隧道初期及后期支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法課件

1、隧道初期及后期支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法課件一. 隧道支護(hù)的結(jié)構(gòu)類型1.初期支護(hù)（外層襯砌） 2.后期支護(hù)（內(nèi)層襯砌）初期支護(hù)的作用主要是承受“早期圍巖壓力”，幫助圍巖達(dá)成施工期間的“基本穩(wěn)定”，保證隧道在施工期間的安全，以便挖除坑道內(nèi)巖體。 回憶補(bǔ)充：后期支護(hù)的作用主要是作為安全貯備。（1）錨噴支護(hù)（常規(guī)支護(hù)）適用于圍巖穩(wěn)定性較好，開挖坑道后掌子面能基本穩(wěn)定的條件下。 （2）超前支護(hù)（特殊支護(hù)）超前支護(hù)是指在圍巖穩(wěn)定性較差的條件下，開挖前對(duì)未暴露圍巖部分實(shí)施的預(yù)加固和支護(hù)的工程措施。超前支護(hù) 超前錨桿 超前管棚 短管棚 長(zhǎng)管棚 超前支護(hù)工藝復(fù)雜，且造價(jià)很大，只適用于少數(shù)特殊的圍巖條件，故超前支護(hù)又稱

2、為“特殊穩(wěn)定措施”。超前支護(hù)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)需要根據(jù)圍巖的松散破碎程度及隧道斷面大小等條件進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。 （3）改良地層（特殊支護(hù)）改良地層是指在圍巖穩(wěn)定性極差的條件下，開挖前對(duì)未暴露圍巖部分實(shí)施適宜的工程措施，將松散巖土膠結(jié)為整體，達(dá)到改良地層工程力學(xué)性能、增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定能力的目的工程措施。 改良地層 注漿加固 深層攪拌樁 臨時(shí)凍結(jié)法 超前小導(dǎo)管注漿 超前深孔圍幕注漿 2.后期支護(hù)（內(nèi)層襯砌）工程中常將用于保證圍巖處于長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)的剛度較大的人工支護(hù)結(jié)構(gòu)稱為“后期支護(hù)”，或稱為“內(nèi)層襯砌”。內(nèi)層襯砌的作用主要是承受“后期圍巖壓力”，并提供“安全儲(chǔ)備”，以及滿足構(gòu)造、美觀、降阻等方面的要求，保證隧

3、道在服務(wù)期的長(zhǎng)期穩(wěn)定和安全。 內(nèi)層襯砌多采用就地模筑混凝土或鋼筋混凝土，也可以采用噴射混凝土或噴射鋼纖維混凝土，還可以采用拼裝襯砌。 其結(jié)構(gòu)形狀和尺寸可根據(jù)限界要求、成拱作用和結(jié)構(gòu)受力要求予以調(diào)整。除自穩(wěn)能力特別好的圍巖條件以外，普通鐵路隧道和公路隧道中均應(yīng)設(shè)置就地模筑混凝土或鋼筋混凝土內(nèi)層襯砌，但高速鐵路隧道只允許采用就地模筑混凝土或鋼筋混凝土內(nèi)層襯砌。 1初期支護(hù)結(jié)構(gòu)類型的選擇原則“圍巖不穩(wěn)，支護(hù)幫助，遇強(qiáng)則弱，遇弱則強(qiáng)，按需提供，先柔后剛，量測(cè)監(jiān)控，動(dòng)態(tài)調(diào)整” 一般而言，開挖坑道后，若圍巖完全能夠自穩(wěn)，則無須人工支護(hù)。若圍巖不能滿足工程穩(wěn)定和安全的要求，則必須加以人工支護(hù)結(jié)構(gòu)，才能使其進(jìn)

4、入基本穩(wěn)定狀態(tài)。圍巖自穩(wěn)能力強(qiáng)的支護(hù)就要弱，圍巖自穩(wěn)能力差的，支護(hù)就要強(qiáng)；且應(yīng)優(yōu)先采用柔性支護(hù)，以充分利用圍巖的固有的自穩(wěn)能力。若能達(dá)成圍巖穩(wěn)定，就不必增加支護(hù)強(qiáng)度和剛度；若不能達(dá)成圍巖穩(wěn)定，就必須及時(shí)增加支護(hù)強(qiáng)度和剛度，直至采用混凝土或鋼筋混凝土等剛性襯砌；支護(hù)的強(qiáng)度和剛度大小應(yīng)與圍巖的穩(wěn)定能力相適應(yīng)，應(yīng)與圍巖的變形動(dòng)態(tài)相適應(yīng)。二.初期支護(hù)結(jié)構(gòu)類型的選擇原則及組合形式閉塞山村上演“愚公鉆山”壯舉 馬蹄溝村四面環(huán)山，風(fēng)景秀美，離十堰市城區(qū)只有9公里，但由于大山的阻隔，村民們到十堰市城區(qū)趕集，要翻越三座大山，需3個(gè)多小時(shí)。 村民們世代用雙腳，在大山里踩出的一條羊腸小路，成了這個(gè)小山村與外界唯一的

5、通道。幾年前，就有村民摔死在山崖下。這幾年，在山路上摔斷腰椎、胳膊和腿的村民就有六七人。 村里自行籌資，支部書記找了兩個(gè)爆破手，拉起了一個(gè)20余人的土班子施工隊(duì)，沒有防護(hù)通風(fēng)設(shè)施，全憑村民雙手開挖，歷經(jīng)5年多次停工，最終打通隧道。 馬蹄溝村與十堰市城區(qū)的路程由原來的3個(gè)多小時(shí)縮短為半小時(shí)。 5.1隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型一、隧道工程的受力特點(diǎn)1.主要特點(diǎn)：隧道結(jié)構(gòu)的圍巖既是作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載來源，又與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成承載體系。隧道襯砌應(yīng)具有足夠的強(qiáng)，以保證在使用年限內(nèi)結(jié)構(gòu)物有可靠的安全性。隧道襯砌埋置于地下，它的受力變形與圍巖密切相關(guān)，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作為一個(gè)統(tǒng)一的受力體系相互約束，共同作用。

6、這種作用正是地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別。2. 隧道周邊圍巖的地質(zhì)環(huán)境對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算起著決定性作用。3.作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載受到施工方法和施工時(shí)間的影響。4.隧道工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全與否，既要考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)能否承載，又要考慮到圍巖是否失穩(wěn)。 目前，在設(shè)計(jì)隧道的結(jié)構(gòu)體系時(shí)，主要采用兩類計(jì)算模型： 一類是以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖作為荷載同時(shí)考慮其對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形約束作用的模型，即結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。該模型仿效地面結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，即將荷載作用在結(jié)構(gòu)上，用一般結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算。適用于圍巖因過分變形而發(fā)生松弛和坍塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)主動(dòng)承擔(dān)圍巖“松動(dòng)壓力”的情況 另一類模型即巖體力學(xué)模型。它是將支護(hù)結(jié)構(gòu)與

7、圍巖視為一體，作為共同承受荷載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱為復(fù)合整體模型。這種模型中視圍巖為承載單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)則約束圍巖變形。二、計(jì)算模型結(jié)構(gòu)力學(xué)法在隧道工程的初期被廣泛使用，因?yàn)樗c當(dāng)時(shí)的施工技術(shù)水平相符。在當(dāng)時(shí)的施工條件下，隧道開挖后采用木支撐等進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，結(jié)構(gòu)與圍巖之間不能有效的緊密接觸，因?yàn)橐矡o法制止圍巖變形松弛以及由此產(chǎn)生的“松動(dòng)壓力”，支護(hù)結(jié)構(gòu)只能像拱結(jié)構(gòu)一樣進(jìn)行工作。又被稱為荷載-結(jié)構(gòu)模型。5.2結(jié)構(gòu)力學(xué)方法一、基本原理將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖分開來考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖作為荷載主要來源，同時(shí)考慮其對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形起約束作用，通過彈性支撐實(shí)現(xiàn)。5.2結(jié)構(gòu)力學(xué)方法適用：圍巖因過分變形

8、而發(fā)生松弛和崩塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)主動(dòng)承擔(dān)圍巖“松動(dòng)壓力”的情況。尤其是對(duì)模筑襯砌。關(guān)鍵問題：如何確定作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載，其中最主要的是圍巖所產(chǎn)生的松動(dòng)壓力，以及彈性支承對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性抗力。圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的處理方法：主動(dòng)荷載模式：不考慮圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，支護(hù)結(jié)構(gòu) 在主 動(dòng)荷載下可自由變形。適用于軟弱圍巖沒有能力約束襯砌情況。主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載（圍巖彈性約束、彈性抗力）的模式圍巖不僅對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加主動(dòng)荷載，而且施加約束反力。適用于各類圍巖。實(shí)際荷載模式：用測(cè)量?jī)x器實(shí)地量測(cè)作用在襯砌上的荷載值。二、隧道襯砌受力變形特點(diǎn)圖5-2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn)三、隧道襯砌承受的荷載（一）主動(dòng)

9、荷載（二）被動(dòng)荷載（即圍巖的彈性抗力）1、主要荷載2、附加荷載它是指長(zhǎng)期及經(jīng)常作用的荷載，如圍巖松動(dòng)壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)的自重、地下水壓力及列車、汽車活載等。它是指偶然的、非經(jīng)常作用的荷載，如溫差應(yīng)力、施工荷載、灌漿壓力、凍脹力及地震力等。（一）主動(dòng)荷載一般僅考慮主要荷載，只有在特殊情況時(shí)，如7級(jí)以上地震區(qū)，或嚴(yán)寒 地區(qū)凍脹性土壤的洞口段襯砌，才按主要荷載加附加荷載來檢算。（二）被動(dòng)荷載（即圍巖的彈性抗力）所謂彈性抗力就是指由于支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生向圍巖方向的變形而引起的圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束反力。 支護(hù)結(jié)構(gòu)表面某點(diǎn)i的位移（即對(duì)應(yīng)的圍巖表面某點(diǎn)的壓縮變 在該點(diǎn)處圍巖的彈性抗力 K圍巖的彈性抗力系數(shù)溫克爾假定

10、四、隧道襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法4檢算襯砌截面的承載力 （一）主動(dòng)荷載模式（二）主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模式隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的主要內(nèi)容：1按工程類比方法初步擬定襯砌斷面的幾何尺寸2確定作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載3按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，求出截面的內(nèi)力（彎矩和軸力）（一）主動(dòng)荷載模式1、彈性固定的無鉸拱2、圓形襯砌適用于這類計(jì)算模式的常有半襯砌。用先拱后墻施工時(shí)，先作好的拱圈在挖馬口前的工作情況也是這種半襯砌。這種拱圈的拱腳支承在彈性圍巖上，故稱彈性固定無鉸拱。半襯砌拱圈的拱矢和跨度比值一般是不大的，當(dāng)豎向荷載作用時(shí)，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。修建在軟土地層中的圓形襯砌，也常常按主

11、動(dòng)荷載模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)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。半襯砌的計(jì)算（二）主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模式襯砌結(jié)構(gòu)在主動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生的彈性抗力的大小和分布形態(tài)取決于襯砌結(jié)構(gòu)的變形，而襯砌結(jié)構(gòu)的變形又和彈性抗力有關(guān)，所以襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算是一個(gè)非線性問題，必須采用迭代解法或某些線性化的假定。例如，假設(shè)彈性抗力的分布形狀為已知，或采用彈性地基梁的理論，或用彈性支承代替彈性抗力等等。于是，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的問題，就成了通常的超靜定結(jié)構(gòu)求解。1、假定抗力區(qū)范圍及抗力分布規(guī)律法 （簡(jiǎn)稱“假定抗力圖形法”）2、彈性地基梁法3、彈性支承法 該法的計(jì)算特點(diǎn)是假定抗力的分布范圍的分布規(guī)律，如

12、上、下零點(diǎn)和最大值的位置。該法計(jì)算拱形襯砌(馬蹄形襯砌)的內(nèi)力的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖所示。圖中假定拱部正中為脫離區(qū)，以下為抗力區(qū)。 圖5-3假定抗力圖形法計(jì)算簡(jiǎn)圖1、假定抗力區(qū)范圍及抗力分布規(guī)律法局部變形地基梁法由納烏莫夫首創(chuàng)，一般用于計(jì)算直墻拱形初砌的內(nèi)力，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖所示。 該法計(jì)算拱形直墻襯砌內(nèi)力的特點(diǎn)，是將拱圈和邊墻分為兩個(gè)單元分別進(jìn)行計(jì)算，而在各自的計(jì)算中考慮相互影響。 圖5-4 局部變形地基梁法計(jì)算簡(jiǎn)圖2、彈性地基梁法利用彈性支承法計(jì)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(gè)襯砌單元和彈簧單元所組成的組合體

13、。采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求解該體系即可求得襯砌內(nèi)力。3、彈性支承法五、襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算 算出襯砌內(nèi)力后，還須進(jìn)行隧道襯砌截面強(qiáng)度檢算。襯砌的任一截面均應(yīng)滿足安全檢算要求。根據(jù)隧規(guī)規(guī)定一般地區(qū)單線隧道整體式襯砌、 單線隧道偏壓襯砌、 單線拱形明洞，采用概率極限狀態(tài)法計(jì)算；鐵路隧道其他結(jié)構(gòu)以及公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用破損階段法或容許應(yīng)力法計(jì)算。（一）按極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)的隧道結(jié)構(gòu)截面檢算按極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)檢算規(guī)定：（1）承載力及穩(wěn)定：結(jié)構(gòu)構(gòu)件均應(yīng)進(jìn)行承載能力（包括壓屈失穩(wěn)）的計(jì)算，必要時(shí)尚應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性計(jì)算。（2）變形：對(duì)使用上需要控制變形值的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行變形驗(yàn)算。（3）抗裂及裂縫寬度：對(duì)使用上要求不出

14、現(xiàn)裂縫的混凝土構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行混凝土抗裂驗(yàn)算；對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件，應(yīng)驗(yàn)算其裂縫寬度。1、承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算2、正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算（5-35）（5-36）（二）按破損階段法及允許應(yīng)力法設(shè)計(jì)檢算K安全系數(shù)； N軸向力； Ra混凝土或砌體的抗壓極限強(qiáng)度； 抗拉強(qiáng)度檢算：式中： Rl混凝土的抗拉極限強(qiáng)度； 抗壓強(qiáng)度檢算：（5-33）（5-34）現(xiàn)代隧道施工技術(shù)的發(fā)展，特別是錨噴支護(hù)技術(shù)和新奧法在隧道施工中的應(yīng)用，使得隧道開挖后，能及時(shí)地給圍巖必要的約束，抑制其變形，避免圍巖因變形過度而產(chǎn)生松動(dòng)壓力。此時(shí)隧道開挖所引起的應(yīng)力重分布將由圍巖和支護(hù)體系共同承擔(dān)，從而達(dá)到新的應(yīng)力平衡，這種作用是在支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同變形過程中對(duì)支護(hù)施加的壓力，稱為“形變壓力”。5.3 巖體力學(xué)方法巖體力學(xué)方法主要是對(duì)錨噴支護(hù)進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)。出發(fā)點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用，組成一個(gè)共同承載體系，其中圍巖為主要的承載結(jié)構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)為鑲嵌在圍巖孔洞上的承載環(huán)，只是用來約束和限制圍巖的變形