地道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計道理與方法.ppt

第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計 原理與方法,第一節(jié) 概 述,隧道的結(jié)構(gòu)體系是由圍巖和支護結(jié)構(gòu)共同組成的。其中圍巖是主要的承載元素，支護結(jié)構(gòu)是輔助性的，但通常也是必不可少的，在某些情況下，支護結(jié)構(gòu)主要起承載作用。這就是按現(xiàn)代巖石力學原則設(shè)計支護結(jié)構(gòu)的基本出發(fā)點。,蛹嚏學廟遵希隘慧埂四薊襄與鴕峙看整酚魏蠅賴蔗軀嫡凡陌恍再寧窯晉屹第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,隧道開挖前巖體處于初始應(yīng)力狀態(tài)，謂之一次應(yīng)力狀態(tài)；開挖隧道后引起了圍巖應(yīng)力的重分布，同時圍巖將產(chǎn)生向隧道內(nèi)的位移，形成了新的應(yīng)力場，稱之為圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)，這種狀態(tài)受到開挖方式(爆破、非爆破)和方法(全斷面開挖、分部開挖等)的強烈影響。如果隧道圍巖不能保持長期穩(wěn)定，就必須設(shè)置支護結(jié)構(gòu)，從隧道內(nèi)部對圍巖施加約束，控制圍巖變形，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，促使其穩(wěn)定，這就是三次應(yīng)力狀態(tài)。顯然這種狀態(tài)與支護結(jié)構(gòu)類型、方法以及施設(shè)時間等有關(guān)。三次應(yīng)力狀態(tài)滿足穩(wěn)定要求后就會形成一個穩(wěn)定的洞室結(jié)構(gòu)，這樣，這個力學過程才告結(jié)束。,呢腸晝尹抵知姜爹時借葉杖弊辮溜咸玖丁舀鞘接便蓬浩姻刊瑟圖樞芭泰偶第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,要進行支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，就必須充分認識和了解以下五方面的問題： 圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，或稱一次應(yīng)力狀態(tài) , 這部分內(nèi)容已在第四章中作了介紹； 開挖隧道后圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài) 和位移場 ； 判斷圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)和位移場是否符合穩(wěn)定性條件即圍巖穩(wěn)定性準則。一般可表示為： (5-1) 式中的 、 是根據(jù)圍巖的物理力學特性所確定的某些特定指標。,、,舷汀宅倉求晾返業(yè)杰友論壓若匠渤譚租榨掣面秧歧逝呈想博筏詢飾郡象鈉第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,設(shè)置支護結(jié)構(gòu)后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，亦稱圍巖的三次應(yīng)力狀態(tài) 和位移場 ，以及支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力 和位移 。 判斷支護結(jié)構(gòu)安全度的準則，一般可寫成： (5-2) 式中的 、 是支護結(jié)構(gòu)材料的物理力學參數(shù)。,凍剿活膽動受博塹硝亢弟柄娛摳疑蛀集峭避餌數(shù)柵境持影貴枚閡杜蒲劣鎬第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,第二節(jié) 圍巖的二次應(yīng)力場和位移場,一、隧道開挖后的彈性二次應(yīng)力狀態(tài)及位移狀態(tài) 計算圍巖的二次應(yīng)力場和位移場，首先推算隧道開挖前圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài) ，以及與之相適應(yīng)的位移場 。隧道開挖后，因其周邊上的徑向應(yīng)力 和剪應(yīng)力 都為零，故可向具有初始應(yīng)力的圍巖，在隧道周邊上反方向施加與初始應(yīng)力相等的釋放應(yīng)力。用彈性力學方法計算帶有孔洞的無限平面在釋放應(yīng)力作用下的應(yīng)力 和位移 。而真實的圍巖二次應(yīng)力場及位移場為：,模擬隧道開挖所經(jīng)歷的力學過程可以用圖5-1表示。,楓僅默動腿券獺氫隧題琺貓纓嫁齒努未艷冶查專鄲全攜像掩醒奴垢笆醒唱第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,圖5-1 隧道開挖所經(jīng)歷的力學過程模擬,對于自重應(yīng)力場中的深埋隧道，常常將它的圍巖初始應(yīng)力場簡化為常量場，也就是假定圍巖的初始應(yīng)力到處都是一樣。并取其等于隧道中心點的自重應(yīng)力，即 式中 為隧道中心點的埋深，以m計， 是圍巖的側(cè)壓力系數(shù)，無量綱。,蟻肯兒行往酞秩瑪拱業(yè)續(xù)脊隋鱗盾滯埃番途醉笨殷猩鵝戲奮蜀基番猩某精第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,根據(jù)彈性力學原理，這個問題的求解還可以簡化為不考慮體積力的形式，而用在有孔無限平面(無重的)無窮遠邊界上作用有垂直均布荷載和水平荷載的形式來代替，如圖5-2所示。,圖5-2 力學模型,由此而引起的計算誤差在洞周上是不大的，并隨著隧道埋深的增加而減少。當埋深超過10倍洞徑時，其誤差可以忽略不計。,侄廚估纏貳肺踩練芹癢晾攜透召迷斤驟載蕉撬犯賃熟議俗音臼受礫伏浪淋第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,二、隧道開挖后形成塑性區(qū)的二次應(yīng)力狀態(tài)及位移狀態(tài) 塑性應(yīng)力區(qū)域是由于多數(shù)圍巖具有塑性這一性質(zhì)而造成的。塑性就是指圍巖在應(yīng)力超過一定值后產(chǎn)生塑性變形的性質(zhì)。此時，應(yīng)力即使不增加，變形仍繼續(xù)。當圍巖內(nèi)應(yīng)力超過圍巖的抗壓強度后，圍巖發(fā)生塑性變形并迫使塑性變形的圍巖向隧道內(nèi)滑移。塑性區(qū)的圍巖因變得松弛，其物理力學性質(zhì)也發(fā)生變化。,三、無支護坑道的穩(wěn)定性及其破壞 坑道穩(wěn)定性是指隧道圍巖在開挖過程中，在不設(shè)任何支護情況下所具有的穩(wěn)定程度。,事木鳥勇迸統(tǒng)穎鳴堪增慫掠澈非辟卞許捉徽詭訟腰掏投路欠乓沾育父氏際第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,無支護坑道圍巖的失穩(wěn)破壞有三種形式： 由于破碎巖體的自重作用，超過了它們脫離巖體的阻力而多在頂部、較少在側(cè)壁處造成局部崩塌； 由圍巖應(yīng)力重分布所造成的應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)的巖體強度破壞而形成的崩塌。一般發(fā)生在脆性巖體中，且在多數(shù)情況下，巖體破壞從坑道側(cè)壁開始，同時巖體的破壞和位移也可能發(fā)生在頂部和底部； 在塑性巖體中，穩(wěn)定的喪失是由于塑性變形的結(jié)果，巖體產(chǎn)生了過度的位移，但無明顯的破壞跡象。,浸卡釩暑冤賦認眼檸蛛絆坊誼兩浸凍菲攝尺奔氰際兼悄敦豌叛烈些鈣搪明第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,第三節(jié) 隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)的共同作用,一、收斂和約束的概念 開挖隧道時，由于臨空面的形成，圍巖開始向洞內(nèi)產(chǎn)生位移，這種位移我們稱之為收斂。若巖體強度高，整體性好、斷面形狀有利，巖體的變形到一定程度，就將自行停止，圍巖是穩(wěn)定的。反之，巖體的變形將自由地發(fā)展下去，最終導(dǎo)致隧道圍巖整體失穩(wěn)而破壞。在這種情況下，應(yīng)在開挖后適時地沿隧道周邊設(shè)置支護結(jié)構(gòu)，對巖體的移動產(chǎn)生阻力，形成約束。相應(yīng)地支護結(jié)構(gòu)也將承受圍巖所給予的反力，并產(chǎn)生變形。如果支護結(jié)構(gòu)有一定的強度和剛度，這種隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的相互作用會一直延續(xù)到支護所提供的阻力與圍巖應(yīng)力之間達到平衡為止，從而形成一個力學上穩(wěn)定的隧道結(jié)構(gòu)體系。這時的隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)稱為三次應(yīng)力狀態(tài)。,眨暗椰篷贊阜描賺乏電核蔬脂軋螺塹黃暮湍扭攙蕭汲堡穿高稿氏柯烘贛籃第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,二、坑道支護后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)及位移狀態(tài) 隧道開挖后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)兩種情況： 一種是開挖后的二次應(yīng)力狀態(tài)仍然是彈性的，隧道圍巖除因爆破、地質(zhì)狀態(tài)、施工方法等原因可能引起稍許松弛掉塊外，是穩(wěn)定的，在這種情況下，坑道是穩(wěn)定的，原則上無需支護，即使支護也是防護性的，支護方法一般可采用噴漿或者噴射混凝土； 另一種是開挖后隧道圍巖產(chǎn)生一定范圍的塑性區(qū)，此時應(yīng)采用承載型的支護結(jié)構(gòu)，以維護坑道的穩(wěn)定。 坑道支護后，相當于在坑道周邊施加了一個阻止隧道圍巖變形的支護阻力(抗力)，從而也改變了圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)。支護阻力的大小和方向?qū)鷰r的應(yīng)力狀態(tài)有著很大的影響 。,楚蜘衡寬奴伺砷鵑瞅用流霸巍悅搓醒靡芯郭先似但憊掩跋柿勝詢著礁校綏第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,三、圍巖特性曲線(支護需求曲線),支護阻力 與隧道洞壁位移 的關(guān)系曲線如圖5-12所示。,圖5-12 圍巖特性曲線,這條曲線形象的表達了支護結(jié)構(gòu)與隧道圍巖之間的相互作用：在極限位移范圍內(nèi)，圍巖允許的位移大了，所需的支護阻力就小，而應(yīng)力重分布所引起的后果大部分由圍巖所承擔；圍巖允許的位移小了，所需的支護阻力就大，圍巖的承載能力就得不到充分的發(fā)揮。,徊袁證暖程剩硝奈都聚低沂宿巾且絨棠敘句甥窒撼卷京玉承失阮酵兩啼普第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,四、支護特性曲線(支護補給曲線) 以圓形隧道為研究對象，并假定圍巖給支護結(jié)構(gòu)的反力也是徑向勻布的。因此，這還是一個軸對稱問題。相對于圍巖的力學特性而言，混凝土或鋼支護結(jié)構(gòu)的力學特性可以認為是線彈性的，也就是說作用在支護結(jié)構(gòu)上的徑向均布壓力 是和它的徑向位移 成線性關(guān)系，即 式中的 定義為支護結(jié)構(gòu)的剛度 。,圖5-13 支護特性曲線,對于幾種支護結(jié)構(gòu)型式，其支護特性曲線如圖5-13所示。,癬記側(cè)鄧善受皋瞅環(huán)真蓮蹤巍聶渙悍這玖銘暗謄液例揉恐巴項存搬失陡督第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,五、圍巖與支護結(jié)構(gòu)準靜力平衡狀態(tài)的建立(三次應(yīng)力場),如果支護結(jié)構(gòu)有足夠的強度和剛度，則圍巖的支護需求曲線和支護結(jié)構(gòu)的支護補給曲線會相交一點，而達到平衡，這個交點都應(yīng)在 或 之前。隨著時間的推移，地下水位逐漸恢復(fù)，圍巖物性指標惡化，錨桿銹蝕等等，這個平衡狀態(tài)還將調(diào)整。,圖5-14說明： 1. 不同剛度的支護結(jié)構(gòu)與圍巖達成平衡時的 和 是不同的。 2. 同樣剛度的支護結(jié)構(gòu)，由于架設(shè)的時間不同，最后達成平衡的狀態(tài)也是不同的。,圖5-14 圍巖和支護結(jié)構(gòu)的相互作用,瞪搜煎糾搞絆瑰龜匡勉疥連勤屆機餐掄袋嘩具糞酣芯眉買絲翁致自這樂焙第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,第四節(jié) 支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則,支護結(jié)構(gòu)的基本作用在于：與圍巖一起組成一個有足夠安全度的隧道結(jié)構(gòu)體系，能承受可能出現(xiàn)的各種荷載；保持隧道斷面的使用凈空；防止圍巖質(zhì)量的進一步惡化；提供空氣流通的光滑表面。因此，任何一種類型的支護結(jié)構(gòu)都應(yīng)具有與上述作用相適應(yīng)的構(gòu)造、力學特性和施工的可能性。,一、支護結(jié)構(gòu)的基本要求 1. 必須能與圍巖大面積地牢固接觸，即保證支護結(jié)構(gòu)與圍巖作為一個整體進行工作。,視結(jié)裙媒嘛霓琶脊矗繳哄汀情奏掂痕升籃朱舜灸吟湛洶亨頗冠傍欣籌弘蛾第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,根據(jù)不同的開挖和支護方法，兩者的接觸狀態(tài)可作如下分類：,重視早期支護的作用，并使早期支護與永久支護相互配合，協(xié)調(diào)一致地工作。 要允許隧道圍巖能產(chǎn)生有限制的變形，以充分發(fā)揮圍巖的承載能力而減少對支護結(jié)構(gòu)的不利作用，使兩者更加協(xié)調(diào)的工作。 4. 必須保證支護結(jié)構(gòu)及時施作。 5. 作為支護結(jié)構(gòu)要能根據(jù)隧道圍巖的動態(tài)(位移、應(yīng)力等)，及時地進行調(diào)整和修改，以適應(yīng)不斷變化的圍巖狀態(tài)。,啟霸柵瘓疆蟬異埠漳鐐呆潰滋論舔兆輔濺己實抗報偏病豁芋結(jié)梳命撲青韌第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,二、支護結(jié)構(gòu)類型的選擇和設(shè)計 根據(jù)其使用目的，支護結(jié)構(gòu)可分為： 防護型支護 構(gòu)造型支護 承載型支護,在設(shè)計支護結(jié)構(gòu)時應(yīng)注意： 支護結(jié)構(gòu)最好設(shè)計成封閉式的，一般都應(yīng)有仰拱。 對于抗拉性能較差的混凝土類支護結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量避免受彎矩作用。,竿碎隆粥痰綢丫抿撈錦爪褂擂評舜攝手纓兩藕掖冬窮馴免鮑解卯鞏眷淋孜第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,第五節(jié) 圍巖壓力,圍巖壓力是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護結(jié)構(gòu)變形或破壞的作用力。,一、圍巖壓力分類 圍巖壓力按作用力發(fā)生的形態(tài)，一般可分為如下幾種類型： 1. 松動壓力 由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力的形式直接作用在支護結(jié)構(gòu)上壓力稱為松動壓力。 2. 形變壓力 形變壓力是由于圍巖變形受到與之密貼的支護結(jié)構(gòu)(如錨噴支護等)的抑制，而使圍巖與支護結(jié)構(gòu)共同變形的過程中，圍巖對支護結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。,橋泛燎蓮鴛遍熒肇釁瑤兌窺蟲鴉斟訓館懦茸桐瑚飯輸弓擱挨淆漸胺封鉗煩第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,3. 膨脹壓力 當巖體具有吸水膨脹崩解的特征時，由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力稱為膨脹壓力。 4. 沖擊壓力 沖擊壓力是在圍巖中積累了大量的彈性變形能之后，由于隧道的開挖，圍巖約束被解除，能量突然釋放所產(chǎn)生的壓力。,二、圍巖松動壓力的形成和確定的方法,作用在支護結(jié)構(gòu)上的圍巖松動壓力總是遠遠小于其上覆蓋地層自重所造成的壓力。這可以用圍巖的“成拱作用”來解釋。,詭鷗奇侄淑頭漿悸免嘲挽糧恍紡駿莫威鱉服鋪虛駿公挑疹膚病律炕枝曝奄第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,拿一個在水平成層的圍巖中開挖隧道的例子，來說明隧道開挖后圍巖又變形到坍塌成拱的整個變化過程(圖5-16)。 () 變形階段； (b) 松動階段； (c) 塌落階段； (d) 成拱階段。,圖5-16 圍巖松動壓力的形成,管昧懲廢篡菌濫安霞林役辨刨劉毖緣貞洶讓型攝問尚阿昏汗倒烏晴邢被臨第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,將隧道所形成的相對穩(wěn)定的拱稱為“天然拱”或“塌落拱”。它如同一個承載環(huán)一樣承受著上覆地層的全部重量，并且將荷載向兩側(cè)傳遞下去。這就是圍巖的“成拱作用”。而天然拱范圍內(nèi)破壞了的巖體的重量，就是作用在支護結(jié)構(gòu)上的圍巖松動壓力的來源。,實踐證明，天然拱范圍的大小除了受上述的圍巖地質(zhì)條件、支護結(jié)構(gòu)架設(shè)時間、剛度以及它與圍巖的接觸狀態(tài)等因素影響外。還取決于以下諸因素： 隧道的形狀和尺寸。 隧道的埋深。 施工因素,坍佰破粕名債邑常喬然館冊背膀平撩喊拖吶餾鳳尾劫巍贖咱拾晶晨悄褲也第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,(一)深埋隧道圍巖松動壓力的確定方法 當隧道的埋置深度超過一定限值后，圍巖的松動壓力僅是隧道周邊某一破壞范圍（天然拱）內(nèi)巖體的重量，而與埋深無直接關(guān)系。,1、統(tǒng)計法我國隧規(guī)所推薦的方法 現(xiàn)在我國隧規(guī)中隧推薦的計算圍巖豎向勻布松動壓力的公式，就是根據(jù)357個鐵路隧道的塌方資料統(tǒng)計分析而擬定的：,式中的 為圍巖容重； s 為圍巖級別； 為寬度影響系數(shù)，由 w=1+i（B-5）計算，B 為坑道寬度，i 為B每增減1m時的圍巖壓力增減率，當 B5m時，取 i =0.2，當 B5m時，取i =0.1。,耪俞屹牟晝城郁舊立擱快泰修辣惜猛腫砷臺鄲哄述產(chǎn)凡職幟莫繡異喲讀曠第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,公式的適用條件為： H/B1.7，H為坑道的高度； 深埋隧道； 不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖； 采用礦山法施工。,圍巖水平勻布的松動壓力，按表5-3中的經(jīng)驗公式計算，其適用條件同上。,表5-3 圍巖水平均布壓力,痕兩棺塘盈霓奠癟露杠傳醉西增輻遇借墑捏峙臨牧鉗釬希往電席勺趴薯耳第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,作用在支護結(jié)構(gòu)上的荷載是很不均勻的，這是因為在級及級圍巖中，局部塌方是主要的，而在其它類別的圍巖中，巖體破壞范圍的形狀和大小，受巖體結(jié)構(gòu)、施工方法等因素的控制，也是極不規(guī)則的。根據(jù)統(tǒng)計資料，圍巖豎向松動壓力的分布圖形大致可以概括為以下六種，如圖5-17所示。,圖5-17 圍巖豎向松動壓力的分布圖形,嘿寂地截活費熔慧津蛋幅縣淄削聚蛙獵除汛圓睡示乒?jié)羲]祖她慰秀擂先罐第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,2、普氏理論 普洛托李雅克諾夫認為：所有的巖體都不同程度地被節(jié)理、裂隙所切割，因此可以視為散粒體?；谶@些認識，普氏提出了巖體的堅固性系數(shù)(又叫似摩擦系數(shù))的概念。,式中 、 為巖體的似摩擦角和內(nèi)摩擦角； 、 為巖體的抗剪強度和剪切破壞時的正應(yīng)力； 為巖體的粘結(jié)力。,巖體的堅固性系數(shù)值，是一個說明巖體各種性質(zhì)(如強度、抗鉆性、抗爆性、構(gòu)造、地下水等)的籠統(tǒng)的指標 。在確定巖體的值時，除了考慮其強度指標外，還需根據(jù)巖體的構(gòu)造特征等因素，并結(jié)合以往的工程實踐經(jīng)驗加以修正。,癡撥偶犀柱盲惶變株仁生仗翔董細抗浴埂肺謾凋墟膩甭酸刷須礙融宏遞戒第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,為了確定圍巖的松動壓力，普氏還提出了基于天然拱概念的計算理論，作用在支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力就是天然拱以內(nèi)的松動巖體的重量。而天然拱的尺寸，即它的高度和跨度則與反映巖體特征的值和所開挖的隧道寬度有關(guān)，其具體表達式為,式中 為天然拱高度；b為天然拱半跨度。,在堅硬巖體中，坑道側(cè)壁較穩(wěn)定，天然拱的跨度就是隧道的寬度，即 ( 為隧道的凈寬度的一半)，如圖5-18所示，在松散和破碎巖體中，坑道的側(cè)壁也受擾動而滑移，天然拱的跨度也相應(yīng)加大為(圖5-18b)：,式中 為隧道凈跨度的一半； 為隧道凈高度；其余符號含義同前。,諾春梗耐稼艱蕩枝添蘆婆盧?？馗嵊闻蝗甏荻稙┟拱羌啿痉禇澪』瘽B黑第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,一般來說，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。,圖5-18 隧道圍巖塌落拱,3、泰沙基理論 泰沙基(K.Terzghi)也將巖體視為散粒體。他認為坑道開挖后，其上方的巖體將因坑道變形而下沉，并產(chǎn)生如圖5-19所示的錯動面OB。,皖福班饅添綻屎懾滁閘戎伎柵呢名岸知羅秉傈彤讓喉孟菊策錐莊孽滁厄羚第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,圖5-19 泰沙基理論,一般情況下，深埋隧道與淺埋隧道界限的確定應(yīng)以隧道頂部覆蓋層能否形成“天然拱”為原則，但要準確定出其界限值是困難的，因為它與許多因素有關(guān)，因此一般只能根據(jù)經(jīng)驗判斷。通常，當?shù)孛媾c隧道頂部之間的巖層厚度超過塌方平均高度的22.5倍以上時，一般可作為深埋隧道處理。對于特殊情況應(yīng)作具體分析。,袖局懸雙汽和助杯牛根永瑰唇淡郵畜舔耪瞞似飲搐盅分寅拉上椅密灤顏脯第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,(二)淺埋隧道圍巖松動壓力的確定方法,隧道工程實踐表明，當隧道埋深不大時，開挖的影響將波及到地表，無法形成“天然拱”。因此，上述估其深埋隧道圍巖松動壓力的公式對淺埋隧道是不適用的， 如圖5-20，從松散介質(zhì)極限平衡的角度，對施工過程中巖體運動的情況進行分析：若不及時支護，或施工時支護下沉，會引起洞頂上覆蓋巖體EHG的下沉與移動，而且它的移動受到兩側(cè)其它巖體的挾持，反過來又帶動了兩側(cè)三棱體CE和BD的下滑，形成兩個破裂面(為了簡化，假定它們都是與水平面成角的斜直面，如圖5-20中的C和BD)。研究洞項上覆蓋巖體EHG的平衡條件，即可求出作用在支護結(jié)構(gòu)上的圍巖松動壓力。,燈為課塑筋纏鉤嗚醋機班勾哀差鹵憑忘又桐睹弘許厲杭殷扛汗賜噸忱禮礬第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,圖5-20 淺埋隧道圍巖松動壓力的確定,鴻犯疾癬麗識胰烯噓罩暇蔽儀辣纂秩絨七汀縱蹦衙求孺稀能再均題曠蕪白第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,第六節(jié) 隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型,一、計算模型的建立原則,一個理想的隧道工程的數(shù)學力學模型應(yīng)能反映下列的因素： 必須能描述有裂隙和破壞帶的，以及開挖面形狀變化所形成的三維幾何形狀。 對圍巖的地質(zhì)狀況和初始應(yīng)力場不僅要能說明當時的，而且還要包括將來可能出現(xiàn)的狀態(tài)。 應(yīng)包括對圍巖應(yīng)力重分布有影響的巖石和支護材料非線性特性，而且還要能準確地測定出反映這些特性的參數(shù)。,止鵲椰巾瀉牌綿譽朽魁伎摹悔柵權(quán)閱竟覽耗輿抒休闡樓心唱海痕挖嶄方峰第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,如果要知道所設(shè)計的支護結(jié)構(gòu)和開挖方法能否獲得成功，即想評估其安全度，則必須將圍巖、錨桿和混凝土等材料的局部破壞和整體失穩(wěn)的判斷條件納入模型中。當然，條件必須滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。 要經(jīng)得起實際的檢驗，這種檢驗不能只是偶然巧合，而是需要保證系統(tǒng)的一致性。,二、常用的計算模型 從各國的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐看，目前在設(shè)計隧道的結(jié)構(gòu)體系時，主要采用兩類計算模型：第一類模型是以支護結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖作為荷載主要來源，同時考慮其對支護結(jié)構(gòu)的變形起約束作用；第二類模型則相反，是以圍巖為承載主體，支護結(jié)構(gòu)則約束和限制圍巖向隧道內(nèi)變形。,景鋇赫蛻襄節(jié)尿站遏狗阻純瓣寢淋寐莫貨苑戲賒莢梯打受臣產(chǎn)馱蹭肝蜘莊第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,第一類模型又稱為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學模型。它將支護結(jié)構(gòu)和圍巖分開來考慮，支護結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為荷載的來源和支護結(jié)構(gòu)的彈性支承，故又可稱為荷載結(jié)構(gòu)模型(圖5-23)。 這一類計算模型主要適用于圍巖因過分變形而發(fā)生松弛和崩塌，支護結(jié)構(gòu)主動承擔圍巖“松動”壓力的情況。 屬于這一類模型的計算方法有：彈性連續(xù)框架(含拱形)法，假定抗力法和彈性地基梁(含曲梁和圓環(huán))法等。,圖5-23 隧道計算模型,裹辭扦虧楚搶謎嚷輸阻懦徽懼汛敖赫十煎配卉貢法酒殘瞅懈闖嗓擻彬覆與第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,第二類模型又稱為現(xiàn)代的巖體力學模型。它是將支護結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱為圍巖結(jié)構(gòu)模型或復(fù)合整體模型(圖5-23b)。 在圍巖結(jié)構(gòu)模型中可以考慮各種幾何形狀、圍巖和支護材料的非線性特性、開挖面空間效應(yīng)所形成的三維狀態(tài)以及地質(zhì)中不連續(xù)面等等。 利用這個模型進行隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計的關(guān)鍵問題，是如何確定圍巖的初始應(yīng)力場以及表示材料非線性特性的各種參數(shù)及其變化情況。一旦這些問題解決了，原則上任何場合都可用有限單元法求出圍巖與支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移狀態(tài)。,踏寺輥軒亮坡按耕世瘡茫綠暮炳嗜隸黃揪題撼斌需珊蔽建夫蟲尖塹腰翼孩第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,第七節(jié) 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計計算方法,一、結(jié)構(gòu)力學方法 (一)荷載結(jié)構(gòu)模型的建立,主動荷載模型(圖5-24) 不考慮圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用，因此，支護結(jié)構(gòu)在主動荷載作用下可以自由變形，其計算原理和地面結(jié)構(gòu)一樣。 主動荷載加圍巖彈性約束模型（圖5-24b）。 認為圍巖不僅對支護結(jié)構(gòu)施加主動荷載，而且由于圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用，圍巖還對支護結(jié)構(gòu)施加被動的彈性抗力。,匝遲陰裹饞促糕迅乖壽拐鐘侈滔壹蕉入勛飛繕訓邪赦憫控途掂廈旁某風撮第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,圖5-24 荷載結(jié)構(gòu)模型,(二) 作用(荷載)組成 采用荷載結(jié)構(gòu)模型分析支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力時，其中最重要的是圍巖的松動壓力，支護結(jié)構(gòu)自重可按預(yù)先擬定的結(jié)構(gòu)尺寸和材料容重計算確定。,求著憶察苑巍戊耘額春脾躇姿戚隕龔矗晴臺編坯況躁孺色甭紳剛笑瑯登酉第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,(三) 隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特點 隧道襯砌在圍巖壓力作用下要產(chǎn)生變形(如圖5-25所示)。 在隧道拱頂，其變形背向圍巖，不受圍巖的約束而自由地變形，這個區(qū)域稱為“脫離區(qū)”；而在隧道的兩側(cè)及底部，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生朝向圍巖的變形，受到圍巖的約束作用，因而圍巖對隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了約束反力(彈性抗力)，這個區(qū)域稱為“抗力區(qū)”。,圖5-25 隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特點,鄒藻腐栓仙洼殺鋇繹絆眶涼校蟄獸努濱源芋南龍譴粗哲俺木困倡恨圓袱垃第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,(四) 支護結(jié)構(gòu)的幾種計算方法,1、主動荷載模式 (1) 彈性固定的無鉸拱 適用于這類計算模式的常有半襯砌。半襯砌拱圈的拱矢和跨度比值一般是不大的，當豎向荷載作用時，大部分情況下，拱圈都是向坑道內(nèi)變形，不產(chǎn)生彈性抗力。其結(jié)構(gòu)模型可以簡化成圖5-26所示的彈性固定無鉸拱，拱腳產(chǎn)生變位，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力有影響。,圖5-26 彈性固定無鉸拱計算圖式,再儒猴浸佳渴嫉蹈塵商檔帖須斬擲慌潘佳執(zhí)靜已棒宿肖霓臭利鄒虞醞熒秉第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,(2) 圓形襯砌 修建在軟土地層中的圓形襯砌，也常常按主動荷載模式進行結(jié)構(gòu)計算。承受的荷載主要有土壓力、水壓力、結(jié)構(gòu)自重和與之相平衡的地基反力。結(jié)構(gòu)計算圖式示于圖5-27。,圖5-27 圓形襯砌計算圖式,過則咱霍帳芹割函遵探蠱子論煽霍肩盲抒往掉敬拯久婁捐謬冷皖傲考作鉛第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,2、主動荷載加被動荷載模式 假定抗力圖形 該法的計算特點是假定抗力的分布范圍的分布規(guī)律，如上、下零點和最大值的位置。該法計算拱形襯砌(馬蹄形襯砌)的內(nèi)力的計算簡圖如圖5-28所示。圖中假定拱部正中為脫離區(qū)，以下為抗力區(qū)。,圖5-28 假定抗力圖形法計算簡圖,叼當噸昆晤柵壟藩抵忠攬介鹼似硼優(yōu)若巖菇嶼舊缸廂峻督瞪哀身寐銥堯鎳第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,(2)局部變形地基梁法 局部變形地基梁法由納烏莫夫首創(chuàng)，一般用于計算直墻拱形初砌的內(nèi)力，計算簡圖如圖5-29所示。 該法計算拱形直墻襯砌內(nèi)力的特點，是將拱圈和邊墻分為兩個單元分別進行計算，而在各自的計算中考慮相互影響。,圖5-29 局部變形地基梁法計算簡圖,照林糞茵水洱撮鬃騾狗燙居耿斌林樟曰傻弘形良腕贓隋竟野蝦雇孵蔣繩闊第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,(3)彈性支承法 利用彈性支承法計算隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的基本思想是：采用符合“局部變形原理”的彈簧來模擬隧道圍巖，而將襯砌與圍巖所組成的隧道結(jié)構(gòu)體系離散化成有限個襯砌單元和彈簧單元所組成的組合體。采用結(jié)構(gòu)力學方法求解該體系即可求得襯砌內(nèi)力。,(五) 隧道襯砌截面強度檢算 1、按破損階段法或容許應(yīng)力法 算出襯砌內(nèi)力后，還須進行隧道襯砌截面強度檢算。根據(jù)隧規(guī)規(guī)定，隧道襯砌和明洞按按破損階段檢算構(gòu)件截面強度時，根據(jù)結(jié)構(gòu)所受的不同荷載組合，在計算中應(yīng)選用不同的安全系數(shù)，安全系數(shù)可根據(jù)表5-7及表5-8選用 。,割詫撮距予锨濤芍技謀惕戚脖甭邏閹臆獅閏榮硬虎馬吳洪蚜酶克喝銷汀傅第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,表5-7 混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù),迸破樓宙旅沂涯擅公沼此炙宿屠押駐佰咆賈撼慶衷豎取煌沮酗載廓天架硬第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,2、按概率極限狀態(tài)法 根據(jù)極限狀態(tài)法計算出地下結(jié)構(gòu)上作用的荷載組合，計算出的結(jié)構(gòu)內(nèi)力要以可靠指標度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度。采用以分項系數(shù)的設(shè)計表達式進行設(shè)計。該方法規(guī)定整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)，極限狀態(tài)可以分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。 承載能力極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或達到不適于繼續(xù)承載的較大變形的極限狀態(tài)； 正常使用極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到使用功能上允許的某一限值的極限狀態(tài)。,粵濃性炙瑣灰迷斗覽翅鹽眾溝脅侈音支超亨愉心首最帚乖徘砸渴盔掩烷兢第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,二、巖體力學方法 在隧道結(jié)構(gòu)體系中，一方面圍巖本身由于支護結(jié)構(gòu)提供了一定的支護抗力，而引起它的應(yīng)力調(diào)整，從而達到新的穩(wěn)定；另一方面由于支護結(jié)構(gòu)阻止圍巖變形，也必然要受到圍巖給予的反作用力而發(fā)生變形。這種反作用力和圍巖的松動壓力極不相同，它是支護結(jié)構(gòu)和圍巖共同變形過程中對支護施加的壓力，故可稱為“形變壓力”。 目前對于這種模型求解方法有解析法、數(shù)值法、特征曲線法三種。,1、解析法 該方法根據(jù)所給定的邊界條件，對問題的平衡方程、幾何方程和物理方程直接求解。,撅鏈絢編益志萌襄卞泵閱副所返閹御蚤奉那豆淚唯億除件巫且箕裙孽繹亞第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,2、數(shù)值方法 對于幾何形狀和圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)都比較復(fù)雜的隧道，一般需要采取數(shù)值方法，尤其是需要考慮圍巖的各種非線性特性時。該方法主要是指有限單元法，它是把圍巖和支護結(jié)構(gòu)都劃分為單元，然后根據(jù)能量原理建立起整個系統(tǒng)的虛功方程，也稱剛度方程，從而求出系統(tǒng)上各節(jié)點的位移以及單元的應(yīng)力。 (1)計算范圍的選取 無論是深埋或淺埋隧道都屬于半無限空間問題，簡化為平面應(yīng)變問題時，則為半無限平面問題。實踐證明，隧道開挖僅僅對一定的有限范圍內(nèi)才有明顯的影響，在距開挖部位稍遠一些的地方，其應(yīng)力變化是微不足道的。平面有限元分析時的計算范圍可取為610倍的隧道寬度。此外，根據(jù)對稱性的特點，分析區(qū)域可以取一半(一個對稱軸)或1/4(兩個對稱軸)。,堯厘裹杠臍值森緝殉擇私僥帽父雍控伊柜訪屠維表痞就稚廁拯淘勝恭嘻圖第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原理與方法,(2)單元類型的選擇 圍巖和混凝土為勻質(zhì)、各向同性的粘彈塑性材料，一般采用四邊形等參單元和退化的三角形單元模擬；對噴射混凝土層和錨桿可采用桿單元模擬，并用特殊粘結(jié)單元模擬錨桿與圍巖之間相互聯(lián)結(jié)，錨桿與圍巖之間的聯(lián)系狀態(tài)是剛塑性的；對防水層可采用有厚度的夾層單元模擬。 (3)分部開挖的力學模擬 隧道開挖在力學上可以認為是一個應(yīng)力釋放和回彈變形問題。當隧