隧道工程結(jié)構(gòu)力學計算方法

中南大學土木工程學院

隧道工程系主講教師：施成華隧道力學

隧道工程結(jié)構(gòu)力學計算方法本講主要內(nèi)容：1、拱形半襯砌隧道的結(jié)構(gòu)計算2、拱形曲墻隧道的假定抗力法3、圓形隧道襯砌的自由變形法4、圓形隧道襯砌的假定抗力法5、矩形框架結(jié)構(gòu)的計算土木工程學院隧道工程系施成華結(jié)構(gòu)力學方法的計算過程

（1）確定圍巖壓力及其它荷載

（2）計算隧道襯砌結(jié)構(gòu)在圍巖壓力及其它荷載作用下的內(nèi)力分布

（3）根據(jù)內(nèi)力分布進行隧道襯砌結(jié)構(gòu)的斷面檢算第3講結(jié)構(gòu)力學方法土木工程學院隧道工程系施成華

拱形半襯砌結(jié)構(gòu)一般設置在較完整堅硬的圍巖中，由于拱腳和圍巖之間存在較大的摩擦力，因此可以認為拱腳不產(chǎn)生徑向位移，而只能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動和沿拱軸線方向的位移。

半襯砌結(jié)構(gòu)設置在堅硬的圍巖中，故而水平壓力很小，可以忽略不計。

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)的受力特點，拱圈絕大部分位于脫離區(qū)，可以不考慮彈性抗力。

半襯砌結(jié)構(gòu)的縱向長度遠大于跨度，可以簡化為平面應變問題。第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形半襯砌隧道一、拱形半襯砌隧道的結(jié)構(gòu)計算1、計算模型土木工程學院隧道工程系施成華

由此，半襯砌結(jié)構(gòu)可以簡化為一彈性固定的平面無鉸拱。第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形半襯砌隧道1、計算模型土木工程學院隧道工程系施成華第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形半襯砌隧道2、襯砌內(nèi)力計算(1)對稱問題土木工程學院隧道工程系施成華第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形半襯砌隧道2、襯砌內(nèi)力計算(1)對稱問題土木工程學院隧道工程系施成華第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形半襯砌隧道2、襯砌內(nèi)力計算(1)對稱問題土木工程學院隧道工程系施成華第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形半襯砌隧道2、襯砌內(nèi)力計算(2)非對稱問題土木工程學院隧道工程系施成華第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形半襯砌隧道2、襯砌內(nèi)力計算(3)拱圈上任一截面內(nèi)力的計算土木工程學院隧道工程系施成華第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形半襯砌隧道3、拱腳及拱圈柔度系數(shù)的計算(1)單位彎矩作用時土木工程學院隧道工程系施成華第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形半襯砌隧道3、拱腳及拱圈柔度系數(shù)的計算(2)單位水平力作用時土木工程學院隧道工程系施成華第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形半襯砌隧道3、拱腳及拱圈柔度系數(shù)的計算(3)單位豎向力作用時土木工程學院隧道工程系施成華第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形半襯砌隧道3、拱腳及拱圈柔度系數(shù)的計算(4)外荷載作用下的柔度系數(shù)1)外荷載在拱腳處產(chǎn)生彎矩和軸向力時，相應的拱腳彈性固定系數(shù)為：土木工程學院隧道工程系施成華第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形半襯砌隧道3、拱腳及拱圈柔度系數(shù)的計算(4)外荷載作用下的柔度系數(shù)2)拱圈的柔度系數(shù)和外荷載作用下所產(chǎn)生的位移為：土木工程學院隧道工程系施成華第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形半襯砌隧道4、襯砌強度校核

當截面軸力為壓力時：

當截面軸力為拉力時：土木工程學院隧道工程系施成華拱形曲墻隧道的假定抗力法是在經(jīng)過多次計算和經(jīng)驗積累，基本上掌握了某種斷面形式的襯砌在某種荷載作用下的變形規(guī)律的基礎上，以后再計算同類荷載作用下的同類襯砌結(jié)構(gòu)時，就可按此假定襯砌結(jié)構(gòu)周邊抗力分布的范圍及抗力區(qū)各點抗力變化的圖形，這樣只要知道某一特定點的彈性抗力，就可求出其它各點的彈性抗力值。在求出作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載（主動荷載及彈性抗力）后，其內(nèi)力分析也就變成了通常的超靜定結(jié)構(gòu)問題。第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形曲墻隧道二、拱形曲墻隧道的結(jié)構(gòu)計算土木工程學院隧道工程系施成華（1）將拱圈和曲邊墻作為一個整體無鉸拱進行計算，兩側(cè)拱腳支撐在彈性地基上，計算中考慮墻腳位移的影響。

（2）由于仰拱一般是在無鉸拱業(yè)已受力之后修建的，計算時一般不考慮仰拱對襯砌內(nèi)力的影響。

（3）拱兩側(cè)的彈性抗力按二次拋物線分布，只要知道特定點截面的彈性抗力值，其它各截面的彈性抗力值可通過與該點彈性抗力值有關的函數(shù)關系式求出。第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形曲墻隧道二、拱形曲墻隧道的結(jié)構(gòu)計算1、計算模型土木工程學院隧道工程系施成華第3講結(jié)構(gòu)力學方法—拱形曲墻隧道1、計算模型土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華2、襯三砌內(nèi)三力計三算第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—拱形三曲墻三隧道土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華2、襯三砌內(nèi)三力計三算第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—拱形三曲墻三隧道土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華2、襯三砌內(nèi)三力計三算第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—拱形三曲墻三隧道土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華2、襯三砌內(nèi)三力計三算第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—拱形三曲墻三隧道土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—圓形三隧道三襯砌三的自三由變?nèi)畏?、計三算模三型在淤三泥、三流砂三、飽三和砂三土、三塑性三粘土三等松三軟含三水地三層中三，隧三道襯三砌沿三地層三方向三變形三時，三地層三產(chǎn)生三的抗三力很三小，三此時三隧道三襯砌三可按三自由三變形三圓環(huán)三進行三計算三。作用三在襯三砌上三的主三要荷三載包三括土三壓力三和水三壓力三。圓形三隧道三襯砌三結(jié)構(gòu)三多用三于飽三和含三水軟三土地三層的三盾構(gòu)三法施三工隧三道中三。三、三圓形三隧道三襯砌三的自三由變?nèi)畏ㄍ聊救こ倘龑W院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—圓形三隧道三襯砌三的自三由變?nèi)畏?、計三算模三型土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—圓形三隧道三襯砌三的自三由變?nèi)畏?、計三算模三型豎向三壓力三：襯三砌上三方土三重+拱背三上的三土重水平三壓力三：根三據(jù)主三動土三壓力三公式三計算靜水三壓力三：一三般按三低水三位進三行計三算隧底三地層三反力三：一三般按三直線三分布三假定土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—圓形三隧道三襯砌三的自三由變?nèi)畏?、襯三砌內(nèi)三力計三算基本三計算三結(jié)構(gòu)三圖示三如圖三：土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—圓形三隧道三襯砌三的假三定抗三力法1、三三角形三抗力三假定作用三在襯三砌上三的荷三載仍三按自三由變?nèi)畏ㄈM行三計算三。作用三在圓三形隧三道襯三砌兩三側(cè)的三彈性三抗力三分布三假定三為三三角形三，水三平直三徑出三處的三抗力三最大三。當圓三形隧三道不三是設三置在三軟泥三或者三飽和三的軟三土中三，隧三道發(fā)三生變?nèi)螘r三，周三圍的三地層三必然三會產(chǎn)三生約三束隧三道變?nèi)蔚娜沽θ?，此三時計三算中三要考三慮抗三力。四、三圓形三隧道三襯砌三的假三定抗三力法土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—圓形三隧道三襯砌三的假三定抗三力法1、三三角形三抗力三假定任一三截面三的水三平抗三力為三：計算三中必三須先三建立三補充三方程三求出三，土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—圓形三隧道三襯砌三的假三定抗三力法1、三三角形三抗力三假定計算三中必三須先三建立三補充三方程三求出三，即三可按三圓形三隧道三自由三變形三法求三的襯三砌內(nèi)三力，三其解三析式三為（三按圓三環(huán)自三由變?nèi)吻笕觯┤和聊救こ倘龑W院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—圓形三隧道三襯砌三的假三定抗三力法2、鐮三刀形三抗力三假定該方三法認三為除三隧道三頂部三的90度范三圍內(nèi)三不產(chǎn)三生彈三性抗三力外三，其三余部三分的三變形三均會三產(chǎn)生三彈性三抗力三。并三假定三其分三布函三數(shù)為三：土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—圓形三隧道三襯砌三的假三定抗三力法2、鐮三刀形三抗力三假定同樣三取半三結(jié)構(gòu)三，其三計算三圖示三如圖三。為三求得三彈性三抗力三，三需要三建立三兩個三補充三方程三：土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—矩形三框架三結(jié)構(gòu)三計算當框三架跨三度較三小時三，地三基反三力按直線三分布假定三。矩形三框架三結(jié)構(gòu)三多用三于淺三埋、三明挖三施工三的地三下結(jié)三構(gòu)，三這種三結(jié)構(gòu)三在荷三載作三用下三的變?nèi)尾蝗黠@三，計三算中三一般三不考三慮地三層的三側(cè)向三抗力三。五、三矩形三框架三結(jié)構(gòu)三計算當框三架跨三度較三大時三，可三將結(jié)三構(gòu)簡三化為彈性三半無三限地三基上三的閉三合結(jié)三構(gòu)。土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—矩形三框架三結(jié)構(gòu)三計算1、荷三載計三算底板三上的三荷載三：頂板三上的三荷載三：土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—矩形三框架三結(jié)構(gòu)三計算1、荷三載計三算側(cè)墻三上的三荷載三：土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—矩形三框架三結(jié)構(gòu)三計算2、內(nèi)三力計三算為了三簡化三計算三，考三慮結(jié)三構(gòu)是三等截三面的三。并考三慮中三隔墻三只承三受軸三力。土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—矩形三框架三結(jié)構(gòu)三計算2、內(nèi)三力計三算當框三架的三跨度三較大三時，三可將三框架三結(jié)構(gòu)三簡化三為彈三性地三基上三的閉三合剛?cè)堋Ｍ聊救こ倘龑W院三隧道三工程三系施成三華第3講三結(jié)構(gòu)三力學三方法—矩形三框架三結(jié)構(gòu)三計算2、內(nèi)三力計三算也可三以將三上部三剛架三和底三板分三開進三行計三算，三再根三據(jù)切三口處三反力三或變?nèi)蜗嗳?，三求出三切口三處的三未知三力和三未知三位移三，?/p>