秋隧道结构设计原理10学习教案

1、会计学1秋隧道秋隧道(sudo)结构设计原理结构设计原理10第一页，共196页。隧道结构计算的任务，就是采用数学力学的方法隧道结构计算的任务，就是采用数学力学的方法，计算分析在隧道修筑的整个过程中（包括竣工，计算分析在隧道修筑的整个过程中（包括竣工运营运营(ynyng)）隧道围岩及衬砌的强度、刚度及）隧道围岩及衬砌的强度、刚度及稳定性，为隧道的设计及施工提供具体设计参数稳定性，为隧道的设计及施工提供具体设计参数。 第1页/共196页第二页，共196页。第2页/共196页第三页，共196页。5.1隧道设计计算(j sun)理论的发展 5.3结构力学方法(fngf)5.4岩体力学方法5.5信息反馈

2、方法及经验方法5.6隧道支护的结构类型及设计5.2围岩压力第3页/共196页第四页，共196页。一、隧道设计(shj)理论的发展二、隧道支护结构计算(j sun)理论的发展三、计算模型第4页/共196页第五页，共196页。1支护系统支护系统(xtng)的组成和类型的发展的组成和类型的发展 2支护系统支护系统(xtng)的设计计算理论的发展的设计计算理论的发展3支护系统承载能力及安全度评定的完善支护系统承载能力及安全度评定的完善4支护系统设计手段的发展支护系统设计手段的发展5支护系统的设计计算模型支护系统的设计计算模型第5页/共196页第六页，共196页。1支护系统的组成和类型支护系统的组成和类

3、型(lixng)的发展的发展 第6页/共196页第七页，共196页。2支护系统支护系统(xtng)的设计计算理论的发展的设计计算理论的发展第7页/共196页第八页，共196页。3支护系统支护系统(xtng)承载能力及安全度评定的完善承载能力及安全度评定的完善第8页/共196页第九页，共196页。4支护支护(zh h)系统设计手段的发展系统设计手段的发展第9页/共196页第十页，共196页。5支护系统的设计支护系统的设计(shj)计算模型计算模型第10页/共196页第十一页，共196页。1.刚性刚性(n xn)结构阶段结构阶段2.弹性弹性(tnxng)结构结构阶段阶段3.连续介质阶段连续介质阶段

4、第11页/共196页第十二页，共196页。19世纪的地下建筑物大都是以砖石材料世纪的地下建筑物大都是以砖石材料(cilio)砌筑的拱形圬工结构。砌筑的拱形圬工结构。 最先出现最先出现(chxin)的计算理论是将地下结构视为刚性结构的压力线理论。的计算理论是将地下结构视为刚性结构的压力线理论。 压力线理论认为，地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构，所压力线理论认为，地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构，所受的主动荷载是地层压力，当地下结构处于极限平衡状态时，它受的主动荷载是地层压力，当地下结构处于极限平衡状态时，它是由绝对刚体组成的三铰拱静定体系，铰的位置分别假设在墙底是由绝对刚体组成的三铰拱静

5、定体系，铰的位置分别假设在墙底和拱顶，其内力可按静力学原理进行计算。和拱顶，其内力可按静力学原理进行计算。这种计算理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重力，没有考虑围这种计算理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重力，没有考虑围岩自身的承载能力。岩自身的承载能力。压力线假设的计算方法缺乏理论依据，一般情况偏于保守，所设计压力线假设的计算方法缺乏理论依据，一般情况偏于保守，所设计的衬砌厚度将偏大很多。的衬砌厚度将偏大很多。第12页/共196页第十三页，共196页。1.刚性刚性(n xn)结构阶段结构阶段第13页/共196页第十四页，共196页。19世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材

6、料陆续出现，并用于建造地下工程，使世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现，并用于建造地下工程，使地下结构具有较好的整体性。从这时起，地下结构开始按弹性连续地下结构具有较好的整体性。从这时起，地下结构开始按弹性连续(linx)拱拱形框架用超静定结构力学方法计算结构内力。形框架用超静定结构力学方法计算结构内力。 作用作用(zuyng)在结构上的荷载是主动的地层压力，并考虑了地层对结构在结构上的荷载是主动的地层压力，并考虑了地层对结构产生的弹性反力的约束作用产生的弹性反力的约束作用(zuyng)。 这类计算理论认为，当地下结构埋置深度较大时，作用在结构上这类计算理论认为，当地下结构埋置深度较大时，

7、作用在结构上的压力不是上覆岩层的重力而只是围岩坍落体积内松动岩体的重的压力不是上覆岩层的重力而只是围岩坍落体积内松动岩体的重力力松动压力。松动压力。但当时并没有认识到这种塌落并不是形成围岩压力的唯一来源，也不是所有的但当时并没有认识到这种塌落并不是形成围岩压力的唯一来源，也不是所有的情况都会发生塌落，更没有认识到通过稳定围岩，可以发挥围岩的自身承载能情况都会发生塌落，更没有认识到通过稳定围岩，可以发挥围岩的自身承载能力。力。 第14页/共196页第十五页，共196页。对于围岩对于围岩(wi yn)自身承载能力的认识有又分为两个阶段自身承载能力的认识有又分为两个阶段：（1）假定）假定(jidng

8、)弹性反弹性反力阶段力阶段（2）弹性地基）弹性地基(dj)梁阶段梁阶段 20世纪初期，假定弹性反力的分布图世纪初期，假定弹性反力的分布图形位置线为三角形或梯形形位置线为三角形或梯形1934年，按结构的变形曲线假定地层弹性年，按结构的变形曲线假定地层弹性反力的分布图形为月牙形反力的分布图形为月牙形 局部变形弹性地基梁理论局部变形弹性地基梁理论 共同变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论 第15页/共196页第十六页，共196页。第16页/共196页第十七页，共196页。第17页/共196页第十八页，共196页。20世纪中期以来，连续介质力学世纪中期以来，连续介质力学(l xu)理论理论 这种计

9、算方法以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内变形而释放的围岩压这种计算方法以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内变形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。一方面围岩本身由于支护结构力将由支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护阻力，从而引起它的应力调整达到提供了一定的支护阻力，从而引起它的应力调整达到(d do)新的平衡，另一方面，新的平衡，另一方面，由于支护结构阻止围岩变形，它必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形。这种反由于支护结构阻止围岩变形，它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

10、压力极不相同，它是支护结构与围岩共同变形过程中对支护结构作用力和围岩的松动压力极不相同，它是支护结构与围岩共同变形过程中对支护结构施加的压力，称为形变压力。施加的压力，称为形变压力。这种计算方法的重要特征是把支护结构与岩体作为一个统一的力学体系来考虑这种计算方法的重要特征是把支护结构与岩体作为一个统一的力学体系来考虑。两者之间的相互作用则与岩体的初始应力状态、岩体的特性、支护结构的特。两者之间的相互作用则与岩体的初始应力状态、岩体的特性、支护结构的特性、支护结构与围岩的接触条件以及参与工作的时间等一系列因素有关，其中性、支护结构与围岩的接触条件以及参与工作的时间等一系列因素有关，其中也包括施工

11、技术的影响。也包括施工技术的影响。 第18页/共196页第十九页，共196页。锚杆与喷射混凝土一类新型支护锚杆与喷射混凝土一类新型支护(zh h)的出现和与此相应的一整套新奥地利隧道设的出现和与此相应的一整套新奥地利隧道设计施工方法的兴起，终于形成了以岩体力学原理为基础的、考虑支护计施工方法的兴起，终于形成了以岩体力学原理为基础的、考虑支护(zh h)与围岩与围岩共同作用的地下工程现代支护共同作用的地下工程现代支护(zh h)理论。理论。 到到20世纪世纪80年代又将现场监控量测与理论分析结合起来，发展成为年代又将现场监控量测与理论分析结合起来，发展成为一种适应地下工程特点和当前一种适应地下工

12、程特点和当前(dngqin)施工技术水平的新设计方施工技术水平的新设计方法法现场监控设计方法（也称信息化设计方法）。现场监控设计方法（也称信息化设计方法）。 目前，工程中主要使用的工程类比目前，工程中主要使用的工程类比(lib)设计法，也正向着定量化、精确化和科学设计法，也正向着定量化、精确化和科学化方向发展。化方向发展。 在地下工程支护结构设计中应用可靠性理论、推行概率极限状态设在地下工程支护结构设计中应用可靠性理论、推行概率极限状态设计研究方面也取得了重要进展。计研究方面也取得了重要进展。 随机有限元（包括摄动法、纽曼法、最大熵法和响应面法等）、随机有限元（包括摄动法、纽曼法、最大熵法和响

13、应面法等）、Monte-Carlo模拟、随机块体理论和随机边界元法等一系列新的地下工程支护结构模拟、随机块体理论和随机边界元法等一系列新的地下工程支护结构理论分析方法近年来都有了较大的发展。理论分析方法近年来都有了较大的发展。 第19页/共196页第二十页，共196页。（一）计算模型(mxng)种类（三）隧道工程(gngchng)的两大理论比较（二）常用计算模型第20页/共196页第二十一页，共196页。理想的隧道理想的隧道(sudo)工程的数学力学模型应能反映这些因素：工程的数学力学模型应能反映这些因素： 与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态以及与支护结构与实际工作状态一致，能反映围岩的

14、实际状态以及与支护结构(jigu)的接的接触状态。触状态。荷载假定应与在修建洞室过程（各作业阶段）中荷载发生的情况一致。荷载假定应与在修建洞室过程（各作业阶段）中荷载发生的情况一致。材料性质和数学表达要等价。材料性质和数学表达要等价。算出的应力状态要与经过长时间使用的结构所发生的应力变化和破坏现象一致算出的应力状态要与经过长时间使用的结构所发生的应力变化和破坏现象一致。 第21页/共196页第二十二页，共196页。国际隧道协会归纳的四种国际隧道协会归纳的四种(s zhn)设计模型：设计模型： 以参照过去以参照过去(guq)隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法；隧道工程实践经验进行工程类

15、比为主的经验设计法； 以现场以现场(xinchng)量测和实验室试验为主的实用设计方法，例如以量测和实验室试验为主的实用设计方法，例如以洞周位量测值为根据的收敛约束法；洞周位量测值为根据的收敛约束法； 作用与反作用模型，即荷载作用与反作用模型，即荷载结构模型，例如弹性地基圆环计算和弹结构模型，例如弹性地基圆环计算和弹性地基框架计算等计算法；（结构力学模型）性地基框架计算等计算法；（结构力学模型） 连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。（岩体力学模型）法。（岩体力学模型） 第22页/共196页第二十三页，共

16、196页。地下地下(dxi)结构设计计算方法结构设计计算方法结构力学方法结构力学方法(fngf)岩体力学岩体力学(l xu)方法方法信息反馈方法信息反馈方法经验方法经验方法第23页/共196页第二十四页，共196页。图5-23 隧道计算模型1、结构力学模型、结构力学模型(mxng) 2、岩体力学、岩体力学(l xu)模型模型 第24页/共196页第二十五页，共196页。松弛（动）荷载松弛（动）荷载(hzi)理论理论 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“松动松动(sngdng)”压力的情况。压力的情况。 它

17、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。在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作来源和支护结构的弹性支承。在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的，而围岩的承载能力则在用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。围岩的承载能力越高确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支承约束支护结构变形的抗力越大，它给予支护结构的压力越小，

18、弹性支承约束支护结构变形的抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。相对来说，支护结构所起的作用就变小了。 关键问题关键问题 如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的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所产生的松动压力、以及弹性支承给支护结构的弹性围岩所产生的松动压力、以及弹性支承给支护结构的弹性抗力抗力 （荷载（荷载结构模型、作用结构模型、作用反作用模型）反作用模型）第25页/共196页第二十六页，共196页。现代围岩现代围岩(wi yn)共同承载共同承载理论理论 它是将支护结构它是将支护结构(jigu)与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构与围岩视为一体，

19、作为共同承载的隧道结构(jigu)体系。在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构体系。在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构(jigu)只是用来约束和限制围岩的变形，只是用来约束和限制围岩的变形， 在围岩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。等等。 可以用解析法求解，或用收敛可以用解析法求解，或用收敛约束法图解，但绝大部分问题，因数学上的困约束法图解，但绝大部分问题，因数学上的困难必须依赖数值方法

20、，尤其是有限单元法。难必须依赖数值方法，尤其是有限单元法。 关键问题关键问题 如何确定围岩的初始应力场，以及表示材料非线性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。特性的各种参数及其变化情况。 （围岩（围岩结构模型、复合整体模型、结构模型、复合整体模型、收敛收敛约束模型）约束模型）第26页/共196页第二十七页，共196页。松弛荷载松弛荷载(hzi)理论理论 围岩承载围岩承载(chngzi)理论理论 核心内容：核心内容：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载；稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载；不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用

21、支护结构予以支承。这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩以支承。这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。 代表人物：代表人物：太沙基（太沙基（K.Terzaghi）和普氏）和普氏 以传统矿山法为基础以传统矿山法为基础 核心内容核心内容：围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力；不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果在这个过；不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能够进入稳定程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能够进入稳定状态。状态。 代表人物

22、：代表人物：腊布希维兹、米勒腊布希维兹、米勒菲切尔、芬纳菲切尔、芬纳塔罗勃塔罗勃和卡斯特奈和卡斯特奈以新奥法为基础以新奥法为基础 第27页/共196页第二十八页，共196页。第28页/共196页第二十九页，共196页。第29页/共196页第三十页，共196页。2022-4-15第30页/共196页第三十一页，共196页。2022-4-15（一）围岩(wi yn)压力（二）围岩(wi yn)压力分类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变形或是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力以及围破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力以及围岩变形受

23、阻而作用在支护结构上的作用力。岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。1.松动压力松动压力2.形变压力形变压力3.膨胀压力膨胀压力4.冲击压力冲击压力广义？广义？狭义？狭义？第31页/共196页第三十二页，共196页。2022-4-15松动压力常通过下列三种情况发生：松动压力常通过下列三种情况发生： （1）在整体稳定的岩体中，可能出）在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；现个别松动掉块的岩石； （2）在松散）在松散(sngsn)软弱的岩体软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；中，坑道顶部和两侧边帮冒落； （3）在节理发育的裂隙岩体中，围）在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发生

24、剪切破坏或岩某些部位沿软弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落拉坏等局部塌落1.松动松动(sngdng)压力压力由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式(xngsh)直接作用直接作用在支护结构上的压力称为松动压力。在支护结构上的压力称为松动压力。采用松散介质极限平衡理论，或块体极限平衡理论计算分析。采用松散介质极限平衡理论，或块体极限平衡理论计算分析。 第32页/共196页第三十三页，共196页。2022-4-15冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能以后，由冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能以后，由于隧道的开挖，围岩的约束于隧道的开挖，围岩的约束(yush)

25、被解除，能量突然被解除，能量突然释放所产生的压力。释放所产生的压力。2形变形变(xngbin)压力压力形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结构护等的抑制，而使围岩与支护结构(jigu)共同变形过程共同变形过程中，围岩对支护结构中，围岩对支护结构(jigu)施加的接触压力。采用塑性施加的接触压力。采用塑性理论计算。理论计算。 3膨胀压力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崩解所引起的压力称为膨胀压力膨胀压力。可以采用弹塑

26、性理论配。可以采用弹塑性理论配合流变性理论进行分析。合流变性理论进行分析。 4冲击压力冲击压力第33页/共196页第三十四页，共196页。2022-4-15工程工程(gngchng)因素因素地质地质(dzh)因素因素初始应力状态初始应力状态岩石力学性质岩石力学性质岩体结构面岩体结构面施工方法施工方法坑道形状坑道形状支护设置时间支护设置时间支护刚度支护刚度第34页/共196页第三十五页，共196页。2022-4-15隧道模筑衬砌所受的围岩压力，是衬砌为了隧道模筑衬砌所受的围岩压力，是衬砌为了(wi le)阻止岩块松阻止岩块松弛或岩块移动下塌等形成的荷载。弛或岩块移动下塌等形成的荷载。 第35页/

27、共196页第三十六页，共196页。2022-4-15（1）变形阶段（）变形阶段（a）（2）松动）松动(sngdng)阶段（阶段（b）（3）塌落阶段（）塌落阶段（c）（4）成拱阶段（）成拱阶段（d）“成拱作用成拱作用(zuyng)” 坑道开挖后围岩由形变坑道开挖后围岩由形变(xngbin)到坍塌成拱的整个变形过程：到坍塌成拱的整个变形过程：第36页/共196页第三十七页，共196页。2022-4-15（3）施工）施工(sh gng)因素因素围岩地质条件围岩地质条件(tiojin)、支护结构架设时间、刚度以及它与围、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态等因素外，还有以下诸因素：岩的接触状态

28、等因素外，还有以下诸因素：（1）隧道）隧道(sudo)的形状和尺的形状和尺寸寸（2）隧道的埋深）隧道的埋深隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩的隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩的松动压力也越大。松动压力也越大。只有当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然只有当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然拱，习惯上，将这种隧道称为深埋隧道，否则称为浅埋拱，习惯上，将这种隧道称为深埋隧道，否则称为浅埋隧道。隧道。 自然拱范围影响因素自然拱范围影响因素第37页/共196页第三十八页，共196页。2022-4-15（一）深埋隧道围岩松动压力的确定(qudng)方法（二）浅埋隧道围

29、岩松动压力(yl)的确定方法（三）围岩压力计算实例（四）偏压隧道围岩压力的确定（五）明挖浅埋隧道围岩压力的确定确定围岩松动压力的方法确定围岩松动压力的方法经验法或工程类比法经验法或工程类比法现场实地量测；现场实地量测； 按理论公式计算确定；按理论公式计算确定； （六）大跨隧道与小净距隧道围岩压力探讨第38页/共196页第三十九页，共196页。2022-4-15*1、我国铁路隧道设计规范（隧规）推荐、我国铁路隧道设计规范（隧规）推荐(tujin)方方法法深埋隧道松动压力仅是隧道周边某一破坏范围深埋隧道松动压力仅是隧道周边某一破坏范围(fnwi)（自然拱（自然拱）内岩体的重量，而与隧道埋置深度无关

30、。）内岩体的重量，而与隧道埋置深度无关。 2、普氏理论、普氏理论3、泰沙基理论、泰沙基理论第39页/共196页第四十页，共196页。2022-4-151、我国铁路隧道、我国铁路隧道(sudo)设计规范（隧规）推设计规范（隧规）推荐方法荐方法单线铁路隧道按概率单线铁路隧道按概率(gil)极限状态设计时极限状态设计时sq79. 141. 0hq单线单线(dnxin)、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时及公路隧道计时及公路隧道1Sq245. 0hq垂直压力垂直压力q水平分布松动压力水平分布松动压力e第40页/共196页第四十一页，共196页。2022-4-15式中式中

31、hq等效荷载等效荷载(hzi)高度值；高度值； s围岩级别，如围岩级别，如级围岩级围岩s=3； 围岩的容重；围岩的容重； 宽度影响系数，宽度影响系数， B坑道宽度，以坑道宽度，以m计，计， i每增加每增加lm时，围岩压力的增减率（以时，围岩压力的增减率（以B= 5m为基准），当为基准），当B5m时取时取i=0.2, B 5m时，取时，取i=0 1。H/B1.7(H为坑道的高度）；为坑道的高度）；深埋隧道；深埋隧道；不产生显著的偏压力不产生显著的偏压力(yl)及膨胀压力及膨胀压力(yl)的一般围岩；的一般围岩；采用钻爆法施工的隧道采用钻爆法施工的隧道 公式适用公式适用(shyng)条件条件)5B

32、( i1sq79. 141. 0hq1Sq245. 0hqsq79. 141. 0h1Sq245. 0h第41页/共196页第四十二页，共196页。2022-4-15垂直松动垂直松动(sngdng)压力的分布图压力的分布图用等效荷载，即非均布压力的总和应与均布压力的总和相等的方法用等效荷载，即非均布压力的总和应与均布压力的总和相等的方法(fngf)来确定各荷载图形的高度值。来确定各荷载图形的高度值。 第42页/共196页第四十三页，共196页。2022-4-152、普氏理论、普氏理论(lln)“坚固坚固(jing)性系数性系数”f（又称侧摩（又称侧摩擦系数）擦系数）岩体的抗剪强度岩体的抗剪强度

33、(qingd)ctanf 又有又有0tg/ ) ctg(/f所以所以 式中式中、0岩体的内摩擦角和似摩擦角；岩体的内摩擦角和似摩擦角； 、岩体的抗剪强度和剪切破坏时的正应力；岩体的抗剪强度和剪切破坏时的正应力； c岩体的粘结力岩体的粘结力 第43页/共196页第四十四页，共196页。2022-4-15第44页/共196页第四十五页，共196页。2022-4-15普氏基于普氏基于(jy)“自然拱自然拱”概念的计算理论：概念的计算理论： f /bhtk式中式中hk自然拱高度自然拱高度(god)； bt自然拱的半跨度。自然拱的半跨度。在具有一定粘结力的松散介质中开挖坑道后，其上方会形成在具有一定粘结

34、力的松散介质中开挖坑道后，其上方会形成(xngchng)一个抛物线形的自然拱，作用在支护结构上的围岩一个抛物线形的自然拱，作用在支护结构上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重量。而自然拱的形状和尺寸（即压力就是自然拱内松散岩体的重量。而自然拱的形状和尺寸（即它的高度和跨度）均与岩体的坚固性系数它的高度和跨度）均与岩体的坚固性系数f有关。有关。)2/45(tgHbb0tt式中式中b坑道的净跨之半；坑道的净跨之半； Ht坑道的净高；坑道的净高； 岩体的摩擦角。岩体的摩擦角。 坚硬的岩体中坚硬的岩体中松散和破碎岩体中松散和破碎岩体中第45页/共196页第四十六页，共196页。2022-4-15khq)

35、245(tg)H21q(e02t围岩围岩(wi yn)垂直均布松垂直均布松动压力动压力围岩水平围岩水平(shupng)均布均布松动压力松动压力第46页/共196页第四十七页，共196页。2022-4-15例题例题(lt)： 如图所示公路隧道，围岩如图所示公路隧道，围岩(wi yn)f=1.5，硬粘土，硬粘土，k=60,=22kN/m3。试用普氏理。试用普氏理论确定围岩论确定围岩(wi yn)压力值。压力值。 第47页/共196页第四十八页，共196页。2022-4-150dh2b-dhtg22b)d(2b0vvvv3、泰沙基理论、泰沙基理论(lln)将岩体视为散粒体，坑道开挖后，其上方的岩体因

36、坑道的变形而下沉，并产生如图所示的错动面将岩体视为散粒体，坑道开挖后，其上方的岩体因坑道的变形而下沉，并产生如图所示的错动面OAB 。假定作用在任何水平面上假定作用在任何水平面上(min shn)的竖向压应力的竖向压应力v是匀布的，相应的水平力：是匀布的，相应的水平力：h=v（为侧压力系数为侧压力系数(xsh)）在地面深度为在地面深度为h处取出一厚度为处取出一厚度为dh的水平条带单元体，考虑其平衡条件的水平条带单元体，考虑其平衡条件V=0，得出，得出展开后，得展开后，得0dhbtgd0vv第48页/共196页第四十九页，共196页。2022-4-15)e1 (tgbbhtg0v0bhtg0e0

37、vtgb0vtgbfbv解上述微分方程解上述微分方程(wi fn fn chn)，并引进边界条件（当，并引进边界条件（当h=0，v=0），得洞顶岩层中任意点的垂直压力为），得洞顶岩层中任意点的垂直压力为随着随着(su zhe)坑道埋深坑道埋深h的加大，的加大，趋于一个趋于一个(y )固定值固定值，且且泰沙基根据实验结果，得出泰沙基根据实验结果，得出=11.5，取，取=1，则，则如以如以tg0f代入，得代入，得侧向均布压力按朗金公式计算：侧向均布压力按朗金公式计算：)245(tg)H21(e02tv第49页/共196页第五十页，共196页。2022-4-151、深、浅埋隧道、深、浅埋隧道(sud

38、o)的判定原则的判定原则2、浅埋隧道围岩松动、浅埋隧道围岩松动(sngdng)压力的压力的确定方法确定方法第50页/共196页第五十一页，共196页。2022-4-151、深、浅埋隧道的判定、深、浅埋隧道的判定(pndng)原原则则qp2.5)h2(H 式中，式中，Hp深浅埋隧道分界的深度；深浅埋隧道分界的深度； hq等效荷载等效荷载(hzi)高度值。高度值。 当隧道当隧道(sudo)覆盖层厚度覆盖层厚度hHp时为深埋，时为深埋，hHp时为浅埋时为浅埋 sq79. 141. 0h1Sq245. 0h其系数在松软的围岩中取高限，而在较坚硬围岩中取低限，如其系数在松软的围岩中取高限，而在较坚硬围岩

39、中取低限，如矿山法施工条件下，矿山法施工条件下，、级围岩取级围岩取2， 、围岩取围岩取2.5。对于某些情况，则应作具体分析后确定。对于某些情况，则应作具体分析后确定。 第51页/共196页第五十二页，共196页。2022-4-152、浅埋隧道围岩、浅埋隧道围岩(wi yn)松动压力的确定松动压力的确定方法方法当隧道埋深不大时，不能形成当隧道埋深不大时，不能形成“自然拱自然拱”。采用松散介质极限平。采用松散介质极限平衡理论进行衡理论进行(jnxng)分析。分析。滑动岩体重量滑面上的阻力支护结构滑动岩体重量滑面上的阻力支护结构(jigu)的反作用力的反作用力支护结构支护结构(jigu)的反作用力的

40、反作用力=围岩松动压力围岩松动压力则则围岩松动压力滑动岩体重量一滑面上的阻力围岩松动压力滑动岩体重量一滑面上的阻力第52页/共196页第五十三页，共196页。2022-4-15隧道埋深隧道埋深h小于或等于等效荷载小于或等于等效荷载(hzi)高度高度hq（hhq）忽略滑面上的摩擦阻力，则围岩垂直忽略滑面上的摩擦阻力，则围岩垂直(chuzh)匀布压力：匀布压力：hq围岩围岩(wi yn)容容重；重；h隧道埋置深度隧道埋置深度围岩水平均布压力围岩水平均布压力e按朗金公式计算按朗金公式计算)245(tg)H21q(e02t第53页/共196页第五十四页，共196页。2022-4-15隧道埋深隧道埋深h

41、大于等效大于等效(dn xio)荷载高度荷载高度hq（即（即hhq）第54页/共196页第五十五页，共196页。2022-4-15第55页/共196页第五十六页，共196页。2022-4-152sin211TWQtgtgtgtgtgtg00020) 1(cosh21T21)tghB(hQhKBtgh1hBQq）求作用在隧道支护结构上的围岩松动求作用在隧道支护结构上的围岩松动(sngdng)压力值，其步骤如下：压力值，其步骤如下：式中，式中，W1W1为已知的为已知的EFHGEFHG的土体重的土体重(tzhng)(tzhng)，T1sin2T1sin2为为EFHGEFHG土体下滑时受两侧土体挟制的

42、摩擦力土体下滑时受两侧土体挟制的摩擦力a.a.求两侧求两侧(lin c)(lin c)三棱体对洞顶土体的挟制力三棱体对洞顶土体的挟制力T1T1b.b.求破裂面求破裂面BDBD的倾角的倾角c.c.求围岩总的垂直压力求围岩总的垂直压力Q Q d d求围岩垂直均布松动压力求围岩垂直均布松动压力q q )(1 000tgtgtgtgtgtgtgtg侧压力系数侧压力系数0dd第56页/共196页第五十七页，共196页。2022-4-15he 1He 2)(2121eee式中式中KK压力缩减压力缩减(sujin)(sujin)系数，其值为系数，其值为 tgBh1KBB隧道隧道(sudo)(sudo)开挖宽

43、度；开挖宽度；hh洞顶岩体覆盖层厚度洞顶岩体覆盖层厚度 e e求围岩水平均布松动求围岩水平均布松动(sngdng)(sngdng)压力压力水平压力按梯形分布水平压力按梯形分布若为均布时若为均布时第57页/共196页第五十八页，共196页。2022-4-15 浅埋隧道围岩压力浅埋隧道围岩压力(yl)的其他公式的其他公式比尔鲍曼公式比尔鲍曼公式(gngsh)：教材：教材P96-97泰沙基公式泰沙基公式(gngsh)：教材：教材P92（5-2-8）)e1 (tgbbhtg0v0)2K1 (acK2ah1 h2111v)245(tgH2Ba0t1)245(tgtgK021)245(tgtgK02Ht为

44、隧道高度，h为隧道顶的覆土埋深，B为隧道净跨第58页/共196页第五十九页，共196页。2022-4-15S4421m,如埋深如埋深h= 20m如图所示单线铁路如图所示单线铁路(dn xin ti l)隧道，处在隧道，处在IV级围岩中级围岩中.则则围岩围岩(wi yn)容重查得容重查得21.5kN/m3,计算时取纵向单位宽度的一环计算时取纵向单位宽度的一环。B=7.4m, Ht=8.8m。 q=215X421=905kN/m,水平压力水平压力e=（0.150.3）q=13.527.15kN/m检算检算h20m（22.5）hq，属深埋条件，正确。，属深埋条件，正确。第59页/共196页第六十页，

45、共196页。2022-4-15查得查得 425. 0tg,428. 1tg23,5500508. 3425. 0428. 1) 1428. 1 (428. 1428. 1) 1(200020tgtgtgtgtgtg116. 0)(1 000tgtgtgtgtgtgtgtgm/84kN.162Btgh1 (hq）m/95kN.191he)m/kN(90.41)Hh(t2e如果如果(rgu)h=8m ，h2hq应为浅埋。应为浅埋。按浅埋公式按浅埋公式(gngsh)计算：计算：第60页/共196页第六十一页，共196页。2022-4-15例例2：某公路隧道通过：某公路隧道通过级围岩，开挖尺寸如图所示

46、，埋深级围岩，开挖尺寸如图所示，埋深7.6m。矿山法施工，围岩天然矿山法施工，围岩天然(tinrn)容重容重=22kN/m3，试确定围岩压，试确定围岩压力值。力值。解：坑道解：坑道(kngdo)高度与跨度之比为：高度与跨度之比为： Ht/Bt=7.6/9.9=0.771.71Sq245. 0hq因为因为(yn wi) 5m9m. 9Bt故故i=0.1 则则 49. 1)59 . 9(1 . 01所以所以 118kPa49. 122245. 0q1S垂直均布围岩压力垂直均布围岩压力 水平均布围岩压力水平均布围岩压力 4kPa.357 .17118)3 . 015. 0(q)3 . 015. 0(

47、e第61页/共196页第六十二页，共196页。2022-4-15一般所指偏压隧道一般所指偏压隧道(sudo)系承受显著偏压荷载（不对称压力）的隧道系承受显著偏压荷载（不对称压力）的隧道(sudo)。 1.由地形引起由地形引起(ynq)偏压的计算方法偏压的计算方法 2.由地质构造引起偏压的检算由地质构造引起偏压的检算第62页/共196页第六十三页，共196页。2022-4-151.由地形引起由地形引起(ynq)偏压的计算方法偏压的计算方法 当隧道外侧当隧道外侧(wi c)拱肩至地表面的垂直距离拱肩至地表面的垂直距离(t)小于表小于表4-5所列所列数值时，根据经验及检算结果分析表明围岩不能自立，一

48、般按数值时，根据经验及检算结果分析表明围岩不能自立，一般按偏压隧道围岩压力公式计算。偏压隧道围岩压力公式计算。 第63页/共196页第六十四页，共196页。2022-4-15推导推导(tudo)： 内侧：内侧： cosH21T2tgtgtgtgtgtgtgkkk)(1tgtg1内侧产生内侧产生(chnshng)最大推力的破裂角（）最大推力的破裂角（） tgtg)tgtg)(1tg(tgtgkkk2kk围岩计算摩擦角（）围岩计算摩擦角（）围岩容重（围岩容重（kN/m3）；）；地面倾斜坡度地面倾斜坡度(pd)角（）；角（）；土柱两侧摩擦角（）。土柱两侧摩擦角（）。 第64页/共196页第六十五页，

49、共196页。2022-4-15外侧外侧(wi c)： cosH21T2tgtgtgtgtgtgtgkkk)(1tgtg1外侧产生外侧产生(chnshng)最大推力的破裂角（）最大推力的破裂角（） tgtg)tgtg)(1tg(tgtgkkk2k隧道顶部隧道顶部(dn b)的总垂直压力的总垂直压力Q )TT(WQvv1tgh21TsinT2vtgh21sinTT2v)hh(B21W1第65页/共196页第六十六页，共196页。2022-4-15则则 tg)hh(21)hh(B21Q22按梯形按梯形(txng)分布计算时分布计算时 内侧：内侧： he1内He2内外侧外侧(wi c)： he1外 H

50、e2外为简化计算为简化计算(j sun)，也可按矩形分布计算，也可按矩形分布计算(j sun)。作用于衬砌上的水平侧压力作用于衬砌上的水平侧压力第66页/共196页第六十七页，共196页。2022-4-152.由地质由地质(dzh)构造引起偏压的检算构造引起偏压的检算(1)必须查明必须查明(ch mn)围岩可能产生偏压的被割裂或松动的范围大小。围岩可能产生偏压的被割裂或松动的范围大小。 (2)尽量取得控制弱面的强度计算尽量取得控制弱面的强度计算(j sun)指标，如指标，如c、值等。值等。 (3)当为块体运动时，可近似的按岩块刚体平衡的方法计算。当为块体运动时，可近似的按岩块刚体平衡的方法计算

51、。 偏压力偏压力 TFQpF岩块下滑力岩块下滑力(kN)，FWsin； T摩阻力（摩阻力（kN）；）； T=Ntan=Wcostan W岩块自重（岩块自重（kN）；）； tan摩阻系数摩阻系数。 )tancossin(WQP时，岩块才滑动时，岩块才滑动 第67页/共196页第六十八页，共196页。2022-4-15主要主要(zhyo)考虑隧道明洞洞顶的回填与冲击荷载。考虑隧道明洞洞顶的回填与冲击荷载。 1.拱圈回填土石垂直拱圈回填土石垂直(chuzh)压力压力2.拱圈回填土石侧压力拱圈回填土石侧压力3.边墙回填土石侧压力边墙回填土石侧压力第68页/共196页第六十九页，共196页。2022-4

52、-151.拱圈拱圈(n qun)回填土回填土石垂直压力石垂直压力i1ihq式中：式中：qi明洞结构上任意明洞结构上任意(rny)点点i的回填土石垂直压力值（的回填土石垂直压力值（KN/m2）；）； 1拱背回填土石容重（拱背回填土石容重（KN/m3）；）； hi明洞结构上任意明洞结构上任意(rny)点点i的土柱体高度（的土柱体高度（m）；）；2.拱圈拱圈(n qun)回填土石侧压力回填土石侧压力i1ihe式中：式中：ei任意点任意点i的侧压力值（的侧压力值（KN/m2）；）； 1、hi符号意义同前；符号意义同前； 侧压力系数，按以下两种情况计算；侧压力系数，按以下两种情况计算；第69页/共196

53、页第七十页，共196页。2022-4-15(1) 按无限按无限(wxin)土体计算。土体计算。122122coscoscoscoscoscoscos(2) 按有限按有限(yuxin)土体计算。土体计算。nmmnsin)n1 (cos)n(n1式中式中：涉及填土面坡度角（）；涉及填土面坡度角（）；1拱背回填土石计算摩擦角（）；拱背回填土石计算摩擦角（）；侧压力作用方向侧压力作用方向(fngxing)与水平线的夹与水平线的夹角（）；角（）；n开挖边坡坡率；开挖边坡坡率；m回填土石面坡率；回填土石面坡率；回填土石与开挖边坡面间的摩擦系数。回填土石与开挖边坡面间的摩擦系数。第70页/共196页第七十一

54、页，共196页。2022-4-153.边墙边墙(bin qin)回填土石侧压力回填土石侧压力i2ihe式中：式中： ei任意点任意点i的侧压力值（的侧压力值（KN/m2）；）；2墙背回填土石容重（墙背回填土石容重（KN/m3） hi边墙计算点换算边墙计算点换算(hun sun)高度（高度（m），）， ；121iihhhhi墙顶至计算墙顶至计算(j sun)位置的高度（位置的高度（m）；）； h1填土坡面至墙顶的垂直高度（填土坡面至墙顶的垂直高度（m）；）； 侧压力系数，按以下三种情况计算侧压力系数，按以下三种情况计算(j sun)；第71页/共196页第七十二页，共196页。2022-4-15

55、(2)填土坡面向下倾斜填土坡面向下倾斜）（0200tantan1tantan 式中：式中： 2墙背回填土石计算墙背回填土石计算(j sun)摩擦角（）；摩擦角（）； )tan(arctan21c2cc2c0tan/tan)tan1 (1)tan/tan1)(tan1 (tantan(3)填土坡面水平填土坡面水平(shupng)时时)24(tan2222222cos)(sinsin1 cos(1)填土坡面向上倾斜填土坡面向上倾斜第72页/共196页第七十三页，共196页。2022-4-151大跨隧道大跨隧道(sudo) 2. 小净距隧道小净距隧道(sudo) 第73页/共196页第七十四页，共1

56、96页。2022-4-151大跨隧道大跨隧道(sudo) (1)开挖后的应力重分布开挖后的应力重分布(fnb)变得不利。变得不利。(2)隧道底脚处的应力集中隧道底脚处的应力集中(jzhng)过大，要求较大的地基承载力。过大，要求较大的地基承载力。 (3)隧道拱顶不稳定，计算多采用普氏理论与块体极限平衡理论。隧道拱顶不稳定，计算多采用普氏理论与块体极限平衡理论。 (4) 估计大跨隧道会有较大的松弛压力。估计大跨隧道会有较大的松弛压力。第74页/共196页第七十五页，共196页。2022-4-15我国与日本已把大断面公路隧道的修建技术我国与日本已把大断面公路隧道的修建技术(jsh)列为列为重大研究

57、课题予以实施：重大研究课题予以实施： (1)扁平、大断面隧道扁平、大断面隧道(sudo)的力学问题。的力学问题。(2)隧道断面隧道断面(dun min)结构的研究。结构的研究。(3)施工方法的研究。施工方法的研究。(4)施工技术的研究。施工技术的研究。第75页/共196页第七十六页，共196页。2022-4-152.小净距隧道小净距隧道(sudo) 第76页/共196页第七十七页，共196页。2022-4-15(1)小净距双线隧道的围岩受力分析与相邻隧道最小间距小净距双线隧道的围岩受力分析与相邻隧道最小间距(jin j)的确定的确定 双洞小净距隧道因洞间净距小于一倍洞跨，必然导致施工扰动双洞小

58、净距隧道因洞间净距小于一倍洞跨，必然导致施工扰动影响的相互叠加，尤其是后开挖隧道的施工和支护方法及其对影响的相互叠加，尤其是后开挖隧道的施工和支护方法及其对先行先行(xinxng)隧道结构的影响。隧道结构的影响。 为防止出现破坏为防止出现破坏(phui)与失稳，对隧道围岩采用预加固办法，特别与失稳，对隧道围岩采用预加固办法，特别加固两隧道中间岩体，以增加水平方向对岩体的侧向约束。加固两隧道中间岩体，以增加水平方向对岩体的侧向约束。 其次是控制对两隧道中间所夹岩层的爆破破坏深度，特别是其次是控制对两隧道中间所夹岩层的爆破破坏深度，特别是对其边墙部位的破坏深度，尽可能的减少其松弛范围；控制对其边墙

59、部位的破坏深度，尽可能的减少其松弛范围；控制隧道边墙爆破时质点的震动速度，使之不破坏已有支护。隧道边墙爆破时质点的震动速度，使之不破坏已有支护。 建议小净距隧道从两端相向施工避免同时同向推进，并且开挖面建议小净距隧道从两端相向施工避免同时同向推进，并且开挖面间距至少应在一倍洞径以上间距至少应在一倍洞径以上。 第77页/共196页第七十八页，共196页。2022-4-15(2)国内外相关实例及研究现状分析国内外相关实例及研究现状分析(fnx)与评价与评价 交通部已经交通部已经(y jing)把小净距隧道列为西部交通科研课题。把小净距隧道列为西部交通科研课题。 第78页/共196页第七十九页，共1

60、96页。2022-4-15直接直接(zhji)量测法量测法间接间接(jin ji)量测法量测法主要采用压力盒主要采用压力盒 机械作用式机械作用式 电测式电测式 液压式液压式 电阻式电阻式电容式电容式电压式电压式钢弦式钢弦式 围岩压力的实测一般都要与围岩的物理力学性质的试验围岩压力的实测一般都要与围岩的物理力学性质的试验、围岩的变形量测、围岩的初始力量测等相配合。、围岩的变形量测、围岩的初始力量测等相配合。 此外，还量测围岩的变形情况（量测中常采用量测锚杆，或量此外，还量测围岩的变形情况（量测中常采用量测锚杆，或量测坑道断面开挖后的收敛），及围岩深部的应力情况（采用量测坑道断面开挖后的收敛），及