隧道结构计算

隧道工程第六章隧道结构计算第六章隧道结构计算6.1概述6.2隧道衬砌上的荷载类型及其组合6.3半衬砌的计算6.4曲墙式衬砌计算6.5直墙式衬砌计算6.6衬砌截面强度验算6.7单元刚度矩阵6.8结构刚度方程6.1概述1、引言⑴隧道结构与地面结构的区别隧道结构工程特性、设计原则和方法与地面结构完全不同

●隧道结构是由周边围岩和支护结构两者组成共同的并相互作用的结构体系；；●周边围岩在很大程度上是隧道结构承载的主体；

●隧道衬砌的设计计算必须结合围岩自承能力进行；●对不同型式衬砌结构物应该用不同方法进行强度计算。

⑵隧道结构计算的简化问题●

在十九世纪末，隧道衬砌结构是作为超静定弹性拱计算的，但仅考虑作用在衬砌上的围岩压力，忽视了围岩对衬砌的约束作用●

弹性抗力：衬砌在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩形成“脱离区”的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓“抗力区”，在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩，相应地产生被动抵抗力●进入本世纪后，通过长期观测，发现围岩不仅对衬砌施加压力，同时还约束着衬砌的变形。围岩对衬砌变形的约束，对改善衬砌结构的受力状态有利，不容忽视。⑶局部变形理论和共同变形理论●局部变形理论：是以温克尔(E.Winkler)假定为基础的。它认为应力和变形之间呈直线关系，即围岩弹性抗力系数●共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间变形的相互影响。它用纵向变形系数E和横向变形系数表示地层特征，并考虑粘结力C和内摩擦角的影响。

2、隧道结构体系的计算模型经过总结，国际隧道协会(ITA)认为，目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下4种设计模型：●以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法；●以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法

●作用与反作用模型，即荷载—结构模型●连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。

从各国的地下结构设计实践看，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，又称为荷载一结构模型；

●另一类则相反，视围岩为承载主体，支护结构则为约束围岩变形的模型，即岩体力学模型或称为围岩—结构模型或复合整体模型。6.2隧道衬砌上的荷载类型及其组合1、基本荷载

围岩压力与结构自重力是隧道结构计算的基本荷载2、隧道结构上的荷载及其类型

作用在衬砌上的荷载，按其性质也可以区分为主动荷载与被动荷载。●主动荷载是主动作用于结构、并引起结构变形的荷载；●

被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起限制作用。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11偶然荷载落石冲击力12地震力13施工荷载表作用在隧道结构上的荷载6.断3半衬马砌的控计算拱圈陪直接醒支承恰在坑这道围明岩侧跑壁上药时，弯称为趴半衬网砌●适合筋于坚腊硬和姜较完筒整的宰围岩(Ⅱ、Ⅲ级)中●用先甜拱后惑墙法咳施工脑时，匙在拱盆圈已弯作好远，但暴马口孔尚未再开挖丘前，尖拱圈携也处绝于半抛衬砌忘工作断状态1、计巧算图仙式、症基本京结构伶及正倦则方夫程⑴谊在垂区直荷勇载作缩慧用下耽拱圈胳向坑始道内裁变形零，为霜自由威变形祸，不琴产生腊弹性盏抗力捷；⑵洁拱脚历产生飘角位慎移和独线位础移，释并使应拱圈采内力级发生悲改变葬，计帖算中敌除按惨固端灭无铰倡拱考魂虑外盖，还银必须映考虑裁拱脚和位移能的影少响⑶旦假定财拱脚肯没有弃径向香位移美，只僻有切韵向位坑移；⑷蒙对称宏的垂关直分诉位移李对拱盘圈内仰力不叙产生颤影响添；⑸脱拱脚畏的转惹角搅和切救向位汇移的圆水平牛分位位移翁是必些须考陕虑的正则煎方程谷式式中傍：赞是单甩位变屠位，都即在沉基本贸结构鹊上，蛾因歪作丧用时梅，在部方向枯上所笨产生泛的变尸位；捕为荷激载变渠位，惕即基碑本结村构因缺外荷棚载作桑用，声在乒方向咱的变云位；f为拱书圈的情矢高荐；徐为浙拱脚精截面絮的最降终转继角和榆水平遵位移恩。2、单娘位变冒位及头荷载拍变位链的计必算由结允构力爱学求裹变位己的方覆法（集轴向鱼力与输剪力底影响久忽略失不计物）知妻道：在很演多情夺况下省，拱卫圈可糠用抛太物线导近似补积分胁法代岔替3、拱困脚位数移计尊算⑴柿单位盖力矩晕作用极时⑵得单位宾水平吓力作皮用时单位柳水平盲力可须以分缴解为哥轴向中分力微和切烫向分池力垒，计炎算时甘只需猴考虑伶轴向李分力缩慧的影睬响，忌作用少在围具岩表既面的欠均布园应力因和拱横脚产案生的造均匀嫁沉陷翠为：的水淹平投凑影即呼为点a的水向平位垦移摇，均尼匀沉闲陷时外拱脚羞截面吧不发迫生转玩动，吩则有躬：(4更)拱脚禾位移拱脚的的最软终转采角远和蛾水平执位移胸可分屡别考里虑雹和近外荷奥载的推影响堡，按那叠加柱原理极求得码，可月表示赔为：(3膝)外荷忠载作烈用时在外闻荷载斩作用易下，辈基本烟结构乖中拱砍脚点门处产严生弯暂矩弓和轴缘瑞向力器，家如图伶所示劳，拱侄脚截迟面的自转角笛和水逢平位犯移灰为：令则任鹅意截悼面处障的内特力为4拱圈欲截面甲内力将以兰上两必组方梁程代绩入正菠则方站程可嫌得：6.锐4曲墙动式衬忆砌计营算●常用流于Ⅳ～Ⅵ级围煌岩●拱圈响和曲脖边墙完作为委一个擦整体烦按无踩铰拱辫计算●施工兔时仰熔拱是害在无筒铰拱雕业已吼受力泼之后荣修建物的，惜不考素虑仰洪拱对冒衬砌像内力隙的影恐响1计算军图式⑴妙在主侵动荷男载作肚用不问，顶盟部衬息砌向桌隧道戴内变哄形而访形成艇脱离位区，票两侧录衬砌宜向围盲岩方银向变据形，压引起脚围岩汇对衬矩砌的杂被动疫弹性遵抗力⑵捷上零堪点b（即脱绩离区精与抗吃力区炼的分效界点翻）与洪衬砌区垂直插对称造中线像的夹西角假怎定为⑶这下零紧点a在墙肚脚⑷气最大纳抗力举点h假定罗发生慈在最赖大跨蔑度处殿附近腔，计揪算时希一般陷取内为浆简化抬计算愿可假睁定在古分段魂的接喇缝上遇。⑸著抗力职图形读的分赢布假姓定为痒二次摊抛物灶线bh段：ha段：⑹傍忽略骨衬砌探与围悟岩之预间的铜摩擦卖力⑺柄墙脚帐支承抽在弹训性岩旁体上哗，可程发生横转动疫和垂趴直位秘移(无水星平位驱移)2、主巾动荷垂载作冈用下唱的力雀法方羡程和柴衬砌视内力式中汇为晌墙底蚂位移贷。分芳别计牧算肯和外炎荷载邀的影花响，仆然后拉按照韵叠加爆原理怠相加地得到畏：由于椅墙底率无水组平位骂移，筑故式中口：姨是薪基本叉结构责的单页位位能移和辈主动尿荷载筝位移朝；除是反墙底禾单位酱转角格；疮为基汪本结防构墙斑底的毒荷载成转角军；f为衬贩砌的等矢高屈。求得竭后，跌在主呜动荷贿载作帮用下标，衬系砌内冻力即纠可计淹算：在具抹体进腹行计达算时断，还俭需进轻一步乒确定众被动五抗力查的宗大小代，这恒需要劲利用际最大岛抗力油点h处的至变形冒协调适条件填。3、最俯大抗洁力值食的计巷算●先求唤出腰和●变位窃由两植部分梳组成扣，即丽结构猛在荷尺载作法用下耕的变超位和都因墙就底变惩位（有转角奋）而峰产生算的变笔位之欣和●h点所圆对应坡的陆，迅则该片点的根径向播位移肺约等缎于水沃平位挑移●拱顶唇截面援的垂言直位沈移对h点径竞向位芒移的略影响青可以距忽略乡丰不计按照争结构女力学绞方法鼓，在h点加私一单景位力伯，可鲜以求炕得趴和4、在菌单位屑抗力陕作用呆下的秘内力将抗滑力图叉视很为外鸡荷载晒单独唇作用佩时，倾未知丸力目及冻可交以参掏照竿及芽的求复法得办出解出订及雁后毙，即氏可求境出衬绵砌在抹单位样抗力婶图为饰荷载猪单独疼作用筑下任鉴一截宁面内槽力：5、衬光砌最述终内挪力计型算及温校核剥计算艳结果义的正炸确性衬砌常任一胖截面疗最终滚内力情值可岩利用直叠加支原理饺求得萄：校核伤计算叉结果魂正确烈性时扣，可声以利挑用拱箱顶截两面转械角和膜水平元位移虎为零吨条件费和最珠大抗葱力点a的位廉移条洗件：式中众：输是久墙底否截面唇最终签转角绍，。6.妥5直墙籍式衬抄砌计妄算1、计汇算原盾理⑴惯拱圈匹按弹庭性无萍铰供士计算遭，边绿墙按怪弹性辽地基肤上的椅直梁纲计算率，并雅考虑金边墙松与拱留圈之粥间的修相互此影响耕；⑵障变墙碧支承蜻拱圈底并承焦受围供岩压演力；⑶羡拱脚鸣区段寨的弹恨性抗确力假达定为柴二次朱抛物炕线分梁布位于45o～55o之间⑷Wi纵nk政le淋r假定谜成立痰，即⑸壤拱脚粮位移某考虑诱变墙矛顶变陵位的秋影响2、边漆墙的零计算——弹性辫地基柜上的饱直梁⑴狐直边蚂墙计损算分贱类：●刚性叙边墙●短边悦墙●长边任墙⑵容边墙剖为短但梁的冶计算种：短梁军的一壳端受微力及壮变形催对另样一端幸有影料响，谎计算闸墙顶拥变位破时，忆要考遭虑到脆墙脚幻玉的受应力和重变形蓬的影休响。●墙顶肠在单检位弯轿矩胁单独仍作用舞下，迁墙顶油的转巡寿角拼和水蓄平位妇移吧为●墙顶俩在单盲位水绘平力=1单独雹作用屋下，竭墙顶盲位移鸣为摇和悲为●在主黎动侧额压力秒（梯吴形荷茧载）讽作用崭下，疲墙顶贼位移流为：其中卖，含为基骂底弹曾性抗谱力系申数；k是侧供向弹服性抗迎力系满数；叫是基吃底作痛用有瞎单位抹力矩容时所猾产生田的转脚角；h为边绑墙的反侧面爆高度钓；最后涂结果范为：⑶社长边挪墙计赖算——弹性磨地基崖上的桥半无怨限长璃梁，肿墙顶雀受力欺与墙关底无捎关，今上述迅公式石可得穿到一藏定的稼简化慰。墙项袄单位呀位移叙可以建简化含为：⑷清边墙卖为刚裁性梁●近似赞作为歉弹性打地基偏上的道绝对掏刚性提梁，号近似简认为逆（即）●边墙勿本身钱不产雄生弹穿性变勤形，甜在外絮力作字用下盲只产建生刚讽体位晌移，船即只恩产生惰整体毒下沉关和转短动墙底拨处为蜂零，仓墙顶调处为议最大培值为壤：称为宣刚谜性墙秆的综宽合转原动惯源量，例因而逢墙侧从面的淋转角需为：6.糊6衬砌躲截面衣强度述验算1、在面算出因结构樱内力优之后狱进行仙强度须检算目前斯我国纺公路钢隧道缸设计吼规范四规定控，隧盯道衬沫砌和挡明洞弟按破钥坏阶清段检苍算构决件截近面强旗度。2、根据痛混凝温土和咱石砌猎材料昆的极演限强选度，煤计算遵出偏敲心受渠压构结件的杯极限仓承载随能力乌，与林构件旱实际枪内力混相比羊较，疑计算延截面默的抗网压（店或抗拖拉）尺强度偶安全呆系数K。检查孔是否座满足嗽规范炒所要弃求的燥数值邪，即加：式中示：赚是攻截面叙的极剃限承铃载能伶力；寇为宁截面即的实额际内咳力(轴向坚力);是规巾范所世规定骡的强绍度安苗全系加数，版见表1和2混凝捐土和码砌体鲜结构僚的强速度安野全系范数圬工种类混凝土砌体荷载组合永久荷载+基本可变荷载永久荷载+基本可变荷载+其它可变荷载永久荷载+基本可变荷载永久荷载+基本可变荷载+其它可变荷载混凝土或砌体达到抗压极限强度2.42.02.72.3混凝土达到抗拉极限强度3.63.0钢筋带混凝左土结独构的都强度偿安全堂系数荷载组合

永久荷载+基本可变荷载

永久荷载+基本可变荷载+其它可变荷载钢筋达到设计强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度

2.01.7混凝土达到抗拉极限强度

2.42.03、抗协裂要梅求：⑴衡当倍时费，按松抗拉婚强度惯控制域承载网能力阅，并袭用下刘式计仁算：⑵区对隧沈道衬摊砌和汇明洞侦的混贴凝土瓣偏心俯受压城构件乏的轴渔向力爱偏心抛距限坛制为杠：不胳宜大初于0.滨45倍截氧面厚爸度；⑶风石料终砌体察偏心玩受压它构件勒不宜鞋大于0.碗3倍截吴面厚盗度⑷专基