第章隧道結構計算

隧道工程第6章隧道結構計算重慶交通大學隧道及巖土工程系2008年10月本章學習要求：（1）熟悉公路隧道的荷載類型及其隧道結構的計算模型簡化方法；（2）掌握半襯砌和曲墻式襯砌結構內(nèi)力計算方法；（3）了解公路隧道的數(shù)值分析方法。第6章隧道結構計算6.1概述6.2隧道襯砌上的荷載類型及其組合6.3半襯砌的計算6.4曲墻式襯砌計算6.5直墻式襯砌計算6.6襯砌截面強度驗算6.7單元剛度矩陣6.8結構剛度方程6.1概述1、隧道結構環(huán)境及其簡化2、隧道結構體系的計算模型1、隧道結構環(huán)境及其簡化⑴隧道結構與地面結構的區(qū)別

隧道結構工程特性、設計原則和方法與地面結構完全不同⑴隧道結構與地面結構的區(qū)別●隧道結構是由周邊圍巖和支護結構兩者組成共同的并相互作用的結構體系●周邊圍巖在很大程度上是隧道結構承載的主體

●隧道襯砌的設計和計算應結合圍巖自承能力進行，保證使用壽限內(nèi)的安全度⑴隧道結構與地面結構的區(qū)別⑵隧道結構計算的簡化問題根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件如何簡化對計算結果影響非常重要根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件⑵隧道結構計算的簡化問題⑵隧道結構計算的簡化問題●在十九世紀末，隧道襯砌結構是作為超靜定彈性拱計算的，但僅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●彈性抗力：襯砌在受力過程中的變形，一部分結構有離開圍巖形成“脫離區(qū)”的趨勢，另一部分壓緊圍巖形成所謂“抗力區(qū)”，在抗力區(qū)內(nèi)，約束著襯砌變形的圍巖相應地產(chǎn)生被動抵抗力⑵隧道結構計算的簡化問題●進入本世紀后，通過長期觀測，發(fā)現(xiàn)圍巖不僅對襯砌施加壓力，同時還約束著襯砌的變形。圍巖對襯砌變形的約束，對改善襯砌結構的受力狀態(tài)有利，不容忽視⑵隧道結構計算的簡化問題⑶局部變形理論和共同變形理論●局部變形理論：是以溫克爾（E.Winkler）假定為基礎的。它認為應力和變形之間呈線性關系，即為圍巖彈性抗力系數(shù)●共同變形理論把圍巖視為彈性半無限體，考慮相鄰質(zhì)點之間變形的相互影響。⑶局部變形理論和共同變形理論人工噴射混凝土的場景2、隧道結構體系的計算模型

計算模型的如何建立？隧道結構計算如何簡化？不同簡化計算結果差異大！

2、隧道結構體系的計算模型

國際隧道協(xié)會(ITA)認為，目前采用的地下結構設計方法可以歸納為以下4種設計模型：●以工程言類比為愚主的經(jīng)驗設雜計法；●解以現(xiàn)嫁場量暫測和筆試驗蓬為主血的實用設編計法●荷載—結構模欺型方法●巖體力共學模型方法欲，包潛括解深析法時和數(shù)稈值法負。2、隧道席結構體鏡系的計故算模型從各國蹲的地下敬結構設剩計實踐乳看，目論前主要拋采用兩劈燕類計算箭模型：●一類論是以支似護結術構作帖為承番載主捐體，結構覆力學模斃型，又念稱為荷牧載－結惱構模型岸；●另字一類則恭相反，幅視圍巖為花承載主殃體，支畢護結乒構則巷為約液束圍杠巖變鳥形的背模型像，常即巖濁體力滿學模辣型或趟稱為菌圍巖—結構磁模型競。6.扁2隧道襯籠砌上的角荷載類權型1、隧道涂結構上賄的基本荷并載2、隧道巴結構上復的荷載嘗及其類污型1、基槳本荷裙載（1）圍燒巖壓騙力（2）結蘆構自散重力2、隧道菜結構上炭的荷載束及其類酸型按其蜻性質(zhì)光可以挨區(qū)分屠為兩園大類:●主動荷銅載是主動仔作用于礦結構、烏并引起稻結構變鐵形的荷勻載；●被動荷織載是因饑結構縫變形溜壓縮彎圍巖絮而引拘起的招圍巖很被動丟抵抗算力，傻即彈施性抗櫻力，把它對喊結構趣變形候起限強制作牧用。2、隧屑道結敢構上座的荷攏載及述其類盲型《公路輪隧道象設計很規(guī)范》JT榮GD罪70-糧200擋4將隧道張結構上悉荷載仿可照橋規(guī)秒分為：●永久李荷載●可變荷饑載●偶然掌荷載編號荷載類型荷載名稱1永久荷載（恒載）圍巖壓力2結構自重力3填土壓力水壓力4混凝土收縮和徐變影響力5可變荷載基本可變荷載公路車輛荷載，人群荷載6立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力7

立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力8其它可變荷載立交渡槽流水壓力9溫度變化的影響力10凍脹力施工荷載11偶然荷載落石沖擊力12地震力隧規(guī)P28：表6.寺1.吹1作用在病隧道結臟構上的革荷載荷載組稅合：●結構卸自重女＋圍宅巖壓閥力＋與附加譽恒載（基本古）●結構自煉重＋土第壓力＋揮公路荷哈載＋附國加恒載●結構主自重聚＋土糟壓力圾＋附晃加恒階載＋英施工動荷載＋溫殘度作償用力●結構自染重＋土手壓力＋椒附加恒鳥載＋地債震作用附加恒窩載：伴徑隨隧道煤運營的晝各種設噸備設施莊的荷載嘉等。6.3半襯砌列的計算拱圈直朝接支承際在隧道掃圍巖側碗壁上時丑，稱為斤半襯砌●適合唯于堅仿硬和息較完熱整的挖圍巖(Ⅱ、Ⅲ級)；6.3半襯擱砌的逗計算⑴在垂直蔑荷載作壤用下拱姿圈向隧煤道內(nèi)變級形為自由變籌形，不勤產(chǎn)生厭彈性炮抗力峽；1、基滔本假兆定⑵拱腳產(chǎn)段生角位晝移和番線位謹移，并使鋸拱圈內(nèi)菠力發(fā)生滅改變，堂計算中脂除按固象端無鉸黎拱考慮緞外，還破必須考裳慮拱腳糾位移的宴影響⑶拱腳沒有徑送向位移，只柄有切洲向位管移；⑷對稱的披垂直分叼位移對似拱圈內(nèi)虎力不產(chǎn)貝生影響召；⑸拱腳冊的轉櫻角旦和雜切向高位移偽的水滿平分狹位移膽是必權須考茶慮的1、基本擊假定2、基本有結構式中：爸是單位南變位，鹽即在基疾本結構融上，因意作用時椅，在鹿方女向上所赴產(chǎn)生的壺變位；追為嫩荷載變抗位，即酷基本結夢構因外浮荷載作薯用，在帥方保向的變饅位；f為拱圈鹿的矢高帶；3、正珠則方定程2、單位柄變位及草荷載變丹位的計門算由結濟構力幼學求銀變位淚的方編法（精軸向竟力與騰剪力愁影響復忽略音不計寇）知幫道：2、單瓦位變紅位及住荷載沸變位記的計還算在很昂多情刃況下攤，襯況砌厚忙度是冶改變舊的，躍給積莊分帶撞來不蘭便，軌這時揉可將奧拱圈擺分成家偶數(shù)偶段，宰用拋敏物線箭近似密積分也法代謝替。3、拱腳順位移計捷算⑴轉單位啟力矩計作用遲時⑵單位水哭平力作塌用時單位讀水平套力可贊以分早解為架軸向鮮分力萍和切歲向分宋力經(jīng)，軋計算辣時只該需考基慮軸炭向分狠力的揭影響唱，作父用在舞圍巖禽表面擊的均蕩布應擠力萌和拱序腳產(chǎn)堪生的榜均勻辰沉陷沒為：的水平認投影即率為點a的水平惕位移所，均蜂勻沉陷書時拱腳泥截面不司發(fā)生轉宋動，則抵有：（3）屆外荷熟載作替用時在外荷歲載作用鮮下，基心本結構址中拱腳茫點處產(chǎn)波生彎矩格和星軸向力報，稠如圖所贈示，拱塑腳截面蘆的轉角幻玉和攀水平位銜移搶為：(4)拱腳吹位移拱腳的發(fā)最終轉蓬角紡和縣水平位闖移糾可陽分別考條慮和外餅荷載谷的影冷響，丸按疊翻加原塵理求稿得，捧可表穿示為伶：4拱圈截臺面內(nèi)力將以蜂上兩仁組方擔程代矮入正占則方淚程可嬸得：令則任意娃截面處脫的內(nèi)力蕩為6.闊4曲墻厚式襯展砌計森算6.感4曲墻式抹襯砌計慘算●常姥用于Ⅳ～Ⅵ級圍想巖；●拱帝圈和曲紛邊墻作萄為一個折整體按閃無鉸拱廚計算錄；●葵施工嗎時仰鏈拱是鍋在無專鉸拱責業(yè)已池受力員之后睡修建底的，幕不考叢慮仰澇拱對踢襯砌迎內(nèi)力鏟的影熊響愛；1計算犁假設⑴在朝主動荷促載作用菌下，頂術部襯砌鮮向隧道應內(nèi)變形臂而形成拳脫離區(qū)淡，兩側侮襯砌向紛圍巖方伐向變形吃，引起桿圍巖對析襯砌的六被動彈戒性抗力⑵上抹零點b（即衫脫離冤區(qū)與扇抗力串區(qū)的致分界吹點）塔與襯宵砌垂追直對圓稱中步線的爸夾角市假定差為⑶忍下零馬點a在墻未腳⑷最大?？沽]點h假定發(fā)厘生在最肥大跨度種處附近誓，計算寇時一般持取淹為簡炮化計算畜可假定恥在分段銅的接縫爬上。⑸抗騙力圖形束的分布消假定為夾二次拋滾物線bh段：ha段：⑹忽略仙襯砌支與圍深巖之連間的食摩擦楊力⑺墻船腳支承彈在彈性荒巖體上爺，可發(fā)族生轉動旋和垂直企位移(無水撐平位拋移)2、主動殼荷載作勇用下的方力法方吼程和襯扭砌內(nèi)力式中搖為兵墻底錦位移夠。分控別計慕算戰(zhàn)和外熟荷載帆的影范響，遣然后手按照虎疊加滔原理俯相加燈得到2、主動底荷載作咱用下的像力法方煌程和襯挪砌內(nèi)力由于貍墻底襲無水期平位收移，績故式中謊：踐是乘基本脅結構督的單筒位位殃移和及主動弓荷載承位移鎮(zhèn)；舍是楊墻底穴單位犁轉角違；矩為基檢本結瞇構墻菜底的夾荷載蛋轉角斯；f為襯砌滔的矢高踏。求得擔后，在知主動荷論載作用濟下，襯灣砌內(nèi)力寧即可計簡算：在具體借進行計焦算時，拳還需進簽一步確雷定被動雀抗力償?shù)拇笮『疲@需蠢要利用謎最大抗限力點h處的縫變形橋協(xié)調(diào)抽條件芒。3、最燭大抗嘩力值充的計背算●先氣求出寧和●變順位由伶兩部套分組第成，航即結諒構在羞荷載稈作用伙下的坑變位圣和因警墻底訊變位嫩（轉鑄角）體而產(chǎn)眠生的方變位似之和●素h點所對嬸應的深，則沾該點的震徑向位胳移約等讀于水平澆位移●懂拱頂團截面米的垂粒直位留移對h點徑向鋪位移的紙影響可哈以忽略添不計按照結嘩構力學裂方法，櫻在h點加索一單讀位力偽，可溫以求輔得籍和4、在室單位屠抗力迎作用街下的燭內(nèi)力將抗力辛圖租視為媽外荷載尸單獨作雁用時，襖未知力哀及寄可以良參照步及我的求內(nèi)法得出4、在散單位晉抗力名作用序下的肯內(nèi)力解出丘及槍后邊，即框可求簽出襯竟砌在瞞單位聰抗力漫圖為碼荷載鹽單獨膊作用標下任慈一截糟面內(nèi)嚇力：5、襯砌壤最終內(nèi)盟力計算型及校核機計算結幣果的正謎確性襯砌任室一截面東最終內(nèi)諷力值可蜓利用疊幫加原理信求得：校核腹計算寒結果燥正確計性時蹦，可代以利假用拱圾頂截餃面轉聞角和駛水平種位移唯為零開條件坑和最擴大抗烈力點a的位戶移條逼件：式中杯是茫墻底羅截面悔最終彎轉角，6.5直墻燒式襯趣砌計倚算6.茫5直墻式籌襯砌計稱算1、計算病原理⑴拖拱圈潑按彈性無睬鉸拱計算替，邊拿墻按彈性地記基上的類直梁計算超，并顯考慮洪邊墻藝與拱陳圈之線間的很相互算影響糧；⑵熄邊墻撲支承冰拱圈始并承高受圍旨巖壓閑力；⑶倉拱腳漢區(qū)段麻的彈舅性抗帝力為草二次粒拋物龍線分癥布位于45o～55o之間⑷屋Wi稠nk毯le蔥r假定成位立，即⑸載拱腳治位移件考慮召邊墻駁頂變紀位的最影響2、邊墻慚的計算——彈性地鬼基上的泄直梁⑴瞧直邊顧墻計謝算分豬類：●舟剛著性邊耳墻●警短邊三墻●宰長邊墻⑵邊墻亂為短走梁的偵計算槳：短梁慶的一秩端受從力及仍變形節(jié)對另切一端藥有影呆響，端計算腥墻頂漿變位懼時，硬要考話慮到易墻腳茅的受擋力和訴變形庸的影幼響?！駢旔堅趩挝蛭粡潅渚爻蕟为毩ё饔寐拢瑐鋲斊碌霓D窗角思和水敏平位尸移真為●墻頂紀在單增位水摸平力=1單獨作罵用下，非墻頂位方移為摟和屑為●在主動誓側壓力腹（梯形陣荷載）奮作用下仇，墻頂牛位移前為：其中為基梢底彈兩性抗禁力系會數(shù)；k是側罩向彈育性抗例力系糕數(shù)；攪是基漿底作巧用有逮單位戶力矩緞時所娛產(chǎn)生蜂的轉遍角；h為邊墻玻的側面拘高度；最后結吼果為：⑶長邊董墻計恰算——彈性地虹基上的婚半無限航長梁，相墻頂受賭力與墻遺底無關販，上述蜓公式可厲得到一鵲定的簡稠化。墻項單妹位位移挖可以簡江化為：⑷邊墻為裝剛性梁●近似冬作為囑彈性羞地基束上的復絕對前剛性案梁，桃近似杯認為棒（即真）●邊墻本捉身不產(chǎn)濾生彈性嚇變形，莖在外力幫作用下臭只產(chǎn)生精剛體位短移，墻落頂處為鴿最大值律為：稱為定剛仰性墻暗的綜返合轉月動慣床量，腦因而毫墻側掌面的顆轉角驅(qū)為：6.吃6襯砌截蹤蝶面強度地驗算1、襯砌盆結構檢銷算目前我伸國公路胖隧道設麻計規(guī)范往規(guī)定，竿隧道襯快砌和明晃洞應按芳破損階器段檢算榮構件截幣面強度。結同構抗裂有要拿求時跡，對裝混凝豆土構銀件進價行抗卸裂驗鴿算。2、偏還心受慣壓構燈件的顫極限鏈承載吼能力今，計怎算截猜面的信抗壓乘（或確抗拉材）強剛度安戚全系餡數(shù)K。檢輩查是測否滿伶足規(guī)古范所器要求倦的數(shù)兇值，幟即：式中朱：杏是截余面的沉極限倒承載砍能力助；沃為騾截面?zhèn)鞯膶嵈痣H內(nèi)咳力(軸向大力)芒;是規(guī)姓范所急規(guī)定血的強戚度安繞全系寺數(shù)，凡見下乞表混凝些土和偶砌體陷結構屈的強瞇度安洗全系獎數(shù)圬工種類混凝土砌體荷載組合永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載混凝土或砌體達到抗壓極限強度2.42.02.72.3混凝土達到抗拉極限強度3.63.0鋼筋混委凝土結在構的強外度安全覆系數(shù)荷載組合永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載鋼筋達到設計強度或混凝土達到抗壓或抗剪極限強度2.01.7混凝土達到抗拉極限強度2.42.03、抗神裂要戰(zhàn)求：⑴勒當夾時，液按抗擔拉強達度控糞制承倍載能炭力，照并用輛下式芒計算齡：⑵對隧道雙襯砌和破明洞的目混凝土診偏心受壯壓構件環(huán)的軸向臨力偏心驚距限