隧道初期及后期支护结构的计算方法课件

隧道初期及后期支护结构的计算方法课件一.隧道支护的结构类型1.初期支护（外层衬砌）

2.后期支护（内层衬砌）初期支护的作用主要是承受“早期围岩压力”，帮助围岩达成施工期间的“基本稳定”，保证隧道在施工期间的安全，以便挖除坑道内岩体。

回忆补充：后期支护的作用主要是作为安全贮备。（1）锚喷支护（常规支护）适用于围岩稳定性较好，开挖坑道后掌子面能基本稳定的条件下。（2）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实施的预加固和支护的工程措施。超前支护超前锚杆超前管棚

短管棚

长管棚超前支护工艺复杂，且造价很大，只适用于少数特殊的围岩条件，故超前支护又称为“特殊稳定措施”。超前支护的各项技术参数需要根据围岩的松散破碎程度及隧道断面大小等条件进行特殊设计。（3）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。改良地层

注浆加固

深层搅拌桩

临时冻结法

超前小导管注浆超前深孔围幕注浆2.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护结构称为“后期支护”，或称为“内层衬砌”。内层衬砌的作用主要是承受“后期围岩压力”，并提供“安全储备”，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。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“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”

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。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“愚公钻山”壮举

马蹄沟村四面环山，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。

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。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。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一、隧道工程的受力特点1.主要特点：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系。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结构的计算起着决定性作用。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：●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。该模型仿效地面结构的计算模型，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。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-结构模型。5.2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，通过弹性支撑实现。5.2结构力学方法适用：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“松动压力”的情况。尤其是对模筑衬砌。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。围岩与支护结构相互作用的处理方法：①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

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。②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。适用于各类围岩。③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。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、主三要荷三载2、附三加荷三载它是三指长三期及三经常三作用三的荷三载，三如围岩三松动三压力、支三护结三构的三自重三、地三下水三压力三及列三车、三汽车三活载三等。它是三指偶三然的三、非三经常三作用三的荷三载，三如温三差应三力、三施工三荷载三、灌三浆压三力、三冻胀三力及三地震三力等三。（一三）主三动荷三载一般三仅考三虑主三要荷三载，三只有三在特三殊情三况时三，如7级以三上地三震区三，或三严寒三地三区冻三胀性三土壤三的洞三口段三衬砌三，才三按主三要荷三载加三附加三荷载三来检三算。（二三）被三动荷三载（三即围三岩的三弹性三抗力三）所谓弹性三抗力就是三指由三于支三护结三构发三生向三围岩三方向三的变三形而三引起三的围三岩对三支护三结构三的约三束反三力。——支护三结构三表面三某点i的位三移（三即对三应的三围岩三表面三某点三的压三缩变——在该三点处三围岩三的弹三性抗三力K——围岩三的弹三性抗三力系三数温克三尔假三定四、三隧道三衬砌三结构三的计三算方三法4检算三衬砌三截面三的承三载力（一三）主三动荷三载模三式（二三）主三动荷三载加三被动三荷载三模式隧道三支护三结构三计算三的主三要内三容：1按工三程类三比方三法初三步拟三定衬三砌断三面的三几何三尺寸2确定三作用三在衬三砌结三构上三的荷三载3按结三构力三学方三法进三行力三学计三算，三求出三截面三的内三力（三弯矩三和轴三力）（一三）主三动荷三载模三式1、弹三性固三定的三无铰三拱2、圆三形衬三砌适用三于这三类计三算模三式的三常有半衬三砌。用三先拱三后墙三施工三时，三先作三好的三拱圈三在挖三马口三前的三工作三情况三也是三这种三半衬三砌。三这种三拱圈三的拱三脚支三承在三弹性三围岩三上，三故称三弹性三固定三无铰三拱。三半衬三砌拱三圈的三拱矢三和跨三度比三值一三般是三不大三的，三当竖三向荷三载作三用时三，大三部分三情况三下，三拱圈三都是三向坑三道内三变形三，不三产生三弹性三抗力三。修建三在软土三地层三中的三圆形三衬砌，也三常常三按主三动荷三载模三式进三行结三构计三算。三承受三的荷三载主三要有三土压三力、三水压三力、三结构三自重三和与三之相三平衡三的地三基反三力。半衬三砌的三计算（二三）主三动荷三载加三被动三荷载三模式衬砌三结构三在主三动荷三载作三用下三产生三的弹三性抗三力的三大小三和分三布形三态取三决于三衬砌三结构三的变三形，三而衬三砌结三构的三变形三又和三弹性三抗力三有关三，所三以衬三砌结三构的三计算三是一三个非三线性三问题三，必三须采三用迭三代解三法或三某些三线性三化的三假定三。例三如，三假设三弹性三抗力三的分三布形三状为三已知三，或三采用三弹性三地基三梁的三理论三，或三用弹三性支三承代三替弹三性抗三力等三等。三于是三，支三护结三构内三力分三析的三问题三，就三成了三通常三的超三静定三结构三求解三。1、假三定抗三力区三范围三及抗三力分三布规三律法（简三称“三假定三抗力三图形三法”三）2、弹三性地三基梁三法3、弹三性支三承法该法三的计三算特三点是三假定三抗力三的分三布范三围的三分布三规律三，如三上、三下零三点和三最大三值的三位置三。该三法计三算拱三形衬三砌(马蹄三形衬三砌)的内三力的三计算三简图三如图三所示三。图三中假三定拱三部正三中为三脱离三区，三以下三为抗三力区三。图5-三3假定三抗力三图形三法计三算简三图1、假三定抗三力区三范围三及抗三力分三布规三律法局部三变形三地基三梁法三由纳乌三莫夫首创三，一三般用三于计三算直三墙拱三形初三砌的三内力三，计三算简三图如三图所三示。该法三计算三拱形三直墙三衬砌三内力三的特三点，三是将三拱圈三和边三墙分三为两三个单三元分三别进三行计三算，三而在三各自三的计三算中三考虑三相互三影响三。图5-三4局部三变形三地基三梁法三计算三简图2、弹三性地三基梁三法利用三弹性三支承三法计三算隧三道衬三砌结三构内三力的三基本三思想三是：三采用三符合“局部三变形三原理”的弹三簧来三模拟三隧道三围岩三，而三将衬三砌与三围岩三所组三成的三隧道三结构三体系三离散三化成三有限三个衬三砌单三元和三弹簧三单元三所组三成的三组合三体。三采用三结构三力学三方法三求解三该体三系即三可求三得衬三砌内三力。3、弹三性支三承法五、三衬砌三结构三强度三检算算出三衬砌三内力三后，三还须三进行三隧道三衬砌三截面三强度三检算三。衬三砌的三任一三截面三均应三满足三安全三检算三要求三。根三据《隧规》规定三一般三地区三单线三隧道三整体三式衬三砌、三单三线隧三道偏三压衬三砌、三单三线拱三形明三洞，三采用概率三极限三状态三法计算三；铁三路隧三道其三他结三构以三及公三路隧三道衬三砌结三构采三用破损三阶段三法或容三许应三力法三计算三。（一三）按三极限三状态三法设三计的三隧道三结构三截面三检算按极三限状三态法三设计三检算三规定三：（1）承三载力三及稳三定：结构三构件三均应三进行三承载三能力三（包三括压三屈失三稳）三的计三算，三必要三时尚三应进三行结三构整三体稳三定性三计算三。（2）变三形：对使三用上三需要三控制三变形三值的三结构三构件三，应三进行三变形三验算。（3）抗三裂及三裂缝三宽度三：对使三用上三要求三不出三现裂三缝的三混凝三土构三件，三应进三行混三凝土三抗裂三验算三；对三钢筋三混凝三土构三件，三应验三算其三裂缝三宽度。1、承三载能三力极三限状三态验三算2、正三常使三用极三限状三态验三算（5-三35）（5-三36）（二三）按三破损三阶段三法及三允许三应力三法设三计检三算K—三—安全三系数三；N—三—轴向三力；Ra——混凝三土或三砌体三的抗三压极三限强三度；抗拉三强度三检算三：式中：Rl——混凝三土的三抗拉三极限三强度三；抗压三强度三检算三：（5-三33）（5-三34）现代三隧道三施工三技术三的发三展，三特别三是锚三喷支三护技三术和三新奥三法在三隧道三施工三中的三应用三，使三得隧三道开三挖后三，能三及时三地给三围岩三必要三的约三束，三抑制三其变三形，避免三围岩三因变三形过三度而三产生三松动三压力。此三时隧三道开三挖所三引起三的应三力重三分布三将由三围岩三和支三护体三系共三同承三担，三从而三达到三新的三应力三平衡三，这三种作三用是三在支三护结三构与三围岩三共同三变形三过程三中对三支护三施加三的压三力，三称为“形三变压三力”。5.三3