隧道结构体系设计原理与方法.ppt

第五章隧道结构体系设计原理与方法 第一节概述 隧道的结构体系是由围岩和支护结构共同组成的 其中围岩是主要的承载元素 支护结构是辅助性的 但通常也是必不可少的 在某些情况下 支护结构主要起承载作用 这就是按现代岩石力学原则设计支护结构的基本出发点 隧道开挖前岩体处于初始应力状态 谓之一次应力状态 开挖隧道后引起了围岩应力的重分布 同时围岩将产生向隧道内的位移 形成了新的应力场 称之为围岩的二次应力状态 这种状态受到开挖方式 爆破 非爆破 和方法 全断面开挖 分部开挖等 的强烈影响 如果隧道围岩不能保持长期稳定 就必须设置支护结构 从隧道内部对围岩施加约束 控制围岩变形 改善围岩的应力状态 促使其稳定 这就是三次应力状态 显然这种状态与支护结构类型 方法以及施设时间等有关 三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构 这样 这个力学过程才告结束 要进行支护结构设计 就必须充分认识和了解以下五方面的问题 围岩的初始应力状态 或称一次应力状态 这部分内容已在第四章中作了介绍 开挖隧道后围岩的二次应力状态和位移场 判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件即围岩稳定性准则 一般可表示为 5 1 式中的 是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标 设置支护结构后围岩的应力状态 亦称围岩的三次应力状态和位移场 以及支护结构的内力和位移 判断支护结构安全度的准则 一般可写成 5 2 式中的 是支护结构材料的物理力学参数 第二节围岩的二次应力场和位移场 一 隧道开挖后的弹性二次应力状态及位移状态计算围岩的二次应力场和位移场 首先推算隧道开挖前围岩的初始应力状态 以及与之相适应的位移场 隧道开挖后 因其周边上的径向应力和剪应力都为零 故可向具有初始应力的围岩 在隧道周边上反方向施加与初始应力相等的释放应力 用弹性力学方法计算带有孔洞的无限平面在释放应力作用下的应力和位移 而真实的围岩二次应力场及位移场为 模拟隧道开挖所经历的力学过程可以用图5 1表示 图5 1隧道开挖所经历的力学过程模拟 对于自重应力场中的深埋隧道 常常将它的围岩初始应力场简化为常量场 也就是假定围岩的初始应力到处都是一样 并取其等于隧道中心点的自重应力 即式中为隧道中心点的埋深 以m计 是围岩的侧压力系数 无量纲 根据弹性力学原理 这个问题的求解还可以简化为不考虑体积力的形式 而用在有孔无限平面 无重的 无穷远边界上作用有垂直均布荷载和水平荷载的形式来代替 如图5 2所示 图5 2力学模型 由此而引起的计算误差在洞周上是不大的 并随着隧道埋深的增加而减少 当埋深超过10倍洞径时 其误差可以忽略不计 二 隧道开挖后形成塑性区的二次应力状态及位移状态塑性应力区域是由于多数围岩具有塑性这一性质而造成的 塑性就是指围岩在应力超过一定值后产生塑性变形的性质 此时 应力即使不增加 变形仍继续 当围岩内应力超过围岩的抗压强度后 围岩发生塑性变形并迫使塑性变形的围岩向隧道内滑移 塑性区的围岩因变得松弛 其物理力学性质也发生变化 三 无支护坑道的稳定性及其破坏坑道稳定性是指隧道围岩在开挖过程中 在不设任何支护情况下所具有的稳定程度 无支护坑道围岩的失稳破坏有三种形式 由于破碎岩体的自重作用 超过了它们脱离岩体的阻力而多在顶部 较少在侧壁处造成局部崩塌 由围岩应力重分布所造成的应力集中区域内的岩体强度破坏而形成的崩塌 一般发生在脆性岩体中 且在多数情况下 岩体破坏从坑道侧壁开始 同时岩体的破坏和位移也可能发生在顶部和底部 在塑性岩体中 稳定的丧失是由于塑性变形的结果 岩体产生了过度的位移 但无明显的破坏迹象 第三节隧道围岩与支护结构的共同作用 一 收敛和约束的概念开挖隧道时 由于临空面的形成 围岩开始向洞内产生位移 这种位移我们称之为收敛 若岩体强度高 整体性好 断面形状有利 岩体的变形到一定程度 就将自行停止 围岩是稳定的 反之 岩体的变形将自由地发展下去 最终导致隧道围岩整体失稳而破坏 在这种情况下 应在开挖后适时地沿隧道周边设置支护结构 对岩体的移动产生阻力 形成约束 相应地支护结构也将承受围岩所给予的反力 并产生变形 如果支护结构有一定的强度和刚度 这种隧道围岩和支护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与围岩应力之间达到平衡为止 从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系 这时的隧道围岩应力状态称为三次应力状态 二 坑道支护后的围岩应力状态及位移状态隧道开挖后 围岩应力状态出现两种情况 一种是开挖后的二次应力状态仍然是弹性的 隧道围岩除因爆破 地质状态 施工方法等原因可能引起稍许松弛掉块外 是稳定的 在这种情况下 坑道是稳定的 原则上无需支护 即使支护也是防护性的 支护方法一般可采用喷浆或者喷射混凝土 另一种是开挖后隧道围岩产生一定范围的塑性区 此时应采用承载型的支护结构 以维护坑道的稳定 坑道支护后 相当于在坑道周边施加了一个阻止隧道围岩变形的支护阻力 抗力 从而也改变了围岩的二次应力状态 支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有着很大的影响 三 围岩特性曲线 支护需求曲线 支护阻力与隧道洞壁位移的关系曲线如图5 12所示 图5 12围岩特性曲线 这条曲线形象的表达了支护结构与隧道围岩之间的相互作用 在极限位移范围内 围岩允许的位移大了 所需的支护阻力就小 而应力重分布所引起的后果大部分由围岩所承担 围岩允许的位移小了 所需的支护阻力就大 围岩的承载能力就得不到充分的发挥 四 支护特性曲线 支护补给曲线 以圆形隧道为研究对象 并假定围岩给支护结构的反力也是径向匀布的 因此 这还是一个轴对称问题 相对于围岩的力学特性而言 混凝土或钢支护结构的力学特性可以认为是线弹性的 也就是说作用在支护结构上的径向均布压力是和它的径向位移成线性关系 即式中的定义为支护结构的刚度 图5 13支护特性曲线 对于几种支护结构型式 其支护特性曲线如图5 13所示 五 围岩与支护结构准静力平衡状态的建立 三次应力场 如果支护结构有足够的强度和刚度 则围岩的支护需求曲线和支护结构的支护补给曲线会相交一点 而达到平衡 这个交点都应在或之前 随着时间的推移 地下水位逐渐恢复 围岩物性指标恶化 锚杆锈蚀等等 这个平衡状态还将调整 图5 14说明 1 不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的和是不同的 2 同样刚度的支护结构 由于架设的时间不同 最后达成平衡的状态也是不同的 图5 14围岩和支护结构的相互作用 第四节支护结构的设计原则 支护结构的基本作用在于 与围岩一起组成一个有足够安全度的隧道结构体系 能承受可能出现的各种荷载 保持隧道断面的使用净空 防止围岩质量的进一步恶化 提供空气流通的光滑表面 因此 任何一种类型的支护结构都应具有与上述作用相适应的构造 力学特性和施工的可能性 一 支护结构的基本要求1 必须能与围岩大面积地牢固接触 即保证支护结构与围岩作为一个整体进行工作 根据不同的开挖和支护方法 两者的接触状态可作如下分类 重视早期支护的作用 并使早期支护与永久支护相互配合 协调一致地工作 要允许隧道围岩能产生有限制的变形 以充分发挥围岩的承载能力而减少对支护结构的不利作用 使两者更加协调的工作 4 必须保证支护结构及时施作 5 作为支护结构要能根据隧道围岩的动态 位移 应力等 及时地进行调整和修改 以适应不断变化的围岩状态 二 支护结构类型的选择和设计根据其使用目的 支护结构可分为 防护型支护构造型支护承载型支护 在设计支护结构时应注意 支护结构最好设计成封闭式的 一般都应有仰拱 对于抗拉性能较差的混凝土类支护结构 应尽量避免受弯矩作用 第五节围岩压力 围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护结构变形或破坏的作用力 一 围岩压力分类围岩压力按作用力发生的形态 一般可分为如下几种类型 1 松动压力由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力的形式直接作用在支护结构上压力称为松动压力 2 形变压力形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护结构 如锚喷支护等 的抑制 而使围岩与支护结构共同变形的过程中 围岩对支护结构施加的接触压力 3 膨胀压力当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时 由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力 4 冲击压力冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能之后 由于隧道的开挖 围岩约束被解除 能量突然释放所产生的压力 二 围岩松动压力的形成和确定的方法 作用在支护结构上的围岩松动压力总是远远小于其上覆盖地层自重所造成的压力 这可以用围岩的 成拱作用 来解释 拿一个在水平成层的围岩中开挖隧道的例子 来说明隧道开挖后围岩又变形到坍塌成拱的整个变化过程 图5 16 a 变形阶段 b 松动阶段 c 塌落阶段 d 成拱阶段 图5 16围岩松动压力的形成 将隧道所形成的相对稳定的拱称为 天然拱 或 塌落拱 它如同一个承载环一样承受着上覆地层的全部重量 并且将荷载向两侧传递下去 这就是围岩的 成拱作用 而天然拱范围内破坏了的岩体的重量 就是作用在支护结构上的围岩松动压力的来源 实践证明 天然拱范围的大小除了受上述的围岩地质条件 支护结构架设时间 刚度以及它与围岩的接触状态等因素影响外 还取决于以下诸因素 隧道的形状和尺寸 隧道的埋深 施工因素 一 深埋隧道围岩松动压力的确定方法当隧道的埋置深度超过一定限值后 围岩的松动压力仅是隧道周边某一破坏范围 天然拱 内岩体的重量 而与埋深无直接关系 1 统计法 我国 隧规 所推荐的方法现在我国 隧规 中隧推荐的计算围岩竖向匀布松动压力的公式 就是根据357个铁路隧道的塌方资料统计分析而拟定的 式中的为围岩容重 s为围岩级别 为宽度影响系数 由w 1 i B 5 计算 B为坑道宽度 i为B每增减1m时的围岩压力增减率 当B 5m时 取i 0 2 当B 5m时 取i 0 1 公式的适用条件为 H B 1 7 H为坑道的高度 深埋隧道 不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩 采用矿山法施工 围岩水平匀布的松动压力 按表5 3中的经验公式计算 其适用条件同上 表5 3围岩水平均布压力 作用在支护结构上的荷载是很不均匀的 这是因为在 级及 级围岩中 局部塌方是主要的 而在其它类别的围岩中 岩体破坏范围的形状和大小 受岩体结构 施工方法等因素的控制 也是极不规则的 根据统计资料 围岩竖向松动压力的分布图形大致可以概括为以下六种 如图5 17所示 图5 17围岩竖向松动压力的分布图形 2 普氏理论普洛托李雅克诺夫认为 所有的岩体都不同程度地被节理 裂隙所切割 因此可以视为散粒体 基于这些认识 普氏提出了岩体的坚固性系数 又叫似摩擦系数 的概念 式中 为岩体的似摩擦角和内摩擦角 为岩体的抗剪强度和剪切破坏时的正应力 为岩体的粘结力 岩体的坚固性系数值 是一个说明岩体各种性质 如强度 抗钻性 抗爆性 构造 地下水等 的笼统的指标 在确定岩体的值时 除了考虑其强度指标外 还需根据岩体的构造特征等因素 并结合以往的工程实践经验加以修正 为了确定围岩的松动压力 普氏还提出了基于天然拱概念的计算理论 作用在支护结构上的围岩压力就是天然拱以内的松动岩体的重量 而天然拱的尺寸 即它的高度和跨度则与反映岩体特征的值和所开挖的隧道宽度有关 其具体表达式为 式中为天然拱高度 b为天然拱半跨度 在坚硬岩体中 坑道侧壁较稳定 天然拱的跨度就是隧道的宽度 即 为隧道的净宽度的一半 如图5 18a所示 在松散和破碎岩体中 坑道的侧壁也受扰动而滑移 天然拱的跨度也相应加大为 图5 18b 式中为隧道净跨度的一半 为隧道净高度 其余符号含义同前 一般来说 普氏理论比较适用于松散 破碎的围岩中 图5 18隧道围岩塌落拱 3 泰沙基理论泰沙基 K Terzaghi 也将岩体视为散粒体 他认为坑道开挖后 其上方的岩体将因坑道变形而下沉 并产生如图5 19所示的错动面OAB 图5 19泰沙基理论 一般情况下 深埋隧道与浅埋隧道界限的确定应以隧道顶部覆盖层能否形成 天然拱 为原则 但要准确定出其界限值是困难的 因为它与许多因素有关 因此一般只能根据经验判断 通常 当地面与隧道顶部之间的岩层厚度超过塌方平均高度的2 2 5倍以上时 一般可作为深埋隧道处理 对于特殊情况应作具体分析 二 浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 隧道工程实践表明 当隧道埋深不大时 开挖的影响将波及到地表 无法形成 天然拱 因此 上述估其深埋隧道围岩松动压力的公式对浅埋隧道是不适用的 如图5 20 从松散介质极限平衡的角度 对施工过程中岩体运动的情况进行分析 若不及时支护 或施工时支护下沉 会引起洞顶上覆盖岩体EFHG的下沉与移动 而且它的移动受到两侧其它岩体的挟持 反过来又带动了两侧三棱体ACE和BDF的下滑 形成两个破裂面 为了简化 假定它们都是与水平面成角的斜直面 如图5 20a中的AC和BD 研究洞项上覆盖岩体EFHG的平衡条件 即可求出作用在支护结构上的围岩松动压力 图5 20浅埋隧道围岩松动压力的确定 第六节隧道结构体系的计算模型 一 计算模型的建立原则 一个理想的隧道工程的数学力学模型应能反映下列的因素 必须能描述有裂隙和破坏带的 以及开挖面形状变化所形成的三维几何形状 对围岩的地质状况和初始应力场不仅要能说明当时的 而且还要包括将来可能出现的状态 应包括对围岩应力重分布有影响的岩石和支护材料非线性特性 而且还要能准确地测定出反映这些特性的参数 如果要知道所设计的支护结构和开挖方法能否获得成功 即想评估其安全度 则必须将围岩 锚杆和混凝土等材料的局部破坏和整体失稳的判断条件纳入模型中 当然 条件必须满足现行设计规范的有关规定 要经得起实际的检验 这种检验不能只是偶然巧合 而是需要保证系统的一致性 二 常用的计算模型从各国的地下结构设计实践看 目前在设计隧道的结构体系时 主要采用两类计算模型 第一类模型是以支护结构作为承载主体 围岩作为荷载主要来源 同时考虑其对支护结构的变形起约束作用 第二类模型则相反 是以围岩为承载主体 支护结构则约束和限制围岩向隧道内变形 第一类模型又称为传统的结构力学模型 它将支护结构和围岩分开来考虑 支护结构是承载主体 围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承 故又可称为荷载 结构模型 图5 23a 这一类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 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 图5 23隧道计算模型 第二类模型又称为现代的岩体力学模型 它是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 结构模型或复合整体模型 图5 23b 在围岩 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 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出围岩与支护结构的应力 位移状态 第七节隧道结构体系设计计算方法 一 结构力学方法 一 荷载 结构模型的建立 主动荷载模型 图5 24a 不考虑围岩与支护结构的相互作用 因此 支护结构在主动荷载作用下可以自由变形 其计算原理和地面结构一样 主动荷载加围岩弹性约束模型 图5 24b 认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载 而且由于围岩与支护结构的相互作用 围岩还对支护结构施加被动的弹性抗力 图5 24荷载 结构模型 二 作用 荷载 组成采用荷载 结构模型分析支护结构内力时 其中最重要的是围岩的松动压力 支护结构自重可按预先拟定的结构尺寸和材料容重计算确定 三 隧道衬砌结构受力变形特点隧道衬砌在围岩压力作用下要产生变形 如图5 25所示 在隧道拱顶 其变形背向围岩 不受围岩的约束而自由地变形 这个区域称为 脱离区 而在隧道的两侧及底部 结构产生朝向围岩的变形 受到围岩的约束作用 因而围岩对隧道衬砌结构产生了约束反力 弹性抗力 这个区域称为 抗力区 图5 25隧道衬砌结构受力变形特点 四 支护结构的几种计算方法 1 主动荷载模式 1 弹性固定的无铰拱适用于这类计算模式的常有半衬砌 半衬砌拱圈的拱矢和跨度比值一般是不大的 当竖向荷载作用时 大部分情况下 拱圈都是向坑道内变形 不产生弹性抗力 其结构模型可以简化成图5 26所示的弹性固定无铰拱 拱脚产生变位 对结构内力有影响 图5 26弹性固定无铰拱计算图式 2 圆形衬砌修建在软土地层中的圆形衬砌 也常常按主动荷载模式进行结构计算 承受的荷载主要有土压力 水压力 结构自重和与之相平衡的地基反力 结构计算图式示于图5 27 图5 27圆形衬砌计算图式 2 主动荷载加被动荷载模式假定抗力图形该法的计算特点是假定抗力的分布范围的分布规律 如上 下零点和最大值的位置 该法计算拱形衬砌 马蹄形衬砌 的内力的计算简图如图5 28所示 图中假定拱部正中为脱离区 以下为抗力区 图5 28假定抗力图形法计算简图 2 局部变形地基梁法局部变形地基梁法由纳乌莫夫首创 一般用于计算直墙拱形初砌的内力 计算简图如图5 29所示 该法计算拱形直墙衬砌内力的特点 是将拱圈和边墙分为两个单元分别进行计算 而在各自的计算中考虑相互影响 图5 29局部变形地基梁法计算简图 3 弹性支承法利用弹性支承法计算隧道衬砌结构内力的基本思想是 采用符合 局部变形原理 的弹簧来模拟隧道围岩 而将衬砌与围岩所组成的隧道结构体系离散化成有限个衬砌单元和弹簧单元所组成的组合体 采用结构力学方法求解该体系即可求得衬砌内力 五 隧道衬砌截面强度检算1 按破损阶段法或容许应力法算出衬砌内力后 还须进行隧道衬砌截面强度检算 根据 隧规 规定 隧道衬砌和明洞按按破损阶段检算构件截面强度时 根据结构所受的不同荷载组合 在计算中应选用不同的安全系数 安全系数可根据表5 7及表5 8选用 表5 7混凝土和砌体结构的强度安全系数 2 按概率极限状态法根据极限状态法计算出地下结构上作用的荷载组合 计算出的结构内力要以可靠指标度量结构构件的可靠度 采用以分项系数的设计表达式进行设计 该方法规定整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求 此特定状态称为该功能的极限状态 极限状态可以分为承载能力极限状态和正常使用极限状态 承载能力极限状态是指结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的较大变形的极限状态 正常使用极限状态是指结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态 二 岩体力学方法在隧道结构体系中 一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护抗力 而引起它的应力调整 从而达到新的稳定 另一方面由于支护结构阻止围岩变形 也必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形 这种反作用力和围岩的松动压力极不相同 它是支护结构和围岩共同变形过程中对支护施加的压力 故可称为 形变压力 目前对于这种模型求解方法有解析法 数值法 特征曲线法三种 1 解析法该方法根据所给定的边界条件 对问题的平衡方程 几何方程和物理方程直接求解 2 数值方法对于几何形状和围岩初始应力状态都比较复杂的隧道 一般需要采取数值方法 尤其是需要考虑围岩的各种非线性特性时 该方法主要是指有限单元法 它是把围岩和支护结构都划分为单元 然后根据能量原理建立起整个系统的虚功方程 也称刚度方程 从而求出系统上各节点的位移以及单元的应力 1 计算范围的选取无论是深埋或浅埋隧道都属于半无限空间问题 简化为平面应变问题时 则为半无限平面问题 实践证明 隧道开挖仅仅对一定的有限范围内才有明显的影响 在距开挖部位稍远一些的地方 其应力变化是微不足道的 平面有限元分析时的计算范围可取为6 10倍的隧道宽度 此外 根据对称性的特点 分析区域可以取一半 一个对称轴 或1 4 两个对称轴 2 单元类型的选择围岩和混凝土为匀质 各向同性的粘弹塑性材料 一般采用四边形等参单元和退化的三角形单元模拟 对喷射混凝土层和锚杆可采用杆单元模拟 并用特殊粘结单元模拟锚杆与围岩之间相互联结 锚杆与围岩之间的联系状态是刚塑性的 对防水层可采用有厚度的夹层单元模拟 3 分部开挖的力学模拟隧道开挖在力学上可以认为是一个应力释放和回弹变形问题 当隧道开挖后 围岩中的部分初始