隧道力学第1讲(中南大学施成华)

1、中南大学土木工程学院 隧道工程系 课程安排：第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型第2讲 隧道开挖后的力学行为 第3讲 隧道结构计算的结构力学方法（1）力法第4讲 隧道结构计算的结构力学方法（2）位移法第5讲 隧道结构计算的岩体力学方法第6讲 隧道施工工作面稳定性的力学分析第7讲 隧道辅助施工措施的力学分析第8讲 隧道力学计算中的特殊问题隧 道 力 学土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华 参考书目：（1）关宝树编，隧道力学概论（2）潘昌实编，隧道力学数值方法（3）彭立敏等编，隧道工程（4）夏永旭等编，隧道结构力学计算（5）孙钧等编著，地下结构（6）李志业等编，地下结构设计原理与方法

2、隧 道 力 学土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型本讲主要内容：1、隧道力学的基本概念2、隧道工程的特点及主要结构型式3、隧道力学的研究内容4、隧道力学的发展历史5、隧道结构的力学计算模型6、初始地应力场及隧道结构荷载形式1、隧道力学的基本概念 众所周知，隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不众所周知，隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的，但长期以来都沿用适应于地面工程的理论和方法来解决同的，但长期以来都沿用适应于地面工程的理论和方法来解决隧道过程中所遇到的各种问题，因而常常不能正确的阐明隧道隧道过程中所遇到的各种问题，因而常常不能正

3、确的阐明隧道工程出现的各种力学现象和过程，使得隧道工程长期处于工程出现的各种力学现象和过程，使得隧道工程长期处于“经经验设计验设计”和和“经验施工经验施工”局面。局面。 目前隧道工程正朝着目前隧道工程正朝着“信息化设计、信息化施工信息化设计、信息化施工”的目标的目标迈进，在隧道与地下工程由迈进，在隧道与地下工程由“经验经验”到到“科学科学”的转变过程中，的转变过程中，隧道力学将起着重要的主导作用隧道力学将起着重要的主导作用。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华1、隧道力学的基本概念 隧道力学隧道力学(Tunnel mechanics)(Tunnel mechanics)是是岩土力

4、学的一个重要组成岩土力学的一个重要组成部分部分。随着各种类型的地下结构物包括隧道。随着各种类型的地下结构物包括隧道 ( (洞洞) )、地下铁道、地下铁道、地下洞室、地下厂房、地下街道等在世界各地大量兴建，作为地下洞室、地下厂房、地下街道等在世界各地大量兴建，作为地下结构物设计理论基础的隧道力学日益显示出其重要性兼地下结构物设计理论基础的隧道力学日益显示出其重要性兼之过去数十年间地下结构理论有了很大发展，隧道力学从岩土之过去数十年间地下结构理论有了很大发展，隧道力学从岩土力学中划分出来成为一门独立学科的条件业已成熟。力学中划分出来成为一门独立学科的条件业已成熟。 隧道力学隧道力学是以岩体力学、工

5、程地质学、结构力学、弹塑性是以岩体力学、工程地质学、结构力学、弹塑性力学、以及建筑材料和结构设计原理为基础的一门综合性的边力学、以及建筑材料和结构设计原理为基础的一门综合性的边缘学科。缘学科。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华 围岩不仅是荷载，同时又是承载体；围岩不仅是荷载，同时又是承载体； 地层压力由围岩和支护结构共同承受；地层压力由围岩和支护结构共同承受； 充分发挥围岩自身承载力的重要性。充分发挥围岩自身承载力的重要性。 土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华外部支护外部支护 整体式混凝土衬砌整体式混凝土衬砌 砌石衬砌砌石衬砌 拼装式衬砌拼装式衬砌 喷射混凝土支

6、护喷射混凝土支护内部支护内部支护 锚杆锚杆 注浆注浆混合支护混合支护 喷锚支护喷锚支护 复合式衬砌复合式衬砌土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华轨 顶 面直 墙 式 衬 砌拱 圈直 边 墙铺 底直 墙 式 衬 砌 内 轨 顶 面曲 墙 式 衬 砌拱 圈曲 边 墙仰 拱土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华2 2）装配式混凝土衬砌）装配式混凝土衬砌土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华2%路线设计标高C25素砼隧底填充C10素砼初期支护防水层 模注二次衬砌隧道中线线路中线C25素砼复合式衬砌结构图 土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华土木工程学

7、院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华 隧道是处在各种地质环境中的地下结构，因此，它必将受隧道是处在各种地质环境中的地下结构，因此，它必将受到周围环境的强烈影响。所谓的地质环境包括：地质体的形成到周围环境的强烈影响。所谓的地质环境包括：地质体的形成及其经历；初始应力场（包括构造应力场在内）；各种地质体及其经历；初始应力场（包括构造应力场在内）；各种地质体的物理的、力学的、构造的和时间的特性及其分

8、类等。科学地的物理的、力学的、构造的和时间的特性及其分类等。科学地认识地质环境对地下结构的影响是正确地进行结构设计和施工认识地质环境对地下结构的影响是正确地进行结构设计和施工的前提。的前提。 此外，此外，隧道围岩的工程地质分类受到了极大的关注隧道围岩的工程地质分类受到了极大的关注，因为，因为隧道设计的工程类比方法大都是以围岩分类级别为依据的。隧道设计的工程类比方法大都是以围岩分类级别为依据的。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华 现

9、场测试和实验室试验是隧道力学不可缺少的组成部分。现场测试和实验室试验是隧道力学不可缺少的组成部分。设计和施工前的隧址工程地质勘探；施工过程中结构和围岩设计和施工前的隧址工程地质勘探；施工过程中结构和围岩（包括地面）的变形观测；这是指导施工和设计的重要反馈信（包括地面）的变形观测；这是指导施工和设计的重要反馈信息；实验室相似材料模型试验、光弹性模型试验以及离心机模息；实验室相似材料模型试验、光弹性模型试验以及离心机模型试验等；运营期间地下结构的静力和动力观测包括长时期的型试验等；运营期间地下结构的静力和动力观测包括长时期的结构变形和应变观测、对地震和车辆振动反应的观测等。现场结构变形和应变观测、

10、对地震和车辆振动反应的观测等。现场测试和实验室试验，测试和实验室试验，一方面为地下结构物的设计和计算提供数一方面为地下结构物的设计和计算提供数据，另一方面又是检验设计和计算是否正确性的重要手段据，另一方面又是检验设计和计算是否正确性的重要手段。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华 岩土物理力学性质和本构关系的研究，既是岩土力学工作岩土物理力学性质和本构关系的研究，既是岩土力学工作者的主要任务之一，也应该是隧道力学工作者的一项重要任务。者的主要任务之一，也应该是隧道力学工作者的一项重要任务。严格地说数值分析结果是否正确，往往取决于所选用的材料严格地说数值分析结果是否正确，往往取决于

11、所选用的材料本构模型和物理力学参数是否正确。本构模型和物理力学参数是否正确。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华4、隧道力学的发展历史 最早最早(19(19世纪初期世纪初期) )的隧道（洞）多以砖石材料作衬砌，采用的隧道（洞）多以砖石材料作衬砌，采用木支撑和断面分部开挖的方法施工。可以推断，当时隧道衬砌木支撑和断面分部开挖的方法施工。可以推断，当时隧道衬砌的设计是仿照拱桥进行的，其特点是的设计是仿照拱桥进行的，其特点是只考虑衬砌承受围岩的主只考虑衬砌承受围岩的主动荷载而未考虑围岩对衬砌变形的约束和由此产生的抗力动荷载而未考虑围岩对衬砌变形的约束和由此产生的抗力，因，因此衬砌厚度偏

12、大。此衬砌厚度偏大。 其后，不同学者和工程师们在设计隧道衬砌时其后，不同学者和工程师们在设计隧道衬砌时采用不同的采用不同的假定来计及围岩对衬砌变形所产生的抗力假定来计及围岩对衬砌变形所产生的抗力，其中温克尔，其中温克尔(winker)(winker)局部变形理论得到了广泛应用。这方面的代表学者有：局部变形理论得到了广泛应用。这方面的代表学者有：O O康姆康姆裂尔裂尔(1910)(1910)，B BH H许特和许特和S S约翰勒逊约翰勒逊(1922)(1922)，A.A.布耳布耳(1944)(1944)，H H舒尔茨和舒尔茨和H H杜德克杜德克(1964)(1964)等。等。土木工程学院隧道工程

13、系土木工程学院隧道工程系施成华 与此同时，与此同时，将村砌和围岩视作连续介质模型将村砌和围岩视作连续介质模型进行分析的方进行分析的方法也得到了发展，其中代表量学者有：法也得到了发展，其中代表量学者有：H H史密特史密特(1926)(1926)，J J塔罗勃塔罗勃(1957)(1957)，H H卡斯特勒卡斯特勒(1960)(1960)，A AM M缪尔伍德缪尔伍德(1975)(1975)。 5050年代以来，喷射混凝土和锚杆被广泛用作初期支护。人年代以来，喷射混凝土和锚杆被广泛用作初期支护。人们逐渐认识到，这种支护能在保证围岩稳定的同时允许其有一们逐渐认识到，这种支护能在保证围岩稳定的同时允许其

14、有一定程度的变形，定程度的变形，使围岩内部应力得到调整从而发挥其自持作用使围岩内部应力得到调整从而发挥其自持作用，因此可以将内层衬砌的厚度减小很多。因此可以将内层衬砌的厚度减小很多。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华 6060年代中期，随着数字电子计算机的更新和岩土本构定律年代中期，随着数字电子计算机的更新和岩土本构定律研究的进展，研究的进展，隧道工程分析方法进入了以有限元法为代表的数隧道工程分析方法进入了以有限元法为代表的数值分析时期值分析时期。这方面的代表学者有：。这方面的代表学者有：S SF F瑞亚斯和瑞亚斯和D DV V迪迪尔尔(1966)(1966)，0 0C C辛克

15、维奇等辛克维奇等(1968)(1974)(1968)(1974)，E EL L威尔逊威尔逊(1968)(1968)，F FH H库乐荷威库乐荷威(1975)(1975)，W W维特基维特基(1977)(1977)。 近年来数值分析有了新的进展，无限单元、边界单元、离近年来数值分析有了新的进展，无限单元、边界单元、离散单元、节理单元等在地下结构静力和动力分析中得到了广泛散单元、节理单元等在地下结构静力和动力分析中得到了广泛应用。应用。隧道工程反分析法有了发展，隧道工程反分析法有了发展，其要旨是根据现场测得的其要旨是根据现场测得的围岩变形数据反演推算围岩的各种物理力学参数和初始地应力围岩变形数据反

16、演推算围岩的各种物理力学参数和初始地应力等。等。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华 由于地下结构物的地质条件和它们的用途、使用期由于地下结构物的地质条件和它们的用途、使用期限以及运营条件的不同，需要采用不同的设计计算方限以及运营条件的不同，需要采用不同的设计计算方法。同时，经验、工程类比和工程师们的判断也都是法。同时，经验、工程类比和工程师们的判断也都是必要的。有头脑的工程师们善于必要的。有头脑的工程师们善于尊重隧道力学对某项尊重隧道力学对某项具体工程的分析成果，并根据自己的经验和判断做出具体工程的分析成果，并根据自己的经验和判断做出合理的设计和施工方案来指导设计和施工合理的设

17、计和施工方案来指导设计和施工。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华5、隧道结构的力学计算模型（1）国内外常用的隧道结构计算模型 国际隧道协会国际隧道协会(ITA)(ITA)于于19781978年曾成立结构设计模型年曾成立结构设计模型研究组研究组(Working Group on Structural design (Working Group on Structural design Models)Models)，其任务在于汇集与交流各会员国所采用的结，其任务在于汇集与交流各会员国所采用的结构设计模型。该工作组于构设计模型。该工作组于19811981年提出了工作报告，给年提出了工

18、作报告，给出了各会员国对四种不同类型的隧道所采用的结构设出了各会员国对四种不同类型的隧道所采用的结构设计模型计模型。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华（1）国内外常用的隧道结构计算模型土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华 由此，目前国内外采用的隧道结构设计模型可归纳为四种由此，目前国内外采用的隧道结构设计模型可归纳为四种类型：类型： 1 1）以工程类比为依据的经验法以工程类比为依据的经验法（Empirical MethodEmpirical Method）。）。 2 2）以测试为依据的实用法以测试为依据的实用法。包

19、括收敛。包括收敛约束法约束法(convergenceconfinement Method)(convergenceconfinement Method)、现场和实验室的岩土力、现场和实验室的岩土力学试验、应力学试验、应力( (应变应变) )量测以及实验室模型试验。量测以及实验室模型试验。 3 3）结构力学方法结构力学方法（作用（作用反作用模型，反作用模型，Action-reaction Action-reaction Model)Model)，例如弹性地基框架，弹性地基圆环（全部支承或部分，例如弹性地基框架，弹性地基圆环（全部支承或部分支承），矩阵位移法等。这种模型亦可称为荷载支承），矩阵位移

20、法等。这种模型亦可称为荷载结构法。结构法。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华 4 4）岩体力学方法岩体力学方法（连续介质模型，（连续介质模型，Continuum Model)Continuum Model)，包，包括解析法和数值法两种主要的方法。解析法又分为封闭解和近括解析法和数值法两种主要的方法。解析法又分为封闭解和近似解两种方法，目前它已逐渐被数值法所取代。数值法以有限似解两种方法，目前它已逐渐被数值法所取代。数值法以有限元法为主，这种模型亦可称之为连续介质力学法。元法为主，这种模型亦可称之为连续介质力学法。 隧道工程技术人员在设计隧道与地下结构物时，隧道工程技术人员在设计

21、隧道与地下结构物时，往往要考虑往往要考虑和比较各种方法，或以某一种方法为主，以其它的方法作为校和比较各种方法，或以某一种方法为主，以其它的方法作为校核。核。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华 该方法认为围岩对支护结构的作用只是产生作用在结构上的该方法认为围岩对支护结构的作用只是产生作用在结构上的荷载（包括主动的围岩压力和被动的围岩弹性抗力），该模型荷载（包括主动的围岩压力和被动的围岩弹性抗力），该模型是仿效地面结构的计算模型，是仿效地面结构的计算模型，即将荷载作用在结构上，用一般即将荷载作用在结构上，用一般结构力学的方法进行计算结构力学的方法进行计算。在这类模型中隧道支护结构与

22、围岩。在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作用是通过围岩对支护结构的变形产生的相互作用是通过围岩对支护结构的变形产生弹性抗力弹性抗力来体现来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性抗力时间接地的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性抗力时间接地考虑。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的主动压力越小，考虑。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的主动压力越小，而约束支护结构变形的弹性抗力越大，相对来说，支护结构所而约束支护结构变形的弹性抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。起的作用就变小了。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华 这一类计算模型这一类计算模型主要适用于围

23、岩因过分变形而发生松弛和主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和坍塌，支护结构主动承担围岩坍塌，支护结构主动承担围岩“松动压力松动压力”的情况的情况。利用这类。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产生的松动压力），护结构上的主动荷载（其中最主要的是围岩产生的松动压力），以及围岩给支护结构的弹性抗力。以及围岩给支护结构的弹性抗力。 荷载荷载结构模型在隧道工程的初期，曾经被广泛地采用，因结构模型在隧道工程的初期，曾经被广泛地采用，因为它与当时的施工技术水平是相符的。由于这种计算模型为它

24、与当时的施工技术水平是相符的。由于这种计算模型概念概念清晰，计算简便清晰，计算简便，易于被工程师们所接受，故至今仍较为广泛，易于被工程师们所接受，故至今仍较为广泛的使用，尤其是对模筑混凝土衬砌。的使用，尤其是对模筑混凝土衬砌。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华 它是它是将支护结构与围岩视为一体，作为共同承受荷载的隧道将支护结构与围岩视为一体，作为共同承受荷载的隧道结构体系结构体系，故又称为复合整体模型。这种模型，故又称为复合整体模型。这种模型主要应用于由于主要应用于由于围岩变形而引起的压力围岩变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩的共，压力值必须通过支护结构与围岩的共同作用而求得，这是反映当前现代支护结构