隧道工程 第4章　隧道支護(hù)設(shè)計(jì)

第4章隧道支護(hù)設(shè)計(jì)4.1隧道圍巖壓力

4.2隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)

4.3隧道支護(hù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法

4.4隧道支護(hù)設(shè)計(jì)的巖體力學(xué)方法

4.5隧道洞門計(jì)算4.1隧道圍巖壓力4.1.1圍巖壓力的概念

4.1.2松動(dòng)圍巖壓力的形成及影響因素

4.1.3隧道圍巖壓力確定4.1.1圍巖壓力的概念1)松動(dòng)壓力。

2)形變壓力。

3)沖擊壓力。

4)膨脹壓力。4.1.2松動(dòng)圍巖壓力的形成及影響因素1)隧道開挖后，在圍巖應(yīng)力重分布過(guò)程中，頂板開始沉陷，并出現(xiàn)拉斷裂紋，可視為變形階段，如圖4-1a所示。

2)頂板中間部位的裂紋繼續(xù)發(fā)展并且張開，由于結(jié)構(gòu)面切割等原因，巖石開始掉落，支護(hù)所受的垂直壓力增大，如所示。

3)頂板以上巖體繼續(xù)塌落，巖塊與圍巖母體脫離，形成近似于拱形的塌落面。

4)頂板冒落到一定程度后達(dá)到相對(duì)平衡時(shí)，垂直壓力和側(cè)向壓力趨于穩(wěn)定，此時(shí)塌落面近似為拱形，如圖4-1d所示。4.1.2松動(dòng)圍巖壓力的形成及影響因素圖4-1圍巖壓力形成過(guò)程

a)應(yīng)力重分布b)垂直壓力增大

c)巖塊掉落d)平衡拱形成4.1.3隧道圍巖壓力確定1)直接量測(cè)法。

2)經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法。

3)理論估算法。

1.深埋隧道圍巖壓力的確定

2.淺埋隧道圍巖壓力的計(jì)算

3.偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算1.深埋隧道圍巖壓力的確定(1)統(tǒng)計(jì)法目前我國(guó)公路隧道和鐵路隧道所推薦的計(jì)算圍巖豎向均布松動(dòng)壓力的公式是以工程類比為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)分析了我國(guó)357座鐵路隧道的塌方資料統(tǒng)計(jì)而擬定的。

(2)普氏理論計(jì)算法普氏認(rèn)為，所有的巖體都不同程度被節(jié)理、裂隙所切割，可視為散粒體。

(3)太沙基理論計(jì)算方法太沙基也將巖體視為散粒體，坑道開挖后，其上方的巖體因隧道的變形而下沉，產(chǎn)生圖4-4所示的錯(cuò)動(dòng)面OAB。圖4-2圍巖豎向壓力分布特征

a)均勻分布b)半寬均勻分布c)有對(duì)稱集中的均勻分布d)對(duì)稱三角形分布e)梯形分布f)對(duì)稱梯形分布1.深埋隧道圍巖壓力的確定圖4-3普氏理論自然拱形成圖4-4太沙基理論圍巖壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖1.深埋隧道圍巖壓力的確定2.淺埋隧道圍巖壓力的計(jì)算1)當(dāng)埋深H小于或等于等效荷載高度hq時(shí)，荷載視為均布豎向壓力

2)埋深大于hq、小于等于Hp時(shí)，為便于計(jì)算，作如下假定：假定巖體中形成的破裂面是一條與水平成β角的斜直線，如圖4-5所示；EFHG巖(土)體下沉，帶動(dòng)兩側(cè)三棱土體(如圖中FDB及ECA)下沉，整個(gè)土體ABDC下沉?xí)r，又要受到未擾動(dòng)巖(土)體的阻力；斜直線AC或BD是假定的破裂面，分析時(shí)考慮內(nèi)聚力c，并采用了計(jì)算摩擦角φ；另一滑面FH或EG則并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂滑面的阻力，若該滑面的摩擦角為θ，則θ值應(yīng)小于φ值。圖4-5淺埋隧道圍巖壓力圖4-6淺埋隧道換算均布荷載2.淺埋隧道圍巖壓力的計(jì)算3.偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算圖4-7偏壓隧道隧道圍巖壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖4.2隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)4.2.1隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的分類及選型原則

4.2.2噴錨支護(hù)的作用原理

4.2.3錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

4.2.4噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)

4.2.5噴錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)

4.2.6噴錨支護(hù)施工原則

4.2.7復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)4.2.1隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的分類及選型原則1)防護(hù)型支護(hù)。

2)構(gòu)造型支護(hù)。

3)承載型支護(hù)。

1)工程巖體的類別與主要物理力學(xué)性質(zhì)，如圍巖的分類與級(jí)別、圍巖的強(qiáng)度特征、變形特性、膨脹性、水理性質(zhì)等。

2)地下工程的埋深與原巖應(yīng)力的大小，以及地壓顯現(xiàn)特征、圍巖變形規(guī)律、風(fēng)化作用對(duì)圍巖的影響。

3)地下水的賦存狀態(tài)(包括含水層的埋深、含水量的大小、靜水壓力等)，以及水對(duì)地下工程穩(wěn)定性和施工的影響等。

4)施工的難易程度、作業(yè)時(shí)間的消耗、工程成本與經(jīng)濟(jì)效應(yīng)等。4.2.2噴錨支護(hù)的作用原理1.錨桿支護(hù)的作用

2.噴射混凝土支護(hù)的作用1.錨桿支護(hù)的作用1)懸吊作用。

2)減跨作用。

3)組合梁作用。

4)擠壓加固作用。圖4-8錨桿的懸吊作用1.錨桿支護(hù)的作用圖4-9錨桿的減跨作用圖4-10錨桿的組合梁作用

a)未打錨桿b)布置頂板錨桿1.錨桿支護(hù)的作用圖4-11擠壓加固作用1.錨桿支護(hù)的作用2.噴射混凝土支護(hù)的作用1)加固圍巖、提高圍巖的強(qiáng)度。

2)改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。

3)載荷轉(zhuǎn)移作用。

4)填平補(bǔ)強(qiáng)圍巖。4.2.3錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)1.錨桿的類型選擇

2.錨桿設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.錨桿的布置1.錨桿的類型選擇(1)機(jī)械式錨桿如圖4-12所示，這種錨桿是通過(guò)其端部錨固在圍巖中，桿的另一端則由墊板同巖面接觸，擰緊螺母使墊板緊壓在巖面上，此時(shí)錨桿即進(jìn)入工作狀態(tài)，對(duì)圍巖產(chǎn)生預(yù)加壓應(yīng)力，以增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性和阻止圍巖的變形。

(2)粘結(jié)式錨桿它又分為端部粘結(jié)式錨固錨桿(如快硬水泥卷端部錨固錨桿、樹脂端部錨固錨桿)和全長(zhǎng)粘結(jié)式錨固錨桿(如水泥砂漿全長(zhǎng)粘結(jié)式錨固錨桿、樹脂全長(zhǎng)粘結(jié)式錨固錨桿)。

(3)自進(jìn)式中空注漿錨桿在各類隧道工程中普遍存在著軟弱圍巖、斷層破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)條件，給錨桿施工帶來(lái)了極大的困難，特別是在塌孔嚴(yán)重和需要特長(zhǎng)錨桿的情況下，普通的錨桿無(wú)能為力。圖4-12機(jī)械式錨桿1.錨桿的類型選擇圖4-13粘結(jié)式錨桿

a)全長(zhǎng)粘結(jié)式砂漿鋼筋錨桿b)端部粘結(jié)式錨桿1.錨桿的類型選擇圖4-14自進(jìn)式中空注漿錨桿1.錨桿的類型選擇2.錨桿設(shè)計(jì)與計(jì)算(1)錨桿承載力計(jì)算

(2)錨桿長(zhǎng)度的確定錨桿長(zhǎng)度根據(jù)錨桿的作用及受力方式、地層條件、圍巖級(jí)別及洞室的跨度大小等因素確定。

(3)錨桿間距的確定2.錨桿設(shè)計(jì)與計(jì)算圖4-15塊狀圍巖中錨桿的承載力計(jì)算3.錨桿的布置圖4-16系統(tǒng)錨桿布置方式

a)矩形b)梅花形4.2.4噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)1.噴射混凝土的原材料及配合比

2.噴層厚度的計(jì)算1.噴射混凝土的原材料及配合比(1)噴射混凝土的原材料

(2)噴射混凝土配合比配合比是指每立方米噴射混凝土中，水泥、砂、石子所占比例。

(3)噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)隧道的地質(zhì)條件、圍巖分類、工程特點(diǎn)、使用要求等情況選擇確定。2.噴層厚度的計(jì)算(1)局部穩(wěn)定原理洞室圍巖被節(jié)理裂隙分割成塊狀體，其坍塌的形成往往是因?yàn)槠渲幸粔K危石的掉落，引起鄰近的塊石相繼裂開、錯(cuò)動(dòng)、脫落，導(dǎo)致全局性的失穩(wěn)、坍塌，發(fā)生惡性連鎖反應(yīng)。

(2)整體穩(wěn)定原理噴混凝土層與圍巖體表面緊密粘結(jié)、咬合、使洞室表面巖體形成較平順的整體，依靠結(jié)合面處的抗拉、抗壓、抗剪能力，與巖體密貼組成“組合結(jié)構(gòu)”或“整體結(jié)構(gòu)物”共同工作。圖4-17危石墜落時(shí)所引起的沖切破壞和撕裂破壞

a)沖切破壞b)撕裂破壞2.噴層厚度的計(jì)算4.2.5噴錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)1.支護(hù)與圍巖共同作用原理的力學(xué)概念

2.噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算1.支護(hù)與圍巖共同作用原理的力學(xué)概念1)隧道開挖后，如支護(hù)非常快，且支護(hù)剛度又很大，沒有或變形很小，在圖中A點(diǎn)取得平衡，支護(hù)需提供很大支護(hù)力pmax，圍巖僅負(fù)擔(dān)產(chǎn)生彈性變形u0的壓力p0-pmax，故剛度大的支護(hù)是不合理的。

2)若隧道開挖后不加支護(hù)，或支護(hù)不及時(shí)，也就是允許圍巖自由變形，如曲線中EB段。

3)較佳的支護(hù)工作點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在E點(diǎn)以左，如圖4-20。1.支護(hù)與圍巖共同作用原理的力學(xué)概念圖4-18莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則1.支護(hù)與圍巖共同作用原理的力學(xué)概念圖4-19圍巖彈塑性狀態(tài)

1—彈塑性應(yīng)力分布2—彈性應(yīng)力分布1.支護(hù)與圍巖共同作用原理的力學(xué)概念圖4-20支護(hù)特征曲線與圍巖特征曲線關(guān)系2.噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算(1)工程類比法工程類比設(shè)計(jì)法發(fā)展最早，也是當(dāng)前噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的方法，該法是在編制圍巖分類表的基礎(chǔ)上，結(jié)合擬建工程的圍巖等級(jí)與工程尺寸等條件，比照已建類似工程的經(jīng)驗(yàn)，直接確定噴錨支護(hù)參數(shù)與施工方法。

2.服務(wù)年限小于10年及洞跨小于4.5m的隧洞和斜井，表中的支護(hù)參數(shù)，可根據(jù)工程具體情況，適當(dāng)減小。

3.復(fù)合襯砌的隧洞和斜井，初期支護(hù)采用表中的參數(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，予以減小。

4.陡傾斜巖層中的隧洞和斜井易失穩(wěn)的一側(cè)邊墻和緩傾斜巖層中的隧洞或斜井頂部，應(yīng)采用表中第(2)中支護(hù)類型和參數(shù)，其他情況下，兩種支護(hù)類型和參數(shù)均可使用。

5.對(duì)于跨度大于15.0m的側(cè)邊墻，應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。圖4-21錨桿、噴層和巖體的聯(lián)合作用2.噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算4.2.6噴錨支護(hù)施工原則1.采取各種措施，確保圍巖不出現(xiàn)有害松動(dòng)

2.使圍巖變形適度發(fā)展，最大限度發(fā)揮圍巖自承能力

3.保證噴錨支護(hù)與圍巖形成共同體

4.選擇合理的支護(hù)類型與參數(shù)并充分發(fā)揮其作用

5.采取正確的施工方法

6.依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工1.采取各種措施，確保圍巖不出現(xiàn)有害松動(dòng)1)采用控制爆破技術(shù)，以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)強(qiáng)度，使斷面成型規(guī)整，以利于圍巖自承力的保持和支護(hù)結(jié)構(gòu)作用的發(fā)揮。

2)減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)。

3)支護(hù)要及時(shí)快速。2.使圍巖變形適度發(fā)展，最大限度發(fā)揮圍巖自承能力1)初期支護(hù)采用分次施作的方法。

2)調(diào)節(jié)支護(hù)封底時(shí)間。4.選擇合理的支護(hù)類型與參數(shù)并充分發(fā)揮其作用1)支護(hù)類型的確定應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)特點(diǎn)、工程斷面大小和使用條件要求等綜合考慮。

2)選擇合理的錨桿類型與參數(shù)，在圍巖中有效形成承載圈。

3)選擇合理的噴層厚度，充分發(fā)揮圍巖和噴層自身的承載力。

4)合理配置鋼筋網(wǎng)。

5)合理選擇鋼支撐。6.依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工1)根據(jù)監(jiān)控的目的選定量測(cè)項(xiàng)目的種類，同時(shí)要與設(shè)計(jì)和施工相匹配。

2)量測(cè)斷面的數(shù)量應(yīng)根據(jù)圍巖的地質(zhì)條件和工程的重要性來(lái)確定。

3)測(cè)試斷面和測(cè)點(diǎn)的位置要由監(jiān)測(cè)、地質(zhì)、設(shè)計(jì)和施工四方面共同選定。

4)要保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性，并注意便于在設(shè)計(jì)和施工中反饋和分析計(jì)算。

5)量測(cè)手段的選擇上應(yīng)注意其有效性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)上的可能性，以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

6)力求把施工期間的監(jiān)控量測(cè)與使用后的長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)合起來(lái)，以減少工作量，保證資料的連續(xù)性。

7)注意為深入研究支護(hù)與圍巖相互作用機(jī)理和完善及發(fā)展設(shè)計(jì)理論積累現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料。4.2.7復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)1.二次襯砌的主要作用

2.二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

3.二次襯砌的計(jì)算

4.二次襯砌施作時(shí)間的確定

5.加強(qiáng)二次襯砌

6.復(fù)合襯砌的類比設(shè)計(jì)

7.復(fù)合式襯砌防水層的設(shè)計(jì)2.二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求1)二次襯砌與初期支護(hù)之間應(yīng)密貼，密貼程度對(duì)復(fù)合式襯砌受力狀態(tài)產(chǎn)生影響。

2)為防止洞內(nèi)漏水，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)二次襯砌的變形予以控制。4.二次襯砌施作時(shí)間的確定1)隧道周邊的位移速率有明顯減緩趨勢(shì)。

2)在拱腳以上1m和邊墻中部的位移速度小于0.1～0.2mm/d，或拱頂下沉速度小于0.07～0.15mm/d。

3)施作二次襯砌前的位移值應(yīng)達(dá)到總位移值的80%～90%。

4)初期支護(hù)的表面裂縫不再繼續(xù)發(fā)展。

5)當(dāng)采取一定措施仍難以符合上述條件時(shí)，可提前施作二次襯砌，且應(yīng)予以加強(qiáng)。5.加強(qiáng)二次襯砌1)改變襯砌的形狀，以適應(yīng)圍巖壓力，減少襯砌彎矩，使襯砌斷面基本受壓。

2)提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，或采用鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土等提高抗彎曲強(qiáng)度的材料。

3)施作仰拱使襯砌形成封閉結(jié)構(gòu)，以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小圍巖變形。

4)采用超強(qiáng)支護(hù)、注漿加固圍巖等措施，以增加巖體強(qiáng)度，提高圍巖整體性。6.復(fù)合襯砌的類比設(shè)計(jì)2.二次襯砌應(yīng)在圍巖和初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的情況下施作。

2.Ⅱ類圍巖在采取輔助施工措施或鋼架充分發(fā)揮作用時(shí)，可酌情減少拱部錨桿。

3.二次襯砌應(yīng)在圍巖和初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的情況下施作。7.復(fù)合式襯砌防水層的設(shè)計(jì)1)塑料板防水層。

2)噴涂防水層。

3)防水混凝土。4.3隧道支護(hù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法4.3.1基本原理

4.3.2隧道圍巖的彈性抗力

4.3.3隧道襯砌荷載和荷載組合

4.3.4隧道襯砌結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)力學(xué)原理計(jì)算的幾種方法

4.3.5隧道襯砌截面強(qiáng)度檢驗(yàn)4.3.1基本原理1)主動(dòng)荷載模式。

2)主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載(彈性抗力)模式。

3)實(shí)際荷載模式。圖4-22隧道結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算模式

a)主動(dòng)荷載模式b)考慮彈性抗力模式c)實(shí)際荷載模式4.3.1基本原理4.3.2隧道圍巖的彈性抗力圖4-23隧道襯砌變形4.3.2隧道圍巖的彈性抗力圖4-24變形引起反力的計(jì)算

a)局部變形假設(shè)b)整體變形假設(shè)4.3.3隧道襯砌荷載和荷載組合1)主要荷載。

2)附加荷載。4.3.4隧道襯砌結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)力學(xué)原理計(jì)算的幾種方法1.假定抗力圖形法

2.彈性地基梁法

3.彈性支承法1.假定抗力圖形法(1)基本原理根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，某些形式襯砌的彈性抗力有一定的分布規(guī)律。

(2)抗力分布假設(shè)隧道采用曲墻式襯砌時(shí)，它是一個(gè)在主動(dòng)荷載(垂直荷載大于側(cè)向荷載)及彈性抗力共同作用下，支撐在彈性地基上的無(wú)鉸高拱。

(3)計(jì)算方法解題關(guān)鍵在于要求出h點(diǎn)的抗力值，即h點(diǎn)的襯砌變形。圖4-25假定抗力圖形法1.假定抗力圖形法2.彈性地基梁法(1)基本原理這種方法是將襯砌結(jié)構(gòu)看成置于彈性地基上的曲梁或直梁。

(2)計(jì)算方法圖4-26所示為直墻式襯砌的計(jì)算簡(jiǎn)圖，將其拱圈和邊墻分開計(jì)算。圖4-26直墻式襯砌的計(jì)算簡(jiǎn)圖2.彈性地基梁法3.彈性支承法圖4-27隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

的一般計(jì)算圖式4.3.5隧道襯砌截面強(qiáng)度檢驗(yàn)1.破損階段法

2.概率極限狀態(tài)法1.破損階段法1)當(dāng)e0≤0.2h時(shí)(e0為軸向力偏心距，e0=M/N)，對(duì)于混凝土和石砌體襯砌，由抗壓強(qiáng)度控制其承載能力，按抗壓強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，其具體計(jì)算公式為

2)當(dāng)e0>0.2h時(shí)，從抗裂要求出發(fā)，由截面抗拉強(qiáng)度控制承載能力，按下式計(jì)算2.概率極限狀態(tài)法(1)承載能力極限狀態(tài)

(2)正常使用極限狀態(tài)4.4隧道支護(hù)設(shè)計(jì)的巖體力學(xué)方法4.4.1解析法

4.4.2數(shù)值法

4.4.3特征曲線法

4.4.4剪切滑移破壞法4.4.1解析法解析法是指用一般數(shù)學(xué)力學(xué)方法通過(guò)計(jì)算取得閉合解的方法，它是根據(jù)實(shí)際問題列出其平衡方程、幾何方程和物理方程，而后根據(jù)所給定的邊界條件，對(duì)問題直接求解。由于圍巖性質(zhì)復(fù)雜多變，洞室開挖引起的應(yīng)力調(diào)整也是十分復(fù)雜的，加上不同的洞室尺寸及開挖方法的影響，目前僅能對(duì)少數(shù)幾個(gè)問題給出具體解答。4.4.2數(shù)值法對(duì)于幾何形狀和圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)都比較復(fù)雜的隧道，一般需要采取數(shù)值法，尤其是考慮圍巖的各種非線性特性時(shí)，數(shù)值法具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。4.4.3特征曲線法圖4-28圍巖變形特征曲線與

支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線4.4.4