华科地下工程隧道结构设计与计算PPT课件

1、隧道结构设计与计算结构形式一、洞门 洞门是隧道两端的外露部分，是隧道洞口用圬工砌筑并加以建筑装饰的支挡结构物。它联系衬砌和路堑，是整个隧道结构的主要组成部分，也是隧道进出口的标志。 洞门结构常由坡面稳定构造物、坡面截排水系统、碎落阻挡构件组成。 洞门的主要作用 保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定； 汇集在洞口附近的仰、边坡上的地表水，并引离隧道，减少洞口土石方开挖量； 作为隧道的标志性建筑物，应与隧道的规模、使用特性以及周围建筑物、地形条件等要相协调 。第1页/共100页隧道结构设计与计算结构形式 隧道常用的洞门分为有墙洞门和无墙洞门两大类。可以细分为：1、环框式洞门（装饰洞门）2、端墙式（一字墙

2、式）洞门3、翼墙式（八字式墙）洞门4、柱墙式洞门5、台阶式洞门6、削竹式洞门7、遮光棚式洞门第2页/共100页隧道结构设计与计算结构形式1、环框式洞门 将衬砌略伸出洞外,增大其厚度，形 成 洞 口 环 框 ，适 用 于 洞 口 石 质坚 硬 、 地 形 陡 峻而 无 排 水 要 求 的场 合 。 起 到 加 固洞 口 和 减 少 洞 口雨后滴水的作用，可 用 混 凝 土 整 体灌筑。第3页/共100页隧道结构设计与计算结构形式2、端墙式洞门 俗称一字式洞门，适用于自然山坡陡峻，岩质稳定的类以上围岩和地形开阔的地区，是最常使用的洞门形式。端墙式洞门由端墙和洞门顶排水沟组成。端墙的作用是抵抗纵向推

3、力及支持洞口正面上的仰坡，保持其稳定，洞门顶水沟用来将仰坡流下来的地表水汇集后，向两侧排走。洞顶排水沟用圬工砌筑或砂浆抹平，洞门拱圈与洞身拱圈应连成整体，以加强洞门稳定，墙背空隙用浆砌片石回填。第4页/共100页隧道结构设计与计算结构形式3、翼墙式（八字式墙）洞门 是在端墙式洞门的两侧或一侧加设翼墙（挡墙）而成。当洞口地质条件较差，山体纵向推力较大时，可以在端墙式洞门的单侧或双侧设置翼墙，翼墙抵抗山体推力，增加洞门的抗滑及抗倾覆能力的作用。两侧面保护路堑边坡起挡土墙作用。翼墙顶面与仰坡的延长面一致，其上设置水沟，将洞门顶水沟汇集的地表水引至路堑侧沟内排走。第5页/共100页隧道结构设计与计算结

4、构形式第6页/共100页隧道结构设计与计算结构形式4、柱墙式洞门 当地形较陡，仰坡有下滑的可能性，又受地形或地质条件限制，不能设置翼墙时，可在端墙中部署2个（或4个）断面较大的桩墩，以增加端墙的稳定性。柱式洞门比较美观，适用于城市附近、风景区或长大隧道的洞口。第7页/共100页隧道结构设计与计算结构形式第8页/共100页隧道结构设计与计算结构形式第9页/共100页隧道结构设计与计算结构形式5、台阶式洞门 傍山隧道洞口，地面横坡较陡，为了适应地形，减少开挖，多采用台阶式洞门。 第10页/共100页隧道结构设计与计算结构形式6、削竹式洞门 当洞口为松散的堆积层时，通常应避免大刷仰、边坡。一般宜采用

5、接长明洞，恢复原地形地貌的办法。此时，可采用削竹式洞门。第11页/共100页隧道结构设计与计算结构形式第12页/共100页隧道结构设计与计算结构形式 7、遮光棚式洞门 当洞外需要设置遮光棚时，其入口通常外伸很远。遮光构造物有开放式和封闭式之分 第13页/共100页隧道结构设计与计算结构形式二、洞身衬砌1、防护衬砌（饰面衬砌） 防护衬砌的作用是防止坑道围岩的风化。适用于I级围岩，在围岩极不容易风化及无局部掉块的情况下，亦可不加防护，一般在围岩表面喷射不大于5cm的砼层。第14页/共100页隧道结构设计与计算结构形式2、直墙式衬砌 适用场合：直墙式衬砌型式通常用于岩石地层，垂直围岩压力为主要计算荷

6、载、水平围岩压力很小的情况。一殷适用于I，II级围岩，有时也可用于IV级围岩 拱部形状： 坦三心圆拱(R1 R2) 尖三心圆拱 (R2 R1) 割圆拱（ R1 R2 ） 第15页/共100页隧道结构设计与计算结构形式直墙式衬砌直墙式衬砌第16页/共100页隧道结构设计与计算结构形式 围岩完整性比较好的I、II级围岩，边墙可以 采用连拱或柱，称为连拱边墙或柱式边墙 大拱脚薄边墙衬砌：适用于I、II级围岩，边墙可用喷射砼做成，亦可用砼整体浇灌。此类衬砌可使拱脚稳固的直接支承在两侧围岩上，以改善拱圈的受力条件，减少边墙的开挖及衬砌圬工数量，降低造价。大拱脚薄边墙衬砌大拱脚薄边墙衬砌第17页/共100

7、页隧道结构设计与计算结构形式3、曲墙式衬砌 适用范围：适用于IV级以上围岩，水平压力大或除了垂直压力外，还有底鼓压力的情况。地质条件较差，为抵御底鼓压力，配以仰拱使衬砌形成环状封闭结构；基础地基较好，可采用无仰拱的曲墙式衬砌。 IV级以上围岩，地基松软，往往侧压力较大，故宜采用曲墙带仰拱的衬砌。 严寒地区隧道，不管围岩等级如何，只要有地下水存在，衬砌型式仍应采用曲墙式衬砌，并在施工中根据情况设置伸缩缝 为了避免围岩和衬砌的应力集中，造成围岩压力增加和衬砌的局部破坏，应注意衬砌内外轮廓的圆顺，避免急剧弯曲和棱角。设置设置仰拱仰拱作用作用使结构及时封闭，提高整体承载力和侧墙抵抗使结构及时封闭，提高

8、整体承载力和侧墙抵抗侧压力的能力侧压力的能力抵御结构下沉变形，调整围岩和衬砌的应力状态抵御结构下沉变形，调整围岩和衬砌的应力状态第18页/共100页隧道结构设计与计算结构形式曲墙式衬砌曲墙式衬砌仰拱仰拱第19页/共100页隧道结构设计与计算结构形式4、喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌 要求用光面爆破开挖，使洞室周边平顺光滑，成型准确，减少超欠挖。适当的时间喷混凝土，即为喷混凝土衬砌； 根据实际情况，需要安装锚杆的则先装设锚杆，再喷混凝土，即为喷锚衬砌； 如果以喷混凝土，锚杆或钢拱支架的一种或几种组合作为初次支护对围岩进行加固，维护围岩稳定防止有害松动。待初次支护的变形基本稳定后，进行现浇混凝

9、土二次衬砌，即为复合式衬砌。第20页/共100页隧道结构设计与计算结构形式喷锚衬砌与复合衬砌喷锚衬砌与复合衬砌 第21页/共100页隧道结构设计与计算结构形式 喷锚衬砌 锚喷支护作为隧道的永久性衬砌，一般考虑是在级及以上围岩中采用；在级及以下围岩中，采用锚喷支护经验不足，可靠性差； 在层状围岩中，采用喷锚支护效果较好； 喷锚支护作为柔性支护，变形量较大，其外轮廓线宜预留稍大的空间（20cm）； 为了使开挖时外轮廓线圆顺，尽可能减少围岩中的应力集中锚喷衬砌的内轮廓线，宜采用曲墙式的断面形式；第22页/共100页隧道结构设计与计算结构形式 锚喷衬砌内表面不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车中视觉

10、感观，应根据需要考虑内装。 不宜采用锚喷支护作为永久衬砌的情况 在某些不良地质、大面积涌水地段和特殊地段不宜采用锚喷衬砌作为永久衬砌； 对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求衬砌内轮廓很整齐、平整； 有很高的防水要求的隧道； 寒冷和严寒地区有冻害的地方(锚喷衬砌抗冻胀能力较差) 围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者 地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀第23页/共100页隧道结构设计与计算结构形式 复合式衬砌 由初期支护和二次支护组成的，是目前隧道工程常采用的衬砌形式。 初期支护：是限制围岩在施工期间的变形，达到围岩的暂时稳定，初期支护应按主要承载结构设计；

11、 二次支护：是提供结构的安全储备或承受后期围岩压力，二次支护在级及以上围岩时按安全储备设计；在级及以下围岩时按承载(后期围压)结构设计，并均应满足构造要求。 设计方法：目前以工程类比为主，理论验算为辅。结合施工，通过测量、监控取得数据，不断修改和完善设计； 级及以下围岩或可能出现偏压时，应设置仰拱。第24页/共100页隧道结构设计与计算结构形式 仰拱的重要性 解决基础承载力不够，减少下沉：防止底鼓的隆起变形，调整衬砌应力的作用； 封闭围岩，制止围岩过大的松弛变形，将围岩塑性变形和形变压力控制在允许范围，提高结构的整体承载力； 增加底部和墙部的支护抵抗力，防止内挤而产生剪切破坏。 两层衬砌之间宜

12、采用缓冲、隔离的防水夹层，即隔离层。 当初支产生形变及形变压力时，隔离层允许其有少量的变形，可降低形变压力； 当初支支护力不够时，可将少量形变压力均匀的传布到二衬上，依靠二衬制止其继续变形，且不使初衬出现裂缝时，二衬也出现裂缝。 第25页/共100页隧道结构设计与计算结构形式5、偏压衬砌 当山体地面坡陡于1:2.5，线路外侧山体覆盖较薄，或由于地质构造造成的偏压，衬砌为承受这种不对称围岩压力而采用。 偏压衬砌示意图偏压衬砌示意图 第26页/共100页隧道结构设计与计算结构形式三、明洞 当隧道埋深较浅，上覆岩(土)体较薄，难以采用暗挖法时，则应采用明挖法来开挖隧道。用这种明挖法修筑的隧道结构，通

13、常称明洞。 明洞具有地面、地下建筑物的双重特点：作为地面建筑物用以抵御边坡、仰坡的坍方、落石、滑坡、泥石流等病害；作为地下建筑物用于深路堑、浅埋地段不适宜暗挖隧道时而取代隧道的作用；用于在与公路、灌溉渠立交处，以减少建筑物之间的干扰。 明洞的结构形式：拱形明洞、棚式明洞 、箱式明洞第27页/共100页隧道结构设计与计算结构形式1、拱形明洞 隧道进出口两端的接长明洞或在路堑边坡不稳定地段修建的独立明洞等，多采用拱形明洞的形式 ，拱形明洞整体性好，能承受较大的垂直压力和侧压力 拱形明洞的边墙，一般采用直墙。当半路堑型单压明洞外墙尺寸较厚(可达35m)为节省圬工量，通常在浆砌片石的外墙上每隔34m开

14、设孔洞一个 采用偏压拱型明洞时，要特别注意处理好外墙基础，以防止因外墙下沉而引起拱圈开裂。故外墙必须设置于稳固地基上，如有困难，则可用桩基(或加深基础)及加固地基等方法进行处理第28页/共100页隧道结构设计与计算结构形式路堑对称型 ：适用于洞顶地面平缓，路堑两侧地质条件基本相同，原山坡有少量坍塌、落石以及隧道洞口岩层破碎，洞顶覆盖较薄，难以暗挖法修建隧道的地段路堑偏压型：适用于两侧山坡高差较大的路堑，高侧边坡有坍塌，落石或泥石流；低侧边坡明洞墙顶以下部分为挖方，且能满足外侧边墙嵌入基岩要求的地段半路堑偏压型：适用于半路堑靠山侧边坡较高，有坍塌、落石或泥石流等不良地质现象，而外侧地面较为宽敞和

15、稳定，上部填土坡面线能与地面相交以平衡山侧压力的地段 半路堑单压型 ：适用于靠山侧边坡或原山坡有坍塌、落石等情况，外侧地形陡峻无法填土地段 第29页/共100页隧道结构设计与计算结构形式路堑对称型明洞路堑对称型明洞 路堑偏压型明洞路堑偏压型明洞 半路堑偏压型明洞半路堑偏压型明洞 半路堑单压型明洞半路堑单压型明洞 第30页/共100页隧道结构设计与计算结构形式2、棚式明洞 当山坡坍方，落石数量较少，山体侧压力不大，或因受地质、地形条件的限制，难以修建拱形明洞时，可采用棚式明洞 棚式明洞的类型主要取决于外侧边墙的结构形式。通常有墙式、刚架式，柱式和悬臂式(不修建外墙时)等墙式棚洞(墙式棚式明洞)：

16、适用于边坡存在坍塌、落石的地段，横向断面类似桥跨结构，内墙除起挡墙作用外，还承受顶板下传垂直荷载；外墙只承受顶板下传垂直荷载 刚架式棚洞 适用于边坡小量落石，或在连接两座隧道间需建明洞时，为改善隧道通风条件下而被采用 ，外墙结构为连续框架；因此对地基承载力要求较高。第31页/共100页隧道结构设计与计算结构形式墙式棚洞墙式棚洞第32页/共100页隧道结构设计与计算结构形式柱式棚洞：适用于少量落石，地基承载力高，或基岩埋藏浅的地段。外墙采用独立柱和纵梁方式，结构简单，预制吊装方便，但整体稳定性较差 悬臂式棚洞:当山坡较陡，坡面有少量落石，且外侧地基不良或不宜设基础时，可采用悬臂式棚洞 柱式棚洞柱

17、式棚洞 悬臂式棚洞悬臂式棚洞 第33页/共100页隧道结构设计与计算结构形式 明洞填土明洞顶填土厚度：铁路规范确定为l.50m。公路隧道跨度一般比铁路单线隧道跨度大，公路系统设计施工经验少，养护力量弱，故规定不小于2. 0m； 明洞顶填土横坡以能顺畅排除坡面水为原则，不小于2%明洞拱背和墙背的回填：拱脚用素砼或浆砌片石回填；边墙背后超挖部分，宜用片石砼或浆砌片石密实回填；墙背回填料的内摩擦角应不低于围岩的计算摩擦角或设计回填料的计算摩擦角。第34页/共100页隧道结构设计与计算结构形式3、箱式明洞 在明洞净高、建筑高度受到限制，地基软弱的地方，可采用箱形明洞。图为一方形刚构明洞，全部用钢筋混凝

18、土制成的方形整体明洞。若右侧岩层顺层滑动，利用上部回填土石的压力及底层的弹性抗力，平衡侧向岩层滑动的推力，并传于左侧岩层上。回填土高度根据两侧岩层滑动力的大小决定。需要分段施工，两侧紧贴岩层，保持原岩层不致因施工开挖而产生滑动，超挖回填片石的强度不低于该处岩石的抗压强度等。箱式明洞箱式明洞第35页/共100页隧道结构设计与计算荷载编号荷载分类荷 载 名 称1永久荷载围岩压力2土 压 力3结构自重4结构附加荷载5混凝土收缩和徐变的影响力6水 压 力7可变荷载基本可变荷载公路车辆荷载、人群荷载8立交公路车辆荷载及其产生的冲击力、土压力9立交铁路列车荷载及其产生的冲击力、土压力10其它可变荷载立交渡

19、槽流水压力11温度变化的影响力12冻 胀 力13施工荷载14偶然荷载落石冲击力15地 震 力注：编号114为主要荷载；编号11、12、14为附加荷载；编号13、15为特殊荷载。1、荷载分类及组合第36页/共100页隧道结构设计与计算荷载荷载组合： 结构自重围岩压力附加恒载（基本） 结构自重土压力公路荷载附加恒载 结构自重土压力附加恒载施工荷载 温度作用力 结构自重土压力附加恒载地震作用附加恒载：伴随隧道运营的各种设备设施的荷载等。第37页/共100页隧道结构设计与计算荷载2、被动荷载 作用在衬砌上的荷载，按其性质可以区分为主动荷载与被动荷载两大类。 主动荷载是主动作用于结构、并引起结构变形的荷

20、载； 被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起限制作用。第38页/共100页隧道结构设计与计算荷载弹性抗力的两种计算方法（a）弹簧模型温克尔模型：围岩简化成弹簧，弹簧与弹簧之间不能传递剪力，用抗力系数 k 表征，即 p=k s p作用在围岩上的压力，MPa;；s沿压力作用方向的压缩量，m；k弹性抗力系数，MPa/m （b）弹性体模型：考虑质点之间变形的相互影响。它用弹性模量和泊松比表示地层特征，并考虑粘结力和内摩擦角的影响，如邓肯-张模型。第39页/共100页隧道结构设计与计算明洞计算第40页/共100页隧道结构设计与计算明洞计算第41页/共100页隧道结

21、构设计与计算明洞计算第42页/共100页隧道结构设计与计算明洞计算第43页/共100页隧道结构设计与计算明洞计算第44页/共100页隧道结构设计与计算明洞计算第45页/共100页隧道结构设计与计算明洞计算第46页/共100页隧道结构设计与计算明洞计算第47页/共100页隧道结构设计与计算洞门计算第48页/共100页隧道结构设计与计算洞门计算第49页/共100页隧道结构设计与计算洞门计算第50页/共100页隧道结构设计与计算洞门计算第51页/共100页隧道结构设计与计算洞门计算第52页/共100页隧道结构设计与计算洞门计算第53页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算一、荷载结构模型方法以支护结

22、构为承载主体，围岩作为荷载同时考虑其对支护结构的变形约束。适用于浅埋情况及围岩塌落而出现松动压力的情况。第54页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算 荷载-结构模型还可按荷载不同细分成如下几种模式： 1、主动荷载模型（假定抗力法） 2、主动荷载+被动荷载模型（弹性地基梁法） 3、量测压力模型（实测压力法）第55页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算1、主动荷载模型（假定抗力法）（1）曲墙拱结构（朱拉波夫-布加耶娃法）：常用于级围岩；拱圈和曲边墙作为一个整体按无铰拱计算 ；施工时仰拱是在无铰拱业已受力之后修建的，不考虑仰拱对衬砌内力的影响 ；计算假设如下：在主动荷载作用下，顶部衬砌向隧道内变

23、形而形成脱离区，两侧衬砌向围岩方向变形，引起围岩对衬砌的被动弹性抗力上零点b（即脱离区与抗力区的分界点）与衬砌垂直对称中线的夹角假定为 下零点a在墙脚最大抗力点h假定发生在最大跨度处附近，计算时一般取 为简化计算可假定在分段的接缝上。抗力图形的分布假定为二次抛物线忽略衬砌与围岩之间的摩擦力墙脚支承在弹性岩体上，可发生转动和垂直位移(无水平位移) o45babah32第56页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算hhbibi2222coscoscoscosbhbh段段：haha段段：hhiiyy21第57页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算用结构力学方法算出 后，按下图计算衬砌内力和变形h第

24、58页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算（2）直墙式衬砌计算原理拱圈按弹性无铰拱计算，边墙按弹性地基上的直梁计算，并考虑边墙与拱圈之间的相互影响；边墙支承拱圈并承受围岩压力；拱脚区段的弹性抗力假定为二次抛物线分布Winkler假定成立，即拱脚位移考虑边墙顶变位的影响iik第59页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算第60页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算整体式圆形结构自由变形圆环法 当整体式圆管结构修建在松软地层中，地层对结构的弹性抗力很小，故假定结构可以自由变形，地基反力沿环的水平投影为均匀分布，计算图式如图8.17所示。第61页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算假定抗力图法

25、 衬砌机构在竖向荷载作用下，产生向地层方向的变形，从而引起弹性抗力。对于圆管结构，弹性抗力的分布规律，可根据已有的实践经验假定给出。计算图式如图8.18所示。第62页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算装配式圆形结构 装配式圆管结构，应根据管片或砌块间连接构造以及所采用的施工方法，确定相应的计算方法。当组成圆管结构的管片或砌块在环向采用如图8.19所示的连接构造，而接头能传递全部内力时（实际上是不可能传递全部内力的，而只能传递部分内力，故应把接头当作传递一定内力的弹性铰，按弹性铰接圆环进行结构计算），可按整体均质圆环计算；而当管片或砌块采用如图8.20（砌块端为圆柱形接头）或图8.21所示的

26、连接构造时，应按多铰圆环计算，其计算图式如图8.22所示。第63页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算第64页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算第65页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算 地下铁道的通道、车站或地下厂房，承受地层的竖向压力和水平压力以及车辆等荷载，可视为平面变形问题，沿纵向取单位宽度，按闭合框架计算其结构内力。由于底板与地基之间有摩擦力，故可认为底板不能沿水平方向运动。地下铁道通道的计算简图如图8.27所示。第66页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算2、主动荷载+被动荷载模型（弹性地基梁法）第67页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算第68页/共100页隧道结构

27、设计与计算衬砌计算第69页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算第70页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算第71页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算第72页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算第73页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算二、地层结构模型方法 主要用于由于围岩变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反映当前现代支护结构原理的一种计算方法，需采用岩石力学方法进行计算。第74页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算计算方法通常有解析解法和数值解法两类。解析解法主要适用于一些简单情况下，以及某些简化情况下的近似计算。目前，国内外这类方法已经很多，一般可概括成如下几种：（1）支护结构体系与围岩共同作用的解析解法。利用围岩与支护衬砌之间的位移协调条件，得到简单洞形（如圆形）条件下围岩与衬砌结构的弹性、弹塑性及黏弹性解。 （2）收敛-约束法或特征曲线法。原理：按弹塑-黏性理论等推导公式后，再以洞周位移为横坐标、支护反力为纵坐标的坐标平面内绘出表示围岩受力变形特征的洞周收敛线，并按结构力学原理在同一坐标平面内绘出表示支护结构受力变形特征的支护限制线，得出以上两条曲线的交点，根据交点处表示的支护抗力值进行支护结构设计。第75页/共100页隧道结构设计与计算衬砌计算第76页/共