第三章-地下結(jié)構(gòu)計算原理和設(shè)計方法

1、2021/3/171目 錄3.1 概述概述3.2 地下結(jié)構(gòu)的荷載地下結(jié)構(gòu)的荷載 3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算方法結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算方法 3.4 地下結(jié)構(gòu)選型與構(gòu)造地下結(jié)構(gòu)選型與構(gòu)造3.5 設(shè)計模型與計算方法設(shè)計模型與計算方法 3.6 地下結(jié)構(gòu)計算原理和設(shè)計方法中地下結(jié)構(gòu)計算原理和設(shè)計方法中的新進展的新進展 3.7 工程設(shè)計實例工程設(shè)計實例2021/3/1723.3結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算方法結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算方法按襯砌與地層相互作用方式的不同按襯砌與地層相互作用方式的不同,地下結(jié)構(gòu)計算地下結(jié)構(gòu)計算方法大致可分為兩類方法大致可分為兩類:1）荷載）荷載結(jié)構(gòu)法結(jié)構(gòu)法;2）地）地層層結(jié)構(gòu)法。結(jié)構(gòu)法。 2021/3/17320

2、21/3/1742021/3/1753.3.1荷載荷載結(jié)構(gòu)法結(jié)構(gòu)法 認為地層對結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在地下結(jié)構(gòu)上的荷載（包括主動的地層壓力和被動的地層抗力）,以計算襯砌在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的方法稱為荷載結(jié)構(gòu)法,該方法有時又稱為結(jié)構(gòu)力學(xué)法。 2021/3/176荷載荷載結(jié)構(gòu)法又有以下三種模式結(jié)構(gòu)法又有以下三種模式:主動荷載模式主動荷載模式 不考慮地層與支護結(jié)構(gòu)的相互作用。該計算模式主要適用于采用淺埋暗挖或明挖法施工的城市地鐵及明洞工程。主動荷載加被動荷載模式主動荷載加被動荷載模式 認為地層不僅對結(jié)構(gòu)施加主動荷載,而且通過支護抗力來約束支護結(jié)構(gòu)的變形。適用于任何形式的地層條件。實際荷載模式

3、實際荷載模式 采用量測儀器實地量測作用在襯砌上的荷載大小,該數(shù)值綜合反映了地層與襯砌支護結(jié)構(gòu)的相互作用。某一種實地量測的荷載,只能適用于與其類似的情況（包括地層、襯砌及回填）。 實際工程中,主動荷載加被動荷載模式應(yīng)用較多。 2021/3/177主動荷載又可分為主要荷載、附加荷載、偶然荷載以及主動荷載又可分為主要荷載、附加荷載、偶然荷載以及特殊荷載等。特殊荷載等。(a)主要荷載 即長期的、經(jīng)常作用的荷載,如地層壓力、支護結(jié)構(gòu)的自重、地下水壓力及活載等。 應(yīng)當(dāng)指出,在圍巖分類及確定圍巖壓力的研究中,工程類比法起著不容忽視的作用。 靜水壓力可按低水位考慮。 對于沒有仰拱的襯砌結(jié)構(gòu),車輛活載直接傳給地

4、層。對于設(shè)有仰拱的襯砌結(jié)構(gòu),車輛活載對拱、墻結(jié)構(gòu)的受力影響根據(jù)具體情況而定,一般可略去不計。2021/3/178(b)附加荷載附加荷載 即偶然的、非經(jīng)常作用的荷載,如溫差應(yīng)力,灌漿壓力,凍脹力及地震力等。 其中主要的是地震力,其計算按照相關(guān)的抗震規(guī)范取值設(shè)計。民防地下工程則考慮武器的沖擊、侵徹、爆炸作用引起的動力荷載。 計算荷載應(yīng)根據(jù)以上兩類荷載同時存在的情況進行組合。 一般主要考慮主要荷載,只有在某些特殊情況,如7級以上地震區(qū),或嚴寒地區(qū)凍脹性土壤的洞口段襯砌,按主要荷載加附加荷載來驗算結(jié)構(gòu),但此時可采用較低的安全系數(shù)。民防工程則應(yīng)依設(shè)防等級確定附加動載及等效靜載。2021/3/179 隧道

5、襯砌結(jié)構(gòu)計算的主要內(nèi)容有隧道襯砌結(jié)構(gòu)計算的主要內(nèi)容有:p 按工程類比法初步擬定襯砌斷面的幾何尺寸,確定作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載;p 進行力學(xué)計算,求出襯砌截面的內(nèi)力（彎矩和軸力）;p 對截面進行配筋設(shè)計,檢驗襯砌截面的承載安全系數(shù)K值。2021/3/1710p 早年有彈性連續(xù)框架（含拱形構(gòu)件）法、假定抗力法和彈性地基梁（含曲梁）法等 p 按采用的地層變形理論的不同分為局部變形理論計算法和共同變形理論計算法。 p 由于采用荷載結(jié)構(gòu)法進行內(nèi)力計算是一個非線性問題,可以采用簡化假定或迭代求解。2021/3/17113.3.2地層地層結(jié)構(gòu)法結(jié)構(gòu)法 認為襯砌與地層一起構(gòu)成受力變形的整體,并可按連續(xù)介質(zhì)力學(xué)

6、原理來計算襯砌和周邊地層的計算方法,稱這種方法為地地層層結(jié)構(gòu)法結(jié)構(gòu)法。2021/3/1712p 地層結(jié)構(gòu)法認為地下結(jié)構(gòu)周圍的地層不僅能對襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載,而且其自身也能承受荷載,地下結(jié)構(gòu)是否安全可靠,首先取決于周圍地層的取決于周圍地層的穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)。p 地層結(jié)構(gòu)法進行內(nèi)力計算的特點是,不僅計計算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,而且計算洞室周圍地層的而且計算洞室周圍地層的應(yīng)力。應(yīng)力。 p 只是對圓形洞室的解析解發(fā)展比較完善。 p 由于材料非線性、幾何非線性、節(jié)理和其它不連續(xù)特征以及開挖效應(yīng)等許多復(fù)雜的工程因素,一般只能借助有限單元法等數(shù)值方法數(shù)值方法進行計算。 2021/3/17133.4

7、地下結(jié)構(gòu)選型與構(gòu)造地下結(jié)構(gòu)選型與構(gòu)造 3.4.1 拱形結(jié)構(gòu)拱形結(jié)構(gòu)巖石堅固性系數(shù)f表征的是巖石抵抗破碎的相對值。因為巖石的抗壓能力最強,故把巖石單軸抗壓強度極限的1/100作為巖石的堅固性系數(shù),f=R/100 (R單位 kg/cm2)f是個無量綱的值,它表明某種巖石的堅固性比致密的粘土堅固多少倍,因為致密粘土的抗壓強度為10MPa2021/3/1714 最堅固最堅固、致密、有韌性的石英巖、玄武巖和其他各種特別堅固的巖石。(f=20) 很堅固很堅固的花崗巖、石英斑巖、硅質(zhì)片巖,較堅固的石英巖,最堅固的砂巖和石灰?guī)r.(f=15) 堅固致密的花崗巖,很堅固的砂巖和石灰?guī)r,石英礦脈,堅固的礫巖,很堅固

8、的鐵礦石.(f=10) a堅固堅固的砂巖、石灰?guī)r、大理巖、白云巖、黃鐵礦,不堅固的花崗巖。(f=8) 比較堅固一般的砂巖、鐵礦石(f=6) a比較堅固砂質(zhì)頁巖,頁巖質(zhì)砂巖。(f=5) 中等堅固堅固的泥質(zhì)頁巖,不堅固的砂巖和石灰?guī)r,軟礫 石。(f=4) a中等堅固各種不堅固的頁巖,致密的泥灰?guī)r.(f=3) 比較軟軟弱頁巖,很軟的石灰?guī)r,白堊,鹽巖,石膏,無煙煤,破碎的砂巖和石質(zhì)土壤.(f=2) a比較軟碎石質(zhì)土壤,破碎的頁巖,粘結(jié)成塊的礫石、碎石,堅固的煤,硬化的粘土。(f=1.5) 軟軟致密粘土,較軟的煙煤,堅固的沖擊土層,粘土質(zhì)土壤。(f=1) a軟軟砂質(zhì)粘土、礫石,黃土。(f=0.8)20

9、21/3/1715圖 3-7 拱形結(jié)構(gòu)2021/3/17163.4.2 圓形和矩形管狀結(jié)構(gòu)圓形和矩形管狀結(jié)構(gòu) 可分為整體式和裝配式兩種: 圖 3-8 襯砌結(jié)構(gòu)形式2021/3/1717圖 3-9 裝配式襯砌結(jié)構(gòu)圖 3-10 裝配式圓管結(jié)構(gòu)的構(gòu)造2021/3/17183.4.3 框架結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu) 3.4.4 薄殼結(jié)構(gòu)薄殼結(jié)構(gòu)3.4.5 異形結(jié)構(gòu)異形結(jié)構(gòu)a 雙圓盾構(gòu)b 三圓盾構(gòu)圖 3-11 異形盾構(gòu)2021/3/17193.5 設(shè)計模型與計算方法設(shè)計模型與計算方法3.5.1設(shè)計模型設(shè)計模型1.世界各國隧道設(shè)計模型世界各國隧道設(shè)計模型 國際隧道協(xié)會國際隧道協(xié)會(ITA)在在1978年成立了隧道年成立

10、了隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計模型研究組結(jié)構(gòu)設(shè)計模型研究組,收集和匯總了各會員國目前采收集和匯總了各會員國目前采用的設(shè)計地下結(jié)構(gòu)的方法用的設(shè)計地下結(jié)構(gòu)的方法,結(jié)果列于表結(jié)果列于表1-1。經(jīng)過總結(jié)。經(jīng)過總結(jié),國際隧協(xié)認為可將其歸納為以下四種模型國際隧協(xié)認為可將其歸納為以下四種模型: 2021/3/1720p (1) 以參照已往隧道工程的實踐經(jīng)驗進行工程類比為主的經(jīng)驗設(shè)計法;p (2) 以現(xiàn)場量測和實驗室試驗為主的實用設(shè)計方法,例如以洞周位移量測值為根據(jù)的收斂限制法;p (3) 作用反作用模型,例如對彈性地基圓環(huán)和彈性地基框架建立的計算法等;p (4) 連續(xù)介質(zhì)模型,包括解析法和數(shù)值法,解析法中有封閉解,也有近似

11、解,數(shù)值計算法目前主要是有限單元法。 2021/3/1721表1-1 2021/3/1722p經(jīng)驗類比模型經(jīng)驗類比模型p荷載荷載結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型p地層地層結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型p收斂限制模型收斂限制模型 收斂限制模型的計算理論是收斂限制法。其原理是按彈-塑-粘性理論等推導(dǎo)公式后,在以洞周位移為橫坐標(biāo)、支護反力為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)平面內(nèi)繪出表示地層受力變形特征的洞周收斂線,并按結(jié)構(gòu)力學(xué)原理在同一坐標(biāo)平面內(nèi)繪出表示襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特征的支護限制線,得出以上兩條曲線的交點,根據(jù)交點處表示的支護抗力值進行襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計。oPu2.中國隧道及地下工程設(shè)計模型中國隧道及地下工程設(shè)計模型2021/3/1723圖 3-12

12、 假定抗力圖形法圖 3-13 直墻式襯砌結(jié)構(gòu)計算圖 3-14 自由變形圓環(huán)法結(jié)構(gòu)計算圖 3-15 假定抗力圖法結(jié)構(gòu)計算荷載荷載結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型2021/3/1724圖圖 3-24 地下鐵道通道的計算簡圖地下鐵道通道的計算簡圖2021/3/1725二、地層結(jié)構(gòu)模型計算方法 1、概述 主要包括:地層的合理化模擬、結(jié)構(gòu)模擬、施工過程模擬以及施工過程中結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用、地層與結(jié)構(gòu)相互作用的模擬。 2、地層的模擬 有各向同性線彈性、非線性彈性及彈塑性體或橫觀各向異性、正交各向異性線彈性體;考慮周圍地層時間效應(yīng)的粘彈性、粘彈塑性模型;由于地下水在圍巖及土體中的滲流,先后發(fā)展了滲流耦合模型,考慮到土

13、體中孔隙水壓力的變化,發(fā)展了固結(jié)模型等。 對巖體內(nèi)部存在的節(jié)理、裂隙等常見的地質(zhì)現(xiàn)象,一般為接觸面材料,采用節(jié)理單元模擬。2021/3/17263、 施工過程的模擬（時空效應(yīng)）（1） 時空效應(yīng)圖 3-27 時空效應(yīng)圖 掘進面vzZv2021/3/17272021/3/17282021/3/17292021/3/1730（2）初始地應(yīng)力的計算 初始地應(yīng)力可采用有限元計算法和設(shè)定水平側(cè)壓力系數(shù)法。對巖石地層,初始地應(yīng)力分為自重地應(yīng)力和構(gòu)造地應(yīng)力兩部分。其中自重地應(yīng)力由有限元法求得,構(gòu)造地應(yīng)力可假設(shè)為均布或線性分布等。對軟土地層,常需根據(jù)水平側(cè)壓力系數(shù)計算初始地應(yīng)力。（3）施工過程的有限元模擬 地下

14、工程開挖施工過程主要包括巖土體分部開挖及支護結(jié)構(gòu)的分層設(shè)置等。用以模擬上述不同施工階段的力學(xué)性態(tài)的有限元方程可寫為 ), 1()(0MiFiaFKKirii2021/3/1731 任一施工階段的位移、應(yīng)變和應(yīng)力為 ikki1ikki1ikki102021/3/1732（4）注漿模擬 在施工過程中,注漿是常用的地層加固方法,在施工模擬時,通常采用材料替換法進行模擬。注漿后的地層用一種新的材料模擬,以反映注漿后材料的力學(xué)性質(zhì)的變化。4、結(jié)構(gòu)的模擬 地下結(jié)構(gòu)的合理化模擬對結(jié)構(gòu)內(nèi)力有很大影響。錨噴支護一般采用桿單元模擬,也可對錨桿加固區(qū)的圍巖取用提高的、加以考慮;支撐、鋼支架及襯砌一般采用梁單元模擬。

15、襯砌結(jié)構(gòu)也可采用四邊形等參單元模擬,地下連續(xù)墻、樁一般也采用梁單元模擬。桿單元或梁單元都可以采用彈塑性模型、粘彈性模型以及和溫度有關(guān)的本構(gòu)關(guān)系。 對盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計,可以采用均質(zhì)圓環(huán)模型、梁彈簧模型等。梁彈簧模型充分反映了結(jié)構(gòu)的連接和受力特性;對梁彈簧模型,管片采用直(曲)梁單元模擬,管片之間以及環(huán)間接頭用彈簧單元模擬。2004-11-152021/3/173321sn212112ns梁接頭不連續(xù)模型 2021/3/17343.6 地下結(jié)構(gòu)計算原理和設(shè)計方法中的新進展地下結(jié)構(gòu)計算原理和設(shè)計方法中的新進展3.6.1新奧法與復(fù)合式襯砌新奧法與復(fù)合式襯砌1、概述、概述 新奧法新奧法（簡稱（簡稱NA

16、TM）,是奧地利學(xué)者在長期工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上創(chuàng)立于是奧地利學(xué)者在長期工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上創(chuàng)立于20世紀(jì)世紀(jì)50年代年代,并于并于1962年正式命名的一種隧道工程方法。年正式命名的一種隧道工程方法。 基本原則基本原則是盡量利用地下工程周圍圍巖的自承載能力。具體做法是先是盡量利用地下工程周圍圍巖的自承載能力。具體做法是先用柔性支護（通常為噴錨用柔性支護（通常為噴錨,稱為稱為次支護）控制圍巖的變形及應(yīng)力重分次支護）控制圍巖的變形及應(yīng)力重分布布,使之達到新的平衡使之達到新的平衡,然后再進行永久性支護（通常為整體模筑鋼筋混然后再進行永久性支護（通常為整體模筑鋼筋混凝土襯砌）。凝土襯砌）。 復(fù)合支護復(fù)合支護是以

17、新奧法為基礎(chǔ)進行設(shè)計和施工的一種新型支護結(jié)構(gòu)是以新奧法為基礎(chǔ)進行設(shè)計和施工的一種新型支護結(jié)構(gòu),該襯該襯砌是采用錨噴支護做初期支護砌是采用錨噴支護做初期支護,采用模筑混凝土做二次襯砌的一種組合采用模筑混凝土做二次襯砌的一種組合襯砌（二層間有或無防水層）結(jié)構(gòu)。復(fù)合襯砌支護的基本原理在于襯砌（二層間有或無防水層）結(jié)構(gòu)。復(fù)合襯砌支護的基本原理在于:1）充分利用或發(fā)揮圍巖的自承能力充分利用或發(fā)揮圍巖的自承能力;2）增強圍巖的強度）增強圍巖的強度,均衡圍巖應(yīng)力的均衡圍巖應(yīng)力的分布分布,允許圍巖有一定程度的變形允許圍巖有一定程度的變形,以減小對支護的圍巖壓力以減小對支護的圍巖壓力;3）利用現(xiàn)）利用現(xiàn)場的監(jiān)測

18、值進行反饋施工。場的監(jiān)測值進行反饋施工。 2021/3/17352、復(fù)合支護的構(gòu)造、復(fù)合支護的構(gòu)造 復(fù)合支護常由初期支護和二次支護組成,防水要求較高時須在初期支護和兩次支護間增設(shè)防水層。 初期支護初期支護常為噴射混凝土支護,必要時增設(shè)錨桿加固圍巖,成為錨噴支護。石質(zhì)條件較差時,可在噴層中增設(shè)網(wǎng)筋或型鋼拱架,也可采用鋼纖維噴射混凝土支護圍巖。施工時常先施作薄層噴射混凝土封閉圍巖,然后施作錨桿、掛網(wǎng)和分次逐步加厚噴層至設(shè)計厚度值。穿越石質(zhì)條件極差的斷層破碎帶時,常需借助設(shè)置超前錨桿和注漿工藝預(yù)先加固地層。對大斷面地下洞室,埋深較大、石質(zhì)條件中等、成洞條件較差時還常施作預(yù)應(yīng)力錨索改善圍巖的受力變形狀

19、態(tài),幫助圍巖保持穩(wěn)定。 二次支護二次支護常為整體式現(xiàn)澆混凝土襯砌,或為噴射混凝土襯砌,必要時均借助設(shè)置鋼筋增強截面。 2021/3/17363、復(fù)合支護的承載機理、復(fù)合支護的承載機理（1） 圍巖破壞的發(fā)展過程與洞周承載環(huán) 圍巖破壞一般自洞周開始,首先出現(xiàn)的破壞通常是張性破裂,接著是塑性剪切流動破壞,如能及時施作支護,使在洞周形成處于穩(wěn)定狀態(tài)的承載環(huán),洞室圍巖即可保持穩(wěn)定。 形成洞周承載環(huán)的方法有兩種。第一種方法是施作錨噴網(wǎng)支護加固圍巖,使各包含支護的截面(或截面的一部分)的原有承載能力可充分發(fā)揮,并能經(jīng)受在應(yīng)力重分布過程中形成的量值較大的洞周應(yīng)力場和位移場的作用。洞周圍巖因設(shè)置支護而導(dǎo)致的設(shè)計

20、承載力的提高,相當(dāng)于在錨桿所及的范圍內(nèi)形成了承載能力較強的承載環(huán)(以下稱第一類承載環(huán))。 形成洞周承載環(huán)的第二種方法是施作襯砌結(jié)構(gòu),或施作由噴層（必要時同時設(shè)置錨桿和網(wǎng)筋）和襯砌結(jié)構(gòu)共同組成的復(fù)合結(jié)構(gòu),使襯砌結(jié)構(gòu)或復(fù)合結(jié)構(gòu)成為洞周承載環(huán)(以下稱第二類承載環(huán))。 2021/3/1737（2）洞室圍巖穩(wěn)定性的判據(jù) 增補用于檢驗圍巖的抗張拉承載能力的判據(jù)。 )/(KE拉拉拉N判定圍巖是否出現(xiàn)張性破裂的判據(jù)的表達式 2021/3/17384、復(fù)合支護的計算、復(fù)合支護的計算 在約束圍巖的同時允許圍巖產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖冃?充分發(fā)揮圍巖的自支承能力,以及借助調(diào)整支護結(jié)構(gòu)層的施作時間（適時支護）改善結(jié)構(gòu)層受力的分布,使其承載力提高等,是復(fù)合支護受力變形的主要特點。 適宜于采用地層結(jié)構(gòu)法計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力 2021/3/17395、復(fù)合支護的設(shè)計方法、復(fù)合支護的設(shè)計方法（1）設(shè)計荷載的取值 I、II類圍巖中的設(shè)計荷載 宜采用荷載結(jié)構(gòu)法計算,其設(shè)計荷載可按地層壓力的計算方法確定,并可認為算得的地層壓力即為襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載。 V