形衬砌修建在软土地层中的圆形衬砌,也常常按主动荷载模式进行结构计算。承受的荷载主要有土压力、水压力、结构自重和与之相平衡的地基反力。主动荷载加被动荷载模式假定抗力图形该法的计算特点是假定抗力的分布范围的分布规律,如上、下零点和最大值的位置。而抗力的最大值和结构由主动荷载与被动荷载共同作用在该
4、点产生的变位有关。因此这是一个非线性问题。只要能附加一个最大抗力点的抗力与其位移成正比为条件列出的方程即可求出最大抗力值和冗力。将主动荷载与被动荷载求出的内力值进行叠加,即为结构内力。局部变形地基梁法局部变形地基梁法,由于拱形直墙衬砌内力的特点,将拱圈和边墙分为两个单元分别进行计算,在各自的计算中考虑相互影响。计算中拱圈视为弹性固定无铰拱,边墙视为双向弹性地基梁。拱圈和边墙受力变形的相互影响,表现为计算拱圈时,拱脚的变位应取边墙墙顶的变位,计算边墙时,墙顶的初始条件与拱脚的内力和变位一致。2 岩体力学方法由于现代隧道施工技术的发展,可在隧道开挖后及时地给围岩以必要的约束,抑制其变形,阻止围岩松弛,不使其因变形过度而产生松动压力。此时,开挖隧道而释放的围岩应变能将由围岩和支护结构所组成的结构体系共同承担,隧道结构体系产生应力重新分布而达到新的平衡状态。在隧道在结构体系中,一方面,围岩具有一定的支护力,这是由应力调整引起的,从而达到了新的稳定;另一方面,由于支护结构能防止围岩变形,因此必须对围岩进行一个变量的调整。这种反应力和周围岩石的松动压力是非常不同的,它是支护结构和围岩变形过程中的支
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