基于安全系数的地铁车站衬砌优化设计

《基于安全系数的地铁车站衬砌优化设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、专业知识分享版摘要:实际工程中初衬受力与变形很大因而初衬会进入塑性，应将初衬视作弹塑性加固材料进行设计计算。结合一个青岛地铁车站衬砌的设计计算，将强度折减法应用于隧道稳定性分析。考虑衬砌施作时的围岩应力释放率影响，利用强度折减法计算隧洞围岩及衬砌的安全系数。初衬后围岩安全系数不应小于1．15～1．20，如果围岩安全系数小于1．30，此时二衬将承受一定荷载。二衬安全系数与初衬后围岩安全系数的乘积应大于2，以确保二衬安全。通过计算可以定量的确定初衬和二衬的结构尺寸，确保隧洞安全并合理降低成本。关键词:衬砌;强度折减法;安全系数;应力释放率1引言随着我国经济实力不断增强，许多城市开始修建地铁，

2、目前隧道的主要结构尺寸数据大都来自工程类比确定，或按比较保守的经验公式确定。广泛应用的铁路隧道设计规范与公路隧道设计规范，规定的结构尺寸都较大。如何安全合理的降低衬砌的尺寸，对降低地铁土建工程造价有着较大的影响。近年来郑颖人等［1～3］将强度折减法引入到隧道稳定性计算，提出隧洞的剪切破坏与拉破坏安全系数，通过模型试验与数值模拟两种方法对隧洞破坏机理与破坏过程进行对比分析，弄清了隧道破坏机理，并证明强度折减法可以应用于隧道稳定性分析，从而使隧道围岩稳定性有了严格力学依据的围岩稳定安全系数的标准。本文在上述研究的基础上，结合一个青岛地铁车站衬砌的设计计算，利用强度折减法与FLAC软件对静力状

3、态下地铁浅埋暗挖车站进行计算，并利用围岩安全系数与衬砌安全系数定量对车站隧洞衬砌结构尺寸进行优化设计。2强度折减法简介2．1强度折减法原理所谓强度折减法［4］就是将土体的抗剪强度指标c和φ，用一个折减系数K进行折减，然后用折减后的抗剪强度指标取代原来的抗剪强度指标c和φ，进行数值模拟计算直至最终达到破坏状态为止，此时的折减系数K即为安全系数。式中:c为土体粘聚力，φ为土体的内摩擦角。2．2整体失稳的判据岩土体的整体失稳破坏是指岩土体沿滑面发生滑落或崩塌，整个滑面达到极限平衡状态，并且土坡整体不能继续承载;同时，滑面上的应变与位移发生突变，岩土体沿滑面快速滑动直至滑落，坍塌。一般认为边坡整

4、个滑面上都达到极限平衡状态，就是整体失稳破坏［5］，因而建议把滑面上塑性区贯通作为整体失稳的判据。也有一些人认为，即使滑面上每点都达到极限应力状态，但由于边界条件的约束，土体没有足够的应变与位移时仍不会发生滑动破坏。按此观点，把滑面上每点都达到极限平衡作为整体破坏条件不够全面，它表征着渐进破坏的开始。认为只有整个滑面上每点的应变也都达到极限应变才会发生滑动。运用FLAC进行强度折减法计算时，综合考虑上述因素的影响，将洞周监测点位移无限增大以及最大不平衡力不收敛［6，7］作为判断计算不收敛的依据，如图1所示。使命：加速中国职业化进程专业知识分享版3车站衬砌优化设计计算3．1计算方法严格来说

5、，衬砌设计与施工过程有关。隧道设计不仅与隧洞结构尺寸、地质条件、埋深有关，还与施工过程中的开挖方法、支护施作时间、辅助施工措施等因素有关，但实际设计过程中，往往作适当简化，只考虑支护施作时的围岩应力的释放率。设计初期支护时，围岩荷载释放率均可定为50%，通过强度折减法数值计算，确定初期支护后围岩的安全系数。依据设计经验与衬砌实际受力状况，初衬受力与变形很大，如果将初衬视作弹性结构，必将产生很大的内力。初衬会进入塑性状态，所以计算中将初衬视作弹塑性加固材料。如果初衬后围岩安全系数在1．30以上，可认为围岩与初衬都是稳定的，二衬视作安全储备。如果围岩安全系数在1．30以下，表明围岩与初衬安全

6、系数不足，二衬将承受一定荷载，此时可对初衬后的围岩进行卸载，直至安全系数达到1．30以上，卸载的数值就是作用在二衬上的荷载。当初衬后围岩的安全系数小于1．15～1．20则认为初衬不足，此时应加大初衬尺寸以确保施工安全。3．2车站模型尺寸的选取计算选取实际工程青岛地铁三号线浮山所站，跨度21．6m，高度15．5m，埋深10m。按照平面应变问题处理，边界范围左右两侧取5倍隧洞跨度，底部取5倍隧洞高度［8］，地面超载按照国家规范标准取20kN/m2。车站模型图、关键点位置图、锚杆布置图如图2～图4所示，关键点对应模型坐标如表1所示:3．3材料物理力学参数的选取在《工程岩体分级标准》基础上，参考

7、铁路、公路和锚喷支护设计规范，对其中围岩分级的细则进行对比、分析，并结合实际的工程状况，对基本分级的打分标准进行修正。将岩体强度参数、安全系数同围岩级别对应起来，对不同埋深情况下的安全系数进行了模拟计算，按各级围岩的稳定性给出相应的最小安全系数，由此反推各级围岩岩体的强度参数，得到了修正后的各级围岩岩体的物理力学参数［9］，并取各类围岩参数最小值进行计算，如表2所示。依据浮山所站地质勘察报告中浮山所站各钻孔柱状图，确定各类岩石的尺寸