隧道工程(第5章-1)

1、隧道工程 第5章 隧道工程的结构设计及计算邵 鹏 中国矿业大学力学与建筑工程学院2022年3月8日星期二主要内容主要内容 隧道结构设计概述 隧道结构的荷载 隧道结构设计计算方法5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述（1）隧道结构体系的概念 1. 隧道结构设计概述隧道结构体系围岩支护结构初期支护二次衬砌通常是主要承载单元其稳定性对结构型式选择起决定作用其结构型式对结构承载力和经济性影响很大5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 （2）隧道结构体系的力学发展过程开挖后平衡三次应力状态（支护体系应力状态）一次应力状态（初始应力状态）二次应力状态（开挖后应力状态）支护四次应力状态（终极

2、应力状态）开挖前5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述形成机制：隧道开挖后，开挖面周围岩体解除了约束，原岩应力场平衡被破坏，引起应力重分布和位移。这种应力重分布仅限于一定范围内的岩体-围岩，而把重新分布后的应力状态叫做二次应力状态。1）二次应力状态一次应力状态弹性应力状态二次应力状态二次应力状态弹塑性应力状态稳定（自稳）岩体强度高整体性好断面形状有利超过部分围岩的屈服条件塑性滑移、松弛或破坏 5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 a.弹性二次应力状态围岩中的应力场和位移场5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 自由面的应力场和位移场侧压力系数对切向应力分布的影响应力场

3、a.弹性二次应力状态5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 自由面的应力场和位移场位移场侧压力系数对位移分布的影响a.弹性二次应力状态5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 a.弹性二次应力状态=1时=1时，自由面处主应力r和差值最大（2p0），因此隧道周边最容易破坏。5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 b.弹塑性二次应力状态塑性区的应力场 围岩中的应力超过其屈服条件，部分围岩处于塑性状态。 塑性区应力值与初始应力状态无关，仅取决于围岩本身的强度参数c、。（=1）5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 =1时，塑性区半径为塑性区范围塑性区范围不仅与围岩强度参

4、数有关，而且取决于围岩的初始应力状态。b.弹塑性二次应力状态5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 侧压力系数对塑性区的影响5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 隧道形状对塑性区的影响隧道埋深对塑性区的影响5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 2）三次应力状态 设置支护体系后，支护体系对围岩位移产生阻力（支护阻力）；支护结构受围岩压力作用也将产生变形。这一过程称为三次应力状态。5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 2）三次应力状态a.支护阻力对隧道周边应力分布的影响弹性三次应力状态假定支护阻力pa是径向的，且沿隧道周边均匀分布，则有：支护阻力的存在，使周壁

5、的径向应力增大，而使切向应力减小，使支护附近岩体由单向（或双向的）应力状态变为双向的 （或三向的）应力状态，从而提高了岩体承载力。5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 弹塑性三次应力状态塑性区半径随着支护阻力的加大而减小，说明径向阻力对限制围岩塑性区的发展起重要作用。使围岩的应力状态由二维变为三维，提高了抗屈服能力。（塑性区半径）5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 塑性区的位移弹塑性三次应力状态假定小变形的情况下，塑性区体积不变，则有 事实上，围岩在进入塑性状态后，体积要发生剪胀现象，故上式只能是近似公式。 1）荷载的模糊性和不确定性 2）围岩压力承载体系 围岩不仅是荷载

6、，同时又是承载体； 地层压力由围岩和支护结构共同承受； 充分发挥围岩的自承能力。 3）设计参数受施工方法和施作时机的影响很大5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述（3）隧道结构体系的受力特点2. 隧道结构体系的设计模型5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述结构体系设计模型工程类比法（Empirical Method）收敛-约束法（Convergence-confinement Method）荷载-结构模型（作用-反作用模型，Action-reaction Model）连续介质模型（Continuum Model，岩体力学模型）5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述（1）

7、工程类比法支护参数设计施工过程设计施工量测设计围岩分级时间效应1）工程类比影响因素基本因素易变因素降雨、地震、施工5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述2）工程类比法的流程支护参数设计施工过程设计施工量测设计围岩分级时间效应影响因素分析 1）收敛和约束的概念 隧道开挖时，由于自由面的形成，围岩开始向隧道内产生位移，这种位移称之为收敛。为保持围岩稳定性，开挖后适时地沿隧道周边设置支护结构，对岩体移动产生阻力，形成约束。直到支护阻力与围岩应力达到平衡形成力学上稳定的结构体系。 2）原理：以测量值为依据，把测试数据反馈于设计。 3）特点：能反映隧道围岩的实际应力及变形状态，使设计、施工与围岩

8、的实际动态相匹配。5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述（2）收敛-约束法 4）实施方法5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述两个阶段修正设计阶段施工前预设计阶段主要环节制定监测方案、确定测试内容、选择测试手段、实施监测计划原始数据整理、选择处理方法、提出处理结果现场监测根据反馈的信息，修改设计和指导施工信息反馈数据处理 5）判断围岩稳定性和支护结构工作状态的方法5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述a.收敛变形分析变形曲线分为三个阶段：变形速度小于0.2mm/d时认为围岩节本稳定。大秦铁路复合式衬砌隧道的标准为：隧道跨度10m时，水平收敛速率为0.2mm/d；5.15

9、.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述b.压力测试分析5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 1）观点：以支护结构为承载体，围岩作为荷载同时考虑其对支护结构的变形约束。用一般结构力学的方法进行计算。 2）适用：浅埋隧道及围岩塌落而出现松动压力的隧道。 3）特点：支护结构与围岩的相互作用通过围岩对支护结构产生弹性抗力来体现，而围岩承载能力则在确定围岩压力和弹性抗力时间接地考虑。这种模型概念清晰，计算简便。5

10、.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述（3）荷载-结构模型 4）分类 主动荷载模型主动荷载模型 主动荷载主动荷载+ +围岩弹性约束模型围岩弹性约束模型 实测荷载模型（实测压力法）实测荷载模型（实测压力法）5.35.3 隧道结构设计计算方法隧道结构设计计算方法5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述a.主动荷载模型 不考虑围岩与支护的相互作用，适用于围岩和支护刚度比较小时，或软弱地层对结构变形的约束能力较差时。 只要确定了支护结构上的主动荷载，就可用结构力学方法求解。5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述b.主动荷载+围岩弹性约束模型 认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且

11、由于围岩与支护相互作用，还对支护结构施加被动的弹性抗力。弹性抗力：弹性抗力：由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起的围岩对支护结构的反作用力。的围岩对支护结构的反作用力。 弹性抗力的形成机制：衬砌在受力过程中的变形，一部分有离开围岩形成“脱离区”的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓“抗力区”。在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩相应地产生被动抵抗力。5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 弹性抗力的确定：（a）局部变形理论；（b）共同变形理论。局部变形理论以Winkler假定为基础，认为应力和变形呈线性关系，比例系数K即为围岩弹性抗力系数。共同变形理论把围

12、岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间变形的相互影响。比较符合实际。5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 地层-荷载模型主要是对锚喷支护进行与设计。出发点 支护结构与围岩相互作用，组成一个共同承载体系，其中围岩为主要的承载结构，支护是镶嵌在围岩孔洞上的承载环，只是用来约束和限制围岩变形。两者共同作用的结果是使支护体系达到平衡状态。特点 能反映出隧道开挖后的围岩应力状态和充分发挥围岩的承载力。（4）地层-荷载模型5.15.1 隧道结构设计概述隧道结构设计概述 编号荷载类型荷 载 名 称1永久荷载（恒载）围岩压力2结构自重力3填土压力 水压力4混凝土收缩和徐变影响力5可变荷载基本可变荷载公

13、路车辆荷载，人群荷载6立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力和土压力7立交铁路列车活载及其所产生的冲击力和土压力8其它可变荷载立交渡槽流水压力9温度变化的影响力10冻胀力 施工荷载11偶然荷载落石冲击力，地震力5.25.2 隧道结构的荷载隧道结构的荷载 荷载组合：结构自重围岩压力附加恒载（基本）结构自重土压力公路荷载附加恒载结构自重土压力附加恒载施工荷载 温度作用力结构自重土压力附加恒载地震作用附加恒载：伴随隧道运营的各种设备设施的荷载等。5.25.2 隧道结构的荷载隧道结构的荷载（1）围岩压力及其分类 1）围岩压力广义概念：引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。包括由地应力引起的围岩

14、压力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。1. 主动地层压力（围岩压力）5.25.2 隧道结构的荷载隧道结构的荷载 2）围岩压力分类5.25.2 隧道结构的荷载隧道结构的荷载变形压力指由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩-支护结构在共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。松动压力膨胀压力冲击压力由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力。围岩中所积累的大量弹性变形能由于开挖突然释放出来时所产生的压力。指由于围岩吸水膨胀崩解所引起的压力。 5.25.2 隧道结构的荷载隧道结构的荷载变形压力松

15、动压力膨胀压力冲击压力弹性变形压力塑性变形压力流变压力变形阶段松动阶段塌落阶段成拱阶段岩石的流变：岩石在长期荷载作用下，应力、应变随时间而变化的性质。（2）深埋隧道松动压力 1）统计法-我国铁路隧道设计规范推荐方法 竖向均布（压力）作用5.25.2 隧道结构的荷载隧道结构的荷载S-围岩级别。围岩级别。 水平均布压力推荐值 上述公式的使用条件： 采用钻爆法施工的深埋隧道； 且H/B1.7的范围内（H为隧道高度，B为隧道宽度）没有显著偏压力及膨胀性压力的围岩。5.25.2 隧道结构的荷载隧道结构的荷载 2）普氏理论 将岩体视为散粒体，同时考虑结构面上的黏聚力。 岩体坚固性系数（似摩擦系数）为 天然

16、拱高度： 竖向均布压力为： 水平均布松动压力按朗肯公式计算：5.25.2 隧道结构的荷载隧道结构的荷载坚硬岩体松散破碎岩体适用于松散破碎的围岩。 3）太沙基理论 视岩体为散粒体，以松散介质平衡理论为计算基础。认为上方岩体因隧道开挖下沉，并产生错动面OAB。5.25.2 隧道结构的荷载隧道结构的荷载水平条带单元体 1）考虑两侧岩体加持作用时的计算方法 垂直压力5.25.2 隧道结构的荷载隧道结构的荷载（3）浅埋隧道主动地层压力 水平压力5.25.2 隧道结构的荷载隧道结构的荷载 2）全自重型的计算方法5.25.2 隧道结构的荷载隧道结构的荷载5.25.2 隧道结构的荷载隧道结构的荷载2. 有地下水时土压力的计算粘（1）地震对隧道的影响 剪切错位和振动。（2）地震力的计算方法 1）静力法(地震系数法) 假设隧道各部分与围岩有相同的振动，