隧道襯砌設計與計算PPT課件

1、5.1 概述第1頁/共44頁一、簡況1.隧道結(jié)構(gòu)設計理論的發(fā)展歷史（1）最初的隧道襯砌使用磚石材料，其結(jié)構(gòu)型式通常為拱形。采用的截面厚度常常很大，所以結(jié)構(gòu)變形很小，可以忽略不計。因為構(gòu)件的剛度很大，故將其視為剛性體，計算時按靜力學原理確定其承載時壓力線位置，檢算結(jié)構(gòu)強度。（2）在十九世紀末，混凝土已經(jīng)是廣泛使用的建筑材料，它具有整體性好，可以在現(xiàn)場根據(jù)需要進行模注等特點。這時，隧道襯砌結(jié)構(gòu)是作為超靜定彈性拱計算的，但僅考慮作用在襯砌上的圍巖壓力，而未將圍巖的彈性抗力計算在內(nèi)，忽視了圍巖對襯砌的約束作用。其計算原理和地面結(jié)構(gòu)一樣。由于把襯砌視為自由變形的彈性結(jié)構(gòu)，因而，通過計算得到的襯砌結(jié)構(gòu)厚度

2、很大，過于安全。（3）考慮彈性抗力的計算模型，進入本世紀后，通過長期觀測，發(fā)現(xiàn)圍巖不僅對襯砌施加壓力，同時還約束著襯砌的變形。圍巖對襯砌變形的約束，對改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有利，不容忽視。第2頁/共44頁2、彈性抗力的確定 襯砌在受力過程中的變形，一部分結(jié)構(gòu)有離開圍巖形成“脫離區(qū)”的趨勢，另一部分壓緊圍巖形成所謂“抗力區(qū)(如圖5-1所示)。在抗力區(qū)內(nèi)，約束著襯砌變形的圍巖，相應地產(chǎn)生被動抵抗力，即“彈性抗力” 彈性抗力因圍巖性質(zhì)、圍巖壓力大小和結(jié)構(gòu)變形的不同而異。但是對這個問題有不同的見解，即局部變形理論和共同變形理論。第3頁/共44頁圖5-1第4頁/共44頁局部變形理論圖5-2 獨立的彈簧第

3、5頁/共44頁共同變形理論 共同變形理論把圍巖視為彈性半無限體，考慮相鄰巖柱之間變形的相互影響，即考慮獨立巖柱之間的聯(lián)系。它用縱向變形系數(shù)E和橫向變形系數(shù)表示地層特征，并考慮粘結(jié)力C和內(nèi)摩擦角的影響。但這種方法所需圍巖物理力學參數(shù)較多，計算相對復雜。5-3 聯(lián)合的彈簧第6頁/共44頁 國際隧道協(xié)會(ITA)在1987年成立了隧道結(jié)構(gòu)設計模型研究組，收集和匯總了各會員國采用的地下結(jié)構(gòu)設計方法。經(jīng)過總結(jié)，國際隧道協(xié)會認為，目前采用的地下結(jié)構(gòu)設計方法可以納為以下4種設計模型:(1)以參照過去隧道工程實踐經(jīng)驗進行工程類比為主的經(jīng)驗設計法;(2) 以現(xiàn)場量測和試驗為主的實用設計方法;(3)荷載一結(jié)構(gòu)模型

4、。將圍巖對結(jié)構(gòu)的作用簡化為荷載作用于結(jié)構(gòu)上進行計算;(4)連續(xù)介質(zhì)模型，將圍巖和結(jié)構(gòu)作為整體進行計算。包括解析法和數(shù)值法，數(shù)值計算法前主要是有限單元法，也可利用各種有限元軟件來計算。第7頁/共44頁 從各國的地下結(jié)構(gòu)設計實踐看，主要采用上述后兩類計算模型，荷載-結(jié)構(gòu)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。利用這類模型進行隧道支護結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵問題，是如何確定作用在支護結(jié)構(gòu)上的主動荷載，其中最主要的是圍巖所產(chǎn)生的松動壓力，以及彈性支承給支護結(jié)構(gòu)的彈性抗力。一旦這兩個問題解決了，剩下的就只是運用普通結(jié)構(gòu)力學方法求出超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移了。屬于這一

5、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)) 法等都可屬于荷載-結(jié)構(gòu)法。第8頁/共44頁3.隧道襯砌荷載及其類型 （1）荷載類型 作用在襯砌上的荷載，按其性質(zhì)可以區(qū)分為主動荷載與被動荷載兩大類。 主動荷載是主動作用于結(jié)構(gòu)、并引起結(jié)構(gòu)變形的荷載；主動荷載包括主要荷載(指長期及經(jīng)常作用的荷載，有圍巖壓力、回填士荷載、襯砌自重、地下靜水壓力等) 和附加荷載(指非經(jīng)常作用的荷載，有灌漿壓力、凍脹壓力、混凝士收縮應力、溫差應力以及地震力等)，計算時應根據(jù)這兩類荷載同時存在的可能性進行組合。在一般情況下可僅按主要荷載進行計算。特殊情況下才進行必要的組合，并選用相

6、應的安全系數(shù)檢算結(jié)構(gòu)強度。被動荷載主要指圍巖的彈性抗力，它只產(chǎn)生在被襯砌壓縮的那部分周邊上。其分布范圍和圖式一般可按工程類比法假定，通常可作簡化處 被動荷載是因結(jié)構(gòu)變形壓縮圍巖而引起的圍巖被動抵抗力，即彈性抗力，它對結(jié)構(gòu)變形起限制作用。第9頁/共44頁公路隧道設計規(guī)范JTG D70-2004中在對隧道結(jié)構(gòu)進行計算時，列出了荷載類型，（如表5-1所示）并按其可能出現(xiàn)的最不利組合考慮。表5-1 作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載第10頁/共44頁（2）荷載組合：結(jié)構(gòu)自重圍巖壓力附加恒載（基本）結(jié)構(gòu)自重土壓力公路荷載附加恒載結(jié)構(gòu)自重土壓力附加恒載施工荷載溫度作用力結(jié)構(gòu)自重土壓力附加恒載地震作用附加恒載：伴隨隧道

7、運營的各種設備設施的荷載等。第11頁/共44頁4.襯砌計算的有關(guān)規(guī)定（1）深埋隧道中的整體襯砌、淺埋隧道中的整體或復合式襯砌及明洞襯砌等應采用荷載結(jié)構(gòu)法計算。深埋隧道中復合式襯砌的二次襯砌也可采用荷載結(jié)構(gòu)法計算。 荷載結(jié)構(gòu)法的設計原理認為，隧道開挖后地層的作用主要是對襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，襯砌結(jié)構(gòu)應能安全可靠地承受地層壓力等荷載的作用。計算時先按地層分類法或由實用公式確定地層壓力，然后按彈性地基上結(jié)構(gòu)物的計算方法計算襯砌內(nèi)力，并進行結(jié)構(gòu)截面設計。第12頁/共44頁第13頁/共44頁表5-2 各級 圍巖彈性抗力系數(shù)表注：（1）采用荷載結(jié)構(gòu)法計算隧道襯砌的內(nèi)力和變形時，應通過考慮彈性抗力等體現(xiàn)圍巖對襯

8、砌變形的約束作用。彈性抗力的大小及分布，對回填密實的襯砌構(gòu)件可采用局部變形理論計算確定 （2）級圍巖中，復合式襯砌的初期支護主要按工程類比法設計。其中、級圍巖的支護參數(shù)應通過計算確定，計算方法為地層結(jié)構(gòu)法。 （3）復合式襯砌中二次襯砌，級圍巖中為安全儲備，并按構(gòu)造要求設計； 、級圍巖中為承載結(jié)構(gòu)，可采用地層結(jié)構(gòu)法計算內(nèi)力和變形。第14頁/共44頁地層結(jié)構(gòu)法設計原理：將襯砌和地層視為整體共同受力的統(tǒng)一體系，在滿足變形協(xié)調(diào)的前提下分別計算襯砌與地層的內(nèi)力，據(jù)以驗算地層的穩(wěn)定性和進行結(jié)構(gòu)截面設計。第15頁/共44頁5.2 半襯砌的計算第16頁/共44頁半襯砌：拱圈直接支承在坑道圍巖側(cè)壁（如圖5-4所

9、示）常用于堅硬、較完整的圍巖（、級）。用先拱后墻法施工時，在拱圈已做好，但馬口尚未開挖前，拱圈也處于半襯砌工作狀態(tài)圖5-4第17頁/共44頁1、基本假定 在垂直荷載作用下拱圈向隧道內(nèi)變形為自由變形，不產(chǎn)生彈性抗力 ； 拱腳產(chǎn)生角位移和線位移，并使拱圈內(nèi)力發(fā)生改變，計算中除按固端無鉸拱考慮外，還必須考慮拱腳位移的影響 拱腳沒有徑向位移，只有切向位移； 對稱的垂直分位移對拱圈內(nèi)力不產(chǎn)生影響； 拱腳的轉(zhuǎn)角 和切向位移的水平分位移 是必須考慮的第18頁/共44頁3、正則方程（拱頂切開處截面相對位移為、正則方程（拱頂切開處截面相對位移為0）01122111aPXX02222211aaPufXX式中： -

10、單位變位，即在基本結(jié)構(gòu)上，因 作用時，在 方向上所產(chǎn)生的變位 -荷載變，即基本結(jié)構(gòu)因外荷載作用，在 Xi方向的變位； f-拱圈的矢高； -拱腳截面的最終轉(zhuǎn)角和水平位移。ik1kXiXipaau,根據(jù)結(jié)構(gòu)力學方法可以建立正則方程：第19頁/共44頁4 4、單位變位及荷載變位的計算、單位變位及荷載變位的計算 由結(jié)構(gòu)力學求變位的方法（軸向力與剪力影響忽略不計由結(jié)構(gòu)力學求變位的方法（軸向力與剪力影響忽略不計）得知：）得知：dsEJMMkiikdsEJMMpiip0第20頁/共44頁 在很多情況下，襯砌厚度是改變的，給積分帶來不便，這時可將拱在很多情況下，襯砌厚度是改變的，給積分帶來不便，這時可將拱圈分

11、成偶數(shù)段，用拋物線近似積分法代替。圈分成偶數(shù)段，用拋物線近似積分法代替。 JMMESkiikEJMMESpiip0利用上式并參照圖5-5，易得下列變位：第21頁/共44頁圖5-5第22頁/共44頁216aaabhWM5 5、拱腳位移、拱腳位移計算計算 拱腳位移的計算，應根據(jù)以下兩個假設來進行: 1）拱腳與圍巖支承面間的應力與變形關(guān)系，符合局部變形理論，支承面變形后仍為平面;2）拱腳與圍巖支承面存在著足夠大的摩擦力，足以平衡該面上的剪力，從而可認為不產(chǎn)生沿該面方向的變位。圖5-6第23頁/共44頁第24頁/共44頁 單位水平力作用時單位水平力作用時 單位水平力可以分解為軸向分力 和切向分力 ，計

12、算時只需考慮軸向分力的影響，（見圖5-7）作用在圍巖表面的均布應力 和拱腳產(chǎn)生的均勻沉陷 為：)cos1 (a)sin1 (a22aabhcos2aaaabhkkcos22 的水平投影即為點a的水平位移 ，均勻沉陷時拱腳截面不發(fā)生轉(zhuǎn)動，則有： 22uaaaabhku222coscos02圖5-7第25頁/共44頁1020100apapapapMHMaaaapapapapbhkNuHuMucos020100（3 3） 外荷載作用時外荷載作用時 在外荷載作用下，基本結(jié)構(gòu)中拱腳點處產(chǎn)生彎矩 和軸向力 ，如圖5-8所示，拱腳截面的轉(zhuǎn)角 和水平位移 為： 0apM0apN0ap0apu圖5-8第26頁/

13、共44頁(4) (4) 拱腳位移拱腳位移 拱腳的最終轉(zhuǎn)角 和水平位移 可分別考慮 和外荷載的影響，按疊加原理求得，可表示為： aau21,XX012211012211)()(apaapauu fuXuXufXX第27頁/共44頁6 6 . .拱圈拱圈截面內(nèi)力截面內(nèi)力將以上兩組方程代入正則方程可得：0)()()(0)()()(002122122221121101121221111apappappufffu fuXfuXfXX002022212110212111aXaXaaXaXa22112121012201122211212201210221aaaaaaaXaaaaaaaX令第28頁/共44頁0

14、2021cosipiiipiiNXNMyXXMxy圖5-9圖5-10第29頁/共44頁5.3 曲墻式襯砌計算第30頁/共44頁 曲曲墻式襯砌常用于墻式襯砌常用于級圍巖；級圍巖； 拱圈拱圈和曲邊墻作為一個整體按無鉸和曲邊墻作為一個整體按無鉸拱計算；拱計算； 施工施工時仰拱是在無鉸拱業(yè)已受力之時仰拱是在無鉸拱業(yè)已受力之后修建的，不考慮仰拱對襯砌內(nèi)力后修建的，不考慮仰拱對襯砌內(nèi)力的影響的影響 ；第31頁/共44頁1. 1. 計算假設計算假設在主動荷載作用下，頂部襯砌向隧道內(nèi)變形而形成脫離區(qū)，兩側(cè)襯砌向圍巖方向變形，引起圍巖對襯砌的被動彈性抗力（1） 上零點b（即脫離區(qū)與抗力區(qū)的分界點）與襯砌垂直對稱

15、中線的夾角假定為 （2） 下零點a在墻腳 45b第32頁/共44頁（3） 最大抗力點h假定發(fā)生在最大跨度處附近，計算時一般取 為簡化計算可假定在分段的接縫上。（4） 抗力圖形的分布假定為兩段二次拋物線（5） 忽略襯砌與圍巖之間的摩擦力（6） 墻腳支承在彈性巖體上，可發(fā)生轉(zhuǎn)動和垂直位移(無水平位移)abah32hhbibi2222coscoscoscoshhiiyy21bhbh段段：haha段段：第33頁/共44頁2 2 、主動荷載作用下的力法方程和襯砌內(nèi)力、主動荷載作用下的力法方程和襯砌內(nèi)力0022222111122111apappppappppufXXXX式中 為墻底位移。分別計算 和外荷載

16、的影響，然后按照疊加原理相加得到apapu,ppXX21,力法方程：疊加原理相加得：第34頁/共44頁由于墻底無水平位移，故 ，帶入力法方程，得： 0apu0)()(0)()(2122221211111221111appppappppffXfXfXX式中： 是基本結(jié)構(gòu)的單位位移和主動荷載位移； 是墻底單位轉(zhuǎn)角； 為基本結(jié)構(gòu)墻底的荷載轉(zhuǎn)角；f 為襯砌的矢高。ipik,10ap第35頁/共44頁求得 后，在主動荷載作用下，襯砌內(nèi)力即可計算：ppXX21,02021cosipipipipippipNXNMyXXM第36頁/共44頁在具體進行計算時，還需進一步確定被動抗力 的大小，這需要利用最大抗力點

17、h處的變形協(xié)調(diào)條件。 hhhhphhhphkk1hhk第37頁/共44頁3 3、最大抗力值的計算、最大抗力值的計算 先求出 和 變位由兩部分組成，即結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變位和因墻底變位（轉(zhuǎn)角）而產(chǎn)生的變位之和 hphhaahhaahhhapahhpapahhphpyJMMEsydsEJMMyJMMEsydsEJMM第38頁/共44頁 h h點所對應的點所對應的 ，則該點的徑向位移約等于水平位移，則該點的徑向位移約等于水平位移 拱頂截面的垂直位移對拱頂截面的垂直位移對h h點徑向位移的影響可以忽略不計點徑向位移的影響可以忽略不計按照結(jié)構(gòu)力學方法，在按照結(jié)構(gòu)力學方法，在h h點加一單位力點加一單位力 ，可以求得，可以求得 和和 90h)()()()(yyJMEsdsEJyyMyyJMEsdsEJyyMhhhhphphp1phph第39頁/共44頁4 4、在單位抗力作用下的內(nèi)力、在單位抗力作用下的內(nèi)力 將抗力圖 視為外荷載單獨作用時，未知力 及 可以參照 及 的求法得出 1h1X2XpX1pX20)()(0)()(2122221211111221111aaffXfXfXX解出 及 后，即可求出襯砌在單位抗力圖為荷載單獨作用下任一截面內(nèi)力：1X2X02021cosiiiiiiNXNMyXX