隧道工程課件：隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法（一）

隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法（一）本章內(nèi)容提要本章教學(xué)目標(biāo)：熟悉隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本理念、特征和方法；熟悉隧道開挖前后圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改變掌握隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載-結(jié)構(gòu)模型、地層-結(jié)構(gòu)模型；了解圍巖及支護特征曲線的意義，熟悉隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法；熟悉隧道支護結(jié)構(gòu)修正設(shè)計的基本流程和方法。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載-結(jié)構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法隧道施工力學(xué)原理本章內(nèi)容提要隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法2345隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的信息反饋法6本章小結(jié)7隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一1.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本理念隧道結(jié)構(gòu)工程特性、設(shè)計原則和方法與地面結(jié)構(gòu)完全不同。隧道結(jié)構(gòu)的受力特點？隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一隧道結(jié)構(gòu)體系承載的主體圍巖支護結(jié)構(gòu)輔助圍巖承載主要承載隧道結(jié)構(gòu)是由周邊圍巖和支護結(jié)構(gòu)兩者組成共同的并相互作用的結(jié)構(gòu)體系周邊圍巖在很大程度上是隧道結(jié)構(gòu)承載的主體隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一

圍巖是工程加固的對象，支護只是加固的手段；圍巖是隧道結(jié)構(gòu)體系的基本承載部分，支護是隧道結(jié)構(gòu)體系的輔助承載部分；圍巖是不可替代的天然的結(jié)構(gòu)主體，支護是可以選擇的人工的結(jié)構(gòu)部分。

圍巖既是產(chǎn)生圍巖壓力的原因（巖體處于應(yīng)力場中），又是承受壓力的結(jié)構(gòu)（應(yīng)力巖體的自承載作用），而且是構(gòu)成這個結(jié)構(gòu)的天然材料（非人工材料）。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計需要明確的條件和要素有哪些？隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一圍巖是主題支護是手段實踐是基礎(chǔ)解析是檢驗隧道支護設(shè)計不僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計，還包括隧道開挖方法、圍巖穩(wěn)定性等設(shè)計確定圍巖壓力結(jié)構(gòu)荷載計算結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一1.2隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展歷程地下工程支護結(jié)構(gòu)理論的一個重要問題是如何確定作用在地下結(jié)構(gòu)的荷載以及如何考慮圍巖的承載能力。從這方面講，支護結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展大概可分為4個階段。剛性結(jié)構(gòu)階段彈性結(jié)構(gòu)階段連續(xù)介質(zhì)階段假定彈性反力階段彈性地基梁階段現(xiàn)代支護理論階段隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一①剛性結(jié)構(gòu)階段：磚石材料襯砌的拱形圬工結(jié)構(gòu)，截面尺寸很大，結(jié)構(gòu)受力后的彈性變形很小，將結(jié)構(gòu)視為剛性結(jié)構(gòu)，荷載為頂部上覆地層的重力，按壓力線理論進行計算隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一②彈性結(jié)構(gòu)階段：混凝土和鋼筋混凝土材料的整體性較好，按彈性連續(xù)拱形框架以超靜定結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，荷載來源為圍巖的松動壓力，并考慮了地層對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彈性反力的約束隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一③連續(xù)介質(zhì)階段：將支護結(jié)構(gòu)與巖體作為一個統(tǒng)一的力學(xué)體系進行考慮，運用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)計算地下結(jié)構(gòu)受力，出現(xiàn)了彈性、彈塑性、黏彈性解答，但是由于求解的困難、巖土的計算參數(shù)難以準(zhǔn)確獲得，目前根據(jù)連續(xù)介質(zhì)理論所得到的計算結(jié)果還只能作為設(shè)計參考依據(jù)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一④現(xiàn)代支護理論階段：隨著新奧法的應(yīng)用，形成了以巖體力學(xué)原理為基礎(chǔ)的、考慮支護與圍巖共同作用的現(xiàn)代支護理論。目前該方法理論上還很不成熟，通常用經(jīng)驗類比法做事先設(shè)計，在施工過程中通過監(jiān)控量測手段，調(diào)整支護措施隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一1.3隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本方法基本方法隧道結(jié)構(gòu)的預(yù)設(shè)計方法隧道結(jié)構(gòu)承載能力驗算隧道結(jié)構(gòu)修正設(shè)計方法初步設(shè)計施工圖設(shè)計變更設(shè)計隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計法①隧道結(jié)構(gòu)的預(yù)設(shè)計方法類比設(shè)計法解析設(shè)計法標(biāo)準(zhǔn)圖、通用圖設(shè)計，主要在鐵路隧道中采用對類似隧道工程案例案例的綜合分析，開展新建隧道設(shè)計運用力學(xué)原理，采用理論解析或數(shù)值解析的方法，用于隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一·允許應(yīng)力法：以構(gòu)件截面的計算應(yīng)力不大于規(guī)定的材料容許應(yīng)力的原則進行結(jié)構(gòu)承載能力設(shè)計或驗算允許應(yīng)力法

破損階段法

概率極限狀態(tài)法

②隧道結(jié)構(gòu)承載能力驗算方法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一破損階段法：設(shè)計要求按材料非線性性質(zhì)計算求得的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的承載能力應(yīng)大于作用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面上的設(shè)計內(nèi)力允許應(yīng)力法

破損階段法

概率極限狀態(tài)法

Mu為構(gòu)件最終破壞時的承載能力，K為安全系數(shù)②隧道結(jié)構(gòu)承載能力驗算方法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一概率極限狀態(tài)法：是以概率理論為基礎(chǔ)，以防止結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到某種功能要求的極限狀態(tài)作為依據(jù)的結(jié)構(gòu)承載能力設(shè)計或驗算方法允許應(yīng)力法

破損階段法

概率極限狀態(tài)法

極限狀態(tài)法·半極限狀態(tài)法·概率極限狀態(tài)法②隧道結(jié)構(gòu)承載能力驗算方法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一修正設(shè)計（反饋設(shè)計）：根據(jù)施工中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象和量測數(shù)據(jù)對預(yù)設(shè)計進行恰當(dāng)?shù)男拚龂鷰r級別支護結(jié)構(gòu)輔助工法分布開挖尺寸開挖斷面斷面的早期閉合③隧道結(jié)構(gòu)的修正設(shè)計方法修正的內(nèi)容隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一1.4補充：極限狀態(tài)設(shè)計法基本原理荷載與作用作用：將能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)（結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力、應(yīng)力、位移、應(yīng)變、裂縫等）的各種因素稱為作用作用·直接作用（荷載）·間接作用溫度是直接作用還是間接作用？隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一永久作用2.作用的分類可變作用偶然作用結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其值不隨時間變化，或變化與平均值相比可以忽略不計結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其值隨時間變化，且變化與平均值相比不可忽略結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量值很大且持續(xù)時間較短結(jié)構(gòu)自重、土壓力等車輛重力、設(shè)備重力、溫度變化等爆炸、地震等隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一3.作用的代表值概念：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計時，以驗算極限狀態(tài)所采用的作用量值標(biāo)準(zhǔn)值Qk：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計時，采用的各種作用的主要代表值準(zhǔn)永久值Qx：在結(jié)構(gòu)上經(jīng)常作用的可變作用值，在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)具有較長的持續(xù)時間（約為50%）頻遇值Qf：在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)被超越的總時間占設(shè)計基準(zhǔn)期的比率較?。ㄒ话阈∮?0%）的作用值組合值Qc：有兩種或以上的可變作用時，所取的作用代表值結(jié)構(gòu)自重、土壓力等車輛荷載振動沖擊組合作用隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一4.結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力概念：指結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）承受外加作用的能力，如承載能力、剛度、抗裂度、強度等，其受到材料性能、幾何參數(shù)、計算模式的不定性的影響材料性能標(biāo)準(zhǔn)值fk：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計時采用的材料性能的基本代表值材料性能設(shè)計值fc：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計時，將材料性能標(biāo)準(zhǔn)值除以材料性能分項系數(shù)所得的值以上兩者誰的值大？為何設(shè)計時取后者？隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一5.設(shè)計狀況概念：代表一定時段內(nèi)實際情況的一組設(shè)計條件，設(shè)計應(yīng)該做到在該組條件下結(jié)構(gòu)不超越有關(guān)的極限狀態(tài)持久設(shè)計狀況：在結(jié)構(gòu)設(shè)計中一定出現(xiàn)，且持續(xù)期很長（一般與設(shè)計使用年限同一數(shù)量級）短暫設(shè)計狀況：在施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而與設(shè)計使用年限相比，其持續(xù)期很短偶然設(shè)計狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)期很短的地震設(shè)計狀況：結(jié)構(gòu)遭受地震時的設(shè)計狀況設(shè)計狀況示例：地震設(shè)計狀況隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一6.作用的組合概念：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計時，預(yù)計可能同時出現(xiàn)的不同作用（效應(yīng)）的集合基本組合：永久作用和可變作用的組合偶然組合：永久作用、可變作用和一個偶然作用的組合頻遇組合：當(dāng)一個極限狀態(tài)被超越時將產(chǎn)生局部損害、交大變形或短暫振動等情況準(zhǔn)永久組合：主要用于當(dāng)長期效應(yīng)是決定性因素時的情況標(biāo)準(zhǔn)組合：當(dāng)一個極限狀態(tài)被超越時將產(chǎn)生嚴(yán)重的永久性損害的情況（如開裂）承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)偶然組合示例：地震隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一7.結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或達到不適于繼續(xù)承載的過大變形的極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值的狀態(tài)結(jié)構(gòu)可靠性：安全、適用、耐久Z=R-S=0結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程R——抗力S——荷載效應(yīng)Z=g（R，S）=g（X1，X2，…，Xn）結(jié)構(gòu)功能函數(shù)X1，X2，…，Xn——隨機變量γ0S≤RS≤C隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一8.結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)可靠性：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能（安全性、適用性和耐久性）的能力，當(dāng)以概率來度量時稱為結(jié)構(gòu)的可靠度pfpf：結(jié)構(gòu)失效概率ps：結(jié)構(gòu)可靠度ps=1-pfpf=P{Z<0}=P{Z<μz-βσz}μz、σz——Z的均值、均方差β——結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)從概率的觀點，結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)就是保障結(jié)構(gòu)可靠度ps足夠大或失效概率pf足夠小，達到人們可以接受的程度隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一9.分項系數(shù)設(shè)計方法原理：將安全系數(shù)分解成荷載分項系數(shù)、抗力分項系數(shù)和材料性能分項系數(shù)等隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一承載能力極限狀態(tài)設(shè)計基本組合偶然組合地震組合隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一正常使用極限狀態(tài)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)組合頻遇組合準(zhǔn)永久組合隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展一10.參考文獻隧道施工力學(xué)原理2隧道施工力學(xué)原理二2.1隧道開挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)（二次應(yīng)力狀態(tài)）一次應(yīng)力狀態(tài)二次應(yīng)力狀態(tài)三次應(yīng)力狀態(tài)地層初始狀態(tài)開挖毛洞后隧道支護后四次應(yīng)力狀態(tài)？達到穩(wěn)定狀態(tài)隧道施工力學(xué)原理二1.深埋圓形洞室彈性二次應(yīng)力狀態(tài)圍巖二次應(yīng)力場的疊加計算

圓形洞室開挖后的毛洞圍巖的二次應(yīng)力場，由圍巖初始應(yīng)力場與開挖洞室引起的擾動應(yīng)力場疊加得到。隧道施工力學(xué)原理二σzσx=λσzλ為側(cè)壓力系數(shù)σzσzσx=λσzσx=λσz+洞室（以圓形洞室為例）開挖后，會發(fā)生什么樣的變形？理解其中的力學(xué)原理隧道施工力學(xué)原理二極坐標(biāo)下,毛洞圍巖的二次應(yīng)力場和洞室圍巖的位移表達式:式中μr、μθ——洞周地層任意點在極坐標(biāo)系中徑向位移和環(huán)向位移；

σr、σθ、τrθ——極坐標(biāo)系中洞周地層任意點的徑向正應(yīng)力、切向正應(yīng)力和剪應(yīng)力分量；a——圓形洞室的半徑；。隧道施工力學(xué)原理二洞壁（r=a處）的應(yīng)力和位移表達式：式中μr、μθ——洞周地層任意點在極坐標(biāo)系中徑向位移和環(huán)向位移；

σr、σθ、τrθ——極坐標(biāo)系中洞周地層任意點的徑向正應(yīng)力、切向正應(yīng)力和剪應(yīng)力分量；a——圓形洞室的半徑；。隧道施工力學(xué)原理二圍巖側(cè)壓力系數(shù)λ對洞壁應(yīng)力的影響：不同λ值時洞壁周邊的應(yīng)力變化情況λ越小，洞壁兩側(cè)越容易壓縮，而洞頂?shù)撞吭饺菀桌眩欢幢诓怀霈F(xiàn)拉應(yīng)力的條件為λ≥1/3。隧道施工力學(xué)原理二圍巖側(cè)壓力系數(shù)λ對洞壁位移的影響：不同λ值時洞壁周邊位移變化情況當(dāng)λ=1時，洞室斷面是均勻縮小的，隨著λ值的不斷減小，洞室上、下頂點繼續(xù)向著洞室斷面內(nèi)擠入，逐漸變成扁平的斷面形狀。λ=1λ=0隧道施工力學(xué)原理二2.深埋圓形洞室彈塑性二次應(yīng)力狀態(tài)洞室塑性狀態(tài)彈性狀態(tài)塑性圈隧道施工力學(xué)原理二（1）塑性區(qū)的應(yīng)力和位移巖體進入塑性狀態(tài)的判據(jù)如式：塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力計算公式:式中σθp、σrp——洞周塑性地層任意點的切向塑性正應(yīng)力和徑向塑性正應(yīng)力；ξ——強度線的斜率，可按（1+sinφ）/（1-sinφ）求得；σc——巖體理論上的單軸抗壓強度值，可按2ccosφ/（1-sinφ）求得。隧道施工力學(xué)原理二彈塑性應(yīng)力分布圖當(dāng)λ=1時，塑性圈半徑Rp的計算公式：式中p0——圍巖初始應(yīng)力。塑性圈塑性圈半徑Rp不僅與巖體自身的強度有關(guān)，而且還受到初始應(yīng)力、洞室半徑的影響隧道施工力學(xué)原理二不同λ值條件下隧道圍巖塑性區(qū)的形狀和范圍不同λ值的圓形隧道圍巖塑性區(qū)形狀：塑性區(qū)內(nèi)的徑向位移u表達式：均體現(xiàn)隧道側(cè)壁塑性區(qū)顯著集中的特點隧道施工力學(xué)原理二（2）彈性區(qū)的應(yīng)力和位移深埋圓形洞室彈性區(qū)的應(yīng)力、位移計算公式：開挖所產(chǎn)生的位移計算公式為：洞室塑性狀態(tài)彈性狀態(tài)塑性圈隧道施工力學(xué)原理二2.2隧道支護后圍巖應(yīng)力狀態(tài)（三次應(yīng)力狀態(tài)）·彈性應(yīng)力狀態(tài)在彈性應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)隧道周邊有徑向阻力pi時，周邊應(yīng)力的表達式是由兩部分組成的。即：支護后隧道（彈性）支護力的存在，使得周邊的徑向應(yīng)力增大、切向應(yīng)力減小，從而提高圍巖的承載力·塑性應(yīng)力狀態(tài)若塑性區(qū)已經(jīng)形成，設(shè)其沿圓周的均布阻力為pi，則可以推導(dǎo)出塑性半徑為：由公式可知，隨著支護抗力的增加，塑性半徑減小。支護后隧道（塑性）隧道施工力學(xué)原理二·塑性區(qū)不形成的條件支護后隧道（塑性）隧道施工力學(xué)原理二維持隧道處于彈性應(yīng)力場所需的最小支護抗力：僅與初始應(yīng)力場、巖性指標(biāo)有關(guān)，而與隧道尺寸無關(guān)巖體既是承受一定荷載的結(jié)構(gòu)體，又是造成荷載的主要來源，體現(xiàn)了“三位一體”的特點（荷載、材料、承載單元）延伸思考：什么情況下需要考慮隧道修建的“四次應(yīng)力狀態(tài)”？本章小結(jié)3本章小結(jié)三1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計基本理念圍巖是主題支護是手段實踐是基礎(chǔ)解析是檢驗