(地下建筑結(jié)構(gòu))第三章（地下結(jié)構(gòu)設(shè)計理論）

1、( (地下建筑結(jié)構(gòu)地下建筑結(jié)構(gòu)) )第三章（地下結(jié)第三章（地下結(jié)構(gòu)設(shè)計理論）構(gòu)設(shè)計理論）n（6）內(nèi)力組合：在各種荷載作用下分別計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對最不利的情況進行內(nèi)力組合，求出各控制截面的最大設(shè)計內(nèi)力值，并驗算截面強度；n（7）配筋計算：核算截面強度和裂縫寬度，得出受力鋼筋，并確定必要的構(gòu)造鋼筋；繪制結(jié)構(gòu)施工詳圖：如結(jié)構(gòu)平面圖、結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋圖、節(jié)點圖等；n（8）安全性評估：如不符合安全要求，重新（選定結(jié)構(gòu)形式與布置）估算結(jié)構(gòu)跨度、高度、頂板、底版、邊墻厚度等主要尺寸；n（9）重復(fù)上述步驟，直到滿足各種要求； n （10）繪制施工設(shè)計圖，n（11）材料、工程數(shù)量和工程財務(wù)預(yù)算：選擇建筑材料、估算工程

2、材料、工程量及經(jīng)濟預(yù)算等。n地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：n總體安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理原則；n混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、鐵路隧道設(shè)計規(guī)范、公路隧道設(shè)計規(guī)范、地鐵設(shè)計規(guī)范、錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范、水工隧洞設(shè)計規(guī)范、巖土工程勘察規(guī)范、建筑地基處理規(guī)范、建筑樁技術(shù)規(guī)范等。n4、地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算理論發(fā)展重要標(biāo)志、地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算理論發(fā)展重要標(biāo)志n1）第一階段：古典巖土壓力理論階段，以海姆、郎肯和金尼克等為代表。主要學(xué)術(shù)思想：作用在支護結(jié)構(gòu)上的豎向壓力為上覆巖層的產(chǎn)生的豎向壓力rH（容重、埋深）；側(cè)壓力=側(cè)壓系數(shù)*rH。主要適用于埋深不大的破碎松散巖土中的地下建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計。n2）第二階段：散

3、體壓力理論階段（松弛荷載理論）n20世紀(jì)20年代提出的“松弛荷載理論”，以泰沙基、普羅托季亞科諾夫等為代表。其核心內(nèi)容是:穩(wěn)定的巖體有自穩(wěn)和承載能力，不產(chǎn)生荷載。作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力不是覆巖層的重量，而是圍巖塌落拱范圍內(nèi)由于松弛并可能塌落的巖體重力。塌落拱的高度與地下工程的跨度、圍巖的性質(zhì)有關(guān)。隨著地下工程開挖深度增加，不穩(wěn)定的巖體則可能產(chǎn)生坍塌，需要用支護結(jié)構(gòu)予以支撐。n “松弛荷載理論”將支護結(jié)構(gòu)和圍巖分開來考慮，支護結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為荷載的來源和支護結(jié)構(gòu)的彈性支承，建立的是“荷載結(jié)構(gòu)”力學(xué)體系。在這類模型中，隧道支護結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用是通過彈性支承對支護結(jié)構(gòu)施加約束來實現(xiàn)的。顯

4、然，“松弛荷載理論”著重注意結(jié)果和對結(jié)果的處理。n3）第三階段：共同作用理論階段（巖承理論）n 20世紀(jì)50年代提出的“巖承理論”，其核心內(nèi)容是:隧道圍巖穩(wěn)定是由于巖體自身有承載自穩(wěn)能力；不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)定是具有一個過程的，如在這個過程中提供必要的支護或限制，則圍巖仍能保持穩(wěn)定狀態(tài)。“巖承理論”建立的是巖體力學(xué)模型。它是將支護結(jié)構(gòu)和圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱為復(fù)合整體模型。在這個模型中圍巖是直接的承載單元，支護結(jié)構(gòu)只是用來約束和限制圍巖變形。n 復(fù)合整體模型是當(dāng)前隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計中力求采用的并在發(fā)展的模型，與新奧法隧道施工思想一致。顯然，“巖承理論”更加注意過程和對過程的

5、控制，即對圍巖自承能力的充分利用。3.2.2 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計計算模型地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計計算模型n由于地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計受眾多因素的影響，在設(shè)計過程中所采用的基本理論和指導(dǎo)思想的著眼點和側(cè)重不同，因而產(chǎn)生和形成了不同的思維模式和設(shè)計模型。國際隧道協(xié)會(ITA)收集和匯總了各國目前采用的設(shè)計方法，總結(jié)歸納為四種設(shè)計計算模型。n1、工程類比法與經(jīng)驗設(shè)計法（模型）n將擬建地下工程的自然條件和工程條件（地質(zhì)條件、幾何尺寸、使用要求、施工工藝等）與已建成的類似工程相比較，將已建工程的穩(wěn)定狀況、影響因素、及工程設(shè)計等方面的有關(guān)經(jīng)驗，應(yīng)用到類似的擬建地下工程中去，借鑒成功的工程設(shè)計經(jīng)驗進而確定有關(guān)設(shè)計參數(shù)，或

6、參照各類設(shè)計規(guī)范和法規(guī)提供的經(jīng)驗參數(shù)完成設(shè)計。n該法的基礎(chǔ)在于積累和整理既有工程資料，充分掌握和占有已往類似工程的資料和成功經(jīng)驗，前提是建立合理的圍巖分類體系，對地下工程圍巖進行正確分級。成功建造的關(guān)鍵是作好施工過程的監(jiān)控量測和信息反饋。n地下工程圍巖地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，要取得準(zhǔn)確的地質(zhì)、圍巖參數(shù)和設(shè)計荷載等參數(shù)數(shù)據(jù)極其困難，而且一些施工技術(shù)機理復(fù)雜，研究尚不完整，計算理論不太成熟，因此在相當(dāng)長的歷史時期內(nèi)，經(jīng)驗判斷對地下工程設(shè)計將很大作用。n2、結(jié)構(gòu)荷載共同作用設(shè)計法（收斂約束設(shè)計法）n（1）地下工程施工中圍巖應(yīng)力及位移狀態(tài)n地下工程開挖前巖體處于初始應(yīng)力狀態(tài)，為一次（原始）應(yīng)力平衡狀態(tài)；地下開挖

7、后，引起了圍巖應(yīng)力的重調(diào)整分布，同時圍巖將產(chǎn)生向隧道內(nèi)的位移，形成了新的應(yīng)力場，稱之為圍巖的二次應(yīng)力平衡狀態(tài)。這種狀態(tài)受到開挖方式(爆破、非爆破)和方法(全斷面開挖、分部開挖等)的強烈影響。期間產(chǎn)生臨空面的位移，大小取決于施工方法、巖體特性、開挖空間大小等。n地下洞室開挖后，圍巖會向地下洞室內(nèi)部變形收斂，洞室圍巖中的徑向應(yīng)力隨之減少。如果沒有支護，圍巖收斂不受限制，根據(jù)圍巖強度和穩(wěn)定性的不同，可能出現(xiàn)兩種極端情況：一是圍巖收斂到一定程度后達到自穩(wěn)狀態(tài)；二是應(yīng)力集中過強，圍巖收斂過度出現(xiàn)塑性變形甚至塌落。n對第一種情況，如果圍巖收斂幅度不影響洞室的凈空要求，就不需支護即使支護也是防護性的，支護方

8、法一般可采用噴漿或者噴射混凝土。n；對第二種情況是開挖后隧道圍巖產(chǎn)生一定范圍的塑性區(qū)，圍巖發(fā)生塑性變形并迫使圍巖向隧道內(nèi)滑移，圍巖因變得松弛，其物理力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生變化。如果隧道圍巖不能保持長期穩(wěn)定，就必須設(shè)置承載型的支護結(jié)構(gòu)，從隧道內(nèi)部對圍巖施加約束，控制圍巖變形，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，促使其達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。n坑道支護后，相當(dāng)于在坑道周邊施加了一個阻止隧道圍巖變形的支護阻力(抗力)，從而也改變了圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)。支護阻力的大小和方向?qū)鷰r的應(yīng)力狀態(tài)有著很大的影響。這就是三次應(yīng)力平衡狀態(tài)。顯然這種狀態(tài)與支護結(jié)構(gòu)類型、方法以及施設(shè)時間等有關(guān)。三次應(yīng)力狀態(tài)滿足穩(wěn)定要求后就會形成一個穩(wěn)定的洞室結(jié)構(gòu)，

9、這個復(fù)雜的力學(xué)變化過程才告結(jié)束。n只有設(shè)置剛度足夠大的支護才能抵抗圍巖的塌落荷載。為避免使用大剛度的支護，選擇圍巖出現(xiàn)塑性變形和塌落前支護來控制圍巖收斂，達到控制圍巖有效控制變形、降低支護費用的目的。n（2）收斂和約束n開挖隧道時，由于臨空面的形成，圍巖開始向洞內(nèi)產(chǎn)生位移，這種位移為收斂。若巖體強度高，整體性好、斷面形狀有利，巖體的變形到一定程度，就將自行停止，圍巖是穩(wěn)定的。反之，巖體的變形將自由地發(fā)展下去，最終導(dǎo)致隧道圍巖整體失穩(wěn)而破壞。n在這種情況下，應(yīng)在開挖后適時地沿隧道周邊設(shè)置支護結(jié)構(gòu)，對巖體的移動產(chǎn)生阻力，形成約束。相應(yīng)地支護結(jié)構(gòu)也將承受圍巖所給予的反力，并產(chǎn)生變形。如果支護結(jié)構(gòu)有一

10、定的強度和剛度，這種隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的相互作用會一直延續(xù)到支護所提供的阻力與圍巖應(yīng)力之間達到平衡為止。n圍巖特性曲線與圍巖地質(zhì)體特性有關(guān)；支護結(jié)構(gòu)特性曲線與圍巖變形大小與過程、支護時間、支護結(jié)構(gòu)剛度等有關(guān)。這條曲線形象的表達了支護結(jié)構(gòu)與隧道圍巖之間的相互作用：在極限位移范圍內(nèi)，圍巖允許的位移大了，所需的支護阻力就小，而應(yīng)力重分布所引起的后果大部分由圍巖所承擔(dān)；圍巖允許的位移小了，所需的支護阻力就大，圍巖的承載能力就得不到充分的發(fā)揮。 （3）圍巖特性曲線(支護需求曲線)及分析彈性塑性U0圍巖特性曲線P=P（U）1、2、3為支護結(jié)構(gòu)特性曲線123地下工程洞壁位移支護阻力圖3-11支護阻力與地下工

11、程洞壁位移的關(guān)系曲線n在圍巖強度和穩(wěn)定性允許的范圍內(nèi)，圍巖在支護前的收斂越大，支護所需要約束的圍巖剩余收斂就越小，即支護受到的圍巖剩余變形荷載越小。但如果圍巖出現(xiàn)塑性變形破壞，則塑性和塌落范圍增大，圍巖在設(shè)置支護前的收斂越大，支護所需要抵抗的圍巖塌落荷載也越大。這種關(guān)系見圍巖特征曲線n支護設(shè)置后，在彈性范圍內(nèi)，支護的變形越大，支護能提供的抗力越大，如果支護的剛度不足以完全制止圍巖的繼續(xù)變形，隨著變形的加劇，圍巖殘留形變荷載減小，支護提供的抗力增加，二者最終在某個圍巖變形值處達到平衡。這種利用圍巖與支護共同作用特性來選擇支護參數(shù)的方法為特征曲線法（收斂約束法）n（4）技術(shù)要點n地下工程開挖后，圍

12、巖會向自由面收斂變形，圍巖中的徑向應(yīng)力隨之減小，環(huán)向應(yīng)力隨之增大。如果圍巖收斂過度，應(yīng)力集中過強，而出現(xiàn)塑性變形甚至塌落，因此，必須在圍巖塑性變形和塌落前設(shè)置支護來控制圍巖的收斂。收斂限制模型以地層收斂線、支護特征線為基礎(chǔ)，確定作用在支護結(jié)構(gòu)上的最終地層壓力、結(jié)構(gòu)變形的最終位移。 n在圍巖強度和穩(wěn)定性所允許的范圍內(nèi)，圍巖在設(shè)置支護前的收斂越大，支護所需要約束的圍巖剩余收斂就越小，即支護受到的圍巖剩余變形荷載越小。但如果圍巖出現(xiàn)塑性破壞，則因為塑性和塌落范圍的增大，圍巖在設(shè)置支護前的收斂越大，支護所需要抵抗的圍巖塌落荷載也越大?？梢园堰@種關(guān)系在圍巖收斂于圍巖荷載構(gòu)成的直角坐標(biāo)系中表示出來，稱為圍

13、巖特征曲線。n在彈性范圍內(nèi)，支護的變形（等于圍巖的變形）越大，支護所能提供的抗力就越大；在圍巖收斂與支護抗力所構(gòu)成的直角坐標(biāo)系中，這種關(guān)系稱為支護特征曲線。支護受到的圍巖變形（包括松動）荷載大小與支護的設(shè)置時間和剛度有關(guān)。支護設(shè)置后，如果支護的剛度不足以完全制止圍巖的繼續(xù)變形，隨著圍巖的繼續(xù)變形，圍巖殘留形變荷載在變小，支護所能提供的抗力在增加，兩者最終在某個圍巖變形值處達到平衡。這種利用圍巖與支護共同作用特征來選擇設(shè)計支護參數(shù)的方法叫做特征曲線法（又稱收斂約束法）。 n在一般情況下，洞室周邊各點處的特征曲線和支護特征曲線是不同的，設(shè)計應(yīng)由最不利位置的特征曲線控制。不同類型的支護有不同的特征曲

14、線。復(fù)合型支護的特征曲線由各支護構(gòu)件的特征曲線按施作時間組合而成。圍巖與支護特征曲線分別代表圍巖與支護的力-位移關(guān)系，需要經(jīng)過力學(xué)計算獲得。另外對于強度較低、穩(wěn)定性較差的圍巖，需要采取超前圍巖加固或超前支護措施。常用的有效超前錨桿、小導(dǎo)管注漿、管棚等支護措施。 n3、荷載結(jié)構(gòu)模型（結(jié)構(gòu)力學(xué)模型）（力學(xué)模型理論設(shè)計法）n根據(jù)具體工程的特點，抽象和建立合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，以地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計模型為基礎(chǔ)進行地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)地質(zhì)條件確定圍巖壓力，求出地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力核算截面參數(shù)，驗算結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性，并繪制施工圖。其中計算模型選定是關(guān)鍵，要綜合考慮圍巖地質(zhì)特征、結(jié)構(gòu)形式、洞室跨度、埋深、施工方法

15、等。 n 該模型的理論基礎(chǔ)是“松弛荷載理論”，認為結(jié)構(gòu)就是指襯砌結(jié)構(gòu)，荷載主要是指洞室開挖以后由松動巖土體的自重所產(chǎn)生的地層壓力。地下工程開挖后地層只是產(chǎn)生對地下襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載（包括主動地層壓力和被動地層彈性抗力）作用，襯砌在荷載作用下產(chǎn)生內(nèi)力和變形，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)能安全可靠地承受地層壓力等荷載作用。計算時先按地層分類法實用公式確定地層壓力，然后計算襯砌結(jié)構(gòu)在地層壓力及其他荷載作用下的內(nèi)力分布，最后根據(jù)內(nèi)力組合進行襯砌結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計和驗算。相應(yīng)的計算方法稱為荷載結(jié)構(gòu)法。因荷載結(jié)構(gòu)模型與地面結(jié)構(gòu)力學(xué)中荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計法計算內(nèi)力方法相近，又稱結(jié)構(gòu)力學(xué)法。n荷載結(jié)構(gòu)模型分為3種不同力學(xué)計算模式：n（1）主動

16、載荷模式：不考慮圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用，支護結(jié)構(gòu)可自由變形，圍巖較軟弱，完全破壞，無法約束支護結(jié)構(gòu)的變形，只考慮圍巖的主動壓力，適用于沒有抗力的土體中。n（2）主動載荷+被動載荷模式（考慮圍巖彈性約束）：圍巖沒有完全破壞，有一定的結(jié)構(gòu)彈性，不僅對支護結(jié)構(gòu)施加主動載荷，而且與支護結(jié)構(gòu)相互作用，對支護結(jié)構(gòu)施加被動彈性抗力，適用一般情況。n（3）實測荷載值法：是圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用的綜合反映，包含主動壓力和圍巖的彈性抗力部分，關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確測量。n這類計算模型主要適用于圍巖因過分變形而發(fā)生松弛和崩塌，支護結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)圍巖“松動”壓力的情況。所以，利用這類模型進行隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題，是如何

17、確定作用在支護結(jié)構(gòu)上的主動荷載，其中最主要的是圍巖所產(chǎn)生的松動壓力，以及彈性支承給支護結(jié)構(gòu)的彈性抗力。 n4、地層結(jié)構(gòu)模型（連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型）n“地層結(jié)構(gòu)”模型又稱連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型，理論基礎(chǔ)是“巖承理論”。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穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，襯砌結(jié)構(gòu)的作用是在洞室周圍地層應(yīng)力重分布的過程中參與地層的變形，對地層提供必要的支承抗力，并與周圍地層一起組成共同受力的整體，以保持洞室的穩(wěn)定，因此又稱“復(fù)合整體模型”。在這種模型中，圍巖和支護系統(tǒng)不再作為相互作用的兩個方面，而是作為一個聯(lián)合系統(tǒng)加以考慮。襯砌

18、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和洞室周圍的應(yīng)力都能計算出來，在計算過程中，通過位移協(xié)調(diào)條件使地層應(yīng)力與襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力保持平衡，且驗算結(jié)構(gòu)的強度時綜合考慮了地層穩(wěn)定性的影響。n 地層結(jié)構(gòu)模型把地下結(jié)構(gòu)與地層作為一個受力變形的整體，共同承受荷載。按照連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理來計算地下建筑結(jié)構(gòu)以及周圍地層的變形；不僅計算出襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形，而且計算周圍地層的應(yīng)力，充分體現(xiàn)周圍地層與地下建筑結(jié)構(gòu)的相互作用。連續(xù)體模型視巖土體為具有粘彈塑性的連續(xù)均勻介質(zhì)，根據(jù)平衡方程、幾何方程、物理方程等，采用彈塑性力學(xué)解析推導(dǎo)法求解偏微分方程組，或采用數(shù)值模擬計算計算法等，在滿足邊界條件的前提下獲得結(jié)構(gòu)和地層的內(nèi)力，并檢驗地層穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)截

19、面設(shè)計。n連續(xù)介質(zhì)數(shù)值分析方法的理論基礎(chǔ)是彈（塑）性力學(xué)，在數(shù)值分析計算公式的推導(dǎo)過程中，需要滿足結(jié)構(gòu)工程的基本方程和邊界條件。只是在求解手段上，采用了不同于彈性力學(xué)的各種近似解法。這類方法適用于連續(xù)介質(zhì)體的地下工程圍巖與結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析和位移求解。工程數(shù)值模擬計算分析方法連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬分析非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬分析混合介質(zhì)數(shù)值模擬分析有限元與離散元耦合邊界元與離散元耦合有限差分法有限單元法邊界單元法離散單元法不連續(xù)變形法流形元法.工程數(shù)值模擬計算分析方法連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬分析非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬分析混合介質(zhì)數(shù)值模擬分析有 限 元與 離 散元耦合邊 界 元與 離 散元耦合有 限差 分法有 限單 元法邊

20、 界單 元法離 散單 元法不連續(xù)變形法流 形元法圖3-11 連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬分析方法3.2.3 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計模型利弊分析地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計模型利弊分析n1、地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計模型利弊分析、地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計模型利弊分析n1）工程經(jīng)驗類比法n工程經(jīng)驗類類比法以圍巖分級為基礎(chǔ)的經(jīng)驗設(shè)計方法，設(shè)計結(jié)構(gòu)包括確定地下建筑結(jié)構(gòu)形狀、尺寸規(guī)模、材料、施工方法、支護類型、支護強度、工程開挖程序、施工時機、量測措施布置等。分為直接類比（與類似成功實施工程類比）和間接類比（與規(guī)范、手冊等類比）確定地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)。關(guān)鍵是對圍巖進行準(zhǔn)確的分類，依據(jù)是實地調(diào)查和實驗室測試的各種參數(shù)做依據(jù)。n在大多數(shù)情況下，隧道支

21、護體系依賴“經(jīng)驗設(shè)計”，并在實施過程中，依據(jù)量測信息加以修改和驗證。經(jīng)驗設(shè)計法供參考和借簽，但要結(jié)合實際情況修改和完善，同時對已有成功經(jīng)驗需要繼承，更需要發(fā)展；采用經(jīng)驗設(shè)計法設(shè)計工程是否成功最終需要實踐檢驗。n2、“荷載結(jié)構(gòu)”設(shè)計計算模型（結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計計算方法）n基本思想是沿用建筑結(jié)構(gòu)的計算模式和設(shè)計理念，把圍巖對支護結(jié)構(gòu)的作用作為施加在結(jié)構(gòu)上的載荷，借助結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論和計算方法，進行支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的計算，從而進行結(jié)構(gòu)的設(shè)計與穩(wěn)定性評價。主要特點是將支護結(jié)構(gòu)與圍巖分開考慮，支護結(jié)構(gòu)是承載的主體，承受巖體松動、崩塌而產(chǎn)生的豎向和側(cè)向主動壓力；圍巖是荷載來源，支護結(jié)構(gòu)作為彈性支承。該法的關(guān)鍵是

22、確定圍巖的主動荷載和彈性抗力的大小。該法適用于淺埋地下建筑結(jié)構(gòu)（上部為填土），圍巖塌落而出現(xiàn)松動壓力的情況。但一般具有一定的自穩(wěn)性能，因此計算結(jié)果偏于保守和安全。n該模型發(fā)展時間長，概念清晰，實踐經(jīng)驗多，計算簡便，工作量小，易于被接受，容易掌握等優(yōu)點，故至今仍很通用，尤其適用于模筑襯砌。我國鐵路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用的隧道襯砌標(biāo)準(zhǔn)圖就是基于這種力學(xué)計算理論而編制的，它構(gòu)成了我國鐵路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。n缺點在于，襯砌結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)力和變形可以由計算得出，但是周圍環(huán)境的變形僅能由襯砌結(jié)構(gòu)的變形間接求得，而且難以知道周圍巖土體的應(yīng)力狀況及其穩(wěn)定性。計算步驟多、費時費事；計算模型桉彈性體系建立各種方程，是

23、一種近似計算，實際情況中有部分破壞、裂隙、且不一定連續(xù)均質(zhì)等，不符合近似彈性力學(xué)使用前提；如何準(zhǔn)確判定載荷的大小與分布是難題；計算過程中的有一些假定有局限性。 n3、地層結(jié)構(gòu)模型（連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型）n該計算模型的特點是圍巖與支護結(jié)構(gòu)（襯砌、噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架等）合為一體，組成隧道的結(jié)構(gòu)體系，共同承載。適用于初始應(yīng)力、地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)筑在軟巖或較穩(wěn)定的地層內(nèi)，并采用新奧法設(shè)計、施工的復(fù)合襯砌或噴錨襯砌的隧道的設(shè)計。n地下建筑結(jié)構(gòu)與地層共同構(gòu)成受力整體，可按連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論計算，如以彈塑性理論為依據(jù)彈力力學(xué)解析法，但如果數(shù)學(xué)解析困難時，則采用數(shù)值模擬計算法（一般有限元法）。求解的關(guān)

24、鍵是確定圍巖的初始應(yīng)力場、材料的非線性以及各種參數(shù)。一般圓形斷面采用解析解（彈性力學(xué)方法）。關(guān)鍵的問題是如何確定圍巖的初始應(yīng)力場、表示材料非線性特征的各種參數(shù)及其變化情況、確定隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定判據(jù)、確定地層參數(shù)的概率模型及其統(tǒng)計參數(shù)等。n但由于周圍地層與地下結(jié)構(gòu)相互作用模擬的復(fù)雜性、地層-結(jié)構(gòu)模型目前處于發(fā)展階段，在工程應(yīng)用中僅作為輔助手段。但該法相對于荷載-結(jié)構(gòu)法，充分考慮了地下結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)的相互作用，結(jié)合具體的施工過程可以充分模擬地下結(jié)構(gòu)及周圍地層在每一個施工工況的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和周圍地層變形更能符合工程實際，因此，地層-結(jié)構(gòu)法在將來的研究和發(fā)展中將得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。 n4、收斂限制模型（收斂

25、約束法或支護與圍巖共同作用設(shè)計方法）n（1）該模型以現(xiàn)場量測和實驗室試驗為主的實用設(shè)計方法。以洞周位移量測值為根據(jù)的“收斂約束”法，實驗室模型試驗等。以量測圍巖的收斂作為監(jiān)控和設(shè)計依據(jù)和最終控制目標(biāo)。利用圍巖與支護共同作用特性來選擇支護參數(shù)的收斂約束法。思想容易理解，但很難確定收斂曲線和實際應(yīng)用。n（2）優(yōu)點在于：充分利用和發(fā)揮圍巖的自承能力；增強圍巖的強度，并允許圍巖有一定程度的變形，以減少對支護的圍巖壓力；利用現(xiàn)場的監(jiān)測值進行反饋施工。n（3）不足之處在于：“收斂約束”模型認為圍巖壓力和支護抗力是在圍巖和支護系統(tǒng)共同變形中形成的，它主要關(guān)心的是支護抗力作用下的地層狀態(tài)，而不是荷載作用下的支

26、護結(jié)構(gòu)狀態(tài)。但是，由于實際工程中涉及到的巖土地質(zhì)情況非常復(fù)雜，對于襯砌結(jié)構(gòu)來說，其作用機理及其與圍巖的相互關(guān)系，尚有諸多的問題需要進一步討論，要使它作為隧道支護定量分析與設(shè)計的實用方法，還有許多理論上的難題需要解決。 2、各種設(shè)計計算模型優(yōu)缺點比較、各種設(shè)計計算模型優(yōu)缺點比較 表3-9 各種設(shè)計計算模型優(yōu)缺點比較序號 設(shè)計模型 優(yōu) 點 缺 點 不 足 1工程經(jīng)驗類比法1）以圍巖分類為基礎(chǔ)，設(shè)計借鑒已有的工程經(jīng)驗；2）圍巖分類綜合考慮影響圍巖定性和定量因素；3）分析方法簡便，分類參數(shù)便于獲取；4）無需定量計算，易于實現(xiàn)和掌握；5）為圍巖質(zhì)量預(yù)測提供了一條途徑；6）多數(shù)情況下能滿足工程實用精度要求

27、；7）能綜合考慮多種非確定性影響因素，快速地對擬建地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)作出估算和評價。1）用于給定的跨度、洞形和埋深，不能具體反映不同因素變化對結(jié)構(gòu)條件的影響；2）不能反映支護類型與支護參數(shù)增減對安全性和經(jīng)濟性變化影響，不能進行優(yōu)化設(shè)計；3）不能利用已有的監(jiān)控資料定量地改進設(shè)計；4）用于堅硬巖石偏保守，用于軟弱圍巖偏危險；5）以人的經(jīng)驗為主，解決地下結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的范圍較窄，帶有的主觀性。2荷載結(jié)構(gòu)模型（結(jié)構(gòu)力學(xué)模型）1）結(jié)構(gòu)計算模型概念明確，采用成熟的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，計算結(jié)果可靠；2）可以直接獲得結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，滿足傳統(tǒng)設(shè)計要求；3）對明挖回填及淺埋剛性支護地下建筑結(jié)構(gòu)，計算精度較高，其結(jié)果滿足

28、設(shè)計精度。1）計算中的荷載基于一定的假設(shè)前提，對于深埋地下工程，假設(shè)條件難以滿足；2）對于承受變形地壓的結(jié)構(gòu)，其計算難以考慮，計算精度不高；3）不能考慮結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用，對于錨噴支護以及深埋變形巖層不能采用。3地層結(jié)構(gòu)模型（連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型）1）能借助計算模型和數(shù)值計算技術(shù)，對不同條件、不同受力環(huán)境以及不同開挖方法進行模擬，從而進行支護參數(shù)和斷面形狀優(yōu)化；2）能研究地下工程的圍巖力學(xué)性質(zhì)變化（彈塑性區(qū)位置與大?。┮约皯?yīng)力分布；3）能在工程施工前進行分析、研究和方案比較；4）能研究地下工程的變形破壞機理、失穩(wěn)條件以及影響因素。1）由于巖土體參數(shù)準(zhǔn)確地獲取存在相當(dāng)困難，使得計算結(jié)果難以滿足設(shè)計要求；2）數(shù)值分析方法僅限于給出地下工程圍巖的應(yīng)力場、位移場以及彈塑性區(qū)的位置和大小，不能直接給出安全系數(shù)指標(biāo)；3）需要扎實的理論基礎(chǔ)，