中南大學(xué)隧道工程第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算

5.4隧道洞門(mén)計(jì)算第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算5.3巖體力學(xué)方法5.1隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型5.2結(jié)構(gòu)力學(xué)方法5.5隧道抗震計(jì)算1編輯ppt5.1.1隧道工程的受力特點(diǎn)5.1隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型1.荷載的模糊性2.圍巖物理力學(xué)參數(shù)難以準(zhǔn)確獲得3.圍巖壓力承載體系

◆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。

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算2編輯ppt5.1.1隧道工程的受力特點(diǎn)5.1隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型4.設(shè)計(jì)參數(shù)受施工方法和施作時(shí)機(jī)的影響很大

5.隧道與地面結(jié)構(gòu)受力的不同點(diǎn)—圍巖抗力的存在第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算3編輯ppt5.1.2隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型1.結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

特點(diǎn)：◆以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體；

◆圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用間接地體現(xiàn)為兩點(diǎn)：

①?lài)鷰r壓力；②圍巖彈性抗力。

◆采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算。

適用于：模筑砼襯砌

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算4編輯ppt2.巖體力學(xué)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)

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算5編輯ppt5.2.1概述

5.2結(jié)構(gòu)力學(xué)方法

1.基本原理

◆將支護(hù)和圍巖分開(kāi)考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載的主體，圍巖作為荷載的來(lái)源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支承，與其對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型稱(chēng)為荷載—結(jié)構(gòu)模型。

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算6編輯ppt根據(jù)對(duì)荷載的處理不同，它大致有如下三種模式：

◆主動(dòng)荷載模式（圖5－1（a））

◆主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模式（圖5－1（b）)◆實(shí)際荷載模式（圖5－1（c）)。第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算7編輯ppt圖5—1荷載—結(jié)構(gòu)模式

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算8編輯ppt2.隧道襯砌受力變形的特點(diǎn)第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算9編輯ppt3.隧道襯砌承受的荷載及分類(lèi)

(1)主動(dòng)荷載

◆主要荷載

◆附加荷載

(2)被動(dòng)荷載～圍巖抗力

◆共同變形理論

◆局部變形理論

圖5-3局部變形示意圖第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算10編輯ppt5.2.3隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的矩陣位移法

1.基本原理

矩陣位移法又叫直接剛度法，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）；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(gè)單元的節(jié)點(diǎn)力相平衡（靜力平衡條件）。

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算11編輯ppt計(jì)算特點(diǎn):

①三種單剛

◆襯砌單剛：梁?jiǎn)卧?/p>

◆抗力單剛：二力桿單元

◆基礎(chǔ)單剛：支座單元

②拼總剛(結(jié)構(gòu)剛度矩陣)③邊界條件～墻基礎(chǔ)水平位移為0

④求解以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的方程組～高斯消去法等

⑤由節(jié)點(diǎn)位移求出單元節(jié)點(diǎn)力～內(nèi)力

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算12編輯ppt2.計(jì)算圖式

襯砌結(jié)構(gòu)的處理◆襯砌的處理：將襯砌沿其軸線(xiàn)離散化為直桿單元（梁?jiǎn)卧?，并將單元的?lián)接點(diǎn)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)。

◆墻基礎(chǔ)的處理：假設(shè)邊墻底端是彈性固定，即能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直下沉，不能產(chǎn)生水平位移。第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算13編輯ppt圖5-4直剛法計(jì)算圖式第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算14編輯ppt(2)等效節(jié)點(diǎn)荷載的處理

◆按“靜力等效”原則進(jìn)行，即均布荷載所作的虛功應(yīng)等于節(jié)點(diǎn)荷載所作的虛功。2.計(jì)算圖式

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算15編輯ppt圖5-5等效節(jié)點(diǎn)荷載計(jì)算示意圖第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算16編輯ppt垂直均布荷載作用在單元上的等效節(jié)點(diǎn)力分量為：第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算17編輯ppt水平均布荷載作用在單元上的等效節(jié)點(diǎn)力分量為：第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算18編輯ppt2.計(jì)算圖式

(3)圍巖彈性抗力的處理

◆以彈簧支承模擬圍巖彈性抗力，即在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置一根彈簧鏈桿，彈簧力即為圍巖抗力；

◆以溫氏假定反映抗力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系；

◆彈簧支承的方向：應(yīng)按襯砌與圍巖的接觸狀態(tài)而定。

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算19編輯ppt2.計(jì)算圖式

圖5-6圍巖彈性抗力鏈稈設(shè)置示意圖

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算20編輯ppt3.單元?jiǎng)偠染仃?/p>

襯砌單元?jiǎng)偠染仃?襯砌單剛)彈性支承鏈桿單元?jiǎng)偠染仃?抗力單剛)

要點(diǎn)：

◆其局部坐標(biāo)系與總體坐標(biāo)系一致；

◆由溫氏假定求抗力。墻腳彈性支座單元?jiǎng)偠染仃?/p>

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算21編輯ppt3.單元?jiǎng)偠染仃?/p>

圖5-7彈性鏈稈單元示意圖第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算22編輯ppt3.單元?jiǎng)偠染仃?/p>

圖5-8墻角彈性支座單元示意圖第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算23編輯ppt4.建立結(jié)構(gòu)剛度方程

（1）結(jié)構(gòu)剛度方程的形成

（2）結(jié)構(gòu)剛度矩陣的特點(diǎn)

◆對(duì)稱(chēng)矩陣(反力互等定理)；

◆稀疏的帶狀矩陣，非零元素的個(gè)數(shù)一般只占元素總數(shù)的5％左右；

◆是非奇異矩陣。因抗力彈簧本身就是對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的約束，故襯砌結(jié)構(gòu)不能作剛體移動(dòng)。

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算24編輯ppt5.未知節(jié)點(diǎn)位移的求解和彈性支承的調(diào)整

（1）邊界條件

◆圍巖抗力彈簧支承就是一種邊界約束，已在拼總剛中考慮了；

◆基底支座～水平位移為0。（2）方程組求解：高斯消去法；迭代法（3）對(duì)圍巖抗力彈簧支承的自動(dòng)調(diào)整

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算25編輯ppt6.襯砌內(nèi)力的計(jì)算

（1）單元結(jié)點(diǎn)位移（2）單元結(jié)點(diǎn)力第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算26編輯ppt7.直剛法計(jì)算流程圖

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算27編輯ppt5.2.4襯砌截面強(qiáng)度檢算

1.破損階段法破損階段法～考慮到結(jié)構(gòu)的塑性階段，材料塑性極限強(qiáng)度Rb已進(jìn)入塑性階段?！舢?dāng)時(shí)，由抗壓強(qiáng)度控制其承載能力，因此僅需按抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢算。

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算28編輯ppt5.2.4襯砌截面強(qiáng)度簡(jiǎn)算

1.破損階段法◆當(dāng)時(shí)，由抗拉強(qiáng)度控制承載能力，僅需按抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢算。第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算29編輯ppt5.2.4襯砌截面強(qiáng)度簡(jiǎn)算

1.破損階段法◆偏心距限制

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(duì)巖石地基不大于1/4倍墻底厚度，對(duì)土質(zhì)地基不大于1/6倍墻底厚度。

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算30編輯ppt5.2.4襯砌截面強(qiáng)度簡(jiǎn)算

2.概率極限狀態(tài)法

極限狀態(tài)法～采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，用概率來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的安全度，或稱(chēng)“可靠度”。（1）承載能力極限狀態(tài)

混凝土矩形截面中心及偏心受壓構(gòu)件，其受壓承載能力：

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算31編輯ppt5.2.4襯砌截面強(qiáng)度簡(jiǎn)算

2.概率極限狀態(tài)法

（2）正常使用極限狀態(tài)

從抗裂要求出發(fā)，混凝土矩形偏心受壓構(gòu)件的抗裂承載力按下式檢算：

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算32編輯ppt5.3.1解析法

5.3巖體力學(xué)方法

33編輯ppt5.3.2數(shù)值分析法

5.3巖體力學(xué)方法

1.概述

◆邊界元法、無(wú)限元法、有限元法、有限元法耦合方法等，僅介紹有限元法

2.有限元法處理特點(diǎn)（1）單元類(lèi)型的選擇和網(wǎng)格劃分

34編輯ppt5.3.2數(shù)值分析法

圖5-11隧道計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算35編輯ppt（2）計(jì)算范圍的選取

①隧道開(kāi)挖影響范圍～距開(kāi)挖面中心點(diǎn)3~5倍洞跨的范圍；②邊界上位移為零。第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算36編輯ppt（3）邊界條件和初始應(yīng)力

（4）卸荷釋放荷載及卸荷過(guò)程模擬

（5）開(kāi)挖施工步驟的模擬

（6）求單元應(yīng)力

（8）有限元法計(jì)算的可信度

（7）圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判斷

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算37編輯ppt5.4隧道洞門(mén)計(jì)算

計(jì)算方法：洞門(mén)可視作擋土墻，按計(jì)算擋土墻的方法進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算處理：

①主動(dòng)土壓力按庫(kù)侖理論進(jìn)行計(jì)算；

②無(wú)論墻背仰斜或直立，土壓力的作用方向均假定為水平；

③不考慮被動(dòng)土壓力。

④取最不利位置的墻體條帶計(jì)算，稱(chēng)為“檢算條帶”。條帶寬度一般為1m，最不利位置～墻體最高點(diǎn)。第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算38編輯ppt5.4隧道洞門(mén)計(jì)算

5.4.1計(jì)算部位（檢算條帶）的選取及計(jì)算要點(diǎn)1．柱式、端墻式洞門(mén)

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算39編輯ppt5.4隧道洞門(mén)計(jì)算

5.4.1計(jì)算部位（檢算條帶）的選取及計(jì)算要點(diǎn)2．有擋、翼墻的洞門(mén)

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算40編輯ppt5.4隧道洞門(mén)計(jì)算

5.4.2洞門(mén)計(jì)算內(nèi)容1.洞門(mén)計(jì)算內(nèi)容：

①墻身偏心及強(qiáng)度；

②繞墻趾的抗傾覆性(墻趾～墻身外表面與基底面的交點(diǎn))；

③沿基底滑動(dòng)的穩(wěn)定性；

④基底應(yīng)力檢算。

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算41編輯ppt5.4隧道洞門(mén)計(jì)算

5.4.2洞門(mén)計(jì)算內(nèi)容2.洞門(mén)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e

≤0.3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(dòng)穩(wěn)定系數(shù)KC≥1.3傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0≥1.5第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算42編輯ppt5.4隧道洞門(mén)計(jì)算

5.4.4洞門(mén)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(mén)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.

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算43編輯ppt5.4隧道洞門(mén)計(jì)算

5.4.4洞門(mén)計(jì)算的概率極限狀態(tài)法

1.洞門(mén)墻墻身抗壓承載能力計(jì)算(承載能力極限狀態(tài))

2.洞門(mén)墻墻身抗裂承載能力計(jì)算(正常使用極限狀態(tài))

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算44編輯ppt5.4隧道洞門(mén)計(jì)算

5.4.4洞門(mén)計(jì)算的概率極限狀態(tài)法

3.洞門(mén)墻地基承載能力計(jì)算

4.抗傾覆計(jì)算

5.抗滑動(dòng)計(jì)算

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算45編輯ppt5.5隧道抗震計(jì)算

5.5.1概述

規(guī)定：在地震基本烈度為7度及以上地區(qū)的隧道，需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

抗震設(shè)計(jì)方法：地震系數(shù)法其它方法：

①波動(dòng)法；②相互作用法；③數(shù)值分析方法，等。第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算46編輯ppt5.5隧道抗震計(jì)算

5.5.3地震系數(shù)法

考慮兩種情況：

◆水平地震力的方向橫交隧道縱軸

應(yīng)考慮洞口、淺埋、偏壓地段和明洞。

◆水平地震力的方向沿隧道縱軸

僅需考慮洞門(mén)及洞口一個(gè)環(huán)節(jié)襯砌。

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算47編輯ppt5.5隧道抗震計(jì)算

5.5.3地震系數(shù)法

圖5-20縱向水平地震力作用下洞口環(huán)節(jié)計(jì)算圖式

第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算48編輯ppt5.5隧道抗震計(jì)算

5.5.3地震系數(shù)法

1.地震力的計(jì)算（1）橫向水平地震力（2）縱向水平地震力◆水平梁◆豎向梁第5章隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算49編輯ppt5.5隧道抗震計(jì)算

5.5.3地震系數(shù)法

2.襯砌內(nèi)力計(jì)算（1）襯砌任一截面內(nèi)的彎矩按圖（b）可得：

（2）襯砌任一截面內(nèi)的彎矩按圖