第五章隧道结构设计ppt版（共118）

2022/10/27中国矿矿业大大学（（北京京）地地下工工程系系1第五章章隧隧道道结构构设计计5.6隧道洞洞门计计算5.5岩体力力学方方法5.3计算模模型5.4结构力力学方方法5.7衬砌截截面强强度检检算5.2荷载类类型5.1概述5.10直墙衬衬砌计计算5.9曲墙衬衬砌计计算5.8半衬砌砌计算算5.1概述1、隧道道结构构环境境及其其简化化2、隧道道结构构体系系的计计算模模型1、隧道道结构构环境境及其其简化化⑴隧道结结构与与地面面结构构的区区别隧道结结构工工程特特性、、设计计原则则和方方法与与地面面结构构完全全不同同⑴隧道结结构与与地面面结构构的区区别●隧道结结构是是由周边围围岩和支护护结构构两者者组成成共同同的并并相互互作用用的结结构体体系●周周边围围岩在在很大大程度度上是是隧道道结构构承载的的主体体●隧道衬衬砌的的设计计和计计算应应结合合围岩自自承能能力进行，，保证证使用用寿限限内的的安全全度⑴隧道结结构与与地面面结构构的区区别⑵隧道结结构计计算的的简化化问题题根据实实际环环境和和边界界条件件如何简简化对对计算算结果果影响响非常常重要要根据实实际环环境和和边界界条件件根据实实际环环境和和边界界条件件根据实实际环环境和和边界界条件件⑵隧道结结构计计算的的简化化问题题⑵隧道结结构计计算的的简化化问题题●在十九九世纪纪末，，隧道道衬砌砌结构构是作作为超静定定弹性性拱计算的的，但但仅考考虑作作用在在衬砌砌上的的围岩岩压力力，忽忽视了了围岩岩对衬衬砌的的约束束作用用●弹性抗抗力：衬砌砌在受受力过过程中中的变变形，，一部部分结结构有有离开开围岩岩形成成“脱离区区”的趋势势，另另一部部分压压紧围围岩形形成所所谓“抗力区区”，在抗抗力区区内，，约束着着衬砌砌变形形的围围岩相相应地地产生生被动动抵抗抗力⑵隧道结结构计计算的的简化化问题题●进入本本世纪纪后，，通过过长期期观测测，发发现围围岩不不仅对对衬砌砌施加加压力力，同同时还还约束着着衬砌砌的变变形。围岩岩对衬衬砌变变形的的约束束，对改善善衬砌砌结构构的受受力状状态有有利，不容容忽视视⑵隧道结结构计计算的的简化化问题题⑶局部变变形理理论和和共同同变形形理论论●局部变变形理理论：：是以以温克克尔（E.Winkler）假定为基基础的。。它认为为应力和和变形之之间呈线性关系系，即为围岩弹性性抗力系系数●共同变形形理论把把围岩视视为弹性性半无限限体，考虑相邻邻质点之之间变形形的相互互影响。⑶局部变形形理论和和共同变变形理论论2、隧道结结构体系系的计算算模型计算模型型的如何何建立？？隧道结构构计算如如何简化化？不同简化化计算结结果差异异大！2、隧道结结构体系系的计算算模型国际隧道道协会(ITA)认为，目目前采用用的地下下结构设设计方法法可以归归纳为以以下4种设计模模型：●以工程类类比为主主的经验设计计法；●以现现场量测测和试验验为主的的实用设计计法●荷载—结构模型型方法●岩体力学学模型方法，包包括解析析法和数数值法。。2、隧道结结构体系系的计算算模型从各国的的地下结结构设计计实践看看，目前前主要采采用两类类计算模模型：●一类是以支护结结构作为为承载主主体，结构力力学模型型，又称称为荷载载－结构构模型；；●另一一类则相相反，视视围岩为承承载主体体，支护结结构则为为约束围围岩变形形的模型型，即即岩体力力学模型型或称为为围岩—结构模型型。5.2隧道衬砌砌上的荷荷载类型型1、隧道结结构上的的基本荷载载2、隧道结结构上的的荷载及及其类型型1、基本荷荷载（1）围岩压压力（2）结构自自重力2、隧道结结构上的的荷载及及其类型型按其性质质可以区区分为两两大类:●主动荷载载是主动作作用于结结构、并并引起结结构变形形的荷载载；●被动荷载载是因结构构变形压压缩围岩岩而引起起的围岩岩被动抵抵抗力，，即弹性性抗力，，它对结结构变形形起限制制作用。。2、隧道结结构上的的荷载及及其类型型《公路隧隧道设设计规规范》JTGD70-2004将隧道道结构构上荷荷载仿仿照桥桥规分分为：：●永久荷荷载●可变荷荷载●偶然荷荷载编号荷载类型荷载名称1永久荷载（恒载）围岩压力2结构自重力3填土压力水压力4混凝土收缩和徐变影响力5可变荷载基本可变荷载公路车辆荷载，人群荷载6立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力和土压力7

立交铁路列车活载及其所产生的冲击力和土压力8其它可变荷载立交渡槽流水压力9温度变化的影响力10冻胀力施工荷载11偶然荷载落石冲击力12地震力隧规P28：表6.1.1作用在在隧道道结构构上的的荷载载荷载组组合：：●结构自自重＋＋围岩岩压力力＋附附加恒恒载（基本本）●结构自自重＋＋土压压力＋＋公路路荷载载＋附附加恒恒载●结构自自重＋＋土压压力＋＋附加加恒载载＋施施工荷荷载＋温度度作用用力●结构自自重＋＋土压压力＋＋附加加恒载载＋地地震作作用附加恒恒载：：伴随随隧道道运营营的各各种设设备设设施的的荷载载等。。5.3.1隧道工工程的的受力力特点点1.荷载的的模糊糊性2.围岩物物理力力学参参数难难以准准确获获得3.围岩压压力承承载体体系◆围岩不不仅是是荷载载，同同时又又是承承载体体◆地层压压力由由围岩岩和支支护结结构共共同承承受◆充分发发挥围围岩自自身承承载力力的重重要性性4.设计参参数受受施工工方法法和施施作时时机的的影响响很大大5.隧道与与地面面结构构受力力的不不同点点—围岩抗抗力的的存在在5.3隧道结结构体体系的的计算算模型型5.3.2隧道结结构体体系的的计算算模型型1.结构力力学模模型特点：：◆以支护护结构构作为为承载载主体体；◆围岩对对支护护结构构的作作用间间接地地体现现为两两点：：①围岩压压力；②②围岩弹弹性抗抗力。◆采用结结构力力学方方法计计算。。适用于于：模筑砼砼衬砌砌分为结构力力学模模型（（荷载-结构模模式）和岩体力力学模模型（（地层模模式）。★★5.3隧道结结构体体系的的计算算模型型§荷载结结构法法先给出出地层层对结结构的的荷载载（土土、水水压力力），，再按按结构构力学学方法法计算算。方法：：关键是是荷载载的确确定方方法。。29图4-2荷载—结构模型2.岩体力力学模模型特点：：◆支护结结构与与围岩岩视为为一体体，共共同承承受荷荷载，，且以以围岩作作为承承载主主体；◆支护结结构约约束围围岩的的变形形；◆采用岩岩体力力学方方法计计算；；◆围岩体体现为为形变变压力力。适用于于：锚喷支支护5.3隧道结结构体体系的的计算算模型型§地层结结构法法将地层层与结结构视视为一一整体体来进进行分分析，，考虑虑地层层-结构的的共同同作用用。求解方法：解析法数值法313.计算模模型详详细比比较结构力学模型岩体力学模型认识视围岩为荷载的来源三位一体特性力学原理

“荷载－结构”力学体系，以最不利荷载组合作为结构设计荷载建立的是“围岩－支护”力学体系，以实际的应力－应变状态作为支护的设计状态支护阻力围岩变形过大，松动坍塌所产生的松动压力支护与围岩共同作用，共同变形所产生的接触形变压力支护临时支撑+整体式厚衬砌初期支护+二次衬砌开挖分部开挖，钻爆法+中小型机械大断面开挖，钻爆法+大中型机械掘进5.4.1基本原原理支护和和围岩岩分开开考虑虑，支支护是是承载载的主主体，，视围围岩为为荷载载来源源和支支护的的弹性性支承承，荷荷载处处理有有三种种模式式:主动荷荷载，主动荷载+被动抗抗力，实际荷荷载。1主动荷荷载模模式适于软软弱岩岩层，，如：：明挖地地铁明洞工工程5.4结构力力学方方法2主动荷荷载+弹性抗抗力模模式适于各各类围围岩在在实际际应用用中，，该模式式基本本能反反映出出支护护结构构的实实际受受力状状况。5.4结构力学方法法3实际荷载模式式它采用量测仪仪器实地量测测作用在衬砌砌上的荷载值值，某种实测测荷载只能适适用于类似情情况。5.4结构力学方法法5.4.2隧道衬砌受力力变形的特点点设围岩垂直压压力大于侧向向压力，则则存在拱顶脱离区，两侧抗力区。5.4结构力学方法法5.4.3隧道衬砌荷载载分类(1)主动荷载主要荷载：围岩压力、支护结构自重、回填土荷载、地下静水压力力及车辆活载等。附加荷载：冻胀压力、地震力等。被动荷载是指围岩的弹性抗抗力，计算有共同变形理论论和局部变形理论论。(2)被动荷载5.4结构力学方法法共同变形理论论：把围岩视为弹性半无限体体，考虑相邻质质点之间的相相互影响。其其所需围岩物物理力学参数数较多，而且且计算颇为繁繁杂，因而我国很少少采用。假设：地基为一均均质、连续、、弹性的半无无限体。优点：①反映了地基基的连续整体体性；②从几何上、、物理上对地地基进行了简简化，因而可可以把弹性力力学中有关半半无限弹性体体的经典问答答已知结论作作为计算的基基础。2.半无限体弹性性地基模型缺点：①弹性假设没没有反映土体体的非弹性性性质；②均质假设没没有反映土体体的不均匀性性；③半无限体假假设有反映地地基的分层特特点；④本模型在数数学处理上比比较复杂，因因而在应用上上也受到一定定的限制。局部变形理论论★：以温克尔（E.Winkler）假定为基础础的。该理论论认为围岩的的弹性抗力与围围岩在该点的的变形成正比比。这个假设实际上是把地地基模拟为刚刚性支座上一一系列独立的的弹簧。当地基表面面上某一点受受压力p时，由于弹簧是彼此独独立的，故只在该点点局部产生沉沉陷y，而在其他地地方不产生任任何沉陷。因因此，这种地地基模型称作作局部弹性地地基模型。优点：可以考虑梁本本身的实际弹弹性变形，消消除了反力直线分布布假设中的缺点。局部弹性地基基模型的计算算较为简单，，在实际应用较较为方便。缺点：没有反映地基基的变形连续续性，当地基表面面在某一点承承受压力时，，实际上不仅仅在该点局部部产生沉陷，，而且也在邻邻近区域产生生沉陷。由于于没有考虑地地基的连续性性，故温克尔尔假设不能全全面地反映地地基梁的实际际情况，特别对于密实实厚土层地基基和整体岩石石地基，将会会引起较大的的误差。但是，如果地地基的上部为为较薄的土层层，下部为坚坚硬岩石，则则地基情况与与图中的弹簧簧模型比较相相近，这时将将得出比较满满意的结果。。隧道衬砌结构构计算的矩阵阵位移法基本原理矩阵位移法又又叫直接刚度法，它是以结构构节点位移为为基本未知量量，联接在同同一节点各单单元的节点位位移应该相等等，并等于该该点的结构节节点位移（变形协调条件件）；同时作用用于某一结构构节点的荷载载必须与该节节点上作用的的各个单元的的节点力相平平衡（静力平衡条件件）。隧道衬砌结构构计算的矩阵阵位移法①三种单刚◆衬砌单刚：梁梁单元◆抗力单刚：二二力杆单元◆基础单刚：支支座单元②②拼总刚(结构刚度矩阵阵)③边界条件～墙墙基础水平位位移为0

④求解以节点位位移为未知量量的方程组～～高斯消去法法等

⑤由由节点位移求求出单元节点点力～内力计算特点直刚法计算图图式隧道衬砌结构构计算的矩阵阵位移法直刚法计算流流程5.5.1解析法5.5岩体力学方法仅对很简单的的问题才可求求出解析解，，如均质半无限体体中的单孔圆圆形隧道、双孔等直径圆圆形隧道，以及椭圆形、方形形和直墙拱形形洞室等问题。但仅对对第一种问题题得出了精确确的解析计算算式，对其他他情况虽已用用复变函数建建立了计算式式，但最终结结果的计算仍仍需借助于数数值逼近。考考虑塑性时也也仅对圆形洞洞室的部分课课题才有解析析解。5.5.2数值分析法1.概述◆边界元法、无无限元法、有有限元法、有有限元法耦合合方法等，仅仅介绍有限元元法。2.有限元法处理理特点隧道计算范围围及网格划分分（1）单元类型的的选择和网格格划分5.5岩体力学方法法（2）计算范围的的选取①隧道开挖影响响范围～距开开挖面中心点点3～5倍洞跨的范围；；②边界上位移为为零。5.5岩体力学方法法（3）边界条件和和初始应力（4）卸荷释放荷荷载及卸荷过过程模拟（5）开挖施工步步骤的模拟（6）求单元应力力（7）围岩与支护护结构稳定性性判断（8）有限元法计计算的可信度度5.5岩体力学方法法有限元法：适用性强（各各种地层、洞洞室，非线性性，施工过程程等）；缺点点：本构关系系难以准确给给出。输入参数不正正确，则给出出错误结果。。525.5岩体力学方法法5.5岩体力学方法法洞门视作挡土墙进行计算设计计：①主动土压力按按库仑理论进行计算；②②无论墙背背仰斜或直立立，土压力的的作用方向均均假定为水平；

③不考虑虑被动土压力力。

④取最不利位置的的墙体条带计算，称为“检算条带”。条带宽度一般般为1m，最不利位置～～墙体最高点点。5.6.1计算原理5.6隧道洞门计算算5.6.2计算部位（检检算条带）的的选取及计算算要点1．柱式、端墙墙式洞门取Ⅰ、Ⅱ作为“检算条条带”。检算算墙身截面偏心、强度，以及基底偏心、应力及沿基底的滑动动和绕墙趾倾覆稳定性5.6隧道洞门计算算2．有挡、翼墙墙的洞门◆检算翼墙时取取洞门端墙墙趾趾前之翼墙宽1m的条带“Ⅰ”，按挡土墙检检算偏心、强度及稳定性；◆检算端墙时取取最不利部分分“Ⅱ”作为“检算条带”，检算其截面偏心和强度；◆检算端墙与翼翼墙共同作用用部分“Ⅲ”的滑动稳定性性。5.6.3洞门计算内容容①墙身偏心及强强度；②绕墙趾的抗抗倾覆性(墙趾:墙身外表面与与基底面的交交点)；③沿基底滑动动的稳定性；；④基底应力检检算。5.6隧道洞门计算算1.计算内容2.洞门端墙及挡挡（翼）墙检算规定

墙身截面压应力≤容许应力

墙身截面偏心距e

≤0.3倍截面厚度

基底应力≤地基容许承载力

基底偏心距e

岩石地基≤B/4，土质地基≤B/6（B为墙底厚度）

滑动稳定系数K0≥1.3

倾覆稳定系数K0≥1.55.6隧道洞门计算算5.6.3洞门计算内容容5.6.4洞门计算的概概率极限状态态法铁路隧道设计计规范规定隧隧道洞门除按按破损阶段法进行检算外，，还可采用极限状态法进行设计计算算。基本方法法仍同破损阶阶段法，如取取计算条带，，具体公式不不同，按可靠靠度理论得出出.5.6隧道洞门计算算1.洞门墙墙身抗压承载能力力计算(承载能力极限限状态)2.洞门墙墙身抗裂承载能力力计算(正常使用极限限状态)5.6隧道洞门计算算3.洞门墙地基承载能力力计算4.抗倾覆计算5.抗滑动计算5.6隧道洞门计算算5.7.1检算内容（1）安全系数检检算（2）偏心检算铁路隧道拼装装式衬砌、复复合式衬砌双线隧道整体体式衬砌公路隧道衬砌砌结构5.7.2适用范围5.7衬砌截面强度度验算

圬工种类及荷载组合

破坏原因混凝土石砌体钢筋混凝土主要荷载主要、附加荷载主要荷载主要、附加荷载主要荷载主要、附加荷载（钢筋）混凝土或石砌体受压破坏2.42.02.72.32.01.7混凝土达到抗拉极限强度（主拉应力）3.63.0－－2.42.0混凝土和石砌砌结构的强度度安全系数（1）允许安全系数数5.7.3安全系数检算算式中：e0—轴向力偏心距距，e0=M/N；K—混凝土和石砌砌结构安全系系数，M,N—轴向力；Ra—混凝土或砌体体的抗压极限限强度；b,h—截面的宽度和和厚度（通常常取1m）；φ—构件的纵向弯弯曲系数，对对隧道衬砌拱拱圈及墙背紧紧密回填的边边墙可取1；α—轴向力偏心影影响系数。抗压控制检算小偏心判断准准则：此时承载能力力由抗压强度度控制：（2）抗压与抗拉控控制分界式中：—混凝土的抗拉拉极限强度，，其它符号意义义同前。抗拉控制检算算大偏心判断准准则：此时承载能力力由抗拉强度度控制：混凝土衬砌的的偏心距不宜大于0.45倍截面厚度；石砌体偏心距距不应大于0.3倍截面厚度；基底偏心距，，对岩石地基基不大于1/4倍墙底厚度，对土质地基不大于1/6倍墙底厚度。5.7.4偏心距限制5.7衬砌截面强度度验算5.8半衬砌的计算算拱圈直接支承承在隧道围岩岩侧壁上时，，称为半衬砌砌●适合于坚硬和和较完整的围围岩(Ⅱ、Ⅲ级)；5.8半衬砌的计算算⑴在垂直荷载作作用下拱圈向向隧道内变形形为自由变形，不产生弹性性抗力；1、基本假定⑵拱脚产生角位移和线位位移，并使拱圈内内力发生改变变，计算中除除按固端无铰铰拱考虑外，，还必须考虑虑拱脚位移的的影响⑶拱脚没有径向位移移，只有切向位位移；⑷对称的垂直分分位移对拱圈圈内力不产生生影响；⑸拱脚的转角和和切切向位移的水水平分位移是是必必须考虑的1、基本假定2、基本结构式中：是是单单位变位，即即在基本结构构上，因作用用时，在方方向上所所产生的变位位；为荷荷载变位，即即基本结构因因外荷载作用用，在方方向的变位；；f为拱圈的矢高高；3、正则方程2、单位变位及及荷载变位的的计算由结构力学求求变位的方法法（轴向力与与剪力影响忽忽略不计）知知道：2、单位变位及及荷载变位的的计算在很多情况下下，衬砌厚度度是改变的，，给积分带来来不便，这时时可将拱圈分分成偶数段，，用抛物线近近似积分法代代替。3、拱脚位移计计算⑴单位力矩矩作用时⑵单位水平力作作用时单位水平力可可以分解为轴轴向分力和和切向向分力，，计计算时只需考考虑轴向分力力的影响，作作用在围岩表表面的均布应应力和和拱脚产产生的均匀沉沉陷为为：的水平投影即即为点a的水平位移，，均匀沉陷时时拱脚截面不不发生转动，，则有：（3）外荷载作作用时在外荷载作用用下，基本结结构中拱脚点点处产生弯矩矩和和轴向力，，如图所示，，拱脚截面的的转角和和水平平位移为为：(4)拱脚位移拱脚的最终转转角和和水平位移移可可分别考虑和外荷载的影影响，按叠加加原理求得，，可表示为：：4、拱圈截面内内力将以上两组方方程代入正则则方程可得：：令则任意截面处处的内力为●常用于Ⅳ～Ⅵ级围岩；●拱圈和曲曲边墙作为一一个整体按无无铰拱计算；；●施工时仰仰拱是在无铰铰拱业已受力力之后修建的的，不考虑仰拱对对衬砌内力的的影响。5.9曲墙式衬砌计计算1计算假设⑴在主动荷荷载作用下，，顶部衬砌向向隧道内变形形而形成脱离离区，两侧衬衬砌向围岩方方向变形，引引起围岩对衬衬砌的被动弹弹性抗力⑵上零点b（即脱离区与与抗力区的分分界点）与衬衬砌垂直对称称中线的夹角角假定为⑶下零点a在墙脚⑷最大抗力点h假定发生在最最大跨度处附附近，计算时时一般取为为简化计算算可假定在分分段的接缝上上。⑸抗力图形形的分布假定定为二次抛物物线bh段：ha段：⑹忽略衬砌与围围岩之间的摩摩擦力⑺墙脚支承承在弹性岩体体上，可发生生转动和垂直直位移(无水平位移)2、主动荷载作作用下的力法法方程和衬砌砌内力式中为为墙底位移移。分别计算算和和外荷载载的影响，然然后按照叠加加原理相加得得到2、主动荷载作作用下的力法法方程和衬砌砌内力由于墙底无水水平位移，故故式中：是是基本结构构的单位位移移和主动荷载载位移；是是墙底底单位转角；；为为基本结构构墙底的荷载载转角；f为衬砌的矢高高。求得后后，在主动荷荷载作用下，，衬砌内力即即可计算：在具体进行计计算时，还需需进一步确定定被动抗力的的大大小，这需要要利用最大抗抗力点h处的变形协调调条件。3、最大抗力值值的计算●先求出和和●变位由两部部分组成，即即结构在荷载载作用下的变变位和因墙底底变位（转角角）而产生的的变位之和●h点所对应的，，则则该点的径向向位移约等于于水平位移●拱顶截面面的垂直位移移对h点径向位移的的影响可以忽忽略不计按照结构力学学方法，在h点加一单位力力，，可可以求得和和4、在单位抗力力作用下的内内力将抗力力图视视为为外荷荷载单单独作作用时时，未未知力力及及可可以以参照照及及的的求法法得出出4、在单单位抗抗力作作用下下的内内力解出及及后后，，即可可求出出衬砌砌在单单位抗抗力图图为荷荷载单单独作作用下下任一一截面面内力力：5、衬砌砌最终终内力力计算算及校校核计计算结结果的的正确确性衬砌任任一截截面最最终内内力值值可利利用叠叠加原原理求求得：：校核计计算结结果正正确性性时，，可以以利用用拱顶顶截面面转角角和水水平位位