隧道支护结构计算

1、第5章 隧道支护结构的计算一. 隧道支护的结构类型1.初期支护（外层衬砌）初期支护（外层衬砌） 2.后期支护（内层衬砌）后期支护（内层衬砌）初期支护的作用初期支护的作用主要是承受主要是承受“早期围岩压力早期围岩压力”，帮助围岩达成施，帮助围岩达成施工期间的工期间的“基本稳定基本稳定”，保证隧道在施工期间的安全，以便挖除坑道，保证隧道在施工期间的安全，以便挖除坑道内岩体。内岩体。 回忆补充：回忆补充：后期支护的作用后期支护的作用主要是作为安全贮备。主要是作为安全贮备。（1）锚喷支护（常规支护）锚喷支护（常规支护）适用于适用于围岩稳定性较好，开挖坑道后掌子面能基本稳围岩稳定性较好，开挖坑道后掌子面

2、能基本稳定的条件下定的条件下。 （2）超前支护（特殊支护）超前支护（特殊支护）超前支护是指在围岩稳定性较差的条件下，开挖前对未暴露围岩部分超前支护是指在围岩稳定性较差的条件下，开挖前对未暴露围岩部分实施的预加固和支护的工程措施。实施的预加固和支护的工程措施。超前支护超前支护 超前锚杆超前锚杆 超前管棚超前管棚 短管棚短管棚 长管棚长管棚 超前支护工艺复杂，且造超前支护工艺复杂，且造价很大，只适用于少数特价很大，只适用于少数特殊的围岩条件，故超前支殊的围岩条件，故超前支护又称为护又称为“特殊稳定特殊稳定措施措施”。超前支护的各。超前支护的各项技术参数需要根据围岩项技术参数需要根据围岩的松散破碎程

3、度及隧道断的松散破碎程度及隧道断面大小等条件进行特殊设面大小等条件进行特殊设计。计。 （3）改良地层（特殊支护）改良地层（特殊支护）改良地层是指在围岩稳定性极差的条件下，开挖前对未暴露围岩部分改良地层是指在围岩稳定性极差的条件下，开挖前对未暴露围岩部分实施适宜的工程措施，将松散岩土胶结为整体，达到改良地层工程力实施适宜的工程措施，将松散岩土胶结为整体，达到改良地层工程力学性能、增强围岩稳定能力的目的工程措施。学性能、增强围岩稳定能力的目的工程措施。 改良地层改良地层 注浆加固注浆加固 深层搅拌桩深层搅拌桩 临时冻结法临时冻结法 超前小导管注浆超前小导管注浆 超前深孔围幕注浆超前深孔围幕注浆 2

4、.后期支护（内层衬砌）后期支护（内层衬砌）工程中常将用于保证围岩处于长期稳定状态的刚度较大的人工支工程中常将用于保证围岩处于长期稳定状态的刚度较大的人工支护结构称为护结构称为“后期支护后期支护”，或称为，或称为“内层衬砌内层衬砌”。内层衬砌的内层衬砌的作用作用主要是承受主要是承受“后期围岩压力后期围岩压力”，并提供，并提供“安全储安全储备备”，以及满足构造、美观、降阻等方面的要求，保证隧道在服务，以及满足构造、美观、降阻等方面的要求，保证隧道在服务期的长期稳定和安全。期的长期稳定和安全。 内层衬砌多采用就地模筑混凝土或钢筋混凝土，也可以采用喷射混内层衬砌多采用就地模筑混凝土或钢筋混凝土，也可以

5、采用喷射混凝土或喷射钢纤维混凝土，还可以采用拼装衬砌。凝土或喷射钢纤维混凝土，还可以采用拼装衬砌。 其结构形状和尺寸可根据限界要求、成拱作用和结构受力要求予以其结构形状和尺寸可根据限界要求、成拱作用和结构受力要求予以调整。除自稳能力特别好的围岩条件以外，普通铁路隧道和公路隧调整。除自稳能力特别好的围岩条件以外，普通铁路隧道和公路隧道中均应设置就地模筑混凝土或钢筋混凝土内层衬砌，但高速铁路道中均应设置就地模筑混凝土或钢筋混凝土内层衬砌，但高速铁路隧道只允许采用就地模筑混凝土或钢筋混凝土内层衬砌。隧道只允许采用就地模筑混凝土或钢筋混凝土内层衬砌。 1初期支护结构类型的选择原则初期支护结构类型的选择

6、原则“围岩不稳，支护帮助，遇强则弱，遇弱则强，按需围岩不稳，支护帮助，遇强则弱，遇弱则强，按需提供，先柔后刚，量测监控，动态调整提供，先柔后刚，量测监控，动态调整” 一般而言，开挖坑道后，若围岩完全能够自稳，则无须人工支护。若一般而言，开挖坑道后，若围岩完全能够自稳，则无须人工支护。若围岩不能满足工程稳定和安全的要求，则必须加以人工支护结构，才围岩不能满足工程稳定和安全的要求，则必须加以人工支护结构，才能使其进入基本稳定状态。围岩自稳能力强的支护就要弱，围岩自稳能使其进入基本稳定状态。围岩自稳能力强的支护就要弱，围岩自稳能力差的，支护就要强；且应优先采用柔性支护，以充分利用围岩的能力差的，支护

7、就要强；且应优先采用柔性支护，以充分利用围岩的固有的自稳能力。若能达成围岩稳定，就不必增加支护强度和刚度；固有的自稳能力。若能达成围岩稳定，就不必增加支护强度和刚度；若不能达成围岩稳定，就必须及时增加支护强度和刚度，直至采用混若不能达成围岩稳定，就必须及时增加支护强度和刚度，直至采用混凝土或钢筋混凝土等刚性衬砌；支护的强度和刚度大小应与围岩的稳凝土或钢筋混凝土等刚性衬砌；支护的强度和刚度大小应与围岩的稳定能力相适应，应与围岩的变形动态相适应。定能力相适应，应与围岩的变形动态相适应。二.初期支护结构类型的选择原则及组合形式闭塞山村上演闭塞山村上演“愚公钻山愚公钻山”壮举壮举u 马蹄沟村四面环山，

8、风景秀美，离十堰市城区只有9公里，但由于大山的阻隔，村民们到十堰市城区赶集，要翻越三座大山，需3个多小时。u 村民们世代用双脚，在大山里踩出的一条羊肠小路，成了这个小山村与外界唯一的通道。几年前，就有村民摔死在山崖下。这几年，在山路上摔断腰椎、胳膊和腿的村民就有六七人。u 村里自行筹资，支部书记找了两个爆破手，拉起了一个20余人的土班子施工队，没有防护通风设施，全凭村民双手开挖，历经5年多次停工，最终打通隧道。u 马蹄沟村与十堰市城区的路程由原来的3个多小时缩短为半小时。5.1隧道结构体系的计算模型隧道结构体系的计算模型一一隧道工程的隧道工程的受力特点受力特点1.主要特点：主要特点：隧道结构的

9、围岩既是作用于支护结隧道结构的围岩既是作用于支护结构上的荷载来源，又与支护结构共同构成承载体构上的荷载来源，又与支护结构共同构成承载体系。系。隧道衬砌应具有足够的强，以保证在使用年限内结隧道衬砌应具有足够的强，以保证在使用年限内结构物有可靠的安全性。隧道衬砌埋置于地下，它的构物有可靠的安全性。隧道衬砌埋置于地下，它的受力变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一受力变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同作用。这种作用个统一的受力体系相互约束，共同作用。这种作用正是地下结构与地面结构的主要区别。正是地下结构与地面结构的主要区别。2. 隧道周边围岩的地质环境对隧道支护

10、结构的计隧道周边围岩的地质环境对隧道支护结构的计算起着决定性作用。算起着决定性作用。3.作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工时间的影响。时间的影响。4.隧道工程支护结构的安全与否，既要考虑到支隧道工程支护结构的安全与否，既要考虑到支护结构能否承载，又要考虑到围岩是否失稳。护结构能否承载，又要考虑到围岩是否失稳。 目前，在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算模型：目前，在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算模型： 一类是以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型，即结构力学模型。结构力学模型。该模型仿效地面结构的计

11、算模型，即将荷载作用在结构上，用一般结构力学的方法计算。适用于围岩因过分变形而发生松弛和坍塌，支护结构主动承担围岩“松动压力”的情况 另一类模型即岩体力学模型。岩体力学模型。它是将支护结构与围岩视为一体，作为共同承受荷载的隧道结构体系，故又称为复合整体模型。这种模型中视围岩为承载单元，支护结构则约束围岩变形。二、计算模型二、计算模型 结构力学法在隧道工程的初期被广泛使用，因为它与当时的施工技术水平相符。在当时的施工条件下，隧道开挖后采用木支撑等进行临时支护，结构与围岩之间不能有效的紧密接触，因为也无法制止围岩变形松弛以及由此产生的“松动压力”，支护结构只能像拱结构一样进行工作。又被称为荷载-结

12、构模型。5.2结构力学方法结构力学方法一、基本原理将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构作将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构作为承载主体，围岩作为荷载主要来源，同时为承载主体，围岩作为荷载主要来源，同时考虑其对支护结构的变形起约束作用，通过考虑其对支护结构的变形起约束作用，通过弹性支撑实现。弹性支撑实现。5.2结构力学方法结构力学方法适用：适用：围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩围岩“松动压力松动压力”的情况。尤其是对模筑衬砌。的情况。尤其是对模筑衬砌。关键问题：关键问题：如何确定作用在支护结构上的荷载，其中最主要的是围如何确定

13、作用在支护结构上的荷载，其中最主要的是围岩所产生的松动压力，以及弹性支承对支护结构的弹性岩所产生的松动压力，以及弹性支承对支护结构的弹性抗力。抗力。围岩与支护结构相互作用的处理方法：围岩与支护结构相互作用的处理方法：主动荷载模式：主动荷载模式：不考虑围岩与支护结构的相互作用，支护结构不考虑围岩与支护结构的相互作用，支护结构 在主在主 动荷载下可自由变形。适用于软弱围岩没有能力约束衬砌情况。动荷载下可自由变形。适用于软弱围岩没有能力约束衬砌情况。主动荷载加被动荷载（围岩弹性约束、弹性抗力）的模式主动荷载加被动荷载（围岩弹性约束、弹性抗力）的模式围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且施加约束反力。适

14、用于各类围岩。围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且施加约束反力。适用于各类围岩。实际荷载模式：实际荷载模式：用测量仪器实地量测作用在衬砌上的荷载值。用测量仪器实地量测作用在衬砌上的荷载值。二、隧道衬砌受力变形特点图5-2 隧道衬砌结构受力变形特点三、隧道衬砌承受的荷载（一）主动荷载（二）被动荷载（即围岩的弹性抗力）1、主要荷载、主要荷载2、附加荷载、附加荷载它是指长期及经常作用的荷载，如它是指长期及经常作用的荷载，如围岩松动压力围岩松动压力、支护结、支护结构的自重、地下水压力及列车、汽车活载等。构的自重、地下水压力及列车、汽车活载等。它是指偶然的、非经常作用的荷载，如温差应力、施工荷它是指偶然

15、的、非经常作用的荷载，如温差应力、施工荷载、灌浆压力、冻胀力及地震力等。载、灌浆压力、冻胀力及地震力等。（一）主动荷载一般仅考虑主要荷载，只有在特殊情况时，如一般仅考虑主要荷载，只有在特殊情况时，如7级以上地震区，或级以上地震区，或严寒严寒 地区冻胀性土壤的洞口段衬砌，才按主要荷载加附加荷载来检地区冻胀性土壤的洞口段衬砌，才按主要荷载加附加荷载来检算。算。（二）被动荷载（即围岩的弹性抗力）iiiiK所谓所谓弹性抗力弹性抗力就是指由于支护结构发生向围岩方向的就是指由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起的围岩对支护结构的约束反力。变形而引起的围岩对支护结构的约束反力。 支护结构表面某点支护结构表面

16、某点i的位移（即对应的围岩表面某点的压缩变的位移（即对应的围岩表面某点的压缩变 在该点处围岩的弹性抗力在该点处围岩的弹性抗力 K围岩的弹性抗力系数围岩的弹性抗力系数温克尔假定温克尔假定四、隧道衬砌结构的计算方法4检算衬砌截面的承载力检算衬砌截面的承载力 （一）主动荷载模式（二）主动荷载加被动荷载模式隧道支护结构计算的主要内容隧道支护结构计算的主要内容：1按工程类比方法初步拟定衬砌断面的几何尺寸按工程类比方法初步拟定衬砌断面的几何尺寸2确定作用在衬砌结构上的荷载确定作用在衬砌结构上的荷载3按结构力学方法进行力学计算，求出截面的内力（弯矩和轴力）按结构力学方法进行力学计算，求出截面的内力（弯矩和轴

17、力）（一）主动荷载模式1、弹性固定的无铰拱、弹性固定的无铰拱2、圆形衬砌、圆形衬砌适用于这类计算模式的常有适用于这类计算模式的常有半衬砌半衬砌。用先拱后墙施工时，先。用先拱后墙施工时，先作好的拱圈在挖马口前的工作情况也是这种半衬砌。这种拱作好的拱圈在挖马口前的工作情况也是这种半衬砌。这种拱圈的拱脚支承在弹性围岩上，故称弹性固定无铰拱。半衬砌圈的拱脚支承在弹性围岩上，故称弹性固定无铰拱。半衬砌拱圈的拱矢和跨度比值一般是不大的，当竖向荷载作用时，拱圈的拱矢和跨度比值一般是不大的，当竖向荷载作用时，大部分情况下，拱圈都是向坑道内变形，不产生弹性抗力。大部分情况下，拱圈都是向坑道内变形，不产生弹性抗力

18、。修建在修建在软土地层中的圆形衬砌软土地层中的圆形衬砌，也常常按主动荷载模式进，也常常按主动荷载模式进行结构计算。承受的荷载主要有土压力、水压力、结构自行结构计算。承受的荷载主要有土压力、水压力、结构自重和与之相平衡的地基反力。重和与之相平衡的地基反力。半衬砌的计算半衬砌的计算（二）主动荷载加被动荷载模式n衬砌结构在主动荷载作用下产生的弹性抗力的大小和分布形态取决于衬砌结构在主动荷载作用下产生的弹性抗力的大小和分布形态取决于衬砌结构的变形，而衬砌结构的变形又和弹性抗力有关，所以衬砌结构衬砌结构的变形，而衬砌结构的变形又和弹性抗力有关，所以衬砌结构的计算是一个非线性问题，必须采用迭代解法或某些线

19、性化的假定。例的计算是一个非线性问题，必须采用迭代解法或某些线性化的假定。例如，假设弹性抗力的分布形状为已知，或采用弹性地基梁的理论，或用如，假设弹性抗力的分布形状为已知，或采用弹性地基梁的理论，或用弹性支承代替弹性抗力等等。于是，支护结构内力分析的问题，就成了弹性支承代替弹性抗力等等。于是，支护结构内力分析的问题，就成了通常的超静定结构求解。通常的超静定结构求解。1、假定抗力区范围及抗力分布规律法、假定抗力区范围及抗力分布规律法 （简称（简称“假定抗力图形法假定抗力图形法”）2、弹性地基梁法、弹性地基梁法3、弹性支承法、弹性支承法 该法的计算特点是假定抗力的该法的计算特点是假定抗力的分布范围

20、的分布规律，如上、分布范围的分布规律，如上、下零点和最大值的位置。该法下零点和最大值的位置。该法计算拱形衬砌计算拱形衬砌(马蹄形衬砌马蹄形衬砌)的的内力的计算简图如图所示。图内力的计算简图如图所示。图中假定拱部正中为脱离区，以中假定拱部正中为脱离区，以下为抗力区。下为抗力区。 图5-3假定抗力图形法计算简图1、假定抗力区范围及、假定抗力区范围及抗力分布规律法抗力分布规律法局部变形地基梁法由局部变形地基梁法由纳乌莫纳乌莫夫夫首创，一般用于计算直墙首创，一般用于计算直墙拱形初砌的内力，计算简图拱形初砌的内力，计算简图如图所示。如图所示。 该法计算拱形直墙衬砌该法计算拱形直墙衬砌内力的特点，是将拱圈

21、和边内力的特点，是将拱圈和边墙分为两个单元分别进行计墙分为两个单元分别进行计算，而在各自的计算中考虑算，而在各自的计算中考虑相互影响。相互影响。 图5-4 局部变形地基梁法计算简图2、弹性地基梁法、弹性地基梁法利用弹性支承法计算隧道衬砌结构内力的基本思想是：采用符合利用弹性支承法计算隧道衬砌结构内力的基本思想是：采用符合“局局部变形原理部变形原理”的弹簧来模拟隧道围岩，而将衬砌与围岩所组成的隧道的弹簧来模拟隧道围岩，而将衬砌与围岩所组成的隧道结构体系离散化成有限个衬砌单元和弹簧单元所组成的组合体。采用结构体系离散化成有限个衬砌单元和弹簧单元所组成的组合体。采用结构力学方法求解该体系即可求得衬砌

22、内力。结构力学方法求解该体系即可求得衬砌内力。3、弹性支承法、弹性支承法五、衬砌结构强度检算 算出衬砌内力后，还须进行隧道衬砌截面强度检算。衬砌的任算出衬砌内力后，还须进行隧道衬砌截面强度检算。衬砌的任一截面均应满足安全检算要求。根据一截面均应满足安全检算要求。根据隧规隧规规定一般地区单规定一般地区单线隧道整体式衬砌、线隧道整体式衬砌、 单线隧道偏压衬砌、单线隧道偏压衬砌、 单线拱形明洞，采单线拱形明洞，采用用概率极限状态法概率极限状态法计算；铁路隧道其他结构以及公路隧道衬砌计算；铁路隧道其他结构以及公路隧道衬砌结构采用结构采用破损阶段法破损阶段法或容许应力法计算。或容许应力法计算。（一）按极

23、限状态法设计的隧道结构截面检算按极限状态法设计检算规定：按极限状态法设计检算规定：（1）承载力及稳定：）承载力及稳定：结构构件均应进行承载能力（包括压屈结构构件均应进行承载能力（包括压屈失稳）的计算，必要时尚应进行结构整体稳定性计算。失稳）的计算，必要时尚应进行结构整体稳定性计算。（2）变形：）变形：对使用上需要控制变形值的结构构件，应进行变形验算对使用上需要控制变形值的结构构件，应进行变形验算。（3）抗裂及裂缝宽度：）抗裂及裂缝宽度：对使用上要求不出现裂缝的混凝土构件，对使用上要求不出现裂缝的混凝土构件，应进行混凝土抗裂验算；对钢筋混凝土构件，应验算其裂缝宽度应进行混凝土抗裂验算；对钢筋混凝土构件，应验算其裂缝宽度。1、承载能力极限状态验算、承载能力极限状态验算2、正常使用极限状态验算、正常使用极限状态验算（5-35）（5-36）（二）按破损阶段法及允许应力法设计检算bhRKNaK安全系数；安全系数； N轴向力轴向力； Ra混凝土或砌体的抗压极限强度；混凝土或砌体的抗压极限强度； 抗拉强度检算：抗拉强度检算：)h/(6ebhR75. 1KN02l式中式中： Rl混凝土的抗拉极限强度；混凝土的抗拉极限强度； 抗压强度检算：抗压强度检算