隧道工程结构力学计算方法

中南大学土木工程学院

隧道工程系主讲教师：施成华隧道力学

隧道工程结构力学计算方法本讲主要内容：1、拱形半衬砌隧道的结构计算2、拱形曲墙隧道的假定抗力法3、圆形隧道衬砌的自由变形法4、圆形隧道衬砌的假定抗力法5、矩形框架结构的计算土木工程学院隧道工程系施成华结构力学方法的计算过程

（1）确定围岩压力及其它荷载

（2）计算隧道衬砌结构在围岩压力及其它荷载作用下的内力分布

（3）根据内力分布进行隧道衬砌结构的断面检算第3讲结构力学方法土木工程学院隧道工程系施成华

拱形半衬砌结构一般设置在较完整坚硬的围岩中，由于拱脚和围岩之间存在较大的摩擦力，因此可以认为拱脚不产生径向位移，而只能产生转动和沿拱轴线方向的位移。

半衬砌结构设置在坚硬的围岩中，故而水平压力很小，可以忽略不计。

根据隧道结构的受力特点，拱圈绝大部分位于脱离区，可以不考虑弹性抗力。

半衬砌结构的纵向长度远大于跨度，可以简化为平面应变问题。第3讲结构力学方法—拱形半衬砌隧道一、拱形半衬砌隧道的结构计算1、计算模型土木工程学院隧道工程系施成华

由此，半衬砌结构可以简化为一弹性固定的平面无铰拱。第3讲结构力学方法—拱形半衬砌隧道1、计算模型土木工程学院隧道工程系施成华第3讲结构力学方法—拱形半衬砌隧道2、衬砌内力计算(1)对称问题土木工程学院隧道工程系施成华第3讲结构力学方法—拱形半衬砌隧道2、衬砌内力计算(1)对称问题土木工程学院隧道工程系施成华第3讲结构力学方法—拱形半衬砌隧道2、衬砌内力计算(1)对称问题土木工程学院隧道工程系施成华第3讲结构力学方法—拱形半衬砌隧道2、衬砌内力计算(2)非对称问题土木工程学院隧道工程系施成华第3讲结构力学方法—拱形半衬砌隧道2、衬砌内力计算(3)拱圈上任一截面内力的计算土木工程学院隧道工程系施成华第3讲结构力学方法—拱形半衬砌隧道3、拱脚及拱圈柔度系数的计算(1)单位弯矩作用时土木工程学院隧道工程系施成华第3讲结构力学方法—拱形半衬砌隧道3、拱脚及拱圈柔度系数的计算(2)单位水平力作用时土木工程学院隧道工程系施成华第3讲结构力学方法—拱形半衬砌隧道3、拱脚及拱圈柔度系数的计算(3)单位竖向力作用时土木工程学院隧道工程系施成华第3讲结构力学方法—拱形半衬砌隧道3、拱脚及拱圈柔度系数的计算(4)外荷载作用下的柔度系数1)外荷载在拱脚处产生弯矩和轴向力时，相应的拱脚弹性固定系数为：土木工程学院隧道工程系施成华第3讲结构力学方法—拱形半衬砌隧道3、拱脚及拱圈柔度系数的计算(4)外荷载作用下的柔度系数2)拱圈的柔度系数和外荷载作用下所产生的位移为：土木工程学院隧道工程系施成华第3讲结构力学方法—拱形半衬砌隧道4、衬砌强度校核

当截面轴力为压力时：

当截面轴力为拉力时：土木工程学院隧道工程系施成华拱形曲墙隧道的假定抗力法是在经过多次计算和经验积累，基本上掌握了某种断面形式的衬砌在某种荷载作用下的变形规律的基础上，以后再计算同类荷载作用下的同类衬砌结构时，就可按此假定衬砌结构周边抗力分布的范围及抗力区各点抗力变化的图形，这样只要知道某一特定点的弹性抗力，就可求出其它各点的弹性抗力值。在求出作用在衬砌结构上的荷载（主动荷载及弹性抗力）后，其内力分析也就变成了通常的超静定结构问题。第3讲结构力学方法—拱形曲墙隧道二、拱形曲墙隧道的结构计算土木工程学院隧道工程系施成华（1）将拱圈和曲边墙作为一个整体无铰拱进行计算，两侧拱脚支撑在弹性地基上，计算中考虑墙脚位移的影响。

（2）由于仰拱一般是在无铰拱业已受力之后修建的，计算时一般不考虑仰拱对衬砌内力的影响。

（3）拱两侧的弹性抗力按二次抛物线分布，只要知道特定点截面的弹性抗力值，其它各截面的弹性抗力值可通过与该点弹性抗力值有关的函数关系式求出。第3讲结构力学方法—拱形曲墙隧道二、拱形曲墙隧道的结构计算1、计算模型土木工程学院隧道工程系施成华第3讲结构力学方法—拱形曲墙隧道1、计算模型土木工程学院隧道工程系施成华2、衬砌内力计算第3讲结构力学方法—拱形曲墙隧道土木嘉工程胶学院掌隧道丹工程难系施成鱼华2、衬砌呼内力计悦算第3讲结催构力学写方法—拱形胆曲墙抚隧道土木工脊程学院腐隧道工拣程系施成华2、衬筋砌内拴力计讲算第3讲结在构力学刮方法—拱形蹦曲墙小隧道土木工蚊程学院绘隧道工舌程系施成像华2、衬碗砌内评力计世算第3讲通结构草力学盾方法—拱形曲剖墙隧道土木工温程学院焰隧道工龟程系施成磁华第3讲驾结构潜力学语方法—圆形隧概道衬砌佳的自由贡变形法1、计棚算模塑型在淤台泥、咬流砂眉、饱拌和砂寨土、血塑性敲粘土义等松是软含剧水地拼层中秋，隧寺道衬绞砌沿负地层犯方向哈变形德时，搁地层摄产生晨的抗县力很毅小，卧此时攻隧道词衬砌驻可按霉自由川变形杨圆环矩进行斧计算足。作用在索衬砌上管的主要断荷载包谎括土压跃力和水乱压力。圆形作隧道枕衬砌蚁结构援多用滩于饱漆和含志水软叼土地酷层的鱼盾构骡法施搁工隧栋道中卷。三、圆筐形隧道我衬砌的熄自由变吓形法土木工融程学院今隧道工石程系施成冒华第3讲裤结构朋力学捐方法—圆形隧恳道衬砌宏的自由盈变形法1、计算上模型土木煌工程乓学院截隧道举工程谦系施成华第3讲结奴构力学萌方法—圆形隧隶道衬砌踩的自由位变形法1、计盾算模榨型竖向压依力：衬祖砌上方网土重+拱背上券的土重水平压在力：根酷据主动盯土压力哗公式计天算静水压塌力：一辛般按低昂水位进毯行计算隧底易地层校反力盖：一柄般按雨直线意分布密假定土木穗工程祥学院码隧道客工程元系施成华第3讲结馅构力学雹方法—圆形隧撤道衬砌芽的自由纠变形法2、衬砌督内力计完算基本计胀算结构号图示如绸图：土木工乐程学院震隧道工蚁程系施成忍华第3讲删结构旦力学寇方法—圆形饭隧道以衬砌包的假局定抗歼力法1、三角墓形抗力赠假定作用已在衬稍砌上年的荷没载仍芹按自汇由变结形法旱进行棚计算老。作用胞在圆新形隧吵道衬器砌两绘侧的痕弹性越抗力锡分布纸假定创为三羡角形去，水诊平直平径出搏处的盾抗力察最大汽。当圆释形隧达道不廉是设暂置在筑软泥符或者驱饱和泡的软耕土中肺，隧销道发件生变抛形时心，周立围的场地层锐必然毫会产肚生约最束隧翁道变咸形的吃抗力惑，此颜时计没算中塞要考可虑抗详力。四、且圆形忆隧道太衬砌餐的假莫定抗址力法土木鸣工程疼学院另隧道斤工程泄系施成牛华第3讲歪结构白力学澡方法—圆形隧私道衬砌道的假定车抗力法1、三角穗形抗力香假定任一其截面件的水司平抗滥力为裂：计算蛾中必豆须先单建立绸补充击方程竟求出橡，土木拉工程搁学院僵隧道丝式工程粗系施成华第3讲拒结构考力学朝方法—圆形隧裹道衬砌镜的假定悔抗力法1、三角幼形抗力熟假定计算中贯必须先如建立补闪充方程英求出润，即追可按圆掠形隧道烤自由变篮形法求为的衬砌索内力，疤其解析哥式为（酱按圆环芦自由变与形求出头）：土木摧工程镜学院乓隧道扑工程降系施成华第3讲结例构力学廉方法—圆形缓隧道齿衬砌盈的假鼠定抗芽力法2、镰伟刀形谦抗力喜假定该方阴法认府为除缸隧道耗顶部初的90度范所围内塘不产惕生弹宝性抗根力外味，其篮余部励分的科变形晋均会身产生赔弹性广抗力仇。并拉假定兽其分裤布函脑数为粥：土木斑工程嗓学院客隧道份工程艺系施成炎华第3讲手结构冒力学辣方法—圆形隧意道衬砌挤的假定忽抗力法2、镰系刀形与抗力品假定同样嘴取半秋结构骗，其也计算恼图示毕如图浪。为录求得盒弹性坏抗力伶，剖需要忧建立刃两个鼓补充吨方程羽：土木工呆程学院啦隧道工沃程系施成华第3讲萍结构梳力学连方法—矩形框龄架结构泪计算当框炊架跨显度较有小时地，地遇基反想力按直线分坐布假定车。矩形框涛架结构幻玉多用于奸浅埋、愚明挖施萝工的地进下结构简，这种诊结构在次荷载作宇用下的亏变形不脑明显，苗计算中忧一般不从考虑地匙层的侧榆向抗力印。五、矩酒形框架慕结构计愈算当框昼架跨收度较冷大时尼，可她将结驼构简侍化为弹性幻玉半无院限地搭基上中的闭央合结他构。土木工欺程学院池隧道工袋程系施成基华第3讲支结构港力学梅方法—矩形联框架液结构占计算1、荷载棵计算底板骨上的层荷载界：顶板上逐的荷载中：土木工集程学院馋隧道工盆程系施成耍华第3讲结同构力学丙方法—矩形速框架游结构器计算1、荷押载计压算侧墙帜上的优荷载候：土木疫工程浓学院壮隧道柏工程末系施成华第3讲结器构力学乱方法—矩形框避架结构柱计算2、内担力计琴算为了忌简化顷计算辱，考种虑结汁构是歼等截悦面的饼。并考虑真中隔墙光只承受筒轴力。土木权工程招学院黑隧道爷工程趋系施成华第3讲澡结构胡力学妙方法—矩形框冶架结构宏计算2、内箩力计崭算当框架恩的跨度以较大时鹊，可将笑框架结薪构简化吧为弹性遇地基上笛的闭合碰刚架。土木醒工程刮学院数隧道甲工程牢系施成华第3讲结鸟构力学采方法—矩形框共架结构幻玉计算2、内蚂力计膝算也可姑以将浙上部柜刚架诱和底光板分爆开进从行计影算，脾再根勿据切曾口处牧反力秘或变阔形相闻等，孝求出撕切口爪处的悔未知社力和扬未