隧道初期及后期支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法課件

隧道初期及后期支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法課件一.隧道支護(hù)的結(jié)構(gòu)類型1.初期支護(hù)（外層襯砌）

2.后期支護(hù)（內(nèi)層襯砌）初期支護(hù)的作用主要是承受“早期圍巖壓力”，幫助圍巖達(dá)成施工期間的“基本穩(wěn)定”，保證隧道在施工期間的安全，以便挖除坑道內(nèi)巖體。

回憶補(bǔ)充：后期支護(hù)的作用主要是作為安全貯備。（1）錨噴支護(hù)（常規(guī)支護(hù)）適用于圍巖穩(wěn)定性較好，開挖坑道后掌子面能基本穩(wěn)定的條件下。（2）超前支護(hù)（特殊支護(hù)）超前支護(hù)是指在圍巖穩(wěn)定性較差的條件下，開挖前對未暴露圍巖部分實(shí)施的預(yù)加固和支護(hù)的工程措施。超前支護(hù)超前錨桿超前管棚

短管棚

長管棚超前支護(hù)工藝復(fù)雜，且造價(jià)很大，只適用于少數(shù)特殊的圍巖條件，故超前支護(hù)又稱為“特殊穩(wěn)定措施”。超前支護(hù)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)需要根據(jù)圍巖的松散破碎程度及隧道斷面大小等條件進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。（3）改良地層（特殊支護(hù)）改良地層是指在圍巖穩(wěn)定性極差的條件下，開挖前對未暴露圍巖部分實(shí)施適宜的工程措施，將松散巖土膠結(jié)為整體，達(dá)到改良地層工程力學(xué)性能、增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定能力的目的工程措施。改良地層

注漿加固

深層攪拌樁

臨時(shí)凍結(jié)法

超前小導(dǎo)管注漿超前深孔圍幕注漿2.后期支護(hù)（內(nèi)層襯砌）工程中常將用于保證圍巖處于長期穩(wěn)定狀態(tài)的剛度較大的人工支護(hù)結(jié)構(gòu)稱為“后期支護(hù)”，或稱為“內(nèi)層襯砌”。內(nèi)層襯砌的作用主要是承受“后期圍巖壓力”，并提供“安全儲備”，以及滿足構(gòu)造、美觀、降阻等方面的要求，保證隧道在服務(wù)期的長期穩(wěn)定和安全。內(nèi)層襯砌多采用就地模筑混凝土或鋼筋混凝土，也可以采用噴射混凝土或噴射鋼纖維混凝土，還可以采用拼裝襯砌。其結(jié)構(gòu)形狀和尺寸可根據(jù)限界要求、成拱作用和結(jié)構(gòu)受力要求予以調(diào)整。除自穩(wěn)能力特別好的圍巖條件以外，普通鐵路隧道和公路隧道中均應(yīng)設(shè)置就地模筑混凝土或鋼筋混凝土內(nèi)層襯砌，但高速鐵路隧道只允許采用就地模筑混凝土或鋼筋混凝土內(nèi)層襯砌。1．初期支護(hù)結(jié)構(gòu)類型的選擇原則“圍巖不穩(wěn)，支護(hù)幫助，遇強(qiáng)則弱，遇弱則強(qiáng)，按需提供，先柔后剛，量測監(jiān)控，動態(tài)調(diào)整”

一般而言，開挖坑道后，若圍巖完全能夠自穩(wěn)，則無須人工支護(hù)。若圍巖不能滿足工程穩(wěn)定和安全的要求，則必須加以人工支護(hù)結(jié)構(gòu)，才能使其進(jìn)入基本穩(wěn)定狀態(tài)。圍巖自穩(wěn)能力強(qiáng)的支護(hù)就要弱，圍巖自穩(wěn)能力差的，支護(hù)就要強(qiáng)；且應(yīng)優(yōu)先采用柔性支護(hù)，以充分利用圍巖的固有的自穩(wěn)能力。若能達(dá)成圍巖穩(wěn)定，就不必增加支護(hù)強(qiáng)度和剛度；若不能達(dá)成圍巖穩(wěn)定，就必須及時(shí)增加支護(hù)強(qiáng)度和剛度，直至采用混凝土或鋼筋混凝土等剛性襯砌；支護(hù)的強(qiáng)度和剛度大小應(yīng)與圍巖的穩(wěn)定能力相適應(yīng)，應(yīng)與圍巖的變形動態(tài)相適應(yīng)。二.初期支護(hù)結(jié)構(gòu)類型的選擇原則及組合形式閉塞山村上演“愚公鉆山”壯舉

馬蹄溝村四面環(huán)山，風(fēng)景秀美，離十堰市城區(qū)只有9公里，但由于大山的阻隔，村民們到十堰市城區(qū)趕集，要翻越三座大山，需3個(gè)多小時(shí)。

村民們世代用雙腳，在大山里踩出的一條羊腸小路，成了這個(gè)小山村與外界唯一的通道。幾年前，就有村民摔死在山崖下。這幾年，在山路上摔斷腰椎、胳膊和腿的村民就有六七人。村里自行籌資，支部書記找了兩個(gè)爆破手，拉起了一個(gè)20余人的土班子施工隊(duì)，沒有防護(hù)通風(fēng)設(shè)施，全憑村民雙手開挖，歷經(jīng)5年多次停工，最終打通隧道。馬蹄溝村與十堰市城區(qū)的路程由原來的3個(gè)多小時(shí)縮短為半小時(shí)。

5.1隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型一、隧道工程的受力特點(diǎn)1.主要特點(diǎn)：隧道結(jié)構(gòu)的圍巖既是作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載來源，又與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成承載體系。隧道襯砌應(yīng)具有足夠的強(qiáng)，以保證在使用年限內(nèi)結(jié)構(gòu)物有可靠的安全性。隧道襯砌埋置于地下，它的受力變形與圍巖密切相關(guān)，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作為一個(gè)統(tǒng)一的受力體系相互約束，共同作用。這種作用正是地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別。2.

隧道周邊圍巖的地質(zhì)環(huán)境對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算起著決定性作用。3.作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載受到施工方法和施工時(shí)間的影響。4.隧道工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全與否，既要考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)能否承載，又要考慮到圍巖是否失穩(wěn)。目前，在設(shè)計(jì)隧道的結(jié)構(gòu)體系時(shí)，主要采用兩類計(jì)算模型：●一類是以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖作為荷載同時(shí)考慮其對支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形約束作用的模型，即結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。該模型仿效地面結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，即將荷載作用在結(jié)構(gòu)上，用一般結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算。適用于圍巖因過分變形而發(fā)生松弛和坍塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)主動承擔(dān)圍巖“松動壓力”的情況●另一類模型即巖體力學(xué)模型。它是將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，作為共同承受荷載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱為復(fù)合整體模型。這種模型中視圍巖為承載單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)則約束圍巖變形。二、計(jì)算模型結(jié)構(gòu)力學(xué)法在隧道工程的初期被廣泛使用，因?yàn)樗c當(dāng)時(shí)的施工技術(shù)水平相符。在當(dāng)時(shí)的施工條件下，隧道開挖后采用木支撐等進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，結(jié)構(gòu)與圍巖之間不能有效的緊密接觸，因?yàn)橐矡o法制止圍巖變形松弛以及由此產(chǎn)生的“松動壓力”，支護(hù)結(jié)構(gòu)只能像拱結(jié)構(gòu)一樣進(jìn)行工作。又被稱為荷載-結(jié)構(gòu)模型。5.2結(jié)構(gòu)力學(xué)方法一、基本原理將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖分開來考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖作為荷載主要來源，同時(shí)考慮其對支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形起約束作用，通過彈性支撐實(shí)現(xiàn)。5.2結(jié)構(gòu)力學(xué)方法適用：圍巖因過分變形而發(fā)生松弛和崩塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)主動承擔(dān)圍巖“松動壓力”的情況。尤其是對模筑襯砌。關(guān)鍵問題：如何確定作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載，其中最主要的是圍巖所產(chǎn)生的松動壓力，以及彈性支承對支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性抗力。圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的處理方法：①主動荷載模式：不考慮圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)

在主動荷載下可自由變形。適用于軟弱圍巖沒有能力約束襯砌情況。②主動荷載加被動荷載（圍巖彈性約束、彈性抗力）的模式圍巖不僅對支護(hù)結(jié)構(gòu)施加主動荷載，而且施加約束反力。適用于各類圍巖。③實(shí)際荷載模式：用測量儀器實(shí)地量測作用在襯砌上的荷載值。二、隧道襯砌受力變形特點(diǎn)圖5-2隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn)三、隧道襯砌承受的荷載（一）主動荷載（二）被動荷載（即圍巖的彈性抗力）1、主要荷載2、附加荷載它是指長期及經(jīng)常作用的荷載，如圍巖松動壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)的自重、地下水壓力及列車、汽車活載等。它是指偶然的、非經(jīng)常作用的荷載，如溫差應(yīng)力、施工荷載、灌漿壓力、凍脹力及地震力等。（一）主動荷載一般僅考慮主要荷載，只有在特殊情況時(shí)，如7級以上地震區(qū)，或嚴(yán)寒地區(qū)凍脹性土壤的洞口段襯砌，才按主要荷載加附加荷載來檢算。（二）沿被動荷庫載（即適圍巖的吳彈性抗辦力）所謂彈性抗戒力就是浪指由茅于支跡護(hù)結(jié)廳構(gòu)發(fā)釋生向腫圍巖紫方向幟的變么形而曉引起窩的圍泰巖對斧支護(hù)耗結(jié)構(gòu)閃的約獄束反屆力?！ёo(hù)讓結(jié)構(gòu)稱表面逐某點(diǎn)i的位昆移（蜻即對落應(yīng)的能圍巖診表面懸某點(diǎn)憲的壓著縮變——在該蹈點(diǎn)處鄭圍巖右的彈濱性抗極力K——圍巖乒的彈侄性抗首力系聽數(shù)溫克爾尤假定四、器隧道踢襯砌養(yǎng)結(jié)構(gòu)藝的計(jì)晝算方炕法4檢算襯宅砌截面幅的承載尾力（一）奮主動荷形載模式（二爪）主掘動荷等載加斃被動昨荷載屬模式隧道牢支護(hù)葉結(jié)構(gòu)稿計(jì)算假的主勻要內(nèi)南容：1按工嚴(yán)程類爆比方爬法初慘步擬鉛定襯魂砌斷鄙面的孟幾何備尺寸2確定稍作用虧在襯捎砌結(jié)削構(gòu)上測的荷貪載3按結(jié)樂構(gòu)力預(yù)學(xué)方據(jù)法進(jìn)歲行力碧學(xué)計(jì)猴算，顫求出調(diào)截面悔的內(nèi)斷力（義彎矩狂和軸跡力）（一回）主朝動荷隱載模膀式1、彈性鹿固定的描無鉸拱2、圓形舞襯砌適用于高這類計(jì)刮算模式鋤的常有半襯號砌。用奧先拱薦后墻稠施工眼時(shí)，春先作爸好的租拱圈燦在挖壁馬口階前的懲工作褲情況燃也是錘這種集半襯奪砌。狐這種淹拱圈較的拱碰腳支島承在鴨彈性穴圍巖前上，擦故稱赤彈性沃固定嫌無鉸碧拱。獲半襯敵砌拱便圈的筐拱矢刻和跨割度比喬值一據(jù)般是膜不大豪的，降當(dāng)豎平向荷籠載作書用時(shí)錯(cuò)，大嚴(yán)部分牌情況伏下，屠拱圈伴都是儲向坑葵道內(nèi)樸變形額，不育產(chǎn)生偵彈性坑抗力態(tài)。修建在軟土愉地層降中的赤圓形蛾襯砌，也鴿常常鋒按主壇動荷漂載?；竭M(jìn)龜行結(jié)潤構(gòu)計(jì)除算。維承受納的荷巴載主認(rèn)要有盡土壓匯力、朵水壓叉力、補(bǔ)結(jié)構(gòu)漸自重秀和與丙之相墳平衡黎的地衣基反曉力。半襯砌犧的計(jì)算（二）尤主動荷凱載加被弱動荷載程模式襯砌銅結(jié)構(gòu)漢在主偶動荷擦載作紛用下齊產(chǎn)生庸的彈轟性抗冤力的堅(jiān)大小召和分屑布形去態(tài)取循決于扇襯砌腿結(jié)構(gòu)眨的變徹形，屬而襯殖砌結(jié)啦構(gòu)的您變形方又和鮮彈性飯抗力嗓有關(guān)頑，所企以襯傳砌結(jié)內(nèi)構(gòu)的醫(yī)計(jì)算跡是一潤個(gè)非摟線性真問題脅，必壇須采狀用迭敏代解汗法或精某些殘線性墻化的爺假定羅。例工如，傲假設(shè)盯彈性欺抗力失的分穗布形寫狀為動已知姑，或煉采用蹦彈性鳳地基廈梁的患理論細(xì)，或乘用彈匪性支許承代餓替彈下性抗頓力等衛(wèi)等。證于是堅(jiān)，支畝護(hù)結(jié)排構(gòu)內(nèi)孫力分誤析的家問題摸，就時(shí)成了短通常鍵的超捕靜定刪結(jié)構(gòu)刊求解坡。1、假呆定抗堤力區(qū)隊(duì)范圍皇及抗臥力分喇布規(guī)快律法（簡稱椒“假定衡抗力圖白形法”若）2、彈幻玉性地款基梁擦法3、彈模性支夫承法該法的緊計(jì)算特蔽點(diǎn)是假攔定抗力態(tài)的分布踩范圍的謎分布規(guī)執(zhí)律，如墨上、下愛零點(diǎn)和追最大值滴的位置倡。該法斷計(jì)算拱智形襯砌(馬蹄形居襯砌)的內(nèi)傻力的壟計(jì)算慚簡圖值如圖議所示苦。圖愚中假李定拱嚴(yán)部正祝中為我脫離環(huán)區(qū)，旱以下竭為抗堂力區(qū)航。圖5-3假定抗謹(jǐn)力圖形轟法計(jì)算猜簡圖1、假定用抗力區(qū)丘范圍及掃抗力分靜布規(guī)律賺法局部籍變形命地基筋梁法洋由納烏啦莫夫首創(chuàng)，絲式一般用得于計(jì)算益直墻拱拿形初砌悔的內(nèi)力館，計(jì)算顫簡圖如升圖所示焦。該法計(jì)難算拱形晴直墻襯真砌內(nèi)力申的特點(diǎn)辭，是將弓拱圈和嬌邊墻分在為兩個(gè)言單元分癢別進(jìn)行字計(jì)算，跳而在各扶自的計(jì)竟算中考技慮相互補(bǔ)影響。圖5-視4局部變邪形地基策梁法計(jì)裙算簡圖2、彈性槐地基梁昆法利用爆彈性務(wù)支承畫法計(jì)怕算隧愧道襯篩砌結(jié)霞構(gòu)內(nèi)姨力的柏基本抱思想堤是：綁采用無符合“局部變科形原理”的彈顯簧來表模擬財(cái)隧道低圍巖屑，而余將襯壇砌與乘圍巖規(guī)所組對成的準(zhǔn)隧道襪結(jié)構(gòu)籌體系叢離散倆化成匹有限緊個(gè)襯忘砌單例元和血彈簧逆單元榮所組仔成的硬組合亡體。懼采用礦結(jié)構(gòu)修力學(xué)衡方法惕求解炕該體含系即瓣可求疏得襯建砌內(nèi)清力。3、彈厭性支糖承法五、懼襯砌練結(jié)構(gòu)本強(qiáng)度攝檢算算出否襯砌著內(nèi)力渠后，條還須束進(jìn)行尖隧道榴襯砌捆截面南強(qiáng)度莫檢算赴。襯猛砌的分任一酷截面咬均應(yīng)捐滿足躺安全津檢算帥要求飛。根悲據(jù)《隧規(guī)》規(guī)定踩一般泰地區(qū)折單線淡隧道滿整體嚴(yán)式襯河砌、剪單串線隧念道偏企壓襯梅砌、衰單證線拱抄形明絞洞，箱采用概率勵(lì)極限臨狀態(tài)出法計(jì)算；歇鐵路隧供道其他授結(jié)構(gòu)以產(chǎn)及公路勺隧道襯氏砌結(jié)構(gòu)集采用破損誘階段墓法或容厚許應(yīng)思力法久計(jì)算干。（一棵）按濾極限梯狀態(tài)睬法設(shè)愉計(jì)的得隧道陳結(jié)構(gòu)久截面屯檢算按極限醉狀態(tài)法作設(shè)計(jì)檢戚算規(guī)定介：（1）承載雞力及穩(wěn)圍定：結(jié)構(gòu)直構(gòu)件粗均應(yīng)洋進(jìn)行忽承載謙能力篩（包舊括壓割屈失悠穩(wěn)）喝的計(jì)擱算，恭必要映時(shí)尚姑應(yīng)進(jìn)護(hù)行結(jié)拳構(gòu)整睬體穩(wěn)秒定性污計(jì)算患。（2）變形倒：對使志用上束需要瓶控制幕變形理值的迫結(jié)構(gòu)伯構(gòu)件爹，應(yīng)語進(jìn)行忍變形肢驗(yàn)算。（3）抗速裂及訊裂縫報(bào)寬度穿：對使用莖上要求建不出現(xiàn)拳裂縫的喪混凝土衛(wèi)構(gòu)件，稠應(yīng)進(jìn)行鏈混凝土賺抗裂驗(yàn)撥算；對兩鋼筋混量凝土構(gòu)嬌件，應(yīng)根驗(yàn)算其旦裂縫寬煤度。1、承街載能附力極鑼限狀笑態(tài)驗(yàn)閱算2、正鹽常使?jié)捎脴O年限狀保態(tài)驗(yàn)?zāi)悖?-可35）（5-3固6）（二）袍按破損崖階段法趁及允許黎應(yīng)力法鑄設(shè)計(jì)檢惹算K——安全花系數(shù)饞；N—籠—軸向力；Ra——混凝土當(dāng)或砌體鉗的抗壓醒極限強(qiáng)豪度；抗拉強(qiáng)鋼度檢算段：式中：Rl——混凝土燦的抗拉扯極限強(qiáng)茅度；抗壓農(nóng)強(qiáng)度淚檢算錘：（5-3件3）（5-雞34）現(xiàn)代線隧道白施工軋技術(shù)嫩的發(fā)趙展，失特別朽是錨胸噴支臉護(hù)技槐術(shù)和割新奧棵法在栗隧道廳施工貞中的蠢應(yīng)用餓，使四得隧魂道開升挖后冶，能怒及時(shí)膊地給顯圍巖亮必要牙的約框束，現(xiàn)抑制織其變集形，避免圍縣巖因變損形過度解而產(chǎn)生斗松動壓漠力。此時(shí)朝隧道開五挖所引敞起的應(yīng)吃力重分意布將由桐圍巖和儀支護(hù)體愁系共同倘承擔(dān)，外從而達(dá)申到新的基應(yīng)力平焦衡，這壩