隧道工程施工案例教程 課件 第10講 巖體力學(xué)方法

第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理第二節(jié)巖體力學(xué)方法二、數(shù)值法求解巖體力學(xué)方法的理論解析解成果較少，主要采用數(shù)值計算方法。數(shù)值計算方法主要包括：有限單元法、差分元法和離散元法等。有限元法是發(fā)展最快的一種數(shù)值方法。

劃分單元，離散結(jié)構(gòu)整體分析，組合總剛單元分析，求單元剛度矩陣解結(jié)構(gòu)平衡方程組(求出單元節(jié)點位移)求單元應(yīng)力第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(一)單元劃分及類型選用把因洞室開挖對周圍巖體影響的區(qū)域作為計算范圍，通常不計空間影響。隧道是長條形結(jié)構(gòu)物，一般簡化為平面應(yīng)變問題，單元也需劃為二維平面形狀。常采用的單元類型為：三角形單元或四邊形單元。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理圖中(a)是計算范圍，(b)是大致單元劃分，(c)是顯示三角形單元節(jié)點處的內(nèi)力，位移分量。(b)(a)W6~10W6~10W(c)ijmxyum

Xmvm

Ymvj

Yjvi

Yiui

Xiuj

Xj第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(二)開挖效果的模擬巖體在開挖洞室之前都具有初始應(yīng)力，開挖以后，在洞壁處應(yīng)力解除。隧道開挖在力學(xué)上可以認為是一個應(yīng)力釋放和回彈變形的問題。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理如果在開挖同時，設(shè)置一能與圍巖密貼結(jié)合、共同作用的支護結(jié)構(gòu)，那么這一結(jié)構(gòu)可等同于那部分剛挖去的巖體，約束周圍巖體因應(yīng)力場調(diào)整而產(chǎn)生的位移，而自己也產(chǎn)生相應(yīng)位移及應(yīng)力。這種效果稱為開挖效果，在作整體有限元分析時應(yīng)反映出來。反映的方法常是在洞室支護結(jié)構(gòu)周邊各節(jié)點加上“等效釋放荷載”。它是由地層初始應(yīng)力產(chǎn)生的，其值等于初始應(yīng)力的合成(轉(zhuǎn)置到各單元節(jié)點)，而方向則作用在支護結(jié)構(gòu)上。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理如果分部開挖，則要把前部開挖后的應(yīng)力重分布狀態(tài)作為初始應(yīng)力，再用同樣方法，計算后部開挖造成的“等效釋放荷載”。

(三)巖體材料的非線性性質(zhì)通常假設(shè)巖體是處于彈性狀態(tài)，這時各單元的應(yīng)力和應(yīng)變呈直線關(guān)系。這樣計算比較簡單，而且在應(yīng)力水平不高的情況下也是接近實際的。但是當(dāng)應(yīng)力達到一定水平，巖體會呈現(xiàn)塑性，應(yīng)采用彈塑性模型進行計算。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理計算模型第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理上臺階開挖第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理上臺階開挖應(yīng)力圖第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理上臺階開挖位移圖第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理下臺階開挖第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理開挖完成應(yīng)力圖第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理開挖完成位移圖第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理三、收斂—約束法（特征曲線法）(一)基本原理特征曲線法又稱收斂－約束法。當(dāng)隧道開挖以后無支護時，圍巖必然向洞室內(nèi)擠入而產(chǎn)生擠向隧道內(nèi)的變形，這種變形稱為收斂。若圍巖強度低，整體性較差，應(yīng)在開挖后適時地沿隧道周邊設(shè)置支護結(jié)構(gòu)，施加支護以后，由于支護的作用而約束了圍巖的變形，稱之為約束。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理此時圍巖與支護將一起共同承受圍巖擠向隧道的形變壓力，對圍巖來說它承受支護的約束力，而對支護來說，又承受圍巖給予的壓力。當(dāng)隧道的支護結(jié)構(gòu)所提供的阻力與圍巖的擠壓力處于平衡狀態(tài)時，隧道就呈穩(wěn)定狀態(tài)。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理從力學(xué)上分析，設(shè)隧道開挖以后，隨即施作柔性支護(即讓它能與圍巖共同變形)。取圍巖為脫離體分析[圖(b)]，顯然圍巖將向隧道內(nèi)變形，但周邊受有Pa的反力。取支護為脫離體[圖(c)]，支護受有Pc的作用壓力。圍巖支護（a）支護（c）Pc圍巖（b）Pa第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理顯然，圍巖上所受的Pa與支護上所受的Pc為一對大小相等方向相反的力。對圍巖來說，隨著Pa增大，則圍巖所受的約束也愈大，則擠入變形u愈小，這種抗力與位移的關(guān)系就是圍巖的特征曲線或地層收斂線。Pau圍巖特征曲線第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理從支護上分析，當(dāng)Pa增大時則支護變形u也愈大，即u隨Pa增大而增大，這是支護的特征曲線，也稱為支護限制線。Pau支護特征曲線第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理支護與圍巖是密貼在一起的，即兩者是共同工作的，支護的變形也就是圍巖周邊的變形。u0PauucuBA圍巖特征曲線支護特征曲線CBPaBPaC①②③④第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理在同一坐標(biāo)平面上同時繪出地層收斂線與支護限制線，則兩條曲線交點的Pi、u值即可作為設(shè)計計算的依據(jù)。對于襯砌結(jié)構(gòu)，這時的Pi值為它承受的地層壓力，u值即為它所產(chǎn)生的變形，如在Pi作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移u后能保持持續(xù)穩(wěn)定，即可判定結(jié)構(gòu)安全可靠。與此同時，也可判定這時地層處于穩(wěn)定狀態(tài)。以地層收斂線與支護限制線相交于一點為依據(jù)的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，稱為收斂—約束法。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(二)圍巖的特征曲線及支護的特征曲線的計算這部分比較難，需要彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、及隧道力學(xué)的相關(guān)知識，有興趣的同學(xué)，自己在課下自學(xué)第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(二)圍巖的特征曲線及支護的特征曲線的計算這部分比較難，需要彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、及隧道力學(xué)的相關(guān)知識，有興趣的同學(xué)，自己在課下自學(xué)第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理塑性區(qū)位移，設(shè)只考察孔壁，即r=r0處的情況畫出u和Pa的關(guān)系曲線，稱收斂曲線或圍巖特性曲線，隨著施加的抗力Pa的增大，洞壁位移將減小。從另一個角度說，如果位移相對大些，讓圍巖適度位移后再加抗力，則為了達到最終平衡所需要的抗力就小些。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理但圍巖若位移過度，則將會松弛乃至松散分離、坍落。那時為達到平衡需要的支撐力反而增大，而且性質(zhì)也不是二者共同作用了。因此，實際上曲線到了臨界點后，將成虛線向上彎曲。umaxAPa彈塑性分界崩塌u第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理Pau1234第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(三)錨噴支護的特征曲線對于支護的特征曲線，我們只研究支護結(jié)構(gòu)的不同所產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，而不考慮其它因素的影響。另外，我們假定當(dāng)支護結(jié)構(gòu)的材料強度達到最大時才開始破壞，這時支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大的位移。它的剛度方程式Pamax=KUamax

第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理1.噴混凝土支護抗力、位移及剛度的計算(1)最大支護抗力Pamax的計算當(dāng)噴層厚度tc<時，按照彈性力學(xué)中受徑向均布壓力作用的薄壁圓筒理論進行計算，如圖所示。假定將圓筒用一假象面沿軸線切成兩半，根據(jù)徑向應(yīng)力平衡條件得第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理tca'AAPatcdPalA—Aσrσrtc第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理現(xiàn)采用噴混凝土三天強度值，并認為此時的噴混凝土支護抗力達到最大，則第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(2)支護最大位移Uamax的計算由于噴混凝土的徑向應(yīng)變及切向應(yīng)變較小，為此假定＝，由彈性力學(xué)中的幾何方程得因噴混凝土為彈性結(jié)構(gòu)，所以第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理式中，為噴混凝土三天的彈性模量(3)支護剛度K的計算根據(jù)上述計算值，繪出噴混凝土支護的特征曲線，如圖所示。PauaPamaxUamax第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理2.錨桿支護抗力、位移及剛度的計算錨桿一般采用兩種基本類型，即端部錨固型錨桿和全長粘結(jié)型錨桿。這兩種類型錨桿的特征曲線是有所不同的。(1)端部錨固型錨桿支護抗力、位移及剛度的計算①最大支護抗力Pamax的計算式中，T為錨桿極限強度，由錨桿拉拔試驗決定；Sa、Se分別為錨桿的縱向及橫向間距。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理②支護剛度K的計算錨桿在工作中發(fā)生變形(縮短或伸長)受力后才能提供支護抗力。由圖知：坑道周邊處位移為Ua，錨桿端部位移為Ua+l，錨桿r處位移為Ur，則錨桿產(chǎn)生的位移為△U＝Ua－Ua＋l，即圍巖位移與錨桿位移之差值。因Ua>Ua＋l，錨桿被拉長，因而錨桿產(chǎn)生了抗力。則坑道周邊位移為第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理Qua+loarua錨桿r處位移為第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理錨桿兩端的位移差為錨桿軸向力(作用在錨桿斷部的集中力)第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理一根錨桿提供的抗力則錨桿的剛度為：③支護最大位移Uamax的計算第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(2)全長粘結(jié)型錨桿支護抗力、位移及剛度的計算①最大支護抗力Pamax的計算式中，Sa、Se分別為錨桿的縱向及橫向間距；P錨桿軸向力，通過下列方法求得：第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理砂漿錨桿的破壞形式有：錨桿桿體本身屈服；錨桿桿體與砂漿脫離；砂漿與孔壁脫離。計算時，按三種破壞形式計算所得的軸向力取最小者。錨桿桿體本身屈服時：

式中A為錨桿截面積；σp為錨桿屈服強度；m1為錨桿工作條件系數(shù)，m1＝0.9~1.0，一般取低值。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理錨桿桿體與砂漿脫離時：式中，d為錨桿直徑；l為錨桿長度；τ2為錨桿與砂漿之間單位表面積上的膠結(jié)力，由試驗確定，當(dāng)無試驗時，可采用經(jīng)驗公式：(為噴混凝土的28天抗壓強度)；K為錨桿工作長度修正系數(shù)，取0.6~0.7，計算時取低值；m2為工作條件系數(shù)，取0.6~0.8，計算時取低值；第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理砂漿與孔壁脫離時：式中，dc為錨桿孔直徑，dc＝d+10mm(d為錨桿直徑)；τ3為砂漿與錨桿孔孔壁之間單位表面積上的膠結(jié)力，與圍巖強度、砂漿性質(zhì)及施工質(zhì)量等有關(guān)，應(yīng)通過試驗決定。一般情況下，砂漿與石灰?guī)r之間，τ3＝1.5~2.0MPa；砂漿與頁巖之間，τ3＝1.0~1.2MPa；m3為工作條件系數(shù)，取0.75~0.9，計算時一般取低值。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理②最大軸向位移Uamax的計算錨桿最大軸向應(yīng)力為σmax=P/A。根據(jù)量測得到的實際軸向應(yīng)力呈三角形分布(如圖所示)，其最大的軸向應(yīng)力約在錨桿長度的1/2處。ll/2σmax錨桿錨桿為彈性桿體，其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系為：第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理式中，為錨桿的彈性模量③錨桿支護剛度K的計算第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理3.鋼支撐抗力、剛度及位移的計算(1)最大支護抗力Pamax的計算按受等距離分布集中荷載的薄壁圓筒原理，計算其最大抗力Pamax值為(圖)。xa2θtB第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理式中AS——鋼支撐截面積；

IS——鋼支撐截面慣性矩；

σS——鋼材屈服強度；

a——隧道開挖半徑；

S——沿隧道長度方向支撐之間的間距；

θ——鋼支撐兩墊塊之間夾角之半(弧度)；

x——鋼支撐截面厚度；

tB——墊塊厚度。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(2)鋼支撐剛度K的計算式中1/K——鋼支撐柔度；

ES——鋼材彈性模量；

EB——墊塊彈性模量；

W——鋼支撐翼緣寬度；

(3)鋼支撐最大位移Uamax

第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(四)錨噴聯(lián)合支護特征曲線現(xiàn)假定噴混凝土、錨桿及鋼支撐施作后，各自單獨受力而互無影響。為此，所組成的聯(lián)合支護體系，其總剛度等于每個支護剛度之和，即K=K1+K2或K=K1+K2+K3另假定每一個支護體系都達到極限值(Pamax、Uamax)。設(shè)錨噴支護體系施作的順序為：噴混凝土—錨桿—鋼支撐—噴混凝土。這樣可按疊加方法繪出特征曲線。繪制方法有兩種：第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理1.頭尾相接即前一次施作的支護達到極限值后立即施作后一次支護，如圖所示。u1maxu12maxu123maxu1234max錨桿P1maxP12maxP123maxP1234maxK3K4噴混凝土鋼支撐噴混凝土PauaK2K1第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理2.頭尾搭接即前一次施作的支護未達到極限值時就施作后—次支護，如圖所示，各次支護施作的時間間隔，應(yīng)根據(jù)量測的位移來控制。(五)圍巖特征曲線與支護特征曲線的交會根據(jù)圍巖特征曲線，可合理地設(shè)置支護特征曲線，使兩者交會后的平衡點處于最佳位置。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理P1234maxP123maxP12maxP1maxP2maxP3maxP4maxK1K1+K2K2+K3K3+K4K2K3K4u1maxu2maxu123maxu1234maxuaPa第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理1.初始位移值U0的確定隧道開挖后在進行支護前，其周邊產(chǎn)生了因開挖而引起的初始徑向位移。對于淺埋隧道可采用從地表向下設(shè)置深孔位移計，測出拱頂處初始位移值作為U0值。如無量測資料及對于深埋隧道可通過下列方法計算確定。(1)按彈性位移計算認為開挖面在支護前彈性位移已全部釋放完畢，則第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(2)按彈性位移的60％計算考慮開挖面的空間效應(yīng)，即由于開挖面的支撐作用，彈性位移未全部釋放，則(3)按總位移的20％~30％計算2.交會方法第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理四、剪切滑移破壞法(一)剪切滑移體的形成如開挖的圓形坑道，在荷載(垂直荷載大于側(cè)向荷載)作用下，在水平直徑的兩側(cè)形成壓應(yīng)力集中而產(chǎn)生剪切滑移面，隨著壓應(yīng)力的不斷增加，剪切滑移面不斷地向水平直徑的上下方且與最大主應(yīng)力軌跡線成45°-φ/2(φ為圍巖內(nèi)摩擦角)方向擴展。由于圍巖受剪而松弛，產(chǎn)生應(yīng)力釋放，當(dāng)圍巖的應(yīng)力較小，剪切滑移面不再繼續(xù)擴展時，則在坑道水平直徑兩端形成兩個剪切楔形滑移塊體。剪切楔形滑移體第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理在無支護情況下，兩楔形滑移塊體，由于剪切而與圍巖體分離，向坑道內(nèi)移動。D(1.5~1.8)D之后，上下部分圍巖體由于楔形塊體滑移而失去支承力，產(chǎn)生撓曲破壞而坍塌，最后形成一個暫時穩(wěn)定的垂直橢圓形洞室。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理剪切破壞所形成的剪切滑移體一定位于圍巖塑性圈內(nèi)。重點、難點內(nèi)容1.巖體力學(xué)方法的基本原理。2.巖體力學(xué)方法的要點。3.巖體力學(xué)方法的基本要求。4.巖體力學(xué)方法與結(jié)構(gòu)力學(xué)方法的區(qū)別。5.用巖體力學(xué)進行分析的思路。6.數(shù)值法求解的步驟。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理剪切破壞所形成的剪切滑移體一定位于塑性圈內(nèi)。設(shè)在剪切滑移線上任取一點i。該點處的半徑為r，與垂直軸的夾角為θ，當(dāng)θ增加一個dθ角時，r的增量為dr，由于dθ、dr值很小，近似求得ααijAαθrαb/2dθrdθdr第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理式中，r為剪切滑移體半徑。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理在坑道中心作與中心軸成α角的直線交坑壁于A點，再由A點作與坑壁成α角的曲線即為剪切滑移線，其方程為上式。為了阻止剪切滑移體向坑道內(nèi)滑移，需修筑錨噴柔性支護以穩(wěn)定坑道。由此知，剪切滑移體為一對對數(shù)螺旋線組成，其曲線方程式為第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理BsAWθθ0atb/2dsαpτnσne錨桿αe第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理錨噴支護所提供的支護抗力必須與剪切滑移體的滑移力相平衡?，F(xiàn)假定錨桿、鋼支撐、噴混凝土所組成的聯(lián)合支護，它們的總支護抗力可視為各支護抗力之和，即(二)剪切滑移破壞法的計算式中，P為所提供的總的支護抗力；P1為噴混凝土提供的支護抗力；P2為鋼支撐提供的支護抗力；P3為錨桿提供的支護抗力；P4為圍巖本身提供的支護抗力。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理計算所得的P值應(yīng)大于阻止剪切滑移所需的最小支護抗力值，即P>Pmin。確定Pmin值的途徑有：(1)由現(xiàn)場實測的塑性區(qū)半徑r0求Pmin值；(2)根據(jù)坑道周邊的極限位移值[u]求Pmin值；(3)實地量測形變壓力作為Pmin值；(4)根據(jù)圍巖特征曲線求解Pmin值。假定P的作用方向為水平方向。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理1.噴混凝土提供的支護抗力P1值噴混凝土抗力是指沿剪切面噴層所提供的平均分配在剪切區(qū)高度b上的抗剪力。當(dāng)坑道周壁噴射混凝土后，剪切滑移體向坑道方向移動時對噴層產(chǎn)生水平推力。如噴層的抗剪強度不足，則在剪切滑移體的上下邊緣處(應(yīng)力集中區(qū))形成兩個剪切滑移面。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理ATsP1BBdsaαb/2A當(dāng)剪切滑移體處于受力極限平衡狀態(tài)時，其水平推力與兩個剪切滑移面上的水平抗剪分力相平衡，即第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理所以而第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理式中ds——噴混凝土層厚度；

τs——噴混凝土抗剪強度，取τs＝0.43σc(σc為噴混凝土抗壓強度)；

αs——噴混凝土剪切角，取αs＝30o；

b——剪切區(qū)高度；

——剪切滑移面的平均傾角，取經(jīng)驗數(shù)據(jù)；第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理其中，α(取α＝60

)、b為剪切區(qū)高度、W為加固帶厚度，取值為：其中，l為形成加固帶時錨桿的有效長度，t為錨桿橫向間距。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理2.鋼支撐提供的支護抗力P2值計算時可換成相應(yīng)的噴混凝土支護抗力，即式中

Fs——每米隧道鋼材的當(dāng)量面積；

τt——鋼材抗剪強度，取τt＝1/2σt(σt為鋼材允許抗拉強度)，也可用τt＝15τs；

αt——鋼材剪切角，一般采用αt＝45

；

b、含義同前。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理3.錨桿提供的支護抗力P3值錨桿受力破壞有兩種情況：式中——錨桿的斷面積；

——錨桿的抗拉強度；

e、t——錨桿縱向及橫向間距。(1)錨桿體本身的強度不足而被拉斷。這種情況下錨桿提供的平均徑向支護抗力為第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(2)錨桿粘結(jié)破壞，即砂漿錨桿與錨桿孔壁之間粘結(jié)力不足而破壞。式中，S為錨桿抗拔力，由錨桿拉拔試驗求得。對錨桿平均徑向支護抗力的取值，在圍巖好時取第一種情況，否則取第二種情況。應(yīng)把錨桿提供的平均徑向支護抗力轉(zhuǎn)化為水平方向支護抗力。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理由于在α~θ0范圍內(nèi)的錨桿才能對剪切滑移體產(chǎn)生抗力，則

P3為集中力，現(xiàn)化成為剪切區(qū)高度b/2上的分布力，則而

第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理4.圍巖本身提供的支護抗力P4值剪切滑移體滑動時，圍巖在滑面上的抗滑力，其水平方向的分力在剪切區(qū)高度b/2上的抗力為第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理即

式中——剪切滑移體長度，其值為、——分別為沿滑移面的剪切應(yīng)力和垂直于滑移面的正應(yīng)力。它們按摩爾包絡(luò)線為直線時的假定求出：第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理由摩爾包絡(luò)線可知徑向主應(yīng)力值隨剪切滑移面上的位置而變化，難以確定。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理式中——噴混凝土層提供的徑向支護抗力，

——鋼支撐提供的徑向支護抗力，假定等于各支護結(jié)構(gòu)所提供的徑向支護抗力之和，即第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理

——錨桿提供的徑向支護抗力，有了值即可求出值，進而可求出、值，最后可求出值。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理第五節(jié)信息反饋方法及經(jīng)驗方法為了確保隧道工程支護結(jié)構(gòu)的安全可靠和經(jīng)濟合理，必須在施工階段進行監(jiān)控量測，及時收集由于隧道開挖而在圍巖和支護結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的位移和應(yīng)力變化等信息，并根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)來判斷是否需要修改預(yù)先設(shè)計的支護結(jié)構(gòu)和施工流程，這一方法叫信息反饋法，又叫監(jiān)控法，日本叫情報化方法。它的特點是能反映隧道開挖后圍巖的實際應(yīng)力及變形狀態(tài)，使得設(shè)計和施工與圍巖的實際動態(tài)相匹配。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理一、信息反饋方法的設(shè)計流程施工前的預(yù)計，是在認真研究勘測資料和地質(zhì)調(diào)查成果的基礎(chǔ)上進行的，對新奧法施工的隧道可按照圖來確定和修正支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)和施工流程，以實現(xiàn)隧道工程的最優(yōu)化設(shè)計和施工。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理研究定測資料掌握圍巖的各種性狀和隧道的環(huán)境條件

·斷面形式及幾何尺寸擬定·襯砌類型及參數(shù)的選擇施工前·預(yù)留變形量·選擇施工方法與施工順序預(yù)設(shè)計·現(xiàn)場監(jiān)控量測設(shè)計·必要時作輔助施工措施設(shè)計

·防排水設(shè)計修正設(shè)計信息反饋開挖

初期支護施工地質(zhì)調(diào)查現(xiàn)場監(jiān)控量測穩(wěn)定性判據(jù)二次襯砌結(jié)束是否根據(jù)需要施作防水層圍巖－支護體系是否穩(wěn)定？支護是否合理？第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理信息化施工的理論核心是反演分析方法的運用。信息化施工設(shè)計包括三個方面的內(nèi)容：現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和處理信息反饋第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理二、信息反饋方法在隧道工程中所采用的反饋方法有兩大類：理論反饋法：是初步設(shè)計和施工效果進行理論分析判別隧道穩(wěn)定性，修正設(shè)計參數(shù)和施工方法。經(jīng)驗反饋法：直接利用量測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗數(shù)據(jù)(位移值、位移速率、位移速率變化率等)進行對比，判斷隧道的穩(wěn)定性。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(一)圍巖物理力學(xué)參數(shù)的反分析利用施工監(jiān)測位移的反分析，能獲得反映等效圍巖的和施工實際的宏觀條件下的圍巖物理力學(xué)參數(shù)，根據(jù)反分析方法不同又有逆反分析法、直接反分析法、圖解法等。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理1.直接反饋法，亦稱正算法先按工程類比法確定計算參數(shù)后，用分析方法求解隧道周邊的位移值，并與量測到的隧道周邊位移值進行比較，當(dāng)兩者有差異時，修正原先假定的計算參數(shù)，重復(fù)計算直至兩者之差符合計算精度要求時為止。最后所用的計算參數(shù)即為圍巖的力學(xué)參數(shù)。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理2.間接反饋法，亦稱逆算法根據(jù)施工中量測到的隧道周邊位移值，用數(shù)值分析方法來反算出主要的計算參數(shù)，并依此進行支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算。由于所需反算的主要參數(shù)(如初始地應(yīng)力狀態(tài)，圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)等)不同，其采用的計算方法也不同。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(二)隧道極限位移根據(jù)工程類比建立一些判斷準(zhǔn)則，然后利用量測到的信息與這些準(zhǔn)則進行比較，依此來判斷圍巖的穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。一般可用三個判斷準(zhǔn)則進行判斷。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理1.根據(jù)位移量測值或預(yù)計最終位移值判斷實測最大相對位移值或預(yù)測相對位移值不大于極限相對位移值的2/3，可認為初期支護達到穩(wěn)定，如果大于極限相對位移值的2/3，意味著圍巖不穩(wěn)定或支護系統(tǒng)工作狀態(tài)不安全，需要加強。洞室穩(wěn)定性或可靠性分析的關(guān)鍵和難點是位移極限值(或稱位移強度)的確定。位移極限值是洞室所處圍巖性質(zhì)、支護結(jié)構(gòu)形狀和施工等條件的綜合反映。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(1)極限位移表格查詢在施工階段可利用位移反分析求得的圍巖力學(xué)指標(biāo)和荷載分布狀況，通過計算模擬取出極限位移。(2)鐵路隧道設(shè)計規(guī)范提供的設(shè)計參數(shù)或反分析確定的物性參數(shù)計算極限位移2.根據(jù)位移速率判斷位移速率是以每天的位移量來表示的。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理對某一開挖斷面來講，從開始產(chǎn)生位移到它穩(wěn)定為止，每天的位移變化速率都是不同的，位移速率是由大變小遞減的過程，從變形曲線可分為三個階段：變形急劇增長階段——變形速率大于1mm/d；變形速率緩慢增長階段——變形速率1~0.2mm/d；基本穩(wěn)定階段——變形速率小于0.2mm/d。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(1)基本穩(wěn)定區(qū)主要標(biāo)志為變形速率逐漸下降，即＜0，表明圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)。3.根據(jù)位移－時間曲線(位移時態(tài)曲線)形態(tài)判斷ut基本穩(wěn)定區(qū)

第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(2)過渡區(qū)變形速率保持不變，即=0。表明圍巖向不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，須發(fā)出警告，加強支護系統(tǒng)。ut過渡區(qū)第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理(3)破壞區(qū)變形速率逐漸增大，即＞0。表明圍巖已進入危險狀態(tài)，須停工，進行加固。ut破壞區(qū)第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理根據(jù)量測結(jié)果可按變形管理等級指導(dǎo)施工。變形管理等級第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理4.隧道失穩(wěn)的經(jīng)驗先兆：局部塊石坍塌或?qū)訝钆?，噴層的大量開裂；累計位移量已達極限位移的2/3，且仍未出現(xiàn)收斂減緩的跡象；每日的位移量超過極限位移的10％；洞室變形有異常加速，即在無施工干擾時的變形速率加大。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理三、經(jīng)驗方法經(jīng)驗方法是建立在圍巖分類基礎(chǔ)上的工程類比方法。第五章隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的基本原理第六節(jié)隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計概要影響鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素就是結(jié)構(gòu)物所處的環(huán)境。

《鐵路隧道耐久性設(shè)計暫行規(guī)定》（2005）將混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別分為碳化環(huán)境、氯鹽環(huán)境、