浅析隧洞结构力学模型及应用

摘 要：在隧洞模型计算中常见的结构设计有两类，一类为结构力学模型，第二类为岩体力学模型，文章分别介绍这两类结构设计模型的特点及应用，探讨隧洞衬砌结构力学模型的建立方法。

关键词：隧洞；衬砌；力学模型

近年来不断的研究和实践可以看出：复合衬砌能充分发挥围岩自承能力，提高衬砌承载力。它是在新奥法的基础上设计施工的一种新型支护结构。因此，对于探讨隧洞复合衬砌结构计算理论有着十分重要的意义。

1 结构设计的主要模型

由当前世界上的隧洞施工可以看出，用于隧洞的计算模型结构设计有两类：第一类是结构力学模型，这类模型是围岩对支护结构产生变形约束作用，它以支护结构作为承载体，而荷载的来源是围岩，；第二类称为连续介质力学模型，它与结构力学模型不同，承载主体是围岩，支护结构约束围岩向隧洞内发生变形作用。

1.1 结构力学模型

结构力学模型又称作荷载-结构模型，这种模型分开将支护结构及围岩在计算中进行考虑，支护是承载主体，围岩作为支护结构的弹性支承以及荷载来源。图1所示即为荷载-结构模型。

在荷载-结构模型中，作用在结构和围岩当中的力是以弹性支承对支护结构产生约束来实现的。因此，围岩的承载能力越高，其自承力相对越高，而产生于支护结构的围岩压力就越弱。在进行设计时，首先应该判断围岩的状态，判断是否适用于这类模型进行支护结构设计；其次，应确定结构荷载。一旦这两点明确了，就成了运用普通力学方法求体系的位移以及内力的问题。

常见的结构力学模型的计算方法包含有：弹性连续框架（含拱形）法、假定抗力法和弹性地基梁（含曲梁和圆环）法等。当结构变形的约束能力较小时，结构内力计算常采用弹性连续框架法；反之，则可采用弹性地基法以及假定抗力法。假定抗力法以及弹性地基梁法已逐步形成了一些经典计算方法。由于此模型计算简便，概念清晰，至今仍在广泛使用。

1.2 岩体力学模型

第二类模型又称岩体力学模型。这种方法将支护结构与围岩视作共同承载的隧洞结构的体系，因此这种模型又称作围岩-结构模型。在这种模型中承载主体是围岩，支护结构仅用于约束和限制围岩发生变形。如图2所示。

在岩体力学模型中部分问题可以采用解析法来计算，或者收敛-约束法进行图解。利用这个模型进行设计的主要问题，是确定围岩的初始应力场及展现材料特性的各种参数的变化。由于复合整体模型符合目前的施工水平，它是目前隧洞结构体系设计中并正在逐步发展并且优先采用的模型。

2 隧洞常见结构设计方法

国际隧洞协会（I.T.A）在1987年成立了隧洞结构设计模型研究组，收集和汇总了各会员国目前采用的地下结构设计方法，最常用的有以下4种基本设计模型[1]：

（1）参照对比以往隧洞工程施工经验进行类比的经验设计法。

（2）以现场量测数据和实验室试验为主要参考依据的实用设计方法。

（3）作用与反作用模型，即荷载-结构模型。（4）连续介质模型，包括解析法和数值法。

各种方法有其优点，但也有其缺点和不足。由于在设计中往往受到外界环境及各种因素的干扰，因而在设计中应该注重以往的类似工程经验。即便在分析时采用较为严密的理论依据，其计算结果也需要用以往的经验来进行调整。当然，在工程设计中为了取得更为经济合理的设计，往往要同时采用多种设计方法来进行计算。

3 隧洞衬砌结构力学模型

隧洞设计中选取一般如下：对于隧洞衬砌初期支护设计，应采用围岩-结构模型进行内力和变形分析，同时可得开挖后围岩的应力状态、塑性区范围及洞周边变形等，由此可判断初期支护参数的选择合理与否，是否能够满足围岩开挖后洞室的稳定，能否确保隧洞及地下工程施工的顺利进行。初期支护参数包括锚杆的数量、大小和长度，钢拱架的H值和间距，钢筋网的大小和间距，喷射混凝土的厚度等；对于二次衬砌设计，应采用荷载-结构模型进行内力分析和变形分析，从而验算二次衬砌混凝土的标号、厚度和钢筋配置数量以及二次衬砌轮廓线是否合理等。

4 结束语

目前对复合式衬砌结构中的二次衬砌设计多数采用工程类比结合一定的结构计算分析来进行综合确定的。由于复合式衬砌结构形式特殊，而受力状态又较为复杂。因此，在进行相关设计时，往往需要结合实际情况，建立既能满足结构安全性又能兼顾经济性要求的力学模型。

参考文献

[1]李世辉.隧道支护设计新论-典型类比分析法应用和理论[M].北京：科学出版社，1999.

作者简介：张敬博（1984-），男，汉族，硕士研究生，助教。