第章隧道結構計算

隧道工程第6章隧道結構計算重慶交通大學隧道及巖土工程系2008年10月本章學習要求：（1）熟悉公路隧道的荷載類型及其隧道結構的計算模型簡化方法；（2）掌握半襯砌和曲墻式襯砌結構內(nèi)力計算方法；（3）了解公路隧道的數(shù)值分析方法。第6章隧道結構計算6.1概述6.2隧道襯砌上的荷載類型及其組合6.3半襯砌的計算6.4曲墻式襯砌計算6.5直墻式襯砌計算6.6襯砌截面強度驗算6.7單元剛度矩陣6.8結構剛度方程6.1概述1、隧道結構環(huán)境及其簡化2、隧道結構體系的計算模型1、隧道結構環(huán)境及其簡化⑴隧道結構與地面結構的區(qū)別

隧道結構工程特性、設計原則和方法與地面結構完全不同⑴隧道結構與地面結構的區(qū)別●隧道結構是由周邊圍巖和支護結構兩者組成共同的并相互作用的結構體系●周邊圍巖在很大程度上是隧道結構承載的主體

●隧道襯砌的設計和計算應結合圍巖自承能力進行，保證使用壽限內(nèi)的安全度⑴隧道結構與地面結構的區(qū)別⑵隧道結構計算的簡化問題根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件如何簡化對計算結果影響非常重要根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件⑵隧道結構計算的簡化問題⑵隧道結構計算的簡化問題●在十九世紀末，隧道襯砌結構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，忽視了圍巖對襯砌的約束作用●彈性抗力：襯砌在受力過程中的變形，一部分結構有離開圍巖形成“脫離區(qū)”的趨勢，另一部分壓緊圍巖形成所謂“抗力區(qū)”，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⑵隧道結構計算的簡化問題●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，對改善襯砌結構的受力狀態(tài)有利，不容忽視⑵隧道結構計算的簡化問題⑶局部變形理論和共同變形理論●局部變形理論：是以溫克爾（E.Winkler）假定為基礎的。它認為應力和變形之間呈線性關系，即為圍巖彈性抗力系數(shù)●共同變形理論把圍巖視為彈性半無限體，考慮相鄰質點之間變形的相互影響。⑶局部變形理論和共同變形理論人工噴射混凝土的場景2、隧道結構體系的計算模型

計算模型的如何建立？隧道結構計算如何簡化？不同簡化計算結果差異大！

2、隧道結構體系的計算模型

國際隧道協(xié)會(ITA)認為，目前采用的地下結構設計方法可以歸納為以下4種設計模型：●以工每程類呆比為電主的經(jīng)驗份設計茫法；●拳以現(xiàn)田場量浮測和扎試驗開為主葉的實用星設計構法●荷載—結構竿模型方法●巖體力按學模型方法升，包豪括解婦析法變和數(shù)闊值法乞。2、隧鑄道結月構體輝系的循計算慶模型從各規(guī)國的柏地下腫結構穿設計陶實踐患看，麗目前洗主要豬采用址兩類眨計算買模型及：●一類是以支護貼結構作券為承載鍬主體，結構拼力學模洞型，又雪稱為荷該載－結香構模型貿(mào)；●斬另一鏡類則暢相反摸，視圍巖為遭承載主伸體，支涼護結悅構則矛為約走束圍私巖變公形的裹模型耀，過即巖私體力魯學模房誠型或冬稱為盈圍巖—結構模澡型。6.2隧道襯案砌上的撕荷載類灑型1、隧道挨結構上賭的基本庫荷載2、隧道雁結構上朽的荷載惹及其類亮型1、基本基荷載（1）圍寺巖壓盈力（2）結構晝自重力2、隧道牛結構上齡的荷載廳及其類愉型按其性挪質可以水區(qū)分為斥兩大類:●主動要荷載是主動多作用于快結構、翅并引起滑結構變膏形的荷芒載；●被動荷鐘載是因旗結構慣變形妻壓縮祖圍巖梁而引忽起的馬圍巖干被動袖抵抗準力，灶即彈水性抗出力，地它對慈結構歉變形冬起限夜制作辛用。2、隧剝道結蹈構上理的荷梨載及崗其類什型《公路隧烏道設計鋒規(guī)范》J死TG效D趕70苗-2辱00池4將隧狠道結糟構上吼荷載廚仿照經(jīng)橋規(guī)螺分為槽：●永久油荷載●可變剛荷載●偶然啄荷載編號荷載類型荷載名稱1永久荷載（恒載）圍巖壓力2結構自重力3填土壓力水壓力4混凝土收縮和徐變影響力5可變荷載基本可變荷載公路車輛荷載，人群荷載6立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力7

立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力8其它可變荷載立交渡槽流水壓力9溫度變化的影響力10凍脹力施工荷載11偶然荷載落石沖擊力12地震力隧規(guī)P28：表6.1財.1作用在想隧道結凳構上的園荷載荷載赴組合駐：●結構蛋自重纏＋圍想巖壓勵力＋郵附加兇恒載（基璃本）●結構藍自重歷＋土仔壓力壟＋公級路荷江載＋某附加寺恒載●結構涂自重叉＋土貌壓力求＋附挎加恒對載＋竊施工韻荷載＋溫天度作叮用力●結構哈自重塔＋土滴壓力全＋附犬加恒勤載＋后地震男作用附加排恒載示：伴約隨隧虜?shù)肋\瘋營的剖各種偉設備瞎設施粗的荷于載等罷。6.首3半襯砌駐的計算拱圈疾直接堆支承轟在隧譯道圍默巖側描壁上嚼時，蔑稱為卷半襯鉗砌●適合狂于堅過硬和籍較完促整的鞠圍巖(Ⅱ、Ⅲ級)；6.盼3半襯限砌的就計算⑴在垂直摟荷載作潔用下拱輛圈向隧黑道內(nèi)變厘形為自由釋變形，不產(chǎn)份生彈性伶抗力謊；1、基本遺假定⑵拱腳產(chǎn)剃生角位封移和模線位碗移，并阿使拱饒圈內(nèi)蔥力發(fā)好生改銜變，勞計算擋中除敢按固過端無黃鉸拱爸考慮耍外，捎還必族須考頸慮拱難腳位超移的仆影響⑶拱腳沒有喉徑向具位移，只有辰切向位時移；⑷對稱的職垂直分幅位移對木拱圈內(nèi)痕力不產(chǎn)文生影響奸；⑸拱腳的永轉角刷和切向弄位移的邀水平分閑位移肚是必須逆考慮的1、基本夫假定2、基本存結構式中：楚是單位收變位，債即在基哪本結構兼上，因蹄作用時諸，在逝方輛向上所朋產(chǎn)生的擊變位；治為伶荷載變裁位，即筍基本結壤構因外椅荷載作棄用，在承方說向的變說位；f為拱訴圈的層矢高記；3、正則阿方程2、單位猴變位及赴荷載變欄位的計近算由結告構力潔學求驚變位梳的方事法（幣軸向贈力與豈剪力露影響底忽略蒸不計策）知筒道：2、單蔬位變蒼位及蚊荷載淘變位膜的計違算在很多抗情況下斬，襯砌耕厚度是德改變的濕，給積侄分帶來砌不便，粱這時可彎將拱圈月分成偶賠數(shù)段，身用拋物噸線近似忍積分法始代替。3、拱外腳位申移計云算⑴單燈位力矩夸作用時⑵單位儲水平唉力作逐用時單位稱水平趕力可礎以分峽解為禁軸向螞分力游和切瘡向分遙力秀，堵計算淡時只綱需考眠慮軸匯向分嚴力的彎影響列，作碑用在街圍巖乓表面脊的均跳布應鞏力鍵和拱溉腳產(chǎn)選生的翁均勻遷沉陷協(xié)為：的水平僵投影即溉為點a的水騎平位泳移市，均視勻沉死陷時露拱腳拆截面慕不發(fā)摟生轉停動，寨則有沙：（3）外尺荷載作輸用時在外荷瘋載作用麻下，基惠本結構緩中拱腳現(xiàn)點處產(chǎn)堪生彎矩感和磁軸向力場，光如圖所職示，拱葬腳截面付的轉角籠和矮水平位款移貪為：(4連)拱腳奇位移拱腳的坡最終轉宿角予和拆水平位豈移須可肌分別考乘慮和外荷第載的影塌響，按具疊加原斷理求得描，可表村示為：4拱圈截默面內(nèi)力將以上種兩組方示程代入味正則方兔程可得貌：令則任蟲意截揮面處室的內(nèi)餓力為6.錘4曲墻式營襯砌計裝算6.4曲墻式賽襯砌計湊算●撒常用惹于Ⅳ～Ⅵ級圍收巖；●祥拱圈割和曲碌邊墻材作為寫一個仙整體沫按無印鉸拱艷計算第；●云施工曉時仰榨拱是百在無喚鉸拱繩業(yè)已樓受力熄之后涂修建吸的，亂不考軍慮仰增拱對框襯砌鎖內(nèi)力宇的影柏響妹；1計算假莊設⑴哲在主意動荷姐載作幣用下基，頂犯部襯慰砌向諷隧道卵內(nèi)變成形而惑形成剝脫離頓區(qū)，族兩側霞襯砌炮向圍蹈巖方溜向變治形，錄引起鋤圍巖裳對襯緞砌的饅被動擁彈性玩抗力⑵目上零目點b（即脫未離區(qū)與封抗力區(qū)穿的分界臣點）與摟襯砌垂頭直對稱團中線的冶夾角假音定為⑶下再零點a在墻條腳⑷最大抗放力點h假定王發(fā)生被在最郊大跨討度處扇附近賣，計蒼算時繁一般若取必為丟簡化膏計算家可假喝定在短分段坐的接怒縫上借。⑸勁抗力歲圖形刃的分矮布假惜定為甚二次表拋物叼線bh段：ha段：⑹忽略制襯砌講與圍雜巖之擴間的敢摩擦電力⑺墻鑰腳支承溫在彈性努巖體上讓，可發(fā)府生轉動功和垂直杰位移(無水植平位校移)2、主動幅荷載作勢用下的府力法方萌程和襯珠砌內(nèi)力式中難為駕墻底燒位移預。分煮別計掏算柄和外曾荷載盯的影斑響，遮然后龍按照龜疊加芽原理沒相加漫得到2、主動曲荷載作處用下的閣力法方膚程和襯年砌內(nèi)力由于墻水底無水闖平位移愿，故式中：妙是致基本結歷構的單妨位位移剛和主動顆荷載位茂移；揮是墻底冤單位轉愿角；嬌為基慘本結構渡墻底的局荷載轉義角；f為襯獻砌的少矢高撞。求得森后，在提主動荷拒載作用港下，襯董砌內(nèi)力沙即可計躺算：在具體弄進行計躺算時，存還需進熄一步確院定被動震抗力西的大小丈，這需呼要利用科最大抗溪力點h處的變開形協(xié)調姿條件。3、最嬸大抗想力值萌的計挪算●先倚求出此和●變擁位由杯兩部晚分組性成，尋即結襪構在遷荷載捐作用蹤蝶下的脖變位灘和因賽墻底將變位廳（轉鳥角）聾而產(chǎn)無生的墊變位侮之和●腳h點所對統(tǒng)應的婆，則西該點的顯徑向位莫移約等嚇于水平架位移●雅拱頂?shù)谓孛胬说拇姑蔽回澮茖點徑向停位移的忽影響可櫻以忽略胖不計按照結宏構力學旬方法，按在h點加岡一單訪位力鄭，可穗以求吸得飄和4、在呢單位離抗力熄作用襖下的斯內(nèi)力將抗力麥圖廈視為脆外荷載萌單獨作籌用時，瞞未知力盆及她可以營參照膽及路的求滔法得出4、在頂單位搶抗力鍬作用樹下的拉內(nèi)力解出竭及乏后慮，即只可求代出襯冷砌在綢單位喂抗力鏡圖為蜓荷載悲單獨仍作用繡下任漆一截舟面內(nèi)魂力：5、襯蟻砌最竭終內(nèi)糾力計齊算及堵校核迷計算府結果愧的正怕確性襯砌稀任一莖截面閣最終嬌內(nèi)力堅值可拼利用哄疊加究原理比求得父：校核陸計算袋結果澡正確挨性時江，可暑以利敘用拱但頂截掩面轉榴角和躍水平謙位移畫為零雀條件既和最眠大抗扛力點a的位移流條件：式中賤是太墻底鄉(xiāng)豐截面撐最終伏轉角，6.宿5直墻式脆襯砌計宇算6.缺5直墻式余襯砌計費算1、計聚算原瘦理⑴螞拱圈望按彈性無義鉸拱計算，羊邊墻按彈性地致基上的抽直梁計算廢，并扎考慮地邊墻勻與拱吧圈之逝間的鞋相互燭影響盾；⑵傅邊墻傳支承垃拱圈刮并承技受圍筆巖壓友力；⑶混拱腳看區(qū)段叛的彈助性抗掩力為研二次憑拋物辛線分梳布位于45o～55o之間⑷W燈ink固ler假定成約立，即⑸皆拱腳焰位移貴考慮形邊墻否頂變知位的服影響2、邊墻倉的計算——彈性地妖基上的逃直梁⑴直嬌邊墻計厭算分類富：●網(wǎng)剛性邊迎墻●炮短邊催墻●道長邊墻⑵邊墻為泳短梁的次計算：短梁堤的一惠端受捉力及超變形共對另飲一端察有影磚響，怕計算費墻頂陵變位趕時，緞要考亡慮到植墻腳令的受偏力和波變形避的影服響?！駢斣诼祮挝粡澗Ь厮紗问联氉饔貌菹?，墻嗓頂?shù)霓D本角夕和水菜平位移跳為●墻頂羞在單鞋位水慨平力=1單獨祖作用夕下，瞧墻頂機位移衰為鎖和街為●在主動訪側壓力濾（梯形雅荷載）溉作用下臣，墻頂仇位移剛為：其中為基底般彈性抗次力系數(shù)染；k是側絕向彈掀性抗行力系侵數(shù)；鈔是基洽底作妻用有鹽單位貪力矩火時所掀產(chǎn)生姻的轉毫角；h為邊夫墻的號側面芝高度仔；最后氣結果楚為：⑶長邊形墻計仍算——彈性地稼基上的測半無限揪長梁，燃墻頂受突力與墻芽底無關澡，上述吧公式可暗得到一悼定的簡寶化。墻項單燙位位移錯可以簡逼化為：⑷邊墻為僑剛性梁●近似作蒸為彈性異地基上廳的絕對桌剛性梁漠，近似脾認為茂（即檢）●邊墻本土身不產(chǎn)俗生彈性激變形，若在外力闖作用下像只產(chǎn)生掃剛體位講移，墻曾頂處為晝最大值初為：稱為端剛性墻華的綜合往轉動慣睛量，因逗而墻側賞面的轉修角為：6.6襯砌刻截面枕強度泊驗算1、襯砌慌結構檢錦算目前我懇國公路鐘隧道設腦計規(guī)范希規(guī)定，屠隧道襯響砌和明蓄洞應按詠破損階彩段檢算信構件截蔥面強度。結構抗裂有要求加時，對乳混凝土抗構件進銀行抗裂準驗算。2、偏心困受壓構縫件的極抽限承載狼能力，吧計算截梨面的抗儀壓（或偏抗拉）辮強度安巾全系數(shù)K。檢枕查是墻否滿涂足規(guī)綿范所輕要求腳的數(shù)澤值，景即：式中扮：陸是截狗面的版極限軋承載級能力密；桌為鏈截面誰的實噴際內(nèi)螞力(軸向吩力);是規(guī)焦范所屯規(guī)定盤的強置度安緣瑞全系握數(shù)，亞見下片表混凝土撈和砌體亂結構的戰(zhàn)強度安續(xù)全系數(shù)圬工種類混凝土砌體荷載組合永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載混凝土或砌體達到抗壓極限強度2.42.02.72.3混凝土達到抗拉極限強度3.63.0鋼筋水混凝奮土結懶構的怪強度胃安全浙系數(shù)荷載組合永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載鋼筋達到設計強度或混凝土達到抗壓或抗剪極限強度2.01.7混凝土達到抗拉極限強度2.42.03、抗裂繳要求：⑴當婆時，按暗抗拉強踏度控制確承載能屋力，并喘用下式艘計算：⑵對隧道榴襯砌和聚明洞的潔混凝土司偏心受誘壓構件零的軸向倘力偏心只距限制鍬為：不殺宜大于0.4侮5