隧道支护结构设计概要及计算方法

隧道支护结构设计概要及计算方法主讲人冯冀蒙博士

荷载结构模式计算方法地层结构模式计算方法复合式衬砌结构设计单层衬砌结构设计

TBM管片衬砌结构设计衬砌结构耐久性设计概要主要内容第一节荷载结构模式计算方法——围岩压力1、围岩压力的基本概念：广义地讲，我们将围岩二次应力状态的全部作用称为围岩压力。对于无支护的毛洞：使围岩承载圈受力变形的,洞室开挖后的二次应力状态就可称为围岩压力；当然，对于有支护结构的洞室，自然把作用在支护结构上的作用或荷载称为围岩压力。围岩压力按其作用方向，可分为垂直压力、水平侧向压力和底部压力

。一、围岩压力

2、围岩压力的种类

目前，根据形成围岩压力的成因不同，将围岩压力分为四类，即形变压力、松动压力、冲击压力和膨胀压力。

一、围岩压力

应力集中→形成塑性区→发生向坑道内位移→塑性区进一步扩大→坑道围岩松弛、崩塌、破坏等几个过程定义:变形岩体引起的挤压力或支护抑制变形引起的挤压力形变压力

弹性变形压力塑性变形压力流变压力影响因素：原始应力、岩体力学性质、支护结构刚度和支护时间。

定义:开挖阴而松计动或倾塌落波的岩上体，晓以重帽力形吃式直旱接作编用在屯支护胡上的部压力松动猛压力自然荒平衡网拱：洞室耻的开轿挖，誓若不自进行盗任何乓支护贝，周蒜围岩畏体会雀经过蒙应力族重分赴布→蚂变形换→开封裂→饰松动煎→逐酱渐塌蓬落的得过程超，在验坑道捕的上须方形标成近朝似拱饶形的孩空间撒后停奖止塌论落。定义:由于嫩围岩级膨胀瞎崩解袄而引浓起的既压力膨胀饱压力下面谷讲述形变伟压力和松动能压力的计算定义:又称岩爆，它矿是在命积聚脚了大栗量的羡弹性锹变形梁能的勇围岩辞，开涝挖突毫然释慈放出浸来时餐所产舰生的藏压力冲击谁压力形变压力辆的计楼算作用绘在支替护上芝的形和变压瞒力，钥在工烛程中旗采用畅的主舱要是塑性张变形驰压力塑性捕变形违压力视的计机算形变压力间的计矮算最小睁围岩击（形蚂变）征压力闭的计贵算一般锹情况活要求升：只有碌知道才能沸确定脸最佳愁支护福结构尤或最失佳支抽护时购间；最小怀围岩鞭压力你和围支岩允裂许位扶移是缺等价瞎的。目前对于壁两者森都没卫有较县好的荐计算女方法懂；对于的情跟况，划我们钢提出钉一种准估算写方法凝。形变压力器的计笔算最小怨围岩烤（形她变）央压力棉的计利算分析注过程实际券作用升在支下护上界的压鼠力应室该是延重力摇和形盯变压挖力的嗽叠加涨，故（按都三角劳形面劣积计忙）松动压力以的计隙算深埋隧道复松动腰压力菌计算①统计帽法——我国《铁路武隧道胁设计毛规范》推荐京方法②州普氏误理论③呀太沙全基理吉论松动压力因的计酱算深埋隧道脱松动醋压力弃计算①统计冒法——我国《铁路觉隧道已设计拢规范》推荐防方法松动压力制的计桃算深埋隧道昨松动者压力啊计算①统计御法——我国《铁路框隧道目设计耐规范》推荐会方法松动压力曲的计灭算深埋隧道蜜松动戚压力乒计算②普氏汽理论松动压力育的计牌算深埋隧道坝松动狮压力朝计算②普氏两理论坚硬装岩体坑中，英坑道声侧壁菜稳定横，天妹然拱扮跨度剩就是造隧道乐宽度松散熊和破甲碎岩澡体中惜，坑骑道侧武壁受超扰动狗而滑浑移，锋天然作拱跨婚度也阳相应星加大b=件bt(bt为隧沈道的汪净宽个度的玩一半)松动压力禾的计吊算深埋隧道糊松动密压力屡计算②普氏鞠理论天然模拱高税度的拖计算幕：围岩奖竖向毕的匀椒布松负动压金力，寨则为冻：围岩雄水平坟的匀叔布松利动压依力按仿朗肯际公式偏计算篮：松动压力区的计邻算深埋隧道费松动亚压力馅计算③太沙逆基理捡论取=1，则与够普氏光理论约的公赠式一刮致松动压力爷的计避算浅埋隧道松动反压力朝计算先来烟说说魄深、安浅埋或的判双别由埋坐深经定验判孙定：由埋共深与猾天然犬拱高搁度关忽系确脚定：松动压力查的计躲算浅埋隧道松动晌压力蔬计算①考虑省两侧绸岩体竹挟持篇作用讲时的警计算靠方法滑动织岩体估的重计力=滑面胃上的告阻力+支护尖反作亏用力佣（围拦岩松得动压悬力）围岩芒松动标压力=滑动谜岩体啊重力-滑面续上的锣阻力松动压力抛的计场算浅埋隧道松动坛压力遭计算①考虑盏两侧旗岩体医挟持调作用驳时的闷计算念方法松动压力撒的计邀算浅埋隧道松动裙压力勒计算①考虑丙两侧烧岩体之挟持兔作用缺时的浅计算绑方法松动压力考的计果算浅埋隧道松动扒压力库计算②全自居重型衬的计辜算方镇法松动压力宝的计坏算有地幅下水拆时土让压力众的计算①竖向妇压力群：②侧向禁压力么：对于沙砂性树土可盐采用耻水压动力与概土压僻力分刚开计枯算式中飘的

i为各奇层围冲岩的牲重度琴，地下富水位倍以上勉的土萍体采可用天乘然重床度

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计算沙土压色力。对于左砂性浴土可封采用钳水压壳力与帖土压塔力合政算松动压力俘的计临算有地恐下水命时土诵压力壳的计算③地基洪反力个：一般股位于耀地下翻水位中中的漆结构袄要做刷成闭宫合的廉，因援此，在要承决受地趋基反袋力。地层杯反力原沿衬耐砌宽宝度呈妙竖向街均匀摘分布胀，其猴数值表与各莲种竖健向压轿力的乳总和煎相平姿衡。包括合结构趟自重滩、上做部围昨岩压文力（帜土压军力及嫁水压山力）磁及附氏加的佳路面侵荷载轧等。第二裤节荷载鄙结构畏模式黑计算追方法——结构否力学班计算锦方法一、偶荷载赏结构硬模型鸽计算膛原理它将来支护旱结构倘和围冠岩分毙开来勒考虑:（1）支护搅结构稍是承划载主悔体，循围岩庙作为育荷载税的来初源和乓支护费结构惠的弹挑性支称承（2）隧逮道支绩护与辫围岩址的相辆互作创用是兼通过弹性棕支承对支属护结贱构施它加约怀束来桑体现宿的（3）围治岩的净承载拨能力拉则在伪确定贸围岩焦压力趣和弹疤性支魂承的厚约束丹能力舰时间接术地考虑二、荐常用较的计身算模桐型和规计算此方法主动员荷载饥模型假定跃弹性唤反力赌模型计算纳弹性庙反力塔模型常用祥计算土模型主动脂荷载士模型适用收于围岩摊与支有护结束构“刚度坛比”较小，兆或饱曲和含保水或塔用于凶初步宪设计二、愿常用献的计镰算模拌型和储计算护方法主动芹荷载放模型假定困弹性闷反力须模型计算钞弹性皮反力孝模型常用莲计算膜模型假定介弹性靠反力掘模型几乎首能适少用于所有湖围岩挡类型，只跌不过受抗力锤的大山小和乔范围值不同舒而已二、呼常用应的计背算模民型和网计算累方法主动残荷载姿模型假定养弹性脱反力探模型计算控弹性修反力引模型常用搏计算献模型计算杰弹性接反力锦模型如弹抢性地飘基上攻的闭届合框顺架、举弹性据支承巧法等1矩形城框架浆结构2装配算式衬油砌（壶圆形闸结构横）3拱形亮结构重点动讲述!与结别构形笼式相闻适应锦的计袖算方盼法二、卫常用沾的计鱼算模馋型和旦计算彻方法—拱形越结构与结认构形逗式相进适应摄的计睛算方惊法二、累常用瓦的计修算模墨型和祖计算委方法半拱楚结构明：不道考虑劲弹性静反力曲墙努式衬厦砌：流假定龙弹性底反力直墙高式衬剩砌：受假定柔弹性斑反力+弹性师地基难梁计算呈模型：①轮荷载-结构饲模型②只困有竖秃向荷蹦载的掠作用抖，无渠侧向振荷载劝的作凡用半拱崇形结养构计密算适用鼻条件：①酿地质兔条件孝好，案不需唇修边赚墙的赵山岭京隧道叙；输②大香型落门地拱塘结构,如飞坝机库序；半拱春形结序构的躬适用已条件失及计财算模鞋型用结恼构轴碍线代辞替原阿衬砌德的横卧断面,纵向乘长度糟取1m；拱脚液弹性恰固定因在围仆岩上探，相羽当于应弹性邪固定冷的无朱铰拱;因拱唤脚截格面的用剪力忆很小写，而除与围繁岩间畜摩擦炭较大释，故铅径向腿位移劲为0，用万径向新刚性毛连杆甜表示;半拱兄形结枪构计宁算计算榜图式国、基价本结客构及爹典型番方程敞的建延立半拱嘉形结孔构计远算由于宋半拱齐圈的性拱矢证和跨座度的滴比值肾不大姜，在娇竖向牵荷载俩的作乏用下归，结圾构为纸自由纯变形余，无和弹性俊抗力(脱离配区);因此晕，半逼拱形出结构竖为拱贡脚弹单性固乔定的材无铰豪拱（哈考虑德底部鹊地基则变形即），暂为三登次超例静定锤结构卧。计算称图式充、基亭本结颗构及恒典型宰方程乞的建闸立半拱竭形结索构计扒算典型破方程核的建奇立正对率称的匹结构吼，作陡用有比正对症称的伍荷载泽，利至用对烛称性单，从课拱顶莲切开猴，取仍基本她结构乌如右映图半拱孔形结洁构计倚算计算食关键漆：拱顶吓单位姿位移膜和荷雅载位摄移的榆计算羊；拱脚爆位移乳的计怠算。1）拱雷顶单盾位位臣移和探荷载掀位移较的计驴算：根据仿结构笑力学添中位差移计境算方愚法，沫可求股的某秋一点我在单雾位力滚作用拼下，油沿k方向渠的位孟移（奔忽略跳剪力赴作用伟）为限：1）拱杯顶单斗位位傅移和败荷载暑位移顽的计僵算：将X1（弯充矩）五，X2（轴犹力）稼，X3（剪件力，消取零波）以菌及外兔荷载乐作用留下结罩构各煌截面监内力挽代入任可得狱：1）拱胡顶单耻位位饰移和腊荷载脸位移斗的计炎算：单位本位移蜂和荷糕载位吓移的洋计算它分两尿种情惕况：（1）当妻半拱姨为一屑段规乐则圆简弧时惠，可药直接熊积分懒计算牙；（2）当缸半拱筛为多黑段圆忽弧时夸，将俘圆弧晨衬砌材分块其，采巷用辛谊普生螺求和磁公式穴；典型台方程半拱醒形结眼构计房诚算2）拱遭脚位乏移的侮计算斜：基本辜思路肃：求出膊拱脚先支承宇面在逮单位积力（算力矩进、竖菜直力堵、水葛平力怕）作六用下蹲位移夜（转女角、本水平存位移屿）；求出贤赘余接力及忌外荷命载作乐用下荣的拱蒙脚反系力；由拱侨脚反蜘力与编各单妈位力溉位移发计算勾拱脚例位移2）拱逮脚位当移的秃计算驴：（a）单管位力抛作用江下，政拱脚伙支承品面的黄位移喉计算2）拱葬脚位为移的登计算摩：2）拱折脚位姜移的峡计算就：2）拱罪脚位顿移的授计算悠：2）拱好脚位蔽移的偿计算健：（b）拱储脚支皇承反睡力的宪计算2）拱凶脚位前移的锅计算俱：（c）拱倍脚位富移计央算3）衬乞砌截斤面内瞧力的秧计算架：3）衬秩砌截之面内吐力的刻计算雕：曲墙落拱形坛结构透计算①计算汇图示杂的建疏立用结构发的轴勉线代替尝原衬反砌断估面;在计豆算中亏将拱住圈和规边墙符作为部一个顾整体欣，把走它看傻成是庸一个支承视在弹载性围迁岩上型的高每拱结旧构；因底部摩擦以力很荡大，无水植平位队移；衬砌殖在以胀竖向尸压力键为主塘的主桐动荷孤载作们用下丧，拱她圈的顶部发生蔑向坑优道内映的变姐形不艳受围会岩的些约束满，形成僚“脱脏离区祖”。衬丸砌结居构的侧面部分蝴则压劫向围匀岩，形成鼻“弹驰性反蝇力区臂”，引骗起相悬应的签弹性杂反力银。计算识原理曲墙医拱形守结构阁计算计算仆原理弹性寻反力研按苏燥联布屡加耶蠢娃法姻假定分布灰图形羊为月贞牙形鞠分布款，分驾布图饶形用3个特抬征点穷控制上零蒙点b（即脱钢离区软的边驻界）炸与对烫称轴映线间跪的夹屠角一停般采毛用

下零约点a取在段墙底甲，因岗该处欠无水膝平位赤移；最大故弹性忘反力驳点h可假营定在隔衬砌台最大族跨度么处。曲墙遇拱形赛结构罚计算计算东原理最大仙弹性脸反力殃点以槐下围岩缠弹性肢反力撤对于君衬砌瞒的变库形还蝴会在围岩彻与衬舍砌间滑产生消相应妇的摩光擦力分布胜规律最大愈弹性汤反力鸟点以旋上曲墙吊拱形者结构得计算计算处原理弹性广地基怪上的伐高拱荷载：围岩欺压力弹性阀反力基底铺位移（约束买）衬砌光与围捆岩的霞摩擦宣力曲墙锄拱形颗结构箭计算计算复思路在结浪构与脑荷载悔均为雕对称仙的条晨件下巡寿，可枣以从搞拱顶掉切开叔，以卖一对喘悬臂秘曲梁茫作为零基本简结构适，切载开处失赘余扇力为X1、X2，剪羡力X3＝0。在主困动荷喝载和彼弹性狐反力铸作用必下，织根据喷拱顶饰相对难转角际及相该对水广平位龙移为似零的阻条件屡，可虾以得圆到2个典铲型方咱程式足；X1X2基本结构利用h点变悟形协牢调条苦件来对增加1个方纯程式住。根据晶叠加药原理打，h点的其最终期位移爹即为:而h点的做位移事与该号点的曲弹性女反力婚存在钥下述锁关系辱：由以听上可伸以推洽导出浴：因此匙，综摆上两日点可辟得：X1X2基本结构计算连关键退：拱顶燃单位钞位移俭和荷使载位烟移的扭计算钱；墙脚夹位移巾的计巴算；最大旦跨度谢处荷插载位弦移的逗计算曲墙罗拱形图结构原计算1.求主萌动荷乐载作往用下驰的衬掌砌内范力曲墙捷拱形该结构全计算1.求主清动荷犯载作酬用下旁的衬阻砌内