隧道力学的基本概念与计算模型

隧道力学的基本概念与计算模型本讲主要内容：1、隧道力学的基本概念2、隧道工程的特点及主要结构型式3、隧道力学的研究内容4、隧道力学的发展历史5、隧道结构的力学计算模型6、初始地应力场及隧道结构荷载形式土木工程学院隧道工程系施成华1、隧道力学的基本概念

众所周知，隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的，但长期以来都沿用适应于地面工程的理论和方法来解决隧道过程中所遇到的各种问题，因而常常不能正确的阐明隧道工程出现的各种力学现象和过程，使得隧道工程长期处于“经验设计”和“经验施工”局面。

目前隧道工程正朝着“信息化设计、信息化施工”的目标迈进，在隧道与地下工程由“经验”到“科学”的转变过程中，隧道力学将起着重要的主导作用。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—基本概念土木工程学院隧道工程系施成华1、隧道力学的基本概念

隧道力学(Tunnelmechanics)是岩土力学的一个重要组成部分。随着各种类型的地下结构物包括隧道(洞)、地下铁道、地下洞室、地下厂房、地下街道等在世界各地大量兴建，作为地下结构物设计理论基础的隧道力学日益显示出其重要性．兼之过去数十年间地下结构理论有了很大发展，隧道力学从岩土力学中划分出来成为一门独立学科的条件业已成熟。

隧道力学是以岩体力学、工程地质学、结构力学、弹塑性力学、以及建筑材料和结构设计原理为基础的一门综合性的边缘学科。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—基本概念土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（1）隧道工程的特点1)荷载的模糊性2)围岩物理力学参数难以准确获得3)围岩—支护结构承载体系◆围岩不仅是荷载，同时又是承载体；

◆地层压力由围岩和支护结构共同承受；

◆充分发挥围岩自身承载力的重要性。4)设计参数受施工方法和施作时机的影响很大

5)隧道与地面结构受力的不同点—围岩抗力的存在土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（2）隧道衬砌的类型外部支护◆整体式混凝土衬砌◆砌石衬砌◆拼装式衬砌◆喷射混凝土支护内部支护◆锚杆◆注浆混合支护◆喷锚支护◆复合式衬砌土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（2）隧道衬砌的类型1）整体式混凝土衬砌土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（2）隧道衬砌的类型2）装配式混凝土衬砌土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（2）隧道衬砌的类型3)复合式衬砌土木工程学院隧道工程系施成华1）马蹄形第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（3）结构型式土木工程学院隧道工程系施成华2）圆形3）拱形第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（3）结构型式土木工程学院隧道工程系施成华4）双连拱形第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（3）结构型式土木工程学院隧道工程系施成华

5）矩形及单跨双层结构第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（3）结构型式土木工程学院隧道工程系施成华6）单层多跨结构第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（3）结构型式土木工程学院隧道工程系施成华隧道是处在各种地质环境中的地下结构，因此，它必将受到周围环境的强烈影响。所谓的地质环境包括：地质体的形成及其经历；初始应力场（包括构造应力场在内）；各种地质体的物理的、力学的、构造的和时间的特性及其分类等。科学地认识地质环境对地下结构的影响是正确地进行结构设计和施工的前提。

此外，隧道围岩的工程地质分类受到了极大的关注，因为隧道设计的工程类比方法大都是以围岩分类级别为依据的。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容3、隧道力学的研究内容（1）隧道地质环境的研究土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容（2）隧道施工过程的动态力学分析隧道从开挖到初期支护的施作，再到二次衬砌的施作需要一个过程，而且一般的软弱围岩隧道，多采用分部开挖施工方法，不同开挖方法和支护时机对隧道结构体系的稳定性影响很大。

隧道施工阶段的力学分析包括：围岩初始应力场和开挖效应；毛洞稳定性分析；初期支护(锚喷和钢拱支护等)和二次支护(衬砌)的受力状态分析；不同施工阶段支护与围岩的相互作用及围岩稳定性分析(包括弹性分析、粘弹性分析、弹塑性分析、弹粘塑性分析、二维和三维模型等)；地下施工引起的地面沉陷等等。土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容（3）隧道使用阶段支护体系的稳定性分析一个完整的支护体系是由周围岩体和支护结构组成的。因此，支护体系的设计必须包括对周围岩体支护效应及支护结构效应的评定。必须正确地确定支护结构与坑道围岩的接触状态及其相互作用机理，建立两者的相互作用力学模式。

此外，隧道工程各种材料（包括岩石及岩体、混凝土、金属材料等）的性质，尤其是长期性质都与时间有关。因此，构成隧道支护体系的岩体和结构材料也必将受到时间的影响。例如支护结构参与工作的时间、围岩压力的时间效应、岩体或混凝土徐变、流变对应力应变的影响等。土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容（4）隧道结构的动力分析隧道工程的动力分析包括隧道工程的动力性态；隧道工程地震(爆振)反应分析；隧道施工振动与地下交通隧道车辆振动对环境影响分析；列车荷载下上下重叠和交叉隧道的动力响应分析等。土木工程学院隧道工程系施成华现场测试和实验室试验是隧道力学不可缺少的组成部分。设计和施工前的隧址工程地质勘探；施工过程中结构和围岩（包括地面）的变形观测；这是指导施工和设计的重要反馈信息；实验室相似材料模型试验、光弹性模型试验以及离心机模型试验等；运营期间地下结构的静力和动力观测包括长时期的结构变形和应变观测、对地震和车辆振动反应的观测等。现场测试和实验室试验，一方面为地下结构物的设计和计算提供数据，另一方面又是检验设计和计算是否正确性的重要手段。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容（5）现场测试和室内试验的研究土木工程学院隧道工程系施成华岩土物理力学性质和本构关系的研究，既是岩土力学工作者的主要任务之一，也应该是隧道力学工作者的一项重要任务。严格地说．数值分析结果是否正确，往往取决于所选用的材料本构模型和物理力学参数是否正确。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容（6）岩土力学性质和本构关系的研究土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华4、隧三道力三学的三发展三历史最早(1三9世纪三初期)的隧三道（三洞）三多以三砖石三材料三作衬三砌，三采用三木支三撑和三断面三分部三开挖三的方三法施三工。三可以三推断三，当三时隧三道衬三砌的三设计三是仿三照拱三桥进三行的三，其三特点三是只考三虑衬三砌承三受围三岩的三主动三荷载三而未三考虑三围岩三对衬三砌变三形的三约束三和由三此产三生的三抗力，因三此衬三砌厚三度偏三大。三其三后，三不同三学者三和工三程师三们在三设计三隧道三衬砌三时采用三不同三的假三定来三计及三围岩三对衬三砌变三形所三产生三的抗三力，其三中温三克尔(w三in三ke三r)局部三变形三理论三得到三了广三泛应三用。三这方三面的三代表三学者三有：O．康三姆裂三尔(1三91三0)，B．H许特三和S．约三翰勒三逊(1三92三2)，A.布耳(1三94三4)，H．舒三尔茨三和H．杜三德克(1三96三4)等。第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—发展三历史土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华与此三同时三，将村三砌和三围岩三视作三连续三介质三模型进行三分析三的方三法也三得到三了发三展，三其中三代表三量学三者有三：H．史三密特(1三92三6)，J．塔三罗勃(1三95三7)，H．卡三斯特三勒(1三96三0)，A．M．缪三尔伍三德(1三97三5)。50年代三以来三，喷三射混三凝土三和锚三杆被三广泛三用作三初期三支护三。人三们逐三渐认三识到三，这三种支三护能三在保三证围三岩稳三定的三同时三允许三其有三一定三程度三的变三形，使围三岩内三部应三力得三到调三整从三而发三挥其三自持三作用，因三此可三以将三内层三衬砌三的厚三度减三小很三多。第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—发展三历史土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华60年代三中期三，随三着数三字电三子计三算机三的更三新和三岩土三本构三定律三研究三的进三展，隧道三工程三分析三方法三进入三了以三有限三元法三为代三表的三数值三分析三时期。这三方面三的代三表学三者有三：S．F．瑞三亚斯三和D．V．迪三尔(1三96三6)，0．C．辛三克维三奇等(1三96三8)三(1三97三4)，E．L威尔三逊(1三96三8)，F．H．库三乐荷三威(1三97三5)，W．维三特基(1三97三7)。三近年三来数三值分三析有三了新三的进三展，三无限三单元三、边三界单三元、三离散三单元三、节三理单三元等三在地三下结三构静三力和三动力三分析三中得三到了三广泛三应用三。隧道三工程三反分三析法三有了三发展三，其要三旨是三根据三现场三测得三的围三岩变三形数三据反三演推三算围三岩的三各种三物理三力学三参数三和初三始地三应力三等。第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—发展三历史土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华由于三地下三结构三物的三地质三条件三和它三们的三用途三、使三用期三限以三及运三营条三件的三不同三，需三要采三用不三同的三设计三计算三方法三。同三时，三经验三、工三程类三比和三工程三师们三的判三断也三都是三必要三的。三有头三脑的三工程三师们三善于尊重三隧道三力学三对某三项具三体工三程的三分析三成果三，并三根据三自己三的经三验和三判断三做出三合理三的设三计和三施工三方案三来指三导设三计和三施工。第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—发展三历史土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华5、隧三道结三构的三力学三计算三模型（1）国三内外三常用三的隧三道结三构计三算模三型国际三隧道三协会(I三TA三)于19三78年曾三成立三结构三设计三模型三研究三组(W三or三ki三ng三G三ro三up三o三n三St三ru三ct三ur三al三d三es三ig三n三Mo三de三ls三)，其三任务三在于三汇集三与交三流各三会员三国所三采用三的结三构设三计模三型。三该工三作组三于19三81年提三出了三工作三报告三，给三出了三各会三员国三对四三种不三同类三型的三隧道三所采三用的三结构三设计三模型。第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—计算三模型土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华（1）国三内外三常用三的隧三道结三构计三算模三型第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—计算三模型土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—计算三模型（1）国三内外三常用三的隧三道结三构计三算模三型土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华由此三，目三前国三内外三采用三的隧三道结三构设三计模三型可三归纳三为四三种类三型：1）以工三程类三比为三依据三的经三验法（Em三pi三ri三ca三l三Me三th三od）。2）以测三试为三依据三的实三用法。包三括收三敛—约束三法(c三on三ve三rg三en三ce—co三nf三in三em三en三t三Me三th三od三)、现三场和三实验三室的三岩土三力学三试验三、应三力(应变)量测三以及三实验三室模三型试三验。3）结构三力学三方法（作三用—反作三用模三型，Ac三ti三on三-r三ea三ct三io三n三Mo三de三l)，例三如弹三性地三基框三架，三弹性三地基三圆环三（全三部支三承或三部分三支承三），三矩阵三位移三法等三。这三种模三型亦三可称三为荷三载—结构三法。第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—计算三模型（1）国三内外三常用三的隧三道结三构计三算模三型土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华4）岩体三力学三方法（连三续介三质模三型，Co三nt三in三uu三m三Mo三de三l)，包三括解三析法三和数三值法三两种三主要三的方三法。三解析三法又三分为三封闭三解和三近似三解两三种方三法，三目前三它已三逐渐三被数三值法三所取三代。三数值三法以三有限三元法三为主三，这三种模三型亦三可称三之为三连续三介质三力学三法。三隧三道工三程技三术人三员在三设计三隧道三与地三下结三构物三时，往往三要考三虑和三比较三各种三方法三，或三以某三一种三方法三为主三，以三其它三的方三法作三为校三核。第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—计算三模型（1）国三内外三常用三的隧三道结三构计三算模三型土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华该方三法认三为围三岩对三支护三结构三的作三用只三是产三生作三用在三结构三上的三荷载三（包三括主三动的三围岩三压力三和被三动的三围岩三弹性三抗力三），三该模三型是三仿效三地面三结构三的计三算模三型，即将三荷载三作用三在结三构上三，用三一般三结构三力学三的方三法进三行计三算。在三这类三模型三中隧三道支三护结三构与三围岩三的相三互作三用是三通过三围岩三对支三护结三构的三变形三产生弹性三抗力来体三现的三，而三围岩三的承三载能三力则三在确三定围三岩压三力和三弹性三抗力三时间三接地三考虑三。围三岩的三承载三能力三越高三，它三给予三支护三结构三的主三动压三力越三小，三而约三束支三护结三构变三形的三弹性三抗力三越大三，相三对来三说，三支护三结构三所起三的作三用就三变小三了。第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—计算三模型（2）结三构力三学方三法土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华这一三类计三算模三型主要三适用三于围三岩因三过分三变形三而发三生松三弛和三坍塌三，支三护结三构主三动承三担围三岩“三松动三压力三”的三情况。利三用这三类模三型进三行隧三道支三护结三构设三计的三关键三问题三，是三如何三确定三作用三在支三护结三构上三的主三动荷三载（三其中三最主三要的三是围三岩产三生的三松动三压力三），三以及三围岩三给支三护结三构的三弹性三抗力三。三荷三载—结构三模型三在隧三道工三程的三初期三，曾三经被三广泛三地采三用，三因为三它与三当时三的施三工技三术水三平是三相符三的。三由于三这种三计算三模型概念三清晰三，计三算简三便，易三于被三工程三师们三所接三受，三故至三今仍三较为三广泛三的使三用，三尤其三是对三模筑三混凝三土衬三砌。第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—计算三模型（2）结三构力三学方三法土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华它是将支三护结三构与三围岩三视为三一体三，作三为共三同承三受荷三载的三隧道三结构三体系，故三又称三为复三合整三体模三型。三这种三模型主要三应用三于由三于围三岩变三形而三引起三的压三力，压三力值三必须三通过三支护三结构三与围三岩的三共同三作用三而求三得，三这是三反映三当前三现代三支护三结构三原理三的一三种计三算方三法。三在这三种模三型中三围岩三是直三接的三承载三单元三，支三护结三构只三是用三来约三束和三限制三围岩三的变三形。三该方三法是三目前三隧道三结构三体系三设计三计算三中力三求采三用的三和正三在发三展的三模型三，在三该种三模型三中可三以考三虑隧三道结三构的三各种三几何三形状三，围三岩和三支护三材料三的非三线性三特性三，开三挖面三空间三效应三所形三成的三三维三状态三，以三及地三质中三的不三连续三面等三等。第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—计算三模型（3）岩三体力三学方三法土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—计算三模型（4）两三大计三算方三法的三比较土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—计算三模型（4）两三大计三算方三法的三比较土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—计算三模型（4）两三大计三算方三法的三比较土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—隧道三荷载三形式6、初三始地三应力三场及三隧道三结构三荷载三形式（1）初三始地三应力三场在地三层中三修建三隧道三，隧三道周三围岩三体的三原有三平衡三状态三被打三破，三并产三生应三力重三分布三。当三隧道三周围三岩体三的强三度不三能适三应这三种应三力变三化时三，岩三体可三能产三生失三稳破三坏，三进而三转化三为需三要隧三道衬三砌结三构承三担的三围岩三压力三。而三这种三围岩三压力三正是三由于三岩体三初始三应力三状态三的改三变所三产生三的。三所以三，地层三中的三初始三地应三力场三是产三生围三岩压三力的三根本三原因。初始三应力三＝自三重应三力＋三构造三应力土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华（1）初三始地三应力三场岩体三的垂三直应三力三：1）自三重应三力场岩体三的水三平应三力三：在自三重应三力场三中，三通常三侧向三应力三小于三垂直三应力三。第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—隧道三荷载三形式土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华（1）初三始地三应力三场1）地质三的构三造过三程不三仅改三变了三地质三的重三力应三力场三，而三且还三有一三部分三残余三在岩三体内三，这三些残三有的三应力三必将三对隧三道工三程产三生一三定的三影响三。2）构造三应力三场在三岩层三一定三深度三内普三遍存三在。而三且由三于地三壳运三动所三产生三的拉三、压三、扭三剪作三用，三局部三的最三大构三造应三力多三为水平三方向，其三值往三往大三于重三力应三力场三中的三水平三应力三分量三，有三时候三甚至三大于三垂直三应力三分量三。3）构造三应力三场具三有明三显的三区域三和时三间性，即三它受三所在三区域三地壳三运动三和时三间的三影响三很大三。2）构三造应三力场第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—隧道三荷载三形式土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华（1）初三始地三应力三场确定三初始三地应三力场三，可三用解析三反演三法和原位三测试三法。而三用解三析的三方法三来分三析地三质的三初应三力场三，仅三是一三个大三概的三结果三，有三时由三于受三多种三因素三的影三响，三误差三很大三。因三此，三在一三般的三理论三分析三中，三常把三初始三应力三场按三静水三应力三场来三处理三，而三在一三些较三为重三大的三工程三中多三采取三实地三测量三的方三法来三确定三，具三体包三括地震三法、三水压三致裂三法、三超前三钻孔三应力三解除三法等。第1讲三隧道三力学三的基三本概三念与三计算三模型—隧道三荷载三形式土木三工程三学院三隧道三工程三系施成三华（2）隧三道结三构荷三载形三式作用三在隧三道结三构上三的荷三载可三分为三三类三，即主要三荷载三、附三加荷三载、三特殊三荷载。三主三要荷三载就三是长三期作三用的三荷载三，它三包括三地层三压力三、围三岩弹三性抗三力、三结构三自重三力、三回填三岩土三重力三、地三下静三水压三力以三及使三用的三荷载三。三附三加荷三载是三指非三经常三作用三的荷三载，三他包三括施三工荷三载、三灌浆三压力三、局三部落三石以三及由三温度三变化三引起三的温三度应三力等三。三特殊三荷载三包括三一些三偶然三发生三的荷三载，三如冲三击力三等。三在上三述各三荷载三项中三