青岛地铁某隧道断面支护设计毕业论文.doc

山东科技大学学生毕业设计（论文）青岛地铁某隧道断面支护设计毕业论文目 录第1章 绪论11.1研究目的和意义11.2软弱围岩隧道施工问题21.3研究思路和方法31.4研究内容4第2章 工程概况62.1工程简介62.2自然地理概况62.3工程地质72.4水文地质102.5工程地质条件评价102.6地层物理力学参数11第3章 初期支护设计143.1支护类型143.2.设计方法143.2.设计参数15第4章 二次衬砌受力计算164.1围岩压力164.2荷载确定254.3衬砌断面几何要素264.4位移计算294.5解力法方程364.6最大抗力值的求解364.7拱部各截面弯矩、轴力计算374.8边墙内力和弹性抗力的计算384.9内力图41第5章 二次衬砌的配筋计算425.1最大正弯矩截面435.2最大负弯矩截面45第6章 施工管理496.1综合说明496.2施工组织机构及施工队伍安排51第7章 隧道监测方案637.1编制依据637.2监测目的637.3监测项目647.4监测作业657.5监测管理68第8章 专题设计地铁盾构法隧道70参考文献96附录97致谢1083第1章 绪论1.1 本课题的研究目的和意义1.1.1 研究目的随着城市快速经济的增长及人口的高度集中，城市隧道及地下工程的修建日益迫切。但是城市隧道的建设面临一系列的问题，软弱围岩就是其中之一。所以本次设计的主要目的就是解决目前在软弱围岩隧道施工中的各种难题，控制隧道在开挖过程中的变形和围岩松弛，减少施工临时支护，防止坍塌，改善和提高现有技术水平。1.1.2 理论意义本课题设计中有许多技术难题和不良地质段的施工难题，这些问题的解决可以为我们未来更多的软弱围岩隧道建设提供经验和技术借鉴。重点在于支护方案的选择与支护参数的确定，衬砌结构断面优化与防排水方案，难点在于穿越不良地质段的施工措施和超前预支护方案的确定等。在设计的过程中将加深对自己所学的弹性力学、结构力学、土力学、岩石力学、混凝土设计等课程的理解。同时掌握相关的计算工具和软件（mat lab 、cad、office），培养分析、解决问题的能力，结合工程实际，熟悉相关的国家规范和标准，提高自己的专业素质和能力。1.1.3 实践意义青岛市地铁一期工程（3号线）中山公园站的建成将是中国软弱围岩隧道又一个成功的实践，为以后软弱围岩隧道的施工和重要问题的解决提供了可参考的实际例子，为相关理论的发展提供了实践基础，推动了学科的丰富，促进了施工及其理论的进一步发展11.2 软弱围岩隧道施工主要技术问题隧道软弱围岩就是用通常的初期支护及简易的小导管支护不能控制开挖后的围岩变形，而需要采用“有针对性地控制变形对策”（即所谓的辅助工法）的围岩。隧道开挖后，地应力将重新分布。由于软岩强度较低，对工程扰动极其敏感，在受拉或受压条件下将产生塑性区，使围岩和支护发生变形。一旦施工方法和工程措施不当，将极易发生初期支护变形侵限或者隧道塌方等工程灾害。从隧道开挖后的围岩变形看，在软弱围岩中开挖，经常出现以下力学现象，如：1、拱顶崩塌；2、掌子面失稳；3、底鼓现象严重；4、长时间的持续变形，或变形不收敛；5、初期支护严重变异；6、在富水条件下出现异常涌水，围岩流失等。综上所述，在软弱围岩地质条件下，围岩变形的终极结果是造成现掌子面崩塌、拱部坍塌以及各种异常现象。因此在这类围岩中施工必须根据隧道开挖后可能产生的变形实态，采取相应的技术对策，如：1、采用预支护（加固）方法控制掌子面前方先行位移以及掌子面挤出位移的对策；2、采取控制地表面下沉及拱脚下沉的技术对策；3、采取控制掌子面后方测量位移的对策；4、采取控制地下水的技术对策；5、采取有针对性的观察、测量、前方围岩探查等技术对策。我国铁路隧道施工技术指南（TZ 2042008），规定了特殊岩土和不良地质地段隧道施工的原则，这些隧道包括以下围岩条件下的隧道。1、富水软弱破碎围岩；2、岩溶；3、风积砂和含水砂层；4、膨胀岩；5、瓦斯；6、挤压性围岩等。此外，在围岩强度应力比很小的地质条件下，也常常具有上述的复杂地质特性。1.3 研究的思路和方法软弱围岩隧道的支护问题，在研究思路与方法上要利用工程类比和理论计算相结合的，并且以手算为主，并结合计算机软件进行校核，最后对设计成果加以检验。在研究思路和方法上主要运用以下知识：1.3.1 支护方案的选择针对工程的实际情况，综合考虑围岩性质、支护设备和材料、工程造价以及场地的施工条件等各方面的信息，并且通过典型工程对比，选择合理的支护方案。对于软弱围岩，需进行超前支护。1.3.2 围岩压力的计算通过所给的地质资料和围岩性质，运用合理的理论计算模型和规范对隧道的围岩压力进行计算。采用手算和计算机软件校核的方法，准确计算围岩压力。1.3.3 衬砌受力的计算围岩压力采用荷载结构设计模式计算，这种模式是假定已知地压荷载和地层对结构变形的约束抗力的条件下，按弹性地基上杆件系统的结构力学原理进行衬砌内力计算。此设计中采用力法计算。1.3.4 支护参数的确定支护方案确定以后，必须合理选择支护参数。通过计算和典型工程类比选择合理的支护参数，不仅可以节省支护材料，实现经济施工原则，还可以使隧道断面更加合理，达到良好的支护效果。1.3.5 支护效果验算和数值模拟支护效果的验算是保证工程能顺利进行的一个很重要的方面。支护效果验算不仅是简单的对数据的核算，更是发现问题的很重要步骤。在该阶段，采用数值模拟手段进行验算，不仅可以检验理论解的正确性，而且可以进一步揭示衬砌与围岩之间的受力特性。1.4 本课题的主要研究内容 我的研究课题“青岛市地铁一期工程（3号线）中山公园站2号风道支护设计”，是一个比较完整的实际工程的支护组织施工设计，该课题的主要研究内容分为以下几个方面：1.4.1 隧道围岩压力以及衬砌受力的计算 对隧道而言，围岩压力及衬砌受力的计算是隧道设计中非常重要的问题，因为它直接关系到隧道开挖后初次支护方案的选型、注浆加固圈的厚度，以及具体的支护参数的确定。1.4.2 支护形式的对比和选型 现阶段隧道的支护方案有许多种，目前常用的支护方式有钢拱架支护、锚杆支护、喷射混凝土支护、管棚支护、整体式混凝土支护、复合式支护等形式。1.4.3 初期支护参数的确定 根据计算确定合理的支护参数不仅可以大量节省工程费用，而且能达到良好的支护效果，使隧道在结构设计上更加合理。在该过程我决定采用手算和计算机软件校核相结合的方法确定最优化的支护参数来达到安全支护的目的。1.4.4 经济和安全问题 合理的支护形式、支护参数和支护材料可以节省工程开支，开挖时运用机械设备出渣，自动化施工可以使工程具有经济性，合理进行施工组织安排也可以达到经济施工的目标。施工过程中还应该提前预测不安全因素，并且制定相关预案。同时运用超前地质预报系统，对前方的地质条件进行提前勘测，施工中采用先进的技艺，如先进混凝土的运用、喷锚支护等技艺的运用，也会保证整个隧道施工的安全，从而避免事故的发生。第2章 工程概况2.1 工程简介本工程为中山公园站车站工程，车站起点里程为K3+584.178（右线），终点里程为K3+760.878（右线），全长176.7m，本站埋置深度为1012m，围岩级别为级，采用单拱直墙暗挖断面，大拱脚拱盖法施工、钻爆法开挖，结构采用全包防水。车站位于八大关建筑群及天泰体育场附近，全长均为减震断面。本站设置两座风亭，三座出入口，均为暗挖结构，车站由风道向车站中心施工。本站2号风道综合考虑建筑功能和暗挖车站施工因素，设计为双层暗挖风道。风道风井深约25m，考虑到兼做施工竖井，井口开挖尺寸2.5m11.7m，风道开挖宽度9.7m，高13.5m，采用拱顶直墙断面，复合式衬砌结构。2.2 自然地理概况2.2.1 地理位置及交通概况 中山公园站车站工程位于天泰体育场南侧，香港西路北段，车站范围内有荣成路、韶关路与香港路交汇，交通流量大，车站上方为北舰司操场，车站周围无高大建筑物，车站北侧临近青岛中山公园，有市政管线从香港西路下方通过。2.2.2 地形地貌 本场地地貌形态为剥蚀斜坡，地势较平坦，场地地面标高为14.4016.61m。2.2.3 气候特征 市南区地处北温带季风区域，属温带季风气候；由于海洋环境的直接调节，受来自洋面上东南季风及海流、水团的影响，故又具有显著的海洋性气候特点。空气温润，雨量充沛，温度适中，四季分明。春季气温回升缓慢，较内陆迟1个月；夏季温热多雨，但无酷暑，冬季风大温低，但无严寒，持续时间较长。据2002年测定，最热的7月份，平均气温25.3，秋季天高气爽，降水少，蒸发强；最冷的12月份，平均气温零下1.9。年平均降雨量424.6毫米。 2.2.4 地震烈度及动参数按照国家标准建筑抗震设根据国家标准建筑物抗震设计规范（GB50011-2001）2008版附录A，青岛市区抗震防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第二组。2.3 工程地质根据青岛市建委推广的青岛市区第四系层序划分标准地层层序编号，依据野外钻探资料，本区共揭示了6个标准层，划分了13个亚层，地层有新到老、自上而下分述如下：2.3.1 第四系（Q） 第四系（Q）主要有全新统人工填土（Q4ml）、全新统冲洪积层（Q4al+pl）、上更新统冲洪积层（Q3al+pl）组成，描述如下： 1、第四系全新统人工填土（Q4ml） 第层杂填土：杂色，松散，揭露层厚：0.502.50m，平均：1.48m。 第1层素填土：褐色、黄褐色，松散，厚度0.502.90m，平均厚度1.46m。 2、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl） 第层粉质粘土：黄褐色褐黄色，可塑硬塑状，厚度：1.504.10m，平均：2.79m。 第层含沙粘性土：黄褐色，硬塑状为主，厚度：0.404.60m，平均：2.19m。2.3.2 基岩基岩主要为燕山晚期（53）侵入花岗岩为主，部分燕山晚期（53）侵入脉岩，岩性主要为花岗斑岩，呈脉状穿插其间，与不同岩性接触带见有糜棱岩、碎裂岩，描述如下： 1、燕山晚期花岗岩（53）按风化程度划分为强风化岩带、中风化岩带和微风化岩带，各带（亚带）的工程特征详细描述如下：第上层强风化花岗岩上亚带：浅肉红色黄褐色，结构构造已大部破坏，揭露厚度：1.402.70m。该层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为级。第中层强风化花岗岩中亚带：浅肉红色，结构构造已大部破坏，厚度为：2.209.80m，平均层厚5.73m。该层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为级。第下层强风化花岗岩下亚带：浅肉红肉红色，结构构造已破坏，层厚度为：1.007.20m，平均层厚3.68m。该层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为级。第层花岗岩中风化带：肉红色，粗粒结构，块状结构，节理裂隙发育，以构造、风化裂隙为主，层厚度为：1.7014.0m，平均层厚6.20m。该层岩石坚硬程度为软岩，岩体完整程度为较破碎，岩体基本质量等级为级。第18层花岗岩微风化带：肉红色，粗粒结构，块状结构，节理不发育，岩芯较完整，坚硬，该层在场地内分布广泛，未揭穿，最大揭露厚度20.30m。该层岩石坚硬程度为坚硬岩，岩体完整程度为较完整，岩体基本质量等级级。2、燕山晚期侵入岩脉（53）第2层强风化带花岗斑岩：原岩风化强烈，结构构造大部分已破坏，揭露厚度为7.5m。盖层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为级。第2层中风化带花岗斑岩：肉红色，斑状结构，块状构造，节理、裂隙较发育，层厚度为：1.005.50m，平均层厚3.22m。该层岩石坚硬程度为软岩，岩体完整程度为较破碎，岩体基本质量等级为级。第2层：微风化带花岗斑岩：肉红色，斑状结构，块状构造，局部节理裂隙发育，以构造、风化裂隙为主，揭露层厚度为：0.8020.30m，平均层厚8.94m。该层岩石坚硬程度为坚硬岩，岩体完整程度为较完整，岩体基本质量等级为级。3、构造岩第4层砂土状碎裂岩：褐黄灰绿色，结构构造大部分已破坏，节理裂隙及发育，层厚度为：15.60m。该层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为级。第4层块状碎裂岩：黄褐色，原岩为花岗岩，节理裂隙发育，地层厚度为：8.1024.10m。该层岩石坚硬程度为软岩，岩体完整程度为破碎岩体基本质量等级为级。2.4 水文地质本次勘察工作区内的地下水类型按赋存方式主要为：第四系松散土层孔隙水，基岩裂隙水。本车站所处场地地貌类型为剥蚀斜坡，第11层粉质粘土、第12层含砂粘性土富水性一般，透水性较差，场地地下水位埋深4.8013.60m。本次勘察取地下水样1件，引用中山公园站太平角公园站区间地下水样2件，按混凝土结构耐久性设计规范（GB/T50476-2008）关于环境类别与作用等级评价如表2-1：表2-1 环境类别与作用等级评价 项目 孔号 SO42-（mg.l-1） Mg2+（mg.l-1） Cl-（mg.l-1）侵蚀CO2（mg.l-1）PH值氯化物环境化学腐蚀环境ZX04-09410.1842.2320.11/8.41-C-CQX04-0919424.214313.86.9-C -QX04-0478.7718.9658.49/8.37- -依据混凝土结构耐久性设计规范（GB/T50476-2008）综合判定，在氯化物环境下地下水环境作用等级-C，在化学腐蚀环境下地下水环境作用等级为-C。2.5 工程地质条件评价本场地地貌形态为剥蚀斜坡，地势较平坦，场地地面标高为14.4016.61m。勘查场区地处青岛八大关景区内，香港西路与荣成路交汇处，车站沿香港西路分布西北侧为天泰体育场网球场，东北侧为军事用地，地面多为绿化带、道路，地面交通繁荣。本暗挖车站经过的岩层主要为强微风化岩花岗岩、花岗斑岩，部分地段经过青岛山派生断裂，断裂带内主要为砂土状碎裂岩4、块状碎裂岩4，其隧道围岩分级为级，其余段的强微风化隧道围岩分级为级。受砂土状碎裂岩、块状碎裂岩影响隧道围岩分级为级，强风化上、中亚带及强风化花岗斑岩隧道围岩分级为级，该层岩土开挖时，拱部无支护时可产生较大的坍塌，侧壁有时会失去稳定，因此，应采用复合衬砌，施工时应注意局部岩石软硬不均匀对施工的影响。本次场地地下水类型主要为基岩裂隙水，主要含水层为强、中风化岩带的基岩风化裂隙水。基坑涌水量376.62m3/d，属富水性较差地层。综合评价本场地范围水文地质条件属简单类型。综合评价本暗挖车站岩土工程条件属中等复杂类型，暗挖范围内的岩土工程条件中等。本车站施工时应重点注意隧道顶围岩级别为级和级地段，为眼角已坍塌，处理不当会出现大坍塌。本场地不存在可液化土层，可不考虑地震液化问题。 本场地为可进行建筑的一般场地。本场地属于场地基本稳定区，适合地铁站位建设。2.6地层物理力学参数地层物理力学参数见表2-2。33表2-2 中山公园站岩土参数建议值表岩土分层岩土名称时代与成因重度（KN/m3）快剪土体与锚固体极限摩阻力标准值岩石与锚固体粘结强度特征值岩层或土层基床系数K地基水平抗力系数的比例系数静止侧压力系数泊松比单轴极限抗压强度标准值土石工程分级隧道围岩分级粘聚力C（kPa）内摩擦角（）天然饱和干燥qskfrb水平垂直mfcfrfd（kPa）（kPa）（MPa/m）MN/m4K0（MPa）、1杂填土、素填土Q4ml17.5015/866/粉质粘土Q3al+pl18.9281160/2820200.440.31/含沙粘性土Q3al+pl19.2302080/40351000.420.3/上强风化花岗岩5322.5/45/1002001601800.390.28/中强风化花岗岩5323/45/1502301801900.390.28/下强风化花岗岩5323.5/45/2002502002000.390.28/4砂土状碎裂岩5322.5/35/901501501500.430.3/中风化花岗岩5324.5/55/3505505003500.350.263026402中风化花岗岩斑岩5324.5/55/3505505003500.330.253230434块状碎裂岩5324.5/50/3003002503000.370.27/微风化花岗岩5324.5/65/50010009003500.30.235844651微风化煌斑岩5324.5/65/50010009003500.30.234540502微风化花岗斑岩5324.5/65/50010009003500.30.23110100120第3章 初期支护设计3.1 支护类型隧道工程建设得以顺利进行的保障就是隧道支护，建设隧道常用支护类型有喷射混凝土支护、锚杆、金属网、钢拱架等。1、长管棚的施工方法对于级围岩，长管棚应采用1088 进行超前支护，并设护拱，护拱长度为2 米，厚度为0.7m，拱内预埋1334 导向钢管，环向间距50cm，仰角1，钢管与钢拱焊接牢固。钢管设置于衬砌拱部，管心与衬砌设计外轮廓线间距大于30cm，平行路面中线布置。2、超前小导管注浆施工方法本标段所有、级围岩段均设计有超前小导管注浆加固，用于隧道超前支护。超前小导管采用424 钢管，长4.0m，环向间距40mm，外插角15，纵向间距1000mm。前端做成尖状，并在孔壁上每隔15 厘米钻梅花形布置的溢浆孔，钢管尾端焊8 钢筋加强箍。环间搭接长度不小于1m。3、喷射砼施工方法4 、钢拱架施工方法3.2 设计方法本工程支护参数综合考虑围岩级别、地形地质、埋置深度、结构跨度及施工方法等因素后通过工程类比，结合计算分析后确定。初期支护以C25喷射砼、锚杆、钢筋网、格栅钢架为主要支护手段，锚杆采用全长粘结型砂浆锚杆。超前小导管作为辅助施工设施。施工中应最大限度保护围岩，充分发挥围岩自身承载力，所以隧道开挖预留围岩变形量。预留围岩变形量应根据实际情况确定，并根据量测所反馈信息调整参数。施工误差不包括在预留围岩变形量里。3.3 设计参数本设计截面为4-4风道截面，设计参数如下：预留变形量：40 mm；C25喷射砼厚度：250 mm；锚杆类型：D=22 mm，HPB235，砂浆锚杆；锚杆长度：2.5 m；锚杆间距：1.0 m1.0 m；钢筋网类型：D=8 mm，HPB235；钢筋网间距：200 mm200 mm ；钢架规格：格栅；钢架间距：1.0 m；辅助施工措施：洞口，D=28 mm，HPB235，超前锚杆，长5 m，环距0.5 m。第4章 二次衬砌受力计算4.1 围岩压力4.1.1 围岩压力的概念地下硐室不同于地面建筑，位于岩体介质中，因此应当把围岩视为支护结构的共同承载部分，也就是说，应由支护结构（无论是临时的或永久的）和围岩共同组成静力承载体系。围岩的静力作用是十分重要的，如果没有这种作用，硐室的施工将是十分困难或者是不可能的。实际上在岩体中开挖硐室，出现围岩二次应力，同时硐室相应的产生变形和位移。不同的地质条件和工程条件下，硐室围岩可能出现两种情况：硐室的变形属于弹性变形，在无支护情况下仍然能够维持稳定；硐室的变形属于非弹性变形，由于围岩继续变形导致其破坏，甚至出现大量的塌落，这时就需要支护结构来约束围岩变形的继续扩展，因而支护结构受到围岩变形时产生的压力。围岩二次应力全部作用称为围岩压力。围岩二次应力的作用在无支护硐室中出现在硐室周围的部分区域内；在有支护结构（临时的或永久性支护）的硐室中表现为围岩和支护结构的相互作用。目前一般工程认为的围岩压力是指由二次应力使围岩产生变形或破坏所引起的作用在衬砌上的压力，这种概念实际上是属于狭义的围岩压力。4.1.2 围岩压力的形成关于围岩压力的形成机理以及随时间发生、发展的过程可用奥地利腊布塞维奇教授的剪切滑移破坏理论来说明。若围岩没有受到其他硐室的影响，且开挖爆破过程中没有受到破坏，则硐室周围的围岩压力随着时间的发展可以分为三个阶段，只讨论在岩体内最大压应力为垂直方向的情况。在第一阶段，由于岩体的变形，在硐室的周围边界上产生一般的挤压。同时，在两侧岩石内形成楔形岩块，在两个楔形岩块有向硐室内部滑移的趋势，从而侧向产生压力，这种楔形岩块是由于两侧岩石剪切破坏而形成的。在第二阶段，在侧向楔形块体发生某种变形以后，硐室的跨度似乎增大。因此，在岩体内形成了一个垂直椭圆形的高压力区，在椭圆曲线与硐室周界线间的岩体发生了松动。在第三个阶段，硐顶和硐底的松动岩体开始变形，并向硐内移动，硐顶松动岩石在重力作用下有掉落的趋势，围岩压力逐渐增加。以上内容就是围岩压力的形成机理。可见，围岩压力的形成与硐室开挖后岩体的变形、松动和破坏是分不开的。围岩压力的形成是由于围岩的过大变形和破坏而引起的。当岩石比较坚硬完整时，重分布后的应力一般都在岩石的弹性极限以内。围岩应力重分布过程之中所产生的弹性变形在开挖过程中就完成了，也就没有围岩压力。如果岩石的强度较低，围岩应力重分布过程中不仅产生弹性变形，还产生了较长时间内才能完成的塑性变形，支护的结果就是限制了这种变形的继续发展，故而产生了围岩压力。4.1.3 围岩压力的分类围岩压力可分为四种：松动压力、塑形变形压力、冲击压力和膨胀压力。4.1.4 围岩压力的确定方法隧道开挖前，地层中各点的应力保持着相对的平衡，地层处于相对静止状态，称为原始应力状态。它是由上覆地层自重、地壳运动的残余应力及地下水活动等因素决定的。为了研究方便，仅考虑由上覆地层自重所形成的原始应力，并取深度H处得一个单元体来做应力分析。该单元体受到三对大小相同、方向相反的压力作用，因此该单元体处于力的平衡状态和变形运动的相对静止状态。在上覆地层自重作用下，竖直压力为式中上覆地层的平均重度；从地面到单元体所处的深度（）。由于单元体的侧向变形受到周围地层的限制，便产生了侧向压力，按下式计算式中侧压力系数。根据侧向应变为零的条件，并把地层假定为各向同性的弹性体，可以推导出计算公式，即式中地层岩石的泊松比。隧道开挖后，围岩原来保持的平衡状态受到破坏，由相对静止状态变成显著运动状态，由于围岩在应力以及应变方面开始了一个新的变化运动，出现了围岩应力的重分布和围岩开挖空间的变形，力图达到新的平衡。变形的大小性质及大小是不同的。在竖硬且完整的岩石中，围岩岩体本身强度足以承受隧道周边应力，这时围岩是自承的，不需要支撑或衬砌提供外加平衡力。在松软的或裂隙围岩中，由于围岩体破碎，再加上在开挖时受到爆破振动，因而在隧道周边一定范围内岩体遭到严重破坏，同时，围岩体本身强度低，不足以抵抗围岩的周边应力，因此这一部分岩体在隧道开挖后开始产生向内的变形运动，并逐渐出现松动和坍塌，松动或坍塌的岩体对支护结构施加压力，此压力即为围岩压力。1、围岩压力的确定方法围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：（1）直接测量法它是一种切合实际的方法，也是研究发展的方向，但由于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍采用。（2）经验法或工程类比法它是根据大量以前工程的实际资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值，作为后建隧道工程确定围岩压力的根据的方法。该法目前使用较多的方法。（3）理论估算法它是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法。由于地质条件的不确定性，影响围岩压力的因素又非常多，这些因素本身及它们之间的组合也带有一定的偶然性，企图建立一种完善的和合适各种实际情况的通用围岩压力理论及计算方法是困难的，因此，现有的围岩压力理论都不十分切合实际情况。目前我国隧道工程设计计算中，一般都是以某种简化的假设为前提，考虑几个主要因素的影响，通过经验公式计算或受力分析，使其结果相对地接近实际围岩压力的情况。2、围岩的成拱作用我国现行隧道设计规范用数理统计的方法给出计算各级围岩坍塌高度的经验公式式中围岩级别隧道宽度每增减时围岩压力的增减率，以的围岩垂直均布压力为准，当时，取，当时，取。坍落拱的形成充分说明了围岩的自承能力。根据这一点，人们认为，只要支护结构能把塌落拱范围内可能坍落的全部岩体支撑住，围岩不会继续坍落，就能保证隧道的安全使用。现行设计方法中取塌落拱范围内的全部岩石的重量作为支护结构的主动荷载就是从这一点出发的。4.1.5 浅埋隧道围岩压力计算1、浅埋和深埋隧道的确定浅埋和深埋隧道的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。荷载等效高度值的计算公式如下：式中浅埋隧道分界深度（）；荷载等效高度（），其中为深埋隧道垂直均布压力（）；围岩重度（）。在矿山法施工的条件下，IVVI级围岩取；IIII级围岩取。当隧道埋深时，为深埋隧道，反之，则为浅埋隧道2、埋深小于或等于等效荷载高度时的围岩压力计算当隧道埋深小于或等于等效荷载高度时，荷载视为均布垂直压力，按下式计算：式中垂直均布压力（）；隧道上覆围岩重度（）；隧道埋深（），指坑顶至地面的距离。侧向压力按均布考虑时其值为式中垂直均布压力（）；隧道高度（）；围岩计算摩擦角（），其值见表4-2。表4-2 各级围岩的物理力学指标标准值围岩等级重度弹性抗力系数k/(MPa/m)变形模量E/GPa泊松比内摩擦角粘聚力C/MPa计算摩擦角26281800280033602.17825271200180020330.20.2550601.52.17078232550012006200.250.339500.71.5607020232005001.360.30.3527390.20.750601720100200120.30.4520270.050.24050 5200.23040注: 1.本表数值不包括黄土地层。 2.选用计算摩擦角时，不再计内摩擦角和粘聚力。表4-3 级围岩的值围岩级别I、II、IIIIVVVI值0.9（0.70.9）（0.50.7）（0.30.5）3、埋深大于等效荷载高度时的围岩压力计算 当隧道埋深大于等效荷载高度而小于等于分界深度时，为了便于计算，假定围岩中形成的破裂面是一条与水平成角的斜直线。EFHG岩土体下沉，带动两侧三棱土体FDB和ECA下沉，整个岩土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力；斜直线AC和BD是假定的破裂面，分析时考虑粘聚力C，并采用计算摩擦角；另一滑动面FH或EG则并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力，若该滑面的摩擦角为，则值应小于值。值可按表4-3采用。图4-1 浅埋隧道围岩压力计算根据图4-1，设隧道上覆岩土体EFHG的重力为，两侧三棱岩体FDB或ECA的重力为，未扰动岩土体对滑动土体的阻力为，当EFHG下沉，两侧受到阻力或，则作用于HG面上的垂直压力总值为三棱体自重为式中 坑道底部到地面的距离（）；破裂面与水平面的夹角（）。据正弦定理式中侧压力系数，按下式计算：由上述式子可求得作用在HG面上的总垂直压力由于GC、HD与EG、EF相比往往较小，而且衬砌与岩土体之间的摩擦角也不同，前面分析时均按计，当中间土块下滑时，由FH及EG面传递，考虑压力稍大些对设计的结构也偏于安全，因此，摩阻力不计隧道部分而只计洞顶部分，即在计算中用H代替h，这样上式可改写为由于，故式中隧道宽度（）。换算为作用在支护结构上的均布荷载（图4-2），即式中作用在支护结构上的均布荷载（）。图4-2 浅埋隧道支护结构上的均布荷载作用在支护结构两侧的水平侧压力为，侧压力视为均布压力时。4.2 荷载确定对于埋置深度较浅的硐室或明挖法施工的硐室，衬砌上作用的垂直压力通常采用岩柱理论进行计算，即认为结构上的围岩压力等于塌落岩柱的全部重量，围岩侧向压力按主动压力计算。本课题采用此计算方法。4.2.1 参数的选择根据设计资料选取参数：围岩类别为类，容重，围岩的弹性抗力系数，衬砌材弹性模量，容重。4.2.2 围岩竖向均布压力垂直压力包括地面超载、水压力、土压力等。经计算有：4.2.3 围岩水平均布压力围岩水平压力按主动土压力计算，则水平均布压力为图4-3 衬砌简化图4.3 衬砌几何要素4.3.1 衬砌几何尺寸1、内轮廓线几何尺寸内轮廓线半径，；内径、所画圆曲线的终点截面与竖直截面的夹角，；拱顶截面厚度=墙底截面高度。2、外轮廓线半径，；拱轴线半径，；拱轴线各段圆弧中心角，。4.3.2 半拱轴线长度及分段轴长分段轴线长度：拱轴线长度：将半拱轴线等分为段，每段轴长为：4.3.3 各分块接缝（截面）中心几何要素 1、与竖直夹角 角度闭合差。2、 截面中心垂直坐标的计算 4.4位移计算4.4.1 单位位移用辛普生近似计算，按计算列表进行。单位位移的计算表见表4-4。单位位移值计算如下：4.4.2载位移计算过程见表4-5。表中： ，衬砌外缘相邻两截面之间的水平投影长度，由cad图中量得； ，衬砌外缘相邻两截面之间的竖直投影长度，由cad图中量得；表4-4 单位位移计算表截面ayd1/Iy/Iy2/Icosa/A(cosa)2/A积分系数1/3000100.823.4375001.251.251110.89690.1890.9820.09550.823.43752.23940.2141.22751.20534221.79370.37130.92850.38950.823.43759.12793.55491.16071.07772332.69060.54010.84160.86310.823.437520.229517.46061.0520.88544443.58750.68950.72431.50220.823.437535.207152.88690.90540.65582565.94070.91310.40772.20950.823.437551.7853114.42010.50960.20784690103.2490.823.437576.1484247.4063001140.625153.9451296.22294.6369注：1.I=，A=bd，b取自单位长度。2.考虑轴力的影响。 分别为相应的垂直荷载和水平荷载对截面中心点的力臂，由cad图量的。 图4-4 衬砌结构计算图示（单位：m）山东科技大学学生毕业设计（论文）表4-5 载位移计算表截面bQhE积分系数1/30000000000000000111.0773244.430.10286.81160.46310.4442113.18723.0255-116.2127-2723.736-260.242146.20836.688839.519548.5086422.1158480.050.407327.00090.90940.5751436.567715.5275-452.0952-10595.98-4013.093178.227325.071153.1563177.7621233.078698.360.902759.83981.3230.788923.918947.1539-971.0728-22759.52-19103.54377.186750.3612326.8256343.8203443.9292891.491.5711104.14421.68881.07531505.5735111.9834-1617.557-37911.49-55381.72614.645275.434539.2112488.2034254.60661045.22.5076166.2231.9381.41692025.5795235.5158-2261.095-52994.42-120332.3954.366367.7661886.6002451.8136464.851100.43.649241.88492.0251.82452228.2943441.319-2669.613-62569.06-203293.11100.392301100.392301山东科技大学学生毕业设计（论文）故有： 4.4.3 弹性抗力位移、的计算假定拱部弹性抗力抛物线的上零点位于拱部外援与垂直轴约呈45的第4截面上；最大抗力值在墙顶截面即=90，其值为；第6截面抗力为；其余各截面抗力值按下式计算：表4-6 弹性抗力计算表截面400000000050.68320.34161.16390.397654.76230.81680.5770.32470.2294610.84161.17580.989577.96810.9780.2080.96780.2063弹性抗力作用下，基本结构中的内力为：弯矩：表4-7 计算表截面=0.3976=0.9363积分系数1/350.4653-0.185-0.185-4.3355-9.8444461.3847-1.37020.5003-0.4951-1.8653-43.7173-142.0421-20.3531-60.4732表4-8 计算表截面积分系数1/350.91310.40770.22940.20950.32470.13240.07710.039346100.43570.43571.292500.4357010.0524轴力：式中：-到接缝中心点的力计算、：4.4.4 墙顶位移计算1、边墙弹性地基梁的弹性特征值故边墙为弹性地基上的短梁。2、计算墙顶单位位移3、计算墙顶弯矩、水平力及垂直力边墙自重：4、计算墙顶位移、4.5 解力法方程计算力法方程的系数为：求解方程：4.6 最大抗力值的求解墙顶截面总水平位移：最大抗力值：故：4.7 拱部各截面的弯矩、轴力计算拱部截面的弯矩、轴力由下式计算，计算过程见表4-9根据强度条件进行校核:闭合差：闭合差：4.8 边墙内力和弹性抗力的计算1、计算作用在墙顶截面的弯矩、水平力及垂直力2、按弹性地基梁公式计算边墙的弯矩、轴力及抗力值111表4-9拱部内力计算表截面M/IMy/INcosa/Ae积分系数0223.2204825.916900223.2204825.91690825.91695231.727101032.39610.270311223.2204825.916978.9131-116.5385185.5949811.024838.7862849.8114349.8808415.61381043.11010.218442223.2204825.9169312.8055-453.773582.2523766.8858150.4075917.29331927.7882730.12521064.66410.089723223.2204825.9169693.2455-976.1873-59.7214695.0911321.30321016.3943-1399.721-1174.8761069.246-0.058844223.2204825.91691206.5127-1629.7330-200.0003598.23530.937301129.1673-4687.506-6847.5841022.3513-0.177125223.2204825.91691875.3767-2286.754-38.0386-226.1956336.7114879.149615.8481231.7089-5301.459-12037.81627.6818-0.183646223.2204825.91692683.4865-2717.763-209.5273-20.583301100.343889.57941189.9232-482.42-156