隧道工程课件隧道支护结构的计算

5.4

隧道洞门计算第5章隧道支护结构的计算15.3岩体力学方法5.1隧道结构体系的计算模型5.2结构力学方法5.5

隧道抗震计算隧道工程的受力特点5.1隧道结构体系的计算模型1.荷载的模糊性2.围岩物理力学参数难以准确获得3.围岩压力承载体系

◆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；

◆充分发挥围岩自身承载力的重要性。

第5章隧道支护结构的计算隧道工程的受力特点5.1隧道结构体系的计算模型4.设计参数受施工方法和施作时机的影响很大

5.隧道与地面结构受力的不同点—围岩抗力的存在第5章隧道支护结构的计算5.1.2隧道结构体系的计算模型1.结构力学模型

特点：◆以支护结构作为承载主体；

◆围岩对支护结构的作用间接地体现为两点：

①围岩压力；②围岩弹性抗力。

◆采用结构力学方法计算。

适用于：模筑砼衬砌

第5章隧道支护结构的计算2.岩体力学模型

特点：◆支护结构与围岩视为一体，共同承受荷载，且以围岩作为承载主体；

◆支护结构约束围岩的变形；

◆采用岩体力学方法计算；

◆围岩体现为形变压力。

适用于：锚喷支护

第5章隧道支护结构的计算概述

5.2结构力学方法

1.基本原理

◆将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载的主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，与其对应的计算模型称为荷载—结构模型。

第5章隧道支护结构的计算根据对荷载的处理不同，它大致有如下三种模式：

◆主动荷载模式（图5－1（a））

◆主动荷载加被动荷载模式（图5－1（b）)◆

实际荷载模式（图5－1（c）)。第5章隧道支护结构的计算图5—1荷载—结构模式

第5章隧道支护结构的计算2.隧道衬砌受力变形的特点第5章隧道支护结构的计算3.隧道衬砌承受的荷载及分类

(1)主动荷载

◆主要荷载

◆附加荷载

(2)被动荷载～围岩抗力

◆共同变形理论

◆局部变形理论

图5-3局部变形示意图第5章隧道支护结构的计算5.2.3隧道衬砌结构计算的矩阵位移法

1.基本原理

矩阵位移法又叫直接刚度法，它是以结构节点位移为基本未知量，联接在同一节点各单元的节点位移应该相等，并等于该点的结构节点位移（变形协调条件）；同时作用于某一结构节点的荷载必须与该节点上作用的各个单元的节点力相平衡（静力平衡条件）。

第5章隧道支护结构的计算计算特点:

①三种单刚

◆衬砌单刚：梁单元

◆抗力单刚：二力杆单元

◆基础单刚：支座单元

②拼总刚(结构刚度矩阵)③边界条件～墙基础水平位移为0

④求解以节点位移为未知量的方程组～高斯消去法等

⑤由节点位移求出单元节点力～内力

第5章隧道支护结构的计算2.计算图式

衬砌结构的处理◆衬砌的处理：将衬砌沿其轴线离散化为直杆单元（梁单元），并将单元的联接点称为节点。

◆墙基础的处理：假设边墙底端是弹性固定，即能产生转动和垂直下沉，不能产生水平位移。第5章隧道支护结构的计算

图5-4直刚法计算图式第5章隧道支护结构的计算(2)等效节点荷载的处理

◆按“静力等效”原则进行，即均布荷载所作的虚功应等于节点荷载所作的虚功。2.计算图式

第5章隧道支护结构的计算图5-5等效节点荷载计算示意图第5章隧道支护结构的计算垂直均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为：第5章隧道支护结构的计算水平均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为：第5章隧道支护结构的计算2.计算图式

(3)围岩弹性抗力的处理

◆以弹簧支承模拟围岩弹性抗力，即在每个节点上设置一根弹簧链杆，弹簧力即为围岩抗力；

◆以温氏假定反映抗力与节点位移的关系；

◆弹簧支承的方向：应按衬砌与围岩的接触状态而定。

第5章隧道支护结构的计算2.计算三图式图5-三6围岩三弹性三抗力三链秆三设置三示意三图第5章三隧道三支护三结构三的计三算3.单元三刚度三矩阵衬砌三单元三刚度三矩阵(衬砌三单刚)弹性三支承三链杆三单元三刚度三矩阵(抗力三单刚)要点三：◆其局三部坐三标系三与总三体坐三标系三一致三；◆由温三氏假三定求三抗力三。墙脚三弹性三支座三单元三刚度三矩阵第5章三隧道三支护三结构三的计三算3.单元三刚度三矩阵图5-三7弹性三链秆三单元三示意三图第5章三隧道三支护三结构三的计三算3.单元三刚度三矩阵图5-三8墙角三弹性三支座三单元三示意三图第5章三隧道三支护三结构三的计三算4.建立三结构三刚度三方程（1）结三构刚三度方三程的三形成（2）三结构三刚度三矩阵三的特三点◆对称三矩阵(反力三互等三定理)；◆稀疏三的带三状矩三阵，三非零三元素三的个三数一三般只三占元三素总三数的5％左三右；◆是非三奇异三矩阵三。因三抗力三弹簧三本身三就是三对衬三砌结三构的三约三束，三故衬三砌结三构不三能作三刚体三移动三。第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.未知三节点三位移三的求三解和三弹性三支承三的调三整（1）边三界条三件◆围岩三抗力三弹簧三支承三就是三一种三边界三约束三，已三在拼三总刚三中考三虑了三；◆基底三支座三～水三平位三移为0。（2）方三程组三求解三：高三斯消三去法三；迭三代法（3）对三围岩三抗力三弹簧三支承三的自三动调三整第5章三隧道三支护三结构三的计三算6.衬砌三内力三的计三算（1）单三元结三点位三移（2）单三元结三点力第5章三隧道三支护三结构三的计三算7.直刚三法计三算流三程图第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三2.三4衬砌三截面三强度三检算1.破损三阶段三法破损三阶段三法～三考虑三到结三构的三塑性三阶段三，材三料塑三性极三限强三度Rb已进三入塑三性阶三段。◆当三时三，由三抗压三强度三控制三其承三载能三力，三因此三仅需三按抗三压强三度进三行检三算。第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三2.三4衬砌三截面三强度三简算1.破损三阶段三法◆当三时三，由三抗拉三强度三控制三承载三能力三，仅需三按抗三拉强三度进三行检三算三。第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三2.三4衬砌三截面三强度三简算1.破损三阶段三法◆偏心三距限三制三混三凝土三衬砌三的偏三心距三不宜三大于0.三45倍截三面厚三度；三石砌三体偏三心距三不应三大于0.三3倍截三面厚三度；三基底三偏心三距，三对岩三石地三基不三大于1/三4倍墙三底厚三度，三对土三质地三基不三大于1/三6倍墙三底厚三度。第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三2.三4衬砌三截面三强度三简算2.概率三极限三状态三法极限三状态三法～三采用三数理三统计三方法三，用三概率三来衡三量结三构的三安全三度，三或称“可靠三度”。（1）承三载能三力极三限状三态混凝三土矩三形截三面中三心及三偏心三受压三构件三，其三受压三承载三能力三：第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三2.三4衬砌三截面三强度三简算2.概率三极限三状态三法（2）正三常使三用极三限状三态从抗三裂要三求出三发，三混凝三土矩三形偏三心受三压构三件的三抗裂三承载三力按三下式三检算三：第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三3.三1解析三法5.三3岩体三力学三方法5.三3.三2数值三分析三法5.三3岩体三力学三方法1.概述◆边界三元法三、无三限元三法、三有限三元法三、有三限元三法耦三合方三法等三，仅三介绍三有限三元法2.有限三元法三处理三特点（1）单三元类三型的三选择三和网三格划三分5.三3.三2数值三分析三法图5-三11隧道三计算三范围三及网三格划三分第5章三隧道三支护三结构三的计三算（2）计三算范三围的三选取①隧道三开挖三影响三范围三～距三开挖三面中三心点3~三5倍洞三跨的三范围三；②边界三上位三移为三零。第5章三隧道三支护三结构三的计三算（3）边三界条三件和三初始三应力（4）卸三荷释三放荷三载及三卸荷三过程三模拟（5）开三挖施三工步三骤的三模拟（6）求三单元三应力（8）有三限元三法计三算的三可信三度（7）围三岩与三支护三结构三稳定三性判三断第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三4隧道三洞门三计算计算三方法三：洞三门可三视作三挡土三墙，三按计三算挡三土墙三的方三法进三行计三算。计算三处理三：三①主三动土三压力三按库三仑理三论进三行计三算；三②三无论三墙背三仰斜三或直三立，三土压三力的三作用三方向三均假三定为三水平三；三③不三考虑三被动三土压三力。三④三取最三不利三位置三的墙三体条三带计三算，三称为“检算三条带”。条三带宽三度一三般为1m，最三不利三位置三～墙三体最三高点三。第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三4隧道三洞门三计算5.三4.三1计算三部位三（检三算条三带）三的选三取及三计算三要点1．柱三式、三端墙三式洞三门第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三4隧道三洞门三计算5.三4.三1计算三部位三（检三算条三带）三的选三取及三计算三要点2．有三挡、三翼墙三的洞三门第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三4隧道三洞门三计算5.三4.三2洞门三计算三内容1.洞门三计算三内容三：①墙三身偏三心及三强度三；②绕三墙趾三的抗三倾覆三性(墙趾三～墙三身外三表面三与基三底面三的交三点)；③沿三基底三滑动三的稳三定性三；④基三底应三力检三算。第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三4隧道三洞门三计算5.三4.三2洞门三计算三内容2.洞门三端墙三及挡三（翼三）墙三检算三规定

墙身截面压应力≤容许应力

墙身截面偏心距e

≤0.3倍截面厚度

基底应力≤地基容许承载力

基底偏心距e

岩石地基≤B/4，土质地基≤B/6（B为墙底厚度）

滑动稳定系数KC≥1.3

倾覆稳定系数K0≥1.5第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三4隧道三洞门三计算5.三4.三4洞门三计算三的概三率极三限状三态法铁路三隧道三设计三规范三规定三隧道三洞门三除按三破损三阶段三法进三行检三算外三，还三可采三用极三限状三态法三进行三设计三计算三。基三本方三法仍三同破三损阶三段法三，如三取计三算条三带，三具体三公式三不同三，按三可靠三度理三论得三出.第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三4隧道三洞门三计算5.三4.三4洞门三计算三的概三率极三限状三态法1.洞门三墙墙三身抗三压承三载能三力计三算(承载三能力三极限三状态)2.洞门三墙墙三身抗三裂承三载能三力计三算(正常三使用三极限三状态)第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三4隧道三洞门三计算5.三4.三4洞门三计算三的概三率极三限状三态法3.洞门三墙地三基承三载能三力计三算4.抗倾三覆计三算5.抗滑三动计三算第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三5隧道三抗震三计算5.三5.三1概三述规定三：在三地震三基本三烈度三为7度及三以上三地区三的隧三道，三需要三进行三抗震三设计三。抗震三设计三方法三：地三震系三数法其它三方法三：①波三动法三；②三相互三作用三法；三③数三值分三析方三法，三等。第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三5隧道三抗震三计算5.三5.三3地震三系数三法考虑三两种三情况三：◆水平三地震三力的三方向三横交三隧道三纵轴应考三虑洞三口、三浅埋三、偏三压地三段和三明洞三。◆水平三地震三力的三方向三沿隧三道纵三轴仅需三考虑三洞门三及洞三口一三个环三节衬三砌。第5章三隧道三支护三结构三的计三算5.三5隧道三抗震三计算5.三5.三3地震三系数三法图5-三20纵向三水平三地震三力作三用下三洞口三环节三计算三图式第5章