工程结构荷载与可靠度设计原理

工程结构荷载与可靠度设计原理讲座报告地下方向11月6号下午我校土木工程学院地下方向张冬梅老师于土木大楼A101，就盾构隧道结构设计时的荷载计算，结合本学期工程结构荷载与可靠度设计原理课程上学习的知识原理，给我们讲了一堂生动的课。作为一名同济大学土木工程专业的学生，通过这次讲座，我对本学期在工程结构荷载与可靠度设计原理课堂上学习的内容更加深了理解，并在荷载计算在地下结构设计中的应用有了初步的认识，在圆形盾构施工的隧道设计中的应用以及相关的规范，有了进一步的了解。一、地下建筑结构设计时的荷载特点地下建筑结构是指修建在地层中的建筑物。结构设计必须将荷载因素考虑完全，在荷载计算和可靠度分析的基础上进行设计，由于其是埋置于地下因此在荷载计算时，相对于地上建筑结构设计，有诸多特别之处1、建筑结构替代了原来的地层，承受了岩本由地层承受的荷载；2、地层荷载随施工进程发生变化；3、地层地质情况（土体、围岩等）及地下水状态的影响较大；4、考虑结构与地层的接触情况和反力作用地层与结构共同工作、协同变形。5、结构覆盖层厚度较大时，考虑底层开挖引起的拱效应。以上的为主要的几点，接下来在用圆形盾构机施工的隧道设计中将一一考虑进去。二、圆形盾构法修建隧道首先，盾构法施工，是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。工程上常见的为圆形盾构机（见图1，图2）。盾构法开挖隧道适用于软土中，软土隧道是以衬砌管片（或支护）作为主要承受荷载的结构体，通常其结构的设计即指衬砌管片的设计。三、隧道结构上的荷载隧道结构作为交通运输的重要组成部分，同时也是地下工程的主要结构，其服务年限相对于地上结构较长，如城市地下铁道为100年，因此作用在结构上的荷载极其重要，务必考虑周全并进行具有一定安全保障的计算组合。作用在隧道结构上的荷载根据其随时间的变异可分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。在衬砌设计中必须考虑的荷载有土压力、水压力、静荷载、超载、地层抗力；应该考虑的图1实拍圆形盾构机图2实拍圆形盾构施工内部荷载包括内部荷载、施工期间的荷载和地震效应；特别的荷载有了邻近隧道的影响、沉降的影响和其他荷载。1、土压力首先来看一下土压力如何作用到衬砌上的，见图3,1图34而土压力的分布形式是取决于隧道结构截面形状和拟采用的分析方法，我国将其分为竖向和水平两个方向考虑。1）竖向的土压力的计算，根据覆盖土层厚度不同采取三种不同的计算模型，包括全自重模型、折减自重模型和松动模型。（1）全自重模型假定隧道上作用的竖向荷载由上覆土层的全部自重引起，为最保守的计算方法；（2）折减自重模型认为隧道开挖后上覆地层将沿自隧道向地表的某一曲面滑动，因此竖向荷载等于滑动底层的重量减去滑移面上摩擦力的垂直分量；（3）松动模型假设隧道被开挖后，地底层只在开挖隧道的一定范围内被扰动，多数认为松动区为一个抛物线压力拱作用于衬砌上的压力仅由拱内地层的自重引起。我国地铁设计规范规定填土隧道及浅埋暗挖隧道一般按计算截面以上全自重模型计算；深埋暗挖隧道按泰沙基模型或松动模型计算。2）侧向土压力的计算，一般认为是竖向土压力与侧压力系数的乘积，呈梯形分布。其侧向压力系数的取值应介于静止和主动土压力系数之间，确定时考虑开挖和施工两种情况。2、水压力原则上作用在隧道衬砌上的水压力，应采用孔隙水压力，但由于施工过程中的条件不同水压力较原地层发生变化，从实用和偏于安全考虑，地下水位以下的水位区浮重度时，作用图31初始应力状态图32释放初始应力图33通过盾构支护挖掘图34通过注浆管片支护挖掘在衬砌上的设计水压力一般按静水压力计算。水压力也是按竖直和水平两个方向考虑的，因此在一定情况下可以与土压力一同计算，水土分算和合算的适用条件，我国地铁设计规范已给出。工程上，一般认为对粘性土可以采用水土合算的方法，对砂性土则应采用水土合算的方法。3、静荷载静荷载即管片自重，是作用于隧道横断面形心上的垂直方向荷载。4、超载隧道埋置较浅时，必须考虑隧道横截面一定范围（一般为隧道直径的2到3倍范围）内，道路交通荷载、铁路交通荷载、建筑物的重量作用到衬砌上的力，即为地面超载。其参考值如下公路车辆荷载；铁路车辆荷载；建筑物重量20/1MKNP20/5MKNP20/1KP5、地层抗力地层抗力为隧道因其变形受到地层约束而产生的一种被动荷载，是地层对隧道结构的反作用力，可分为侧向地层抗力和地层地基反力，如图4所示。在隧道工程计算中，一般认为底部的地基反力是与地层变位无关的均布荷载，计算简单；将侧向地层抗力考虑为同地层位移相关的量，我国规范中采用三角分布法计算。三角分布法认为侧向地基反力分布在水平直径上下45范围内。图示中PK水平直径处地基反力PE竖向土压力PG自重荷载PW水压力6、隧道内部荷载隧道内部荷载是指隧道施工和竣工后作用于衬砌内侧的荷载，主要为悬挂于内部的设备重力，承受内水压力的隧道还应考虑内部水压力等。7、施工期荷载从管片开始拼装到盾尾空隙中壁后注浆材料凝化为止，作用于衬砌结构上的临时荷载统称为施工荷载。包括1）盾构千斤顶的推力；2）搬运及起吊阶段荷载；3）管片结构壁后回填注浆压力；4）管片举重臂荷载5）其他荷载，如后援（储备车厢）自重、管片矫正器的千斤顶推力、切削头的扭矩等。8、地震影响地震对隧道结构的影响体现在剪切错位和振动两个方面。剪切错位主要是由于地质构造复杂、砂土液化等使土体失稳引起较大的剪切位移所引起的主要采用地震动力响应和动力模型试验PE1