隧道工程第6章-隧道結構計算

1、隧 道 工 程第六章 隧道結構計算 圍巖不僅是荷載，同時又是承載體 地層壓力由圍巖和支護結構共同承受 充分發(fā)揮圍巖自身承載力的重要性6.1 隧道結構體系的計算模型 特點： 以支護結構作為承載主體； 圍巖對支護結構的作用間接地體現(xiàn)為兩點： 圍巖壓力； 圍巖彈性抗力。 采用結構力學方法計算。 適用于：模筑砼襯砌 分為分為結構力學模型（結構力學模型（荷載荷載- -結構模式結構模式）和和巖體力學模型巖體力學模型（地層模式地層模式）。）。6.1 隧道結構體系的計算模型 荷載結構法荷載結構法 6圖圖4-2 荷載荷載結構模型結構模型 特點： 支護結構與圍巖視為一體，共同承受荷載，且以 圍巖作為承載主體； 支

2、護結構約束圍巖的變形； 采用巖體力學方法計算； 圍巖體現(xiàn)為形變壓力。適用于：錨噴支護6.1 隧道結構體系的計算模型 地層結構法地層結構法 8 結構力學模型巖體力學模型認識視圍巖為荷載的來源三位一體特性力學原理 “荷載結構”力學體系，以最不利荷載組合作為結構設計荷載建立的是“圍巖支護”力學體系，以實際的應力應變狀態(tài)作為支護的設計狀態(tài)支護阻力圍巖變形過大，松動坍塌所產生的松動壓力支護與圍巖共同作用，共同變形所產生的接觸形變壓力支護臨時支撐+整體式厚襯砌初期支護+二次襯砌開挖分部開挖，鉆爆法+中小型機械大斷面開挖，鉆爆法+大中型機械掘進6.2.1 基本原理 支護和圍巖分開考慮，支護是承載的主體，視圍

3、巖為荷載來源和支護的彈性支承，荷載處理有三種模式:主動荷載，主動荷載+被動抗力，實際荷載。 1 主動荷載模式適于軟弱巖層，如：明挖地鐵明洞工程6.2 結構力學方法 適于各類圍巖在實際應用中，該模式基本能反映出支護結構的實際受力狀況。6.2 結構力學方法 它采用量測儀器實地量測作用在襯砌上的荷載值，某種實測荷載只能適用于類似情況。6.2 結構力學方法6.2.2 隧道襯砌受力變形的特點 設圍巖垂直壓力大于側向壓力， 則存在拱頂脫離區(qū)，兩側 抗力區(qū)。6.2 結構力學方法6.2.3 隧道襯砌荷載分類(1) 主動荷載 主要荷載：圍巖壓力、支護結構自重、回填土荷載、地下靜水壓力及車輛活載等。附加荷載：凍脹

4、壓力、地震力等。 被動荷載是指圍巖的彈性抗力，計算有共同變形理論和局部變形理論。(2) 被動荷載 6.2 結構力學方法共同變形理論：把圍巖視為彈性半無限體，考慮相鄰質點之間的相互影響。其所需圍巖物理力學參數較多，而且計算頗為繁雜，因而我國很少采用。 假設假設：地基為一均質、連：地基為一均質、連續(xù)、彈性的半無限體。續(xù)、彈性的半無限體。優(yōu)點：優(yōu)點：反映了地基的連續(xù)整體反映了地基的連續(xù)整體性；性；從幾何上、物理上對地從幾何上、物理上對地基進行了簡化，因而可以基進行了簡化，因而可以把彈性力學中有關半無限把彈性力學中有關半無限彈性體的經典問答已知結彈性體的經典問答已知結論作為計算的基礎。論作為計算的基礎

5、。2. 半無限體彈性地基模型 缺點：缺點：彈性假設沒有反映土體的非彈性性質；彈性假設沒有反映土體的非彈性性質；均質假設沒有反映土體的不均勻性；均質假設沒有反映土體的不均勻性；半無限體假設有反映地基的分層特點；半無限體假設有反映地基的分層特點；本模型在數學處理上比較復雜，因而在應用上也受到一定的限制。本模型在數學處理上比較復雜，因而在應用上也受到一定的限制。iik局部變形理論 ：以以溫克爾溫克爾（E.Winkler）假定為基礎的。該）假定為基礎的。該理論認為圍巖的理論認為圍巖的彈性抗力與圍巖在該點的變形成正比。彈性抗力與圍巖在該點的變形成正比。 這個假設這個假設實際上是把地基模擬為剛性支座上一系

6、列獨立實際上是把地基模擬為剛性支座上一系列獨立的彈簧的彈簧。當地基表面上某一點受壓力。當地基表面上某一點受壓力p p時，由于時，由于彈簧是彼此獨彈簧是彼此獨立的立的，故只在該點局部產生沉陷，故只在該點局部產生沉陷y y，而在其他地方不產生任何，而在其他地方不產生任何沉陷。因此，這種地基模型稱作局部彈性地基模型。沉陷。因此，這種地基模型稱作局部彈性地基模型。優(yōu)點：優(yōu)點： 可以考慮梁本身的實際彈性變形，消除了可以考慮梁本身的實際彈性變形，消除了反力直線分反力直線分布假設布假設中的缺點。局部彈性地基模型的計算較為簡單，中的缺點。局部彈性地基模型的計算較為簡單，在實際應用較為方便。在實際應用較為方便。

7、圖3.2 彈性地基梁的受力和變形缺點：缺點： p沒有反映地基的變形連續(xù)性沒有反映地基的變形連續(xù)性，當，當地基表面在某一點承受壓力時，實地基表面在某一點承受壓力時，實際上不僅在該點局部產生沉陷，而際上不僅在該點局部產生沉陷，而且也在鄰近區(qū)域產生沉陷。由于沒且也在鄰近區(qū)域產生沉陷。由于沒有考慮地基的連續(xù)性，故溫克爾假有考慮地基的連續(xù)性，故溫克爾假設不能全面地反映地基梁的實際情設不能全面地反映地基梁的實際情況，況，特別對于密實厚土層地基和整特別對于密實厚土層地基和整體巖石地基，將會引起較大的誤差。體巖石地基，將會引起較大的誤差。p但是，如果地基的上部為較薄的但是，如果地基的上部為較薄的土層，下部為堅

8、硬巖石，則地基情土層，下部為堅硬巖石，則地基情況與圖中的彈簧模型比較相近，這況與圖中的彈簧模型比較相近，這時將得出比較滿意的結果。時將得出比較滿意的結果。圖3.2 彈性地基梁的受力和變形u隧道襯砌結構計算的矩陣位移法 矩陣位移法又叫直接剛度法直接剛度法，它是以結構節(jié)點位移為基本未知量，聯(lián)接在同一節(jié)點各單元的節(jié)點位移應該相等，并等于該點的結構節(jié)點位移（變形協(xié)調條件變形協(xié)調條件）；同時作用于某一結構節(jié)點的荷載必須與該節(jié)點上作用的各個單元的節(jié)點力相平衡（靜力平衡條件靜力平衡條件）。 u隧道襯砌結構計算的矩陣位移法 三種單剛 襯砌單剛：梁單元 抗力單剛：二力桿單元 基礎單剛：支座單元 拼總剛(結構剛度

9、矩陣) 邊界條件墻基礎水平位移為0 求解以節(jié)點位移為未知量的方程組高斯消去法等 由節(jié)點位移求出單元節(jié)點力內力直剛法計算圖式 u隧道襯砌結構計算的矩陣位移法 直剛法計算流程 僅對很簡單的問題才可求出解析僅對很簡單的問題才可求出解析解，如解，如均質半無限體中的單孔圓形隧道均質半無限體中的單孔圓形隧道、雙孔等直徑圓形隧道雙孔等直徑圓形隧道，以及，以及橢圓形、方橢圓形、方形和直墻拱形洞室等形和直墻拱形洞室等問題。但僅對第一問題。但僅對第一種問題得出了精確的解析計算式，對其種問題得出了精確的解析計算式，對其他情況雖已用復變函數建立了計算式，他情況雖已用復變函數建立了計算式，但最終結果的計算仍需借助于數值

10、逼近。但最終結果的計算仍需借助于數值逼近?？紤]塑性時也僅對圓形洞室的部分課題考慮塑性時也僅對圓形洞室的部分課題才有解析解。才有解析解。 邊界元法、無限元法、有限元法、有限元法耦合方法等，僅介紹有限元法。有限元法處理特點 隧道計算范圍及網格劃分 （1）單元類型的選擇和網格劃分（2）計算范圍的選取 隧道開挖影響范圍距開挖面中心點35倍洞跨的范圍； 邊界上位移為零。（3）邊界條件和初始應力 （4）卸荷釋放荷載及卸荷過程模擬 （5）開挖施工步驟的模擬 （6）求單元應力 （7）圍巖與支護結構穩(wěn)定性判斷 （8）有限元法計算的可信度適用性強（各種地層、洞室，非線性，施適用性強（各種地層、洞室，非線性，施工過

11、程等）；缺點：本構關系難以準確給出。工過程等）；缺點：本構關系難以準確給出。29洞門視作擋土墻進行計算設計： 主動土壓力按庫侖理論進行計算；無論墻背仰斜或直立，土壓力的作用方向均假定為水平；不考慮被動土壓力。取最不利位置的墻體條帶計算，稱為“檢算條帶”。條帶寬度一般為1m，最不利位置墻體最高點。6.4.1 計算原理6.4.2 計算部位（檢算條帶）的選取及計算要點1 1柱式、端墻式洞門柱式、端墻式洞門 取、作為“檢算條帶”。檢算墻身截面偏心、強度，以及基底偏心、應力及沿基底的滑動和繞墻趾傾覆穩(wěn)定性2 2有擋、翼墻的洞門有擋、翼墻的洞門 檢算翼墻時取洞門端墻墻趾前之翼墻寬1m的條帶“”，按擋土墻檢

12、算偏心、強度及穩(wěn)定性； 檢算端墻時取最不利部分“”作為“檢算條帶”，檢算其截面偏心和強度； 檢算端墻與翼墻共同作用部分“”的滑動穩(wěn)定性。6.4.3 洞門計算內容墻身偏心及強度；繞墻趾的抗傾覆性(墻趾:墻身外表面與基底面的交點)；沿基底滑動的穩(wěn)定性；基底應力檢算。 1. 計算內容 2. 洞門端墻及擋（翼）墻檢算規(guī)定墻身截面壓應力容許應力墻身截面偏心距e0.3倍截面厚度基底應力地基容許承載力基底偏心距e巖石地基B/4，土質地基B/6（B為墻底厚度）滑動穩(wěn)定系數K01.3傾覆穩(wěn)定系數K01.56.4.3 洞門計算內容6.4.4 洞門計算的概率極限狀態(tài)法 鐵路隧道設計規(guī)范規(guī)定隧道洞門除按破損階段法進行

13、檢算外，還可采用極限狀態(tài)法進行設計計算?；痉椒ㄈ酝茡p階段法，如取計算條帶，具體公式不同，按可靠度理論得出. 1.洞門墻墻身抗壓承載能力抗壓承載能力計算(承載能力極限狀態(tài)) 2.洞門墻墻身抗裂承載能力抗裂承載能力計算(正常使用極限狀態(tài)) 3.洞門墻地基承載能力地基承載能力計算 4.抗傾覆抗傾覆計算 5.抗滑動抗滑動計算6.5.1 6.5.1 檢算內容檢算內容（1）安全系數檢算（2）偏心檢算鐵路隧道拼裝式襯砌、復合式襯砌雙線隧道整體式襯砌公路隧道襯砌結構6.5.2 6.5.2 適用范圍適用范圍 圬工種類及 荷載組合 破壞原因混凝土石砌體鋼筋混凝土主要荷載主要、附加荷載主要荷載主要、附加荷載主要

14、荷載主要、附加荷載（鋼筋）混凝土或石砌體受壓破壞2.42.02.72.32.01.7混凝土達到抗拉極限強度（主拉應力）3.63.02.42.0混凝土和石砌結構的強度安全系數 （1） 允許安全系數6.5.3 6.5.3 安全系數檢算安全系數檢算式中：e0 軸向力偏心距， e0 =M/N； K 混凝土和石砌結構安全系數， M ,N 軸向力； Ra 混凝土或砌體的抗壓極限強度； b, h 截面的寬度和厚度（通常取1m）； 構件的縱向彎曲系數，對隧道襯砌拱圈及墻背緊密回填的邊墻可取1； 軸向力偏心影響系數。he2 . 00bhRKNahe05 . 11u抗壓控制檢算小偏心判斷準則：此時承載能力由抗壓強度控制：（2）抗壓與抗拉控制分界式中： 混凝土的抗拉極限強度， 其它符號意義同前。he2