隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì).ppt

1、第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì) 原理與方法,第一節(jié) 概 述,隧道的結(jié)構(gòu)體系是由圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同組成的。其中圍巖是主要的承載元素，支護(hù)結(jié)構(gòu)是輔助性的，但通常也是必不可少的，在某些情況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要起承載作用。這就是按現(xiàn)代巖石力學(xué)原則設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本出發(fā)點(diǎn)。,隧道開挖前巖體處于初始應(yīng)力狀態(tài)，謂之一次應(yīng)力狀態(tài)；開挖隧道后引起了圍巖應(yīng)力的重分布，同時(shí)圍巖將產(chǎn)生向隧道內(nèi)的位移，形成了新的應(yīng)力場(chǎng)，稱之為圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)，這種狀態(tài)受到開挖方式(爆破、非爆破)和方法(全斷面開挖、分部開挖等)的強(qiáng)烈影響。如果隧道圍巖不能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，就必須設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)，從隧道內(nèi)部對(duì)圍巖施加約束，控制圍巖變形，改善圍巖的應(yīng)力狀

2、態(tài)，促使其穩(wěn)定，這就是三次應(yīng)力狀態(tài)。顯然這種狀態(tài)與支護(hù)結(jié)構(gòu)類型、方法以及施設(shè)時(shí)間等有關(guān)。三次應(yīng)力狀態(tài)滿足穩(wěn)定要求后就會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的洞室結(jié)構(gòu)，這樣，這個(gè)力學(xué)過(guò)程才告結(jié)束。,要進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就必須充分認(rèn)識(shí)和了解以下五方面的問(wèn)題： 圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，或稱一次應(yīng)力狀態(tài) , 這部分內(nèi)容已在第四章中作了介紹； 開挖隧道后圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài) 和位移場(chǎng) ； 判斷圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)和位移場(chǎng)是否符合穩(wěn)定性條件即圍巖穩(wěn)定性準(zhǔn)則。一般可表示為： (5-1) 式中的 、 是根據(jù)圍巖的物理力學(xué)特性所確定的某些特定指標(biāo)。,、,設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，亦稱圍巖的三次應(yīng)力狀態(tài) 和位移場(chǎng) ，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力 和位移

3、 。 判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)安全度的準(zhǔn)則，一般可寫成： (5-2) 式中的 、 是支護(hù)結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)參數(shù)。,第二節(jié) 圍巖的二次應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng),一、隧道開挖后的彈性二次應(yīng)力狀態(tài)及位移狀態(tài) 計(jì)算圍巖的二次應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，首先推算隧道開挖前圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài) ，以及與之相適應(yīng)的位移場(chǎng) 。隧道開挖后，因其周邊上的徑向應(yīng)力 和剪應(yīng)力 都為零，故可向具有初始應(yīng)力的圍巖，在隧道周邊上反方向施加與初始應(yīng)力相等的釋放應(yīng)力。用彈性力學(xué)方法計(jì)算帶有孔洞的無(wú)限平面在釋放應(yīng)力作用下的應(yīng)力 和位移 。而真實(shí)的圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)為：,模擬隧道開挖所經(jīng)歷的力學(xué)過(guò)程可以用圖5-1表示。,圖5-1 隧道開挖所經(jīng)歷的力學(xué)過(guò)程模擬,對(duì)

4、于自重應(yīng)力場(chǎng)中的深埋隧道，常常將它的圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)簡(jiǎn)化為常量場(chǎng)，也就是假定圍巖的初始應(yīng)力到處都是一樣。并取其等于隧道中心點(diǎn)的自重應(yīng)力，即 式中 為隧道中心點(diǎn)的埋深，以m計(jì)， 是圍巖的側(cè)壓力系數(shù)，無(wú)量綱。,根據(jù)彈性力學(xué)原理，這個(gè)問(wèn)題的求解還可以簡(jiǎn)化為不考慮體積力的形式，而用在有孔無(wú)限平面(無(wú)重的)無(wú)窮遠(yuǎn)邊界上作用有垂直均布荷載和水平荷載的形式來(lái)代替，如圖5-2所示。,圖5-2 力學(xué)模型,由此而引起的計(jì)算誤差在洞周上是不大的，并隨著隧道埋深的增加而減少。當(dāng)埋深超過(guò)10倍洞徑時(shí)，其誤差可以忽略不計(jì)。,二、隧道開挖后形成塑性區(qū)的二次應(yīng)力狀態(tài)及位移狀態(tài) 塑性應(yīng)力區(qū)域是由于多數(shù)圍巖具有塑性這一性質(zhì)而造成的

5、。塑性就是指圍巖在應(yīng)力超過(guò)一定值后產(chǎn)生塑性變形的性質(zhì)。此時(shí)，應(yīng)力即使不增加，變形仍繼續(xù)。當(dāng)圍巖內(nèi)應(yīng)力超過(guò)圍巖的抗壓強(qiáng)度后，圍巖發(fā)生塑性變形并迫使塑性變形的圍巖向隧道內(nèi)滑移。塑性區(qū)的圍巖因變得松弛，其物理力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生變化。,三、無(wú)支護(hù)坑道的穩(wěn)定性及其破壞 坑道穩(wěn)定性是指隧道圍巖在開挖過(guò)程中，在不設(shè)任何支護(hù)情況下所具有的穩(wěn)定程度。,無(wú)支護(hù)坑道圍巖的失穩(wěn)破壞有三種形式： 由于破碎巖體的自重作用，超過(guò)了它們脫離巖體的阻力而多在頂部、較少在側(cè)壁處造成局部崩塌； 由圍巖應(yīng)力重分布所造成的應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)的巖體強(qiáng)度破壞而形成的崩塌。一般發(fā)生在脆性巖體中，且在多數(shù)情況下，巖體破壞從坑道側(cè)壁開始，同時(shí)巖體的破壞

6、和位移也可能發(fā)生在頂部和底部； 在塑性巖體中，穩(wěn)定的喪失是由于塑性變形的結(jié)果，巖體產(chǎn)生了過(guò)度的位移，但無(wú)明顯的破壞跡象。,第三節(jié) 隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用,一、收斂和約束的概念 開挖隧道時(shí)，由于臨空面的形成，圍巖開始向洞內(nèi)產(chǎn)生位移，這種位移我們稱之為收斂。若巖體強(qiáng)度高，整體性好、斷面形狀有利，巖體的變形到一定程度，就將自行停止，圍巖是穩(wěn)定的。反之，巖體的變形將自由地發(fā)展下去，最終導(dǎo)致隧道圍巖整體失穩(wěn)而破壞。在這種情況下，應(yīng)在開挖后適時(shí)地沿隧道周邊設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)巖體的移動(dòng)產(chǎn)生阻力，形成約束。相應(yīng)地支護(hù)結(jié)構(gòu)也將承受圍巖所給予的反力，并產(chǎn)生變形。如果支護(hù)結(jié)構(gòu)有一定的強(qiáng)度和剛度，這種隧道圍巖和支

7、護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用會(huì)一直延續(xù)到支護(hù)所提供的阻力與圍巖應(yīng)力之間達(dá)到平衡為止，從而形成一個(gè)力學(xué)上穩(wěn)定的隧道結(jié)構(gòu)體系。這時(shí)的隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)稱為三次應(yīng)力狀態(tài)。,二、坑道支護(hù)后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)及位移狀態(tài) 隧道開挖后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)兩種情況： 一種是開挖后的二次應(yīng)力狀態(tài)仍然是彈性的，隧道圍巖除因爆破、地質(zhì)狀態(tài)、施工方法等原因可能引起稍許松弛掉塊外，是穩(wěn)定的，在這種情況下，坑道是穩(wěn)定的，原則上無(wú)需支護(hù)，即使支護(hù)也是防護(hù)性的，支護(hù)方法一般可采用噴漿或者噴射混凝土； 另一種是開挖后隧道圍巖產(chǎn)生一定范圍的塑性區(qū)，此時(shí)應(yīng)采用承載型的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以維護(hù)坑道的穩(wěn)定。 坑道支護(hù)后，相當(dāng)于在坑道周邊施加了一個(gè)阻止隧道圍巖變形

8、的支護(hù)阻力(抗力)，從而也改變了圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)。支護(hù)阻力的大小和方向?qū)鷰r的應(yīng)力狀態(tài)有著很大的影響 。,三、圍巖特性曲線(支護(hù)需求曲線),支護(hù)阻力 與隧道洞壁位移 的關(guān)系曲線如圖5-12所示。,圖5-12 圍巖特性曲線,這條曲線形象的表達(dá)了支護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道圍巖之間的相互作用：在極限位移范圍內(nèi)，圍巖允許的位移大了，所需的支護(hù)阻力就小，而應(yīng)力重分布所引起的后果大部分由圍巖所承擔(dān)；圍巖允許的位移小了，所需的支護(hù)阻力就大，圍巖的承載能力就得不到充分的發(fā)揮。,四、支護(hù)特性曲線(支護(hù)補(bǔ)給曲線) 以圓形隧道為研究對(duì)象，并假定圍巖給支護(hù)結(jié)構(gòu)的反力也是徑向勻布的。因此，這還是一個(gè)軸對(duì)稱問(wèn)題。相對(duì)于圍巖的力學(xué)特

9、性而言，混凝土或鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性可以認(rèn)為是線彈性的，也就是說(shuō)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的徑向均布?jí)毫?是和它的徑向位移 成線性關(guān)系，即 式中的 定義為支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度 。,圖5-13 支護(hù)特性曲線,對(duì)于幾種支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，其支護(hù)特性曲線如圖5-13所示。,五、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜力平衡狀態(tài)的建立(三次應(yīng)力場(chǎng)),如果支護(hù)結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度和剛度，則圍巖的支護(hù)需求曲線和支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)補(bǔ)給曲線會(huì)相交一點(diǎn)，而達(dá)到平衡，這個(gè)交點(diǎn)都應(yīng)在 或 之前。隨著時(shí)間的推移，地下水位逐漸恢復(fù)，圍巖物性指標(biāo)惡化，錨桿銹蝕等等，這個(gè)平衡狀態(tài)還將調(diào)整。,圖5-14說(shuō)明： 1. 不同剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖達(dá)成平衡時(shí)的 和 是不同的。 2.

10、同樣剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，由于架設(shè)的時(shí)間不同，最后達(dá)成平衡的狀態(tài)也是不同的。,圖5-14 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,第四節(jié) 支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則,支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本作用在于：與圍巖一起組成一個(gè)有足夠安全度的隧道結(jié)構(gòu)體系，能承受可能出現(xiàn)的各種荷載；保持隧道斷面的使用凈空；防止圍巖質(zhì)量的進(jìn)一步惡化；提供空氣流通的光滑表面。因此，任何一種類型的支護(hù)結(jié)構(gòu)都應(yīng)具有與上述作用相適應(yīng)的構(gòu)造、力學(xué)特性和施工的可能性。,一、支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本要求 1. 必須能與圍巖大面積地牢固接觸，即保證支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作為一個(gè)整體進(jìn)行工作。,根據(jù)不同的開挖和支護(hù)方法，兩者的接觸狀態(tài)可作如下分類：,重視早期支護(hù)的作用，并使早期支護(hù)與永久支護(hù)相互

11、配合，協(xié)調(diào)一致地工作。 要允許隧道圍巖能產(chǎn)生有限制的變形，以充分發(fā)揮圍巖的承載能力而減少對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的不利作用，使兩者更加協(xié)調(diào)的工作。 4. 必須保證支護(hù)結(jié)構(gòu)及時(shí)施作。 5. 作為支護(hù)結(jié)構(gòu)要能根據(jù)隧道圍巖的動(dòng)態(tài)(位移、應(yīng)力等)，及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整和修改，以適應(yīng)不斷變化的圍巖狀態(tài)。,二、支護(hù)結(jié)構(gòu)類型的選擇和設(shè)計(jì) 根據(jù)其使用目的，支護(hù)結(jié)構(gòu)可分為： 防護(hù)型支護(hù) 構(gòu)造型支護(hù) 承載型支護(hù),在設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意： 支護(hù)結(jié)構(gòu)最好設(shè)計(jì)成封閉式的，一般都應(yīng)有仰拱。 對(duì)于抗拉性能較差的混凝土類支護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量避免受彎矩作用。,第五節(jié) 圍巖壓力,圍巖壓力是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形或破壞的作用力。,一、圍

12、巖壓力分類 圍巖壓力按作用力發(fā)生的形態(tài)，一般可分為如下幾種類型： 1. 松動(dòng)壓力 由于開挖而松動(dòng)或坍塌的巖體以重力的形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上壓力稱為松動(dòng)壓力。 2. 形變壓力 形變壓力是由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)結(jié)構(gòu)(如錨噴支護(hù)等)的抑制，而使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形的過(guò)程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。,3. 膨脹壓力 當(dāng)巖體具有吸水膨脹崩解的特征時(shí)，由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力稱為膨脹壓力。 4. 沖擊壓力 沖擊壓力是在圍巖中積累了大量的彈性變形能之后，由于隧道的開挖，圍巖約束被解除，能量突然釋放所產(chǎn)生的壓力。,二、圍巖松動(dòng)壓力的形成和確定的方法,作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松動(dòng)壓力總

13、是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上覆蓋地層自重所造成的壓力。這可以用圍巖的“成拱作用”來(lái)解釋。,拿一個(gè)在水平成層的圍巖中開挖隧道的例子，來(lái)說(shuō)明隧道開挖后圍巖又變形到坍塌成拱的整個(gè)變化過(guò)程(圖5-16)。 (a) 變形階段； (b) 松動(dòng)階段； (c) 塌落階段； (d) 成拱階段。,圖5-16 圍巖松動(dòng)壓力的形成,將隧道所形成的相對(duì)穩(wěn)定的拱稱為“天然拱”或“塌落拱”。它如同一個(gè)承載環(huán)一樣承受著上覆地層的全部重量，并且將荷載向兩側(cè)傳遞下去。這就是圍巖的“成拱作用”。而天然拱范圍內(nèi)破壞了的巖體的重量，就是作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松動(dòng)壓力的來(lái)源。,實(shí)踐證明，天然拱范圍的大小除了受上述的圍巖地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)時(shí)間、剛度

14、以及它與圍巖的接觸狀態(tài)等因素影響外。還取決于以下諸因素： 隧道的形狀和尺寸。 隧道的埋深。 施工因素,(一)深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法 當(dāng)隧道的埋置深度超過(guò)一定限值后，圍巖的松動(dòng)壓力僅是隧道周邊某一破壞范圍（天然拱）內(nèi)巖體的重量，而與埋深無(wú)直接關(guān)系。,1、統(tǒng)計(jì)法我國(guó)隧規(guī)所推薦的方法 現(xiàn)在我國(guó)隧規(guī)中隧推薦的計(jì)算圍巖豎向勻布松動(dòng)壓力的公式，就是根據(jù)357個(gè)鐵路隧道的塌方資料統(tǒng)計(jì)分析而擬定的：,式中的 為圍巖容重； s 為圍巖級(jí)別； 為寬度影響系數(shù)，由 w=1+i（B-5）計(jì)算，B 為坑道寬度，i 為B每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率，當(dāng) B5m時(shí)，取 i =0.2，當(dāng) B5m時(shí)，取i =0.1。,

15、公式的適用條件為： H/B1.7，H為坑道的高度； 深埋隧道； 不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖； 采用礦山法施工。,圍巖水平勻布的松動(dòng)壓力，按表5-3中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，其適用條件同上。,表5-3 圍巖水平均布?jí)毫?作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載是很不均勻的，這是因?yàn)樵诩?jí)及級(jí)圍巖中，局部塌方是主要的，而在其它類別的圍巖中，巖體破壞范圍的形狀和大小，受巖體結(jié)構(gòu)、施工方法等因素的控制，也是極不規(guī)則的。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，圍巖豎向松動(dòng)壓力的分布圖形大致可以概括為以下六種，如圖5-17所示。,圖5-17 圍巖豎向松動(dòng)壓力的分布圖形,2、普氏理論 普洛托李雅克諾夫認(rèn)為：所有的巖體都不同程度地被節(jié)理、裂隙所切割，因此

16、可以視為散粒體?；谶@些認(rèn)識(shí)，普氏提出了巖體的堅(jiān)固性系數(shù)(又叫似摩擦系數(shù))的概念。,式中 、 為巖體的似摩擦角和內(nèi)摩擦角； 、 為巖體的抗剪強(qiáng)度和剪切破壞時(shí)的正應(yīng)力； 為巖體的粘結(jié)力。,巖體的堅(jiān)固性系數(shù)值，是一個(gè)說(shuō)明巖體各種性質(zhì)(如強(qiáng)度、抗鉆性、抗爆性、構(gòu)造、地下水等)的籠統(tǒng)的指標(biāo) 。在確定巖體的值時(shí)，除了考慮其強(qiáng)度指標(biāo)外，還需根據(jù)巖體的構(gòu)造特征等因素，并結(jié)合以往的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以修正。,為了確定圍巖的松動(dòng)壓力，普氏還提出了基于天然拱概念的計(jì)算理論，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力就是天然拱以內(nèi)的松動(dòng)巖體的重量。而天然拱的尺寸，即它的高度和跨度則與反映巖體特征的值和所開挖的隧道寬度有關(guān)，其具體表達(dá)式

17、為,式中 為天然拱高度；b為天然拱半跨度。,在堅(jiān)硬巖體中，坑道側(cè)壁較穩(wěn)定，天然拱的跨度就是隧道的寬度，即 ( 為隧道的凈寬度的一半)，如圖5-18a所示，在松散和破碎巖體中，坑道的側(cè)壁也受擾動(dòng)而滑移，天然拱的跨度也相應(yīng)加大為(圖5-18b)：,式中 為隧道凈跨度的一半； 為隧道凈高度；其余符號(hào)含義同前。,一般來(lái)說(shuō)，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。,圖5-18 隧道圍巖塌落拱,3、泰沙基理論 泰沙基(K.Terzaghi)也將巖體視為散粒體。他認(rèn)為坑道開挖后，其上方的巖體將因坑道變形而下沉，并產(chǎn)生如圖5-19所示的錯(cuò)動(dòng)面OAB。,圖5-19 泰沙基理論,一般情況下，深埋隧道與淺埋隧道界限的

18、確定應(yīng)以隧道頂部覆蓋層能否形成“天然拱”為原則，但要準(zhǔn)確定出其界限值是困難的，因?yàn)樗c許多因素有關(guān)，因此一般只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷。通常，當(dāng)?shù)孛媾c隧道頂部之間的巖層厚度超過(guò)塌方平均高度的22.5倍以上時(shí)，一般可作為深埋隧道處理。對(duì)于特殊情況應(yīng)作具體分析。,(二)淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法,隧道工程實(shí)踐表明，當(dāng)隧道埋深不大時(shí)，開挖的影響將波及到地表，無(wú)法形成“天然拱”。因此，上述估其深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的公式對(duì)淺埋隧道是不適用的， 如圖5-20，從松散介質(zhì)極限平衡的角度，對(duì)施工過(guò)程中巖體運(yùn)動(dòng)的情況進(jìn)行分析：若不及時(shí)支護(hù)，或施工時(shí)支護(hù)下沉，會(huì)引起洞頂上覆蓋巖體EFHG的下沉與移動(dòng)，而且它的移動(dòng)受到兩

19、側(cè)其它巖體的挾持，反過(guò)來(lái)又帶動(dòng)了兩側(cè)三棱體ACE和BDF的下滑，形成兩個(gè)破裂面(為了簡(jiǎn)化，假定它們都是與水平面成角的斜直面，如圖5-20a中的AC和BD)。研究洞項(xiàng)上覆蓋巖體EFHG的平衡條件，即可求出作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松動(dòng)壓力。,圖5-20 淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定,第六節(jié) 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型,一、計(jì)算模型的建立原則,一個(gè)理想的隧道工程的數(shù)學(xué)力學(xué)模型應(yīng)能反映下列的因素： 必須能描述有裂隙和破壞帶的，以及開挖面形狀變化所形成的三維幾何形狀。 對(duì)圍巖的地質(zhì)狀況和初始應(yīng)力場(chǎng)不僅要能說(shuō)明當(dāng)時(shí)的，而且還要包括將來(lái)可能出現(xiàn)的狀態(tài)。 應(yīng)包括對(duì)圍巖應(yīng)力重分布有影響的巖石和支護(hù)材料非線性特性，而且還

20、要能準(zhǔn)確地測(cè)定出反映這些特性的參數(shù)。,如果要知道所設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)和開挖方法能否獲得成功，即想評(píng)估其安全度，則必須將圍巖、錨桿和混凝土等材料的局部破壞和整體失穩(wěn)的判斷條件納入模型中。當(dāng)然，條件必須滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。 要經(jīng)得起實(shí)際的檢驗(yàn)，這種檢驗(yàn)不能只是偶然巧合，而是需要保證系統(tǒng)的一致性。,二、常用的計(jì)算模型 從各國(guó)的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐看，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：第一類模型是以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖作為荷載主要來(lái)源，同時(shí)考慮其對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形起約束作用；第二類模型則相反，是以圍巖為承載主體，支護(hù)結(jié)構(gòu)則約束和限制圍巖向隧道內(nèi)變形。,第一類模型又稱為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)

21、模型。它將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖分開來(lái)考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為荷載的來(lái)源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支承，故又可稱為荷載結(jié)構(gòu)模型(圖5-23a)。 這一類計(jì)算模型主要適用于圍巖因過(guò)分變形而發(fā)生松弛和崩塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)主動(dòng)承擔(dān)圍巖“松動(dòng)”壓力的情況。 屬于這一類模型的計(jì)算方法有：彈性連續(xù)框架(含拱形)法，假定抗力法和彈性地基梁(含曲梁和圓環(huán))法等。,圖5-23 隧道計(jì)算模型,第二類模型又稱為現(xiàn)代的巖體力學(xué)模型。它是將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱為圍巖結(jié)構(gòu)模型或復(fù)合整體模型(圖5-23b)。 在圍巖結(jié)構(gòu)模型中可以考慮各種幾何形狀、圍巖和支護(hù)材料的非線性特性、開挖面空間效應(yīng)所形成的三

22、維狀態(tài)以及地質(zhì)中不連續(xù)面等等。 利用這個(gè)模型進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，是如何確定圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)以及表示材料非線性特性的各種參數(shù)及其變化情況。一旦這些問(wèn)題解決了，原則上任何場(chǎng)合都可用有限單元法求出圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移狀態(tài)。,第七節(jié) 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)計(jì)算方法,一、結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 (一)荷載結(jié)構(gòu)模型的建立,主動(dòng)荷載模型(圖5-24a) 不考慮圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)在主動(dòng)荷載作用下可以自由變形，其計(jì)算原理和地面結(jié)構(gòu)一樣。 主動(dòng)荷載加圍巖彈性約束模型（圖5-24b）。 認(rèn)為圍巖不僅對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加主動(dòng)荷載，而且由于圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，圍巖還對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加被動(dòng)的彈性抗力。

23、,圖5-24 荷載結(jié)構(gòu)模型,(二) 作用(荷載)組成 采用荷載結(jié)構(gòu)模型分析支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)，其中最重要的是圍巖的松動(dòng)壓力，支護(hù)結(jié)構(gòu)自重可按預(yù)先擬定的結(jié)構(gòu)尺寸和材料容重計(jì)算確定。,(三) 隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn) 隧道襯砌在圍巖壓力作用下要產(chǎn)生變形(如圖5-25所示)。 在隧道拱頂，其變形背向圍巖，不受圍巖的約束而自由地變形，這個(gè)區(qū)域稱為“脫離區(qū)”；而在隧道的兩側(cè)及底部，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生朝向圍巖的變形，受到圍巖的約束作用，因而圍巖對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了約束反力(彈性抗力)，這個(gè)區(qū)域稱為“抗力區(qū)”。,圖5-25 隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn),(四) 支護(hù)結(jié)構(gòu)的幾種計(jì)算方法,1、主動(dòng)荷載模式 (1) 彈性固定的無(wú)鉸

24、拱 適用于這類計(jì)算模式的常有半襯砌。半襯砌拱圈的拱矢和跨度比值一般是不大的，當(dāng)豎向荷載作用時(shí)，大部分情況下，拱圈都是向坑道內(nèi)變形，不產(chǎn)生彈性抗力。其結(jié)構(gòu)模型可以簡(jiǎn)化成圖5-26所示的彈性固定無(wú)鉸拱，拱腳產(chǎn)生變位，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力有影響。,圖5-26 彈性固定無(wú)鉸拱計(jì)算圖式,(2) 圓形襯砌 修建在軟土地層中的圓形襯砌，也常常按主動(dòng)荷載模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。承受的荷載主要有土壓力、水壓力、結(jié)構(gòu)自重和與之相平衡的地基反力。結(jié)構(gòu)計(jì)算圖式示于圖5-27。,圖5-27 圓形襯砌計(jì)算圖式,2、主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模式 假定抗力圖形 該法的計(jì)算特點(diǎn)是假定抗力的分布范圍的分布規(guī)律，如上、下零點(diǎn)和最大值的位置。該法計(jì)算拱形

25、襯砌(馬蹄形襯砌)的內(nèi)力的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5-28所示。圖中假定拱部正中為脫離區(qū)，以下為抗力區(qū)。,圖5-28 假定抗力圖形法計(jì)算簡(jiǎn)圖,(2)局部變形地基梁法 局部變形地基梁法由納烏莫夫首創(chuàng)，一般用于計(jì)算直墻拱形初砌的內(nèi)力，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5-29所示。 該法計(jì)算拱形直墻襯砌內(nèi)力的特點(diǎn)，是將拱圈和邊墻分為兩個(gè)單元分別進(jìn)行計(jì)算，而在各自的計(jì)算中考慮相互影響。,圖5-29 局部變形地基梁法計(jì)算簡(jiǎn)圖,(3)彈性支承法 利用彈性支承法計(jì)算隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的基本思想是：采用符合“局部變形原理”的彈簧來(lái)模擬隧道圍巖，而將襯砌與圍巖所組成的隧道結(jié)構(gòu)體系離散化成有限個(gè)襯砌單元和彈簧單元所組成的組合體。采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求

26、解該體系即可求得襯砌內(nèi)力。,(五) 隧道襯砌截面強(qiáng)度檢算 1、按破損階段法或容許應(yīng)力法 算出襯砌內(nèi)力后，還須進(jìn)行隧道襯砌截面強(qiáng)度檢算。根據(jù)隧規(guī)規(guī)定，隧道襯砌和明洞按按破損階段檢算構(gòu)件截面強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)所受的不同荷載組合，在計(jì)算中應(yīng)選用不同的安全系數(shù)，安全系數(shù)可根據(jù)表5-7及表5-8選用 。,表5-7 混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù),2、按概率極限狀態(tài)法 根據(jù)極限狀態(tài)法計(jì)算出地下結(jié)構(gòu)上作用的荷載組合，計(jì)算出的結(jié)構(gòu)內(nèi)力要以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度。采用以分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。該方法規(guī)定整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀

27、態(tài)，極限狀態(tài)可以分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。 承載能力極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的較大變形的極限狀態(tài)； 正常使用極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到使用功能上允許的某一限值的極限狀態(tài)。,二、巖體力學(xué)方法 在隧道結(jié)構(gòu)體系中，一方面圍巖本身由于支護(hù)結(jié)構(gòu)提供了一定的支護(hù)抗力，而引起它的應(yīng)力調(diào)整，從而達(dá)到新的穩(wěn)定；另一方面由于支護(hù)結(jié)構(gòu)阻止圍巖變形，也必然要受到圍巖給予的反作用力而發(fā)生變形。這種反作用力和圍巖的松動(dòng)壓力極不相同，它是支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖共同變形過(guò)程中對(duì)支護(hù)施加的壓力，故可稱為“形變壓力”。 目前對(duì)于這種模型求解方法有解析法、數(shù)值法、特征曲線法三種。,1、解析法

28、 該方法根據(jù)所給定的邊界條件，對(duì)問(wèn)題的平衡方程、幾何方程和物理方程直接求解。,2、數(shù)值方法 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)值方法，尤其是需要考慮圍巖的各種非線性特性時(shí)。該方法主要是指有限單元法，它是把圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)都劃分為單元，然后根據(jù)能量原理建立起整個(gè)系統(tǒng)的虛功方程，也稱剛度方程，從而求出系統(tǒng)上各節(jié)點(diǎn)的位移以及單元的應(yīng)力。 (1)計(jì)算范圍的選取 無(wú)論是深埋或淺埋隧道都屬于半無(wú)限空間問(wèn)題，簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題時(shí)，則為半無(wú)限平面問(wèn)題。實(shí)踐證明，隧道開挖僅僅對(duì)一定的有限范圍內(nèi)才有明顯的影響，在距開挖部位稍遠(yuǎn)一些的地方，其應(yīng)力變化是微不足道的。平面有限元分析時(shí)的計(jì)算范圍可取為610倍的隧道寬度。此外，根據(jù)對(duì)稱性的特點(diǎn)，分析區(qū)域可以取一半(一個(gè)對(duì)稱軸)或1/4(兩個(gè)對(duì)稱軸)。,(2)單元類型的選擇 圍巖和混凝土為勻質(zhì)、各向同性的粘彈塑性材料，一般采用四邊形等參單元和退化的三角形單元模擬；對(duì)噴射混凝土層和錨桿可采用桿單元模擬，并用特殊粘結(jié)單元模擬錨桿與圍巖之間相互聯(lián)結(jié)，錨桿與圍巖之間的聯(lián)系狀態(tài)是剛塑性的；對(duì)防水層可采用有厚度的夾層單元模擬。 (3)分部開挖的力學(xué)模擬 隧道開挖在力學(xué)上可以認(rèn)為是一個(gè)應(yīng)力釋放和回彈變形問(wèn)題。當(dāng)隧道開挖后，圍