第五章 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、5.1 概述概述1 1、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡化、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡化2 2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型、隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型1、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡化、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡化 隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別 隧道結(jié)構(gòu)工程特性、設(shè)計(jì)原則和隧道結(jié)構(gòu)工程特性、設(shè)計(jì)原則和方法與地面結(jié)構(gòu)完全不同方法與地面結(jié)構(gòu)完全不同 隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別 隧道結(jié)構(gòu)是由隧道結(jié)構(gòu)是由周邊圍巖周邊圍巖和支護(hù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)兩者組成共同的并相互作用的結(jié)構(gòu)兩者組成共同的并相互作用的結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系 周邊圍巖在很大程度上是隧道周邊圍巖在很大程度上是隧道結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)承載的主體承載的主體 隧道襯砌的設(shè)計(jì)和計(jì)

2、算應(yīng)結(jié)合隧道襯砌的設(shè)計(jì)和計(jì)算應(yīng)結(jié)合圍巖自承能力圍巖自承能力進(jìn)行，保證使用壽限進(jìn)行，保證使用壽限內(nèi)的安全度內(nèi)的安全度 隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡化問題隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡化問題l 根據(jù)實(shí)際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實(shí)際環(huán)境和邊界條件l 如何簡化對計(jì)算結(jié)果影響非常重如何簡化對計(jì)算結(jié)果影響非常重要要根據(jù)實(shí)際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實(shí)際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實(shí)際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實(shí)際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實(shí)際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實(shí)際環(huán)境和邊界條件 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡化問題隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡化問題 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡化問題隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡化問題 在十九世紀(jì)末，隧道襯砌結(jié)構(gòu)在十九世紀(jì)末，隧道襯砌結(jié)構(gòu)

3、是作為是作為超靜定彈性拱超靜定彈性拱計(jì)算的，但僅計(jì)算的，但僅考慮作用在襯砌上的圍巖壓力，忽考慮作用在襯砌上的圍巖壓力，忽視了圍巖對襯砌的約束作用視了圍巖對襯砌的約束作用 彈性抗力彈性抗力：襯砌在受力過程中的：襯砌在受力過程中的變形，一部分結(jié)構(gòu)有離開圍巖形成變形，一部分結(jié)構(gòu)有離開圍巖形成“脫離區(qū)脫離區(qū)”的趨勢，另一部分壓緊圍的趨勢，另一部分壓緊圍巖形成所謂巖形成所謂“抗力區(qū)抗力區(qū)”，在抗力區(qū)內(nèi)，在抗力區(qū)內(nèi)，約束著襯砌變形的圍巖相應(yīng)地產(chǎn)生被約束著襯砌變形的圍巖相應(yīng)地產(chǎn)生被動抵抗力動抵抗力 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡化問題隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡化問題 進(jìn)入本世紀(jì)后，通過長期觀測，進(jìn)入本世紀(jì)后，通過長期觀測，發(fā)現(xiàn)圍巖

4、不僅對襯砌施加壓力，同發(fā)現(xiàn)圍巖不僅對襯砌施加壓力，同時(shí)還時(shí)還約束著襯砌的變形約束著襯砌的變形。圍巖對襯。圍巖對襯砌變形的約束，砌變形的約束，對改善襯砌結(jié)構(gòu)的對改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有利受力狀態(tài)有利，不容忽視，不容忽視 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡化問題隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡化問題 局部變形理論和共同變形理論局部變形理論和共同變形理論 局部變形理論：是以溫克爾局部變形理論：是以溫克爾（E.Winkler）假定為基礎(chǔ)的。它認(rèn)假定為基礎(chǔ)的。它認(rèn)為應(yīng)力和變形之間呈為應(yīng)力和變形之間呈線性關(guān)系線性關(guān)系，即為，即為圍巖彈性抗力系數(shù)圍巖彈性抗力系數(shù) 共同變形理論把圍巖視為彈性半共同變形理論把圍巖視為彈性半無限體，無限體，考慮相

5、鄰質(zhì)點(diǎn)之間變形的考慮相鄰質(zhì)點(diǎn)之間變形的相互影響相互影響。 局部變形理論和共同變形理論局部變形理論和共同變形理論2 2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型、隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型 計(jì)算模型的如何建立？計(jì)算模型的如何建立？ 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算如何簡化？隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算如何簡化？ 不同簡化計(jì)算結(jié)果差異大！不同簡化計(jì)算結(jié)果差異大！ 2 2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型、隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型 國際隧道協(xié)會國際隧道協(xié)會(ITA) (ITA) 認(rèn)為，目前認(rèn)為，目前采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可以歸納為采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可以歸納為以下以下4 4種設(shè)計(jì)模型種設(shè)計(jì)模型： 以工程類比為主的以工程類比為主的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法； 以現(xiàn)場量測和試

6、驗(yàn)為主的以現(xiàn)場量測和試驗(yàn)為主的實(shí)用設(shè)計(jì)法實(shí)用設(shè)計(jì)法 荷載荷載結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型方法方法 巖體力學(xué)模型巖體力學(xué)模型方法，包括解析法和數(shù)方法，包括解析法和數(shù)值法。值法。2 2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型、隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型 從各國的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐看，目前主要采從各國的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐看，目前主要采用兩類計(jì)算模型：用兩類計(jì)算模型： 一類是一類是以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體，結(jié)構(gòu)力學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，又稱為荷載結(jié)構(gòu)模型模型，又稱為荷載結(jié)構(gòu)模型 ； 另一類則相反，視另一類則相反，視圍巖為承載主體圍巖為承載主體，支護(hù)結(jié)，支護(hù)結(jié)構(gòu)則為約束圍巖變形的模型構(gòu)則為約束圍巖變形的模型 ，即巖體力學(xué)模型

7、，即巖體力學(xué)模型或稱為圍巖或稱為圍巖結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)模型。 5.2 隧道襯砌上的荷載類型隧道襯砌上的荷載類型1 1、隧道結(jié)構(gòu)上的、隧道結(jié)構(gòu)上的基本荷載基本荷載2 2、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型1 1、基本荷載、基本荷載 （1 1）圍巖壓力）圍巖壓力 （2 2）結(jié)構(gòu)自重力）結(jié)構(gòu)自重力2 2、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型 按其性質(zhì)可以區(qū)分為兩大類按其性質(zhì)可以區(qū)分為兩大類: : 主動荷載主動荷載是主動作用于結(jié)構(gòu)、并引起結(jié)是主動作用于結(jié)構(gòu)、并引起結(jié)構(gòu)變形的荷載；構(gòu)變形的荷載； 被動荷載被動荷載是因結(jié)構(gòu)變形壓縮圍巖而引起是因結(jié)構(gòu)變形壓縮圍巖而引起的圍巖被動抵抗

8、力，即彈性抗力，它對結(jié)的圍巖被動抵抗力，即彈性抗力，它對結(jié)構(gòu)變形起限制作用。構(gòu)變形起限制作用。2 2、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D70-2004JTG D70-2004將將隧道結(jié)構(gòu)上荷載仿照橋規(guī)分為：隧道結(jié)構(gòu)上荷載仿照橋規(guī)分為： 永久荷載永久荷載 可變荷載可變荷載 偶然荷載偶然荷載編號編號荷載類型荷載類型荷荷 載載 名名 稱稱1 1永久荷載永久荷載（恒載）（恒載）圍巖壓力圍巖壓力2 2結(jié)構(gòu)自重力結(jié)構(gòu)自重力3 3填土壓力填土壓力 水壓力水壓力4 4混凝土收縮和徐變影響力混凝土收縮和徐變影響力5 5可可變變荷荷載載基本基本可變可變荷

9、載荷載公路車輛荷載，人群荷載公路車輛荷載，人群荷載6 6立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力7 7 立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力8 8其它其它可變可變荷載荷載立交渡槽流水壓力立交渡槽流水壓力9 9溫度變化的影響力溫度變化的影響力1010凍脹力凍脹力 施工荷載施工荷載1111偶然偶然荷載荷載落石沖擊力落石沖擊力1212地震力地震力隧規(guī)隧規(guī)P28P28：表：表6.1.1 6.1.1 作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載 荷載組合：荷載組合： 結(jié)構(gòu)自重圍巖壓力附加恒載結(jié)構(gòu)自重圍巖壓力附加恒

10、載（基本）（基本） 結(jié)構(gòu)自重土壓力公路荷載附加恒載結(jié)構(gòu)自重土壓力公路荷載附加恒載 結(jié)構(gòu)自重土壓力附加恒載施工荷載結(jié)構(gòu)自重土壓力附加恒載施工荷載 溫度作用力溫度作用力 結(jié)構(gòu)自重土壓力附加恒載地震作用結(jié)構(gòu)自重土壓力附加恒載地震作用附加恒載：伴隨隧道運(yùn)營的各種設(shè)備設(shè)施的荷載等。附加恒載：伴隨隧道運(yùn)營的各種設(shè)備設(shè)施的荷載等。 圍巖不僅是荷載，同時(shí)又是承載體 地層壓力由圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受 充分發(fā)揮圍巖自身承載力的重要性5.3 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型 特點(diǎn)： 以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體； 圍巖對支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用間接地體現(xiàn)為兩點(diǎn)： 圍巖壓力； 圍巖彈性抗力。 采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算。 適用

11、于：模筑砼襯砌 分為分為結(jié)構(gòu)力學(xué)模型（結(jié)構(gòu)力學(xué)模型（荷載荷載- -結(jié)構(gòu)模式結(jié)構(gòu)模式）和和巖體力學(xué)模型巖體力學(xué)模型（地層模式地層模式）。）。5.3 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型 荷載結(jié)構(gòu)法荷載結(jié)構(gòu)法 29圖圖4-2 荷載荷載結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型 特點(diǎn)： 支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，共同承受荷載，且以 圍巖作為承載主體； 支護(hù)結(jié)構(gòu)約束圍巖的變形； 采用巖體力學(xué)方法計(jì)算； 圍巖體現(xiàn)為形變壓力。適用于：錨噴支護(hù)5.3 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型 地層結(jié)構(gòu)法地層結(jié)構(gòu)法 31 結(jié)構(gòu)力學(xué)模型巖體力學(xué)模型認(rèn)識視圍巖為荷載的來源三位一體特性力學(xué)原理 “荷載結(jié)構(gòu)”力學(xué)體系，以最不利荷載組

12、合作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載建立的是“圍巖支護(hù)”力學(xué)體系，以實(shí)際的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)作為支護(hù)的設(shè)計(jì)狀態(tài)支護(hù)阻力圍巖變形過大，松動坍塌所產(chǎn)生的松動壓力支護(hù)與圍巖共同作用，共同變形所產(chǎn)生的接觸形變壓力支護(hù)臨時(shí)支撐+整體式厚襯砌初期支護(hù)+二次襯砌開挖分部開挖，鉆爆法+中小型機(jī)械大斷面開挖，鉆爆法+大中型機(jī)械掘進(jìn)5.4.1 基本原理 支護(hù)和圍巖分開考慮，支護(hù)是承載的主體，視圍巖為荷載來源和支護(hù)的彈性支承，荷載處理有三種模式:主動荷載，主動荷載+被動抗力，實(shí)際荷載。 1 主動荷載模式適于軟弱巖層，如：明挖地鐵明洞工程5.4 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 適于各類圍巖在實(shí)際應(yīng)用中，該模式基本能反映出支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況。5

13、.4 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 它采用量測儀器實(shí)地量測作用在襯砌上的荷載值，某種實(shí)測荷載只能適用于類似情況。5.4 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法結(jié)構(gòu)力學(xué)方法5.4.2 隧道襯砌受力變形的特點(diǎn) 設(shè)圍巖垂直壓力大于側(cè)向壓力， 則存在拱頂脫離區(qū)，兩側(cè) 抗力區(qū)。5.4 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法結(jié)構(gòu)力學(xué)方法5.4.3 隧道襯砌荷載分類(1) 主動荷載 主要荷載：圍巖壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)自重、回填土荷載、地下靜水壓力及車輛活載等。附加荷載：凍脹壓力、地震力等。 被動荷載是指圍巖的彈性抗力，計(jì)算有共同變形理論和局部變形理論。(2) 被動荷載 5.4 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法結(jié)構(gòu)力學(xué)方法共同變形理論：把圍巖視為彈性半無限體，考慮相鄰質(zhì)點(diǎn)之間的相互影響。其

14、所需圍巖物理力學(xué)參數(shù)較多，而且計(jì)算頗為繁雜，因而我國很少采用。 假設(shè)假設(shè)：地基為一均質(zhì)、連：地基為一均質(zhì)、連續(xù)、彈性的半無限體。續(xù)、彈性的半無限體。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：反映了地基的連續(xù)整體反映了地基的連續(xù)整體性；性；從幾何上、物理上對地從幾何上、物理上對地基進(jìn)行了簡化，因而可以基進(jìn)行了簡化，因而可以把彈性力學(xué)中有關(guān)半無限把彈性力學(xué)中有關(guān)半無限彈性體的經(jīng)典問答已知結(jié)彈性體的經(jīng)典問答已知結(jié)論作為計(jì)算的基礎(chǔ)。論作為計(jì)算的基礎(chǔ)。2. 半無限體彈性地基模型 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：彈性假設(shè)沒有反映土體的非彈性性質(zhì)；彈性假設(shè)沒有反映土體的非彈性性質(zhì)；均質(zhì)假設(shè)沒有反映土體的不均勻性；均質(zhì)假設(shè)沒有反映土體的不均勻性；半無限體假設(shè)

15、有反映地基的分層特點(diǎn)；半無限體假設(shè)有反映地基的分層特點(diǎn)；本模型在數(shù)學(xué)處理上比較復(fù)雜，因而在應(yīng)用上也受到一定的限制。本模型在數(shù)學(xué)處理上比較復(fù)雜，因而在應(yīng)用上也受到一定的限制。iik局部變形理論 ：以以溫克爾溫克爾（E.Winkler）假定為基礎(chǔ)的。該）假定為基礎(chǔ)的。該理論認(rèn)為圍巖的理論認(rèn)為圍巖的彈性抗力與圍巖在該點(diǎn)的變形成正比。彈性抗力與圍巖在該點(diǎn)的變形成正比。 這個假設(shè)這個假設(shè)實(shí)際上是把地基模擬為剛性支座上一系列獨(dú)立實(shí)際上是把地基模擬為剛性支座上一系列獨(dú)立的彈簧的彈簧。當(dāng)?shù)鼗砻嫔夏骋稽c(diǎn)受壓力。當(dāng)?shù)鼗砻嫔夏骋稽c(diǎn)受壓力p p時(shí)，由于時(shí)，由于彈簧是彼此獨(dú)彈簧是彼此獨(dú)立的立的，故只在該點(diǎn)局部產(chǎn)生沉

16、陷，故只在該點(diǎn)局部產(chǎn)生沉陷y y，而在其他地方不產(chǎn)生任何，而在其他地方不產(chǎn)生任何沉陷。因此，這種地基模型稱作局部彈性地基模型。沉陷。因此，這種地基模型稱作局部彈性地基模型。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 可以考慮梁本身的實(shí)際彈性變形，消除了可以考慮梁本身的實(shí)際彈性變形，消除了反力直線分反力直線分布假設(shè)布假設(shè)中的缺點(diǎn)。中的缺點(diǎn)。局部彈性地基模型的計(jì)算較為簡單，局部彈性地基模型的計(jì)算較為簡單，在實(shí)際應(yīng)用較為方便。在實(shí)際應(yīng)用較為方便。圖3.2 彈性地基梁的受力和變形缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： p沒有反映地基的變形連續(xù)性沒有反映地基的變形連續(xù)性，當(dāng)，當(dāng)?shù)鼗砻嬖谀骋稽c(diǎn)承受壓力時(shí)，實(shí)地基表面在某一點(diǎn)承受壓力時(shí)，實(shí)際上不僅在該點(diǎn)局部產(chǎn)生

17、沉陷，而際上不僅在該點(diǎn)局部產(chǎn)生沉陷，而且也在鄰近區(qū)域產(chǎn)生沉陷。由于沒且也在鄰近區(qū)域產(chǎn)生沉陷。由于沒有考慮地基的連續(xù)性，故溫克爾假有考慮地基的連續(xù)性，故溫克爾假設(shè)不能全面地反映地基梁的實(shí)際情設(shè)不能全面地反映地基梁的實(shí)際情況，況，特別對于密實(shí)厚土層地基和整特別對于密實(shí)厚土層地基和整體巖石地基，將會引起較大的誤差。體巖石地基，將會引起較大的誤差。p但是，如果地基的上部為較薄的但是，如果地基的上部為較薄的土層，下部為堅(jiān)硬巖石，則地基情土層，下部為堅(jiān)硬巖石，則地基情況與圖中的彈簧模型比較相近，這況與圖中的彈簧模型比較相近，這時(shí)將得出比較滿意的結(jié)果。時(shí)將得出比較滿意的結(jié)果。圖3.2 彈性地基梁的受力和變形

18、u隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的矩陣位移法 矩陣位移法又叫直接剛度法直接剛度法，它是以結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量，聯(lián)接在同一節(jié)點(diǎn)各單元的節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)該相等，并等于該點(diǎn)的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移（變形協(xié)調(diào)條件變形協(xié)調(diào)條件）；同時(shí)作用于某一結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的荷載必須與該節(jié)點(diǎn)上作用的各個單元的節(jié)點(diǎn)力相平衡（靜力平衡條件靜力平衡條件）。 u隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的矩陣位移法 三種單剛 襯砌單剛：梁單元 抗力單剛：二力桿單元 基礎(chǔ)單剛：支座單元 拼總剛(結(jié)構(gòu)剛度矩陣) 邊界條件墻基礎(chǔ)水平位移為0 求解以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的方程組高斯消去法等 由節(jié)點(diǎn)位移求出單元節(jié)點(diǎn)力內(nèi)力直剛法計(jì)算圖式 u隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的矩陣位移法 直剛法計(jì)算流程 僅對很簡單的問

19、題才可求出解析僅對很簡單的問題才可求出解析解，如解，如均質(zhì)半無限體中的單孔圓形隧道均質(zhì)半無限體中的單孔圓形隧道、雙孔等直徑圓形隧道雙孔等直徑圓形隧道，以及，以及橢圓形、方橢圓形、方形和直墻拱形洞室等形和直墻拱形洞室等問題。但僅對第一問題。但僅對第一種問題得出了精確的解析計(jì)算式，對其種問題得出了精確的解析計(jì)算式，對其他情況雖已用復(fù)變函數(shù)建立了計(jì)算式，他情況雖已用復(fù)變函數(shù)建立了計(jì)算式，但最終結(jié)果的計(jì)算仍需借助于數(shù)值逼近。但最終結(jié)果的計(jì)算仍需借助于數(shù)值逼近?？紤]塑性時(shí)也僅對圓形洞室的部分課題考慮塑性時(shí)也僅對圓形洞室的部分課題才有解析解。才有解析解。 邊界元法、無限元法、有限元法、有限元法耦合方法等，

20、僅介紹有限元法。有限元法處理特點(diǎn) 隧道計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分 （1）單元類型的選擇和網(wǎng)格劃分（2）計(jì)算范圍的選取 隧道開挖影響范圍距開挖面中心點(diǎn)35倍洞跨的范圍； 邊界上位移為零。（3）邊界條件和初始應(yīng)力 （4）卸荷釋放荷載及卸荷過程模擬 （5）開挖施工步驟的模擬 （6）求單元應(yīng)力 （7）圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判斷 （8）有限元法計(jì)算的可信度適用性強(qiáng)（各種地層、洞室，非線性，施適用性強(qiáng)（各種地層、洞室，非線性，施工過程等）；缺點(diǎn)：本構(gòu)關(guān)系難以準(zhǔn)確給出。工過程等）；缺點(diǎn)：本構(gòu)關(guān)系難以準(zhǔn)確給出。52洞門視作擋土墻進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)： 主動土壓力按庫侖理論進(jìn)行計(jì)算；無論墻背仰斜或直立，土壓力的作用方向均假定為水

21、平；不考慮被動土壓力。取最不利位置的墻體條帶計(jì)算，稱為“檢算條帶”。條帶寬度一般為1m，最不利位置墻體最高點(diǎn)。5.6.1 計(jì)算原理5.6.2 計(jì)算部位（檢算條帶）的選取及計(jì)算要點(diǎn)1 1柱式、端墻式洞門柱式、端墻式洞門 取、作為“檢算條帶”。檢算墻身截面偏心、強(qiáng)度，以及基底偏心、應(yīng)力及沿基底的滑動和繞墻趾傾覆穩(wěn)定性2 2有擋、翼墻的洞門有擋、翼墻的洞門 檢算翼墻時(shí)取洞門端墻墻趾前之翼墻寬1m的條帶“”，按擋土墻檢算偏心、強(qiáng)度及穩(wěn)定性； 檢算端墻時(shí)取最不利部分“”作為“檢算條帶”，檢算其截面偏心和強(qiáng)度； 檢算端墻與翼墻共同作用部分“”的滑動穩(wěn)定性。5.6.3 洞門計(jì)算內(nèi)容墻身偏心及強(qiáng)度；繞墻趾的抗

22、傾覆性(墻趾:墻身外表面與基底面的交點(diǎn))；沿基底滑動的穩(wěn)定性；基底應(yīng)力檢算。 1. 計(jì)算內(nèi)容 2. 洞門端墻及擋（翼）墻檢算規(guī)定墻身截面壓應(yīng)力容許應(yīng)力墻身截面偏心距e0.3倍截面厚度基底應(yīng)力地基容許承載力基底偏心距e巖石地基B/4，土質(zhì)地基B/6（B為墻底厚度）滑動穩(wěn)定系數(shù)K01.3傾覆穩(wěn)定系數(shù)K01.55.6.3 洞門計(jì)算內(nèi)容5.6.4 洞門計(jì)算的概率極限狀態(tài)法 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定隧道洞門除按破損階段法進(jìn)行檢算外，還可采用極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算?；痉椒ㄈ酝茡p階段法，如取計(jì)算條帶，具體公式不同，按可靠度理論得出. 1.洞門墻墻身抗壓承載能力抗壓承載能力計(jì)算(承載能力極限狀態(tài)) 2.洞門墻

23、墻身抗裂承載能力抗裂承載能力計(jì)算(正常使用極限狀態(tài)) 3.洞門墻地基承載能力地基承載能力計(jì)算 4.抗傾覆抗傾覆計(jì)算 5.抗滑動抗滑動計(jì)算5.7.1 5.7.1 檢算內(nèi)容檢算內(nèi)容（1）安全系數(shù)檢算（2）偏心檢算鐵路隧道拼裝式襯砌、復(fù)合式襯砌雙線隧道整體式襯砌公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)5.7.2 5.7.2 適用范圍適用范圍 圬工種類及 荷載組合 破壞原因混凝土石砌體鋼筋混凝土主要荷載主要、附加荷載主要荷載主要、附加荷載主要荷載主要、附加荷載（鋼筋）混凝土或石砌體受壓破壞2.42.02.72.32.01.7混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度（主拉應(yīng)力）3.63.02.42.0混凝土和石砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù) （1） 允許

24、安全系數(shù)5.7.3 5.7.3 安全系數(shù)檢算安全系數(shù)檢算式中：e0 軸向力偏心距， e0 =M/N； K 混凝土和石砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)， M ,N 軸向力； Ra 混凝土或砌體的抗壓極限強(qiáng)度； b, h 截面的寬度和厚度（通常取1m）； 構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)，對隧道襯砌拱圈及墻背緊密回填的邊墻可取1； 軸向力偏心影響系數(shù)。he2 . 00bhRKNahe05 . 11u抗壓控制檢算小偏心判斷準(zhǔn)則：此時(shí)承載能力由抗壓強(qiáng)度控制：（2）抗壓與抗拉控制分界式中： 混凝土的抗拉極限強(qiáng)度， 其它符號意義同前。he2 . 001675. 10hebhRKNlu抗拉控制檢算大偏心判斷準(zhǔn)則：此時(shí)承載能力由抗拉強(qiáng)度控制

25、：lR 混凝土襯砌的偏心距不宜大于0.45倍截面厚度； 石砌體偏心距不應(yīng)大于0.3倍截面厚度； 基底偏心距，對巖石地基不大于1/4倍墻底厚度， 對土質(zhì)地基不大于1/6倍墻底厚度。5.7.4 5.7.4 偏心距限制偏心距限制5.8 5.8 半襯砌的計(jì)算半襯砌的計(jì)算 拱圈直接拱圈直接支承在隧道圍支承在隧道圍巖側(cè)壁上時(shí)，巖側(cè)壁上時(shí)，稱為半襯砌稱為半襯砌 適合于堅(jiān)硬適合于堅(jiān)硬和較完整的圍和較完整的圍巖巖(、級級) )；5.8 5.8 半襯砌的計(jì)算半襯砌的計(jì)算 在垂直荷載作用下拱圈向隧道內(nèi)變形為在垂直荷載作用下拱圈向隧道內(nèi)變形為自自由變形由變形，不產(chǎn)生彈性抗力，不產(chǎn)生彈性抗力 ； 1 1、基本假定、基本

26、假定 拱腳產(chǎn)生拱腳產(chǎn)生角位移和線位移角位移和線位移，并使拱圈內(nèi)力發(fā)，并使拱圈內(nèi)力發(fā)生改變，計(jì)算中除按固端無鉸拱考慮外，還必生改變，計(jì)算中除按固端無鉸拱考慮外，還必須考慮拱腳位移的影響須考慮拱腳位移的影響 拱腳拱腳沒有徑向位移沒有徑向位移，只有切向位移；，只有切向位移； aau 對稱的垂直分位移對拱圈內(nèi)力不產(chǎn)生影響；對稱的垂直分位移對拱圈內(nèi)力不產(chǎn)生影響； 拱腳的轉(zhuǎn)角拱腳的轉(zhuǎn)角 和切向位移的水平分位移和切向位移的水平分位移 是必須考慮的是必須考慮的1 1、基本假定、基本假定 fuuL/2ua2 2、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu) aau,fuuL/2ua01122111apXX02222211aapufXX式

27、中：式中： 是單位變位，即在基本結(jié)構(gòu)上，因是單位變位，即在基本結(jié)構(gòu)上，因作用時(shí)，在作用時(shí)，在 方向上所產(chǎn)生的變位；方向上所產(chǎn)生的變位； 為荷載變?yōu)楹奢d變位，即基本結(jié)構(gòu)因外荷載作用，在位，即基本結(jié)構(gòu)因外荷載作用，在 方向的變位；方向的變位；f f為拱圈的矢高；為拱圈的矢高；ik1kXiXipiX3 3、正則方程、正則方程 2 2、單位變位及荷載變位的計(jì)算、單位變位及荷載變位的計(jì)算 由結(jié)構(gòu)力學(xué)求變位的方法（軸向力與剪力影由結(jié)構(gòu)力學(xué)求變位的方法（軸向力與剪力影響忽略不計(jì)）知道：響忽略不計(jì)）知道：dsEJMMkiikdsEJMMpiip0uuu2 2、單位變位及荷載變位的計(jì)算、單位變位及荷載變位的計(jì)算

28、 在很多情況下，襯砌厚度是改變的，在很多情況下，襯砌厚度是改變的，給積分帶來不便，這時(shí)可將拱圈分成偶數(shù)給積分帶來不便，這時(shí)可將拱圈分成偶數(shù)段，用拋物線近似積分法代替。段，用拋物線近似積分法代替。 JMMESkiikEJMMESpiip0aaaahaha216aaabhWM2116aaabhkkaaaaaJkbhkh1122110au3 3、拱腳位移計(jì)算、拱腳位移計(jì)算 單位力矩作用時(shí)單位力矩作用時(shí) 單位水平力作用時(shí)單位水平力作用時(shí) 單位水平力可以分解為軸向分力單位水平力可以分解為軸向分力 和切向分和切向分力力 ，計(jì)算時(shí)只需考慮軸向分力的影響，作用在，計(jì)算時(shí)只需考慮軸向分力的影響，作用在圍巖表面的

29、均布應(yīng)力圍巖表面的均布應(yīng)力 和拱腳產(chǎn)生的均勻沉陷和拱腳產(chǎn)生的均勻沉陷 為：為：)cos1 (a)sin1 (a22aabhcos2aaaabhkkcos22 的水平投影即為點(diǎn)的水平投影即為點(diǎn)a a的水平位移的水平位移 ，均勻沉，均勻沉陷時(shí)拱腳截面不發(fā)生轉(zhuǎn)動，則有：陷時(shí)拱腳截面不發(fā)生轉(zhuǎn)動，則有： 22uaaaabhku222coscos021020100apapapapMHMaaaapapapapbhkNuHuMucos020100aha（3 3） 外荷載作用時(shí)外荷載作用時(shí) 在外荷載作用下，基本結(jié)構(gòu)中拱腳點(diǎn)處產(chǎn)在外荷載作用下，基本結(jié)構(gòu)中拱腳點(diǎn)處產(chǎn)生彎矩生彎矩 和軸向力和軸向力 ，如圖所示，拱腳截

30、面，如圖所示，拱腳截面的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)角 和水平位移和水平位移 為：為： 0apM0apN0ap0apu(4) (4) 拱腳位移拱腳位移 拱腳的最終轉(zhuǎn)角拱腳的最終轉(zhuǎn)角 和水平位移和水平位移 可分別考慮可分別考慮 和外荷載的影響，按疊加原理求得，可和外荷載的影響，按疊加原理求得，可表示為：表示為： aau21,XX012211012211)()(apaapauu fuXuXufXX4 4、拱圈截面內(nèi)力、拱圈截面內(nèi)力 將以上兩組方程代入正則方程可得：將以上兩組方程代入正則方程可得：0)()()(0)()()(002122122221121101121221111apappappufffu fuXfuXf

31、XX002022212110212111aXaXaaXaXa22112121012201122211212201210221aaaaaaaXaaaaaaaX00220011011211212211212212222211111apappappufaafufaaffu fuaa令令02021cosipiiipiiNXNMyXXM則任意截面處的內(nèi)力為則任意截面處的內(nèi)力為xy 常用于常用于級圍巖；級圍巖； 拱圈和曲邊墻作為一個整體按無鉸拱計(jì)算拱圈和曲邊墻作為一個整體按無鉸拱計(jì)算 ； 施工時(shí)仰拱是在無鉸拱業(yè)已受力之后修建的，施工時(shí)仰拱是在無鉸拱業(yè)已受力之后修建的，不考慮仰拱對襯砌內(nèi)力的影響不考慮仰拱對

32、襯砌內(nèi)力的影響 。5.9 5.9 曲墻式襯砌計(jì)算曲墻式襯砌計(jì)算 1 1 計(jì)算假設(shè)計(jì)算假設(shè) 在主動荷載作用下，頂部襯砌向隧道在主動荷載作用下，頂部襯砌向隧道內(nèi)變形而形成脫離區(qū)，兩側(cè)襯砌向圍巖方內(nèi)變形而形成脫離區(qū)，兩側(cè)襯砌向圍巖方向變形，引起圍巖對襯砌的被動彈性抗力向變形，引起圍巖對襯砌的被動彈性抗力 上零點(diǎn)上零點(diǎn)b b（即脫離區(qū)與抗力區(qū)的分界（即脫離區(qū)與抗力區(qū)的分界點(diǎn)）與襯砌垂直對稱中線的夾角假定為點(diǎn)）與襯砌垂直對稱中線的夾角假定為 下零點(diǎn)下零點(diǎn)a a在墻腳在墻腳 45b 最大抗力點(diǎn)最大抗力點(diǎn)h h假定發(fā)生假定發(fā)生在最大跨度處附近，計(jì)算在最大跨度處附近，計(jì)算時(shí)一般取時(shí)一般取 為簡化為簡化計(jì)算可假

33、定在分段的接縫計(jì)算可假定在分段的接縫上。上。 抗力圖形的分布假定抗力圖形的分布假定為二次拋物線為二次拋物線 abah32hhbibi2222coscoscoscoshhiiyy21bhbh段段：haha段段： 忽略襯砌與圍巖之間的摩擦力忽略襯砌與圍巖之間的摩擦力 墻腳支承在彈性巖體上，可發(fā)生轉(zhuǎn)動墻腳支承在彈性巖體上，可發(fā)生轉(zhuǎn)動和垂直位移和垂直位移( (無水平位移無水平位移) )2 2 、主動荷載作用下的力法方程和襯砌內(nèi)力、主動荷載作用下的力法方程和襯砌內(nèi)力0022222111122111apappppappppufXXXX式中式中 為墻底位移。分為墻底位移。分別計(jì)算別計(jì)算 和外荷載的影和外荷載

34、的影響，然后按照疊加原理相加響，然后按照疊加原理相加得到得到apapu,ppXX21,2 2 、主動荷載作用下的力法方程和襯砌內(nèi)力、主動荷載作用下的力法方程和襯砌內(nèi)力012211)(apppapfXX由于墻底無水平位移，故由于墻底無水平位移，故 0apu0)()(0)()(2122221211111221111appppappppffXfXfXX式中：式中： 是基本結(jié)構(gòu)的單位位移和主動荷載位移；是基本結(jié)構(gòu)的單位位移和主動荷載位移； 是墻底單位轉(zhuǎn)角；是墻底單位轉(zhuǎn)角； 為基本結(jié)構(gòu)墻底的荷載轉(zhuǎn)角；為基本結(jié)構(gòu)墻底的荷載轉(zhuǎn)角；f f 為為襯砌的矢高。襯砌的矢高。ipik,10ap求得求得 后，在主動荷載

35、作用下，后，在主動荷載作用下，襯砌內(nèi)力即可計(jì)算：襯砌內(nèi)力即可計(jì)算：ppXX21,02021cosipipipipippipNXNMyXXM 在具體進(jìn)行計(jì)算時(shí)，還需進(jìn)一步確定被動抗在具體進(jìn)行計(jì)算時(shí)，還需進(jìn)一步確定被動抗力力 的大小，這需要利用最大抗力點(diǎn)的大小，這需要利用最大抗力點(diǎn)h h處的變處的變形協(xié)調(diào)條件。形協(xié)調(diào)條件。 hhhhphhhphkk1hhkhhhphhhphkk1hhk3 3、最大抗力值的計(jì)算、最大抗力值的計(jì)算先求出先求出 和和 變位由兩部分組成，即結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變變位由兩部分組成，即結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變位和因墻底變位（轉(zhuǎn)角）而產(chǎn)生的變位之和位和因墻底變位（轉(zhuǎn)角）而產(chǎn)生的變位之

36、和 hphhaahhaahhhapahhpapahhphpyJMMEsydsEJMMyJMMEsydsEJMM h h點(diǎn)所對應(yīng)的點(diǎn)所對應(yīng)的 ，則該點(diǎn)的徑向位移，則該點(diǎn)的徑向位移約等于水平位移約等于水平位移 拱頂截面的垂直位移對拱頂截面的垂直位移對h h點(diǎn)徑向位移的影響點(diǎn)徑向位移的影響可以忽略不計(jì)可以忽略不計(jì)按照結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，在按照結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，在h h點(diǎn)加一單位力點(diǎn)加一單位力 ，可以求得可以求得 和和 90h1phph)()()()(yyJMEsdsEJyyMyyJMEsdsEJyyMhhhhphphp4 4、在單位抗力作用下的內(nèi)力、在單位抗力作用下的內(nèi)力 將抗力圖將抗力圖 視為外荷載單獨(dú)作用

37、時(shí)，未知力視為外荷載單獨(dú)作用時(shí)，未知力 及及 可以參照可以參照 及及 的求法得出的求法得出 1h1X2XpX1pX20)()(0)()(2122221211111221111aaffXfXfXX4 4、在單位抗力作用下的內(nèi)力、在單位抗力作用下的內(nèi)力 解出解出 及及 后，即可求出襯砌在單位抗力圖為荷后，即可求出襯砌在單位抗力圖為荷載單獨(dú)作用下任一截面內(nèi)力：載單獨(dú)作用下任一截面內(nèi)力：1X2X02021cosiiiiiiNXNMyXXM5 5、襯砌最終內(nèi)力計(jì)算及校核計(jì)算結(jié)、襯砌最終內(nèi)力計(jì)算及校核計(jì)算結(jié)果的正確性果的正確性 襯砌任一截面最終內(nèi)力值可利用襯砌任一截面最終內(nèi)力值可利用疊加原理求得：疊加原理

38、求得：ihipiihipiNNNMMM 校核計(jì)算結(jié)果正確性時(shí)，可以利用拱頂截校核計(jì)算結(jié)果正確性時(shí)，可以利用拱頂截面轉(zhuǎn)角和水平位移為零條件和最大抗力點(diǎn)面轉(zhuǎn)角和水平位移為零條件和最大抗力點(diǎn)a a的位的位移條件移條件： kyJyMEsyEJdsyMfJyMEsfEJdsyMJMEsEJdsMhaahihiaahihiaiiaiiaiai00式中式中 是墻底截面最終轉(zhuǎn)角是墻底截面最終轉(zhuǎn)角， aahapa5.10 5.10 直墻式襯砌計(jì)算直墻式襯砌計(jì)算 1 1、計(jì)算原理、計(jì)算原理 拱圈按拱圈按彈性無鉸拱彈性無鉸拱計(jì)算，邊墻按計(jì)算，邊墻按彈性地彈性地基上的直梁基上的直梁計(jì)算，并考慮邊墻與拱圈之間計(jì)算，并考慮邊墻與拱圈之間的相互影響；的相互影響； 邊墻支承拱圈并承受圍巖壓力；邊墻支承拱圈并承受圍巖壓力； 拱腳區(qū)段的彈性抗力為二次拋物線分布拱腳區(qū)段