[发明专利]软弱流变围岩隧道二次衬砌结构刚度及其施作时机的优选设计方法

说明书

本发明公开了一种软弱流变围岩隧道二次衬砌结构刚度及其施作时机的优选设计方法，属于土木工程技术领域。该方法采用三维粘弹/粘弹塑性数值模拟计算与“收敛—约束特征曲线法”结合，以优化设计软弱流变围岩隧道二衬结构的刚度及其施作时机。本项发明提供的方法，除理论意义外，还具有重要的工程实用价值，其经济效益将十分可观，所节约的土石方开挖量、砼和钢材耗用量以及在施工工期等主要方面，绩效都十分显著。

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种软弱流变围岩隧道二衬结构刚度及其施作时机的优选设计方法。

背景技术

进入21世纪以来，我国越岭隧道及各类岩石地下工程得到了前所未有的快速发展，但工程设计中存在的，诸如：对隧道衬砌结构各受力变形阶段其力学特征的模糊性及其随机变化的不确定性、山体荷载的不确知性、地下工程施工信息的不完备性等等，均有待深入系统探究，以实现设计安全、合理、适用和经济的基本要求。

加之，现场施工条件的诸多复杂性和为了施工组织的安排方便，隧道施工中经常出现难以按理论和设计要求合理施作二次衬砌的情况。有如：施工中为了防止软岩隧道初期支护发生过大变形，二次衬砌经常是紧跟“初支”之后就立即施作(或反之，又失之施作过晚)、围岩变形位移尚未有一定释放(或又因围岩变形释放过度导致洞周围岩已发生松动)的情况下施作二次衬砌。在上述二者均不合适的情况下，将极有可能导致隧道二衬结构因不合理地承担过大的围岩荷载而出现不允许的内力和变形位移，致衬砌砼产生不允许的裂缝扩展、甚或局部失稳等危象。当前，在国内外都已不只是个别出现上类情况，此时二衬结构的持续安全和可靠性将令人疑虑，并能否将二衬作为隧道结构耐久性方面的一种安全储备等等，都是值得业界深思并亟待关注解决的关键性问题。

这里，合理优选施作隧道二衬支护的最佳时机与对二衬结构合理刚度(含衬砌断面厚度与二衬配筋)的优化设计，已是关系到整座隧道工程设计最重要的一项当务之急。若此时衬砌支护施作时机过早，围岩应力及其变形位移尚未能得到相应的一定程度的释放，则会导致二次衬砌日后的受力和变形不合理地人为过大；又如，如二次衬砌施作时机过晚，则洞周软弱流变围岩的形变压力与塑性变形已过度发展，此时围岩将呈局部松动状态，使围岩应力水平不合理地过度增大、并甚或转化为骤然急速发展的“松动荷载”状态，同样会对二次衬砌产生过大的山体压力而加剧其结构裂损、甚或产生有可能导致洞周围岩局部失稳而掉块、崩塌等情况。上述二者均不可取。为此，二衬设计时应如何保证充分发挥围岩的自承和自稳能力并据此确定二衬最佳的支护时机及其合理的变形刚度，是一项在设计中需要切实做到：如何合理控制隧道围岩地应力和变形位移适度而又不过度地释放；同时，又要有理论依据地切实保障隧道结构的持续安全(耐久性)。