隧道结构上的荷载类型及其组合

①以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法。

②以现场量测和试验为主的实用设计方法。

③荷载唱结构模型，将围岩对结构的作用简化为荷载作用于结构上进行计算。

④连续介质模型，将围岩和结构作为整体进行计算，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法，可利用各种有限元软件来计算。

从各国的地下结构设计实践看，主要采用上述后两类计算模型，荷载唱结构计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。利用这类模型进行隧道支护结构设计的关键问题是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的是围岩所产生的松动压力，以及弹性支承给支护结构的弹性抗力。一旦这两个问题解决了，剩下的就只是运用普通结构力学方法求出超静定结构的内力和位移了。属于这一类模型的计算方法有：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）法等都可归属于荷载结构法。当软弱地层对结构变形的约束能力较差时（或衬砌与地层间的空隙回填、灌浆不密实时），地下结构内力计算常用弹性连续框架法，反之，可用假定抗力法或弹性地基法。弹性连续框架法即为进行地面结构内力计算时的力法与位移法。假定抗力法和弹性地基梁法则已形成了一些经典计算方法。由于这个模型概念清晰，计算简便，易于被工程师们所接受，至今仍很通用，尤其是对模筑衬砌。

连续介质模型又称为岩体力学模型，它将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为围岩唱结构模型或复合整体模型。在这个模型中，围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形的。复合整体模型是目前隧道结构体系设计中采用的并正在发展的模型，因为它符合当前的施工技术水平。在围岩唱结构模型中，可以考虑各种几何形状，围岩和支护材料的非线性特性，开挖面空间效应所形成的三维状态，以及地质中不连续面，等等。在这个模型中有些问题是可以用解析法求解，或用收敛唱约束法图解，但绝大部分问题，因数学上的困难必须依赖数值方法，尤其是有限单元法。利用这个模型进行隧道结构体系设计的关键问题是如何确定围岩的初始应力场，以及表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。一旦这些问题解决了，原则上任何场合都可用有限单元法求解围岩和支护结构应力和位移状态。

6．2　隧道结构上的荷载类型及其组合

围岩压力与结构自重力是隧道结构计算的基本荷载。明洞及明挖法施工的隧道，填土压力与结构自重力是结构的主要荷载。枟公路隧道设计规范枠（JTG D70—2004）在对隧道结构进行计算时，列出了荷载类型，如表6．2所示，并按其可能出现的最不利组合考虑。其他各种荷载，除公路车辆荷载之外，在结构计算时考虑的几率很小，有的也很难准确地表达与定量，表中所列荷载不论几率大小，力求齐全，是为了体现荷载体系的完整，也是为了在结构计算时荷载组合的安全系数取值，并与枟铁路隧道设计规范枠（TB 10003—2005）的取值保持一致。同时又本着公路隧道荷载分类向公路桥涵荷载分类方法靠的原则，在形式上与枟公路桥涵设计通用规范枠（JTG D60—2004）保持一致，在取用荷载组合安全系数时又能与铁路隧道荷载分类相对应。表6．2中的永久荷载加基本可变荷载对应于铁路隧道设计规范中的主要荷载，偶然荷载对应于铁路的特殊荷载。

由于隧道设计中贯彻了“早进晚出”的原则，洞口接长明洞的边坡都不很高，加之落石多为滚滑、跳跃落下，直接砸落在明洞上者极少，而当遇有大量落石和堕落高度较大的石块，可设法避开或者采取清除危石加固坡面等措施，故一般情况下落石冲击力可不考虑。

当有落石危害需检算冲击力时，则只计洞顶实际填土重力（不包括坍方堆积土石重力）和落石冲击力的影响。落石冲击力的计算，目前研究还不深入，实测资料也很少，故对其计算未做规定，具体设计时可通过现场量测或有关计算验证。

设计山岭公路隧道建筑物时，一般不需计算公路车辆活载，只有当隧道结构构件直接承受公路车辆活载及列车活载时，才按有关规定进行计算。

表6．2　作用在隧道结构上的荷载