1、,s o u t h w e s t j I a o t o n g u n I v e r s I t y,西南交通大学 Southwest Jiaotong University,隧道工程课程第 五 讲隧道支护结构设计（1）,隧道设计计算理论的发展隧道结构设计内容与流程 围岩压力的计算方法 结构力学方法 其他设计方法 常用计算软件简介,第五讲 隧道支护结构设计,第一节 隧道设计计算理论的发展,隧道支护结构设计,地下结构的力学模型必须符合下述条件： 与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态以及与支护结构的接触状态； 荷载假定应与在修建洞室过程(各作业阶段)中荷载发生的情况一致； 算出的应力状
2、态要与经过长时间使用的结构所发生的应力变化和破坏现象一致； 材料性质和数学表达要等价。只要符合上述条件，任何计算方法都会获得合理的结果。,隧道支护结构设计,地下工程支护结构理论的一个重要问题是如何确定作用在地下结构的荷载以及如何考虑围岩的承载能力。从这方面讲，支护结构计算理论的发展大概可分为3个阶段。,隧道支护结构设计,刚性结构阶段,弹性结构阶段,连续介质阶段,假定弹性反力阶段,弹性地基梁阶段,一、刚性结构阶段,将地下结构视为刚性结构的压力线理论。压力线理论认为，地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构，所受的主动荷载是地层压力，当地下结构处于极限平衡状态时，它是由绝对刚体组成的三铰拱静定体系，铰
3、的位置分别假设在墙底和拱顶，其内力可按静力学原理进行计算。,隧道支护结构设计,一、刚性结构阶段,隧道支护结构设计,二、弹性结构阶段,按弹性连续拱形框架用超静定结构力学方法计算结构内力。作用在结构上的荷载是主动的地层压力，并考虑了地层对结构产生的弹性反力的约束作用。这类计算理论认为，当地下结构埋置深度较大时，作用在结构上的压力不是上覆岩层的重力而只是围岩坍落体积内松动岩体的重力松动压力。,隧道支护结构设计,1.假定弹性反力阶段,衬砌在承受岩体所给的主动压力作用产生弹性变形的同时，将受到地层对其变形的约束作用。地层对衬砌变形的约束作用力就称之为弹性反力。,隧道支护结构设计,假定弹性反力,弹性反力的
4、分布图形为直线(三角形或梯形),对拱形结构按变形曲线假定了月牙形的弹性反力图形,2.弹性地基梁阶段,将隧道边墙视为支承在侧面和基底地层上的双向弹性地基梁，计算在主动荷载作用下拱圈和边墙的内力。,隧道支护结构设计,局部变形弹性地基梁理论 共同变形弹性地基梁理论,二、弹性结构阶段,隧道支护结构设计,三、连续介质阶段,用连续介质力学理论计算地下结构内力 这种计算方法以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内变形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。 一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护阻力，从而引起它的应力调整达到新的平衡；另一方面，由于支护结构阻止围岩变形，它必然要
5、受到围岩给予的反作用力而发生变形。,隧道支护结构设计,第二节隧道结构设计内容与流程,隧道支护结构设计,（一）隧道支护的作用和结构设计基本原则,围岩具有“三位一体特性”,围岩既是产生围岩压力的原因（岩体处于应力场中），又是承受压力的结构（应力岩体的自承载作用），而且是构成这个结构的天然材料（非人工材料）。,围岩与支护的基本关系,围岩是工程加固的对象，支护只是加固的手段；围岩是隧道结构体系的基本承载部分，支护是隧道结构体系的辅助承载部分；围岩是不可替代的天然的结构主体，支护是可以选择的人工的结构部分。,现代围岩承载理论关于隧道支护结构设计的基本原则,“围岩不稳，支护帮助，遇强则弱，遇弱则强，按需提
6、供，先柔后刚，协调工作，量测监控，动态调整”,隧道支护结构设计,（1）根据隧道使用年限及重要性，确定安全系数。,（2）在满足直线建筑限界要求、功能要求和构造要求，保证隧道净空大小够用的条件下，依据围岩稳定能力的强弱、岩体结构类型、围岩压力的作用和分布状态，应用工程类比方法，初步拟订支护结构的横断面几何形状和尺寸等各项支护参数。,（3）然后应用理论计算方法检算支护结构内力及围岩内应力，并调整横断面几何形状和尺寸，使支护受力状态及围岩应力分布均趋于合理。,（4）在施工过程中对“围岩支护”结构体系的力学动态进行必要而有效的现场监控量测，以验证各项参数的合理性，发现和控制施工过程中出现的不良状况，并依
7、据实际状况的变化对相应的支护参数乃至于施工方案予以及时调整和修改。,（一）隧道支护的作用和结构设计基本原则,隧道支护结构设计,隧道结构体系,隧道结构体系,承载的主体,隧道结构体系,支护结构,围 岩,隧道支护结构设计,隧道结构体系的受力特点,（1）荷载的模糊性和不确定性,（2）围岩压力承载体系围岩不仅是荷载，同时又是承载体地层压力由围岩和支护结构共同承受充分发挥围岩的自承载力,（3）设计参数受施工方法和施作时机的影响很大,（4）隧道与地上结构的区别围岩抗力的存在,围岩抗力,支护结构,围岩壁面,隧道支护结构设计,隧道开挖后的围岩变化,隧道开挖,围岩应力重分布,围岩产生位移、松弛,围岩薄弱处局部破坏
8、,隧道坍塌,地层,围岩,第一阶段,第二阶段,第三阶段,第四阶段,设置初期支护,约束、控制围岩变形,初始应力场（一次）,二次应力状态,围岩长期稳定 位移不侵入限界,改善围岩的应力状态,三次应力状态,稳定的洞室结构,理论上不设支护,稳定后,围岩不稳定,力学过程,与时间及施工有关,自然塌落拱,围岩压力,松动压力,形变压力,隧道支护结构设计,需要认识的主要问题,3.围岩稳定性准则:判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件,1.围岩的初始应力状态，或称一次应力状态,2.开挖隧道后围岩的二次应力状态和位移场,4.设置支护结构后围岩的应力状态，亦称围岩的三次应力状态和位移场， 以及支护结构的内力和位移
9、,5.判断支护结构安全度的准则,围岩复杂多变,很难得到确定、可靠的结果,信息化设计与施工,必须充分认识！,隧道支护结构设计,隧道信息化设计与施工,信息化设计与施工,过程与要点,地质调查与室内试验,理论分析与工程类比,支护结构,施工决策,施工过程,监测围岩和支护结构的力学状态,量测信息处理,判断围岩与支护结构状态,反馈修改设计,地质调查与室内试验,理论分析与工程类比,施工决策,监测围岩和支护结构的力学状态,隧道支护结构设计,隧道结构体系计算模型,国际隧协ITA4种模型,1.经验设计法-以工程类比为主,2.实用设计方法(收敛约束法)-以现场量测和试验为主,3.荷载结构模型 作用与反作用模型-结构与
10、力学模型,4.连续介质模型 共同作用模型-岩体力学模型,隧道支护结构设计,1.结构力学模型,将支护与围岩分开考虑：结构是承载主体，围岩是荷载来源,围岩对支护结构的作用：(1)围岩压力；(2)围岩弹性抗力；(3)提供弹性支承,适用：,围岩转换为弹簧,特点:,围岩弹性抗力：衬砌挤压围岩而受到围岩的抵抗力。反映了支护与围岩的相互作用，是一种被动荷载,围岩松弛、坍塌，松动压力；模筑混凝土衬砌,隧道支护结构设计,2.岩体力学模型复合整体模型,特点:,将支护与围岩视为一体，共同承载，以围岩为主 支护结构约束围岩的变形 采用岩体力学计算方法 围岩体现为形变压力,适用：锚喷支护,初始地应力,隧道支护结构设计,
11、第三节 围岩压力的计算方法,本节内容 围岩压力概念，分类； 围岩松动压力的确定方法。 本节重点 围岩压力的概念； 我国铁路隧道围岩压力的计算方法。,隧道支护结构设计,一、围岩压力及分类,(一)围岩压力概念,隧道支护结构设计,广义地讲，我们将围岩二次应力状态的全部作用称为围岩压力。对于无支护的毛洞：使围岩承载圈受力变形的,洞室开挖后的二次应力状态就可称为围岩压力；当然，对于有支护结构的洞室，自然把作用在支护结构上的作用或荷载称为围岩压力。围岩压力按其作用方向，可分为垂直压力、水平侧向压力和底部压力 。,(二)围岩压力分类,隧道支护结构设计,目前，根据形成围岩压力的成因不同，将围岩压力分为四类，即
12、形变压力、松动压力、冲击压力和膨胀压力。,应力集中形成塑性区发生向坑道内位移塑性区进一步扩大坑道围岩松弛、崩塌、破坏等几个过程,定义:变形岩体引起的挤压力或支护抑制变形引起的挤压力,形变压力,弹性变形压力 塑性变形压力 流变压力 影响因素：原始应力、岩体力学性质、支护结构刚度和支护时间。,隧道支护结构设计,隧道支护结构设计,软岩巷道严重底鼓变形,隧道支护结构设计,软岩巷道变形、支撑断裂,定义:开挖而松动或塌落的岩体，以重力形式直接作用在支护上的压力。,自然平衡拱：洞室的开挖，若不进行任何支护，周围岩体会经过应力重分布变形开裂松动逐渐塌落的过程，在坑道的上方形成近似拱形的空间后停止塌落。,松动压
13、力,隧道支护结构设计,隧道支护结构设计,隧道支护结构设计,隧道支护结构设计,裂隙岩体顶部掉块,定义:由于围岩膨胀崩解而引起的压力,膨胀压力,定义:又称岩爆，它是在积聚了大量的弹性变形能的围岩，开挖突然释放出来时所产生的压力,冲击压力,隧道支护结构设计,影响围岩压力的因素,下面讲述形变压力和松动压力的计算,隧道支护结构设计,地质因素：它包括初始应力状态、岩石力学性质、岩体结构面等； 工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护设置时间、支护刚度、坑道形状等。,影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类：,松动压力的计算,(一)围岩松动压力的形成,隧道支护结构设计,深埋坑道开挖后围岩由变形到坍塌成拱的整
14、个变形过程，称为围岩的成拱作用。在成拱过程中形成的相对稳定的拱形坍腔结构，成为自然拱或坍落拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。,隧道支护结构设计,隧道支护结构设计,隧道的形状和尺寸；隧道的埋深； 施工因素。,自然拱范围的大小除了受上述的围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态等因素影响外，还取决于以下诸因素：,（二）深、浅埋隧道的判定原则,隧道支护结构设计,式中 深浅埋隧道分界的深度；,等效荷载高度值，即坍落拱高度。,由埋深经验判定： 由埋深与天然拱高度关系确定：,（三）确定围岩松动压力的方法,隧道支护结构设计,现场实地量测：按目前的量测手段和技术水平来看量测的结果
15、尚不能充分反映真实情况。,理论公式计算：由于围岩地质条件的千变万化，所用计算参数难以确切取值，目前还没有一种能适合于各种客观实际情况的统一理论。,统计的方法：在大量施工坍方事件的统计基础上建立起来的统计方法，在一定程度上能反映围岩压力的真实情况。,（四）深埋隧道松动压力计算, 统计法我国铁路隧道设计规范推荐方法 普氏理论 太沙基理论,隧道支护结构设计,深埋隧道松动压力计算, 统计法我国铁路隧道设计规范推荐方法（q、e）,隧道支护结构设计,式中宽度影响系数， =1+i(B-5)B坑道宽度，以m计；iB每增加1m时，围岩压力的增减率(以B5m为基准)，当B5m时取i=0.2，B5m时，取i0.1。
16、,对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设计时：,深埋隧道松动压力计算, 统计法我国铁路隧道设计规范推荐方法（q、e）,隧道支护结构设计,式中 hq等效荷载高度值；S围岩级别，如级围岩S=3；围岩的容重；,对于单线隧道、按概率极限状态设计时：, 统计法我国铁路隧道设计规范推荐方法（q、e）,隧道支护结构设计,深埋隧道松动压力计算,水平压力e可用下表中的经验范围取值。,水平压力e推荐范围, 统计法我国铁路隧道设计规范推荐方法（q、e）,隧道支护结构设计,深埋隧道松动压力计算,水平压力e可用下表中的经验范围取值。,水平压力e推荐范围,H/B1.7(H为坑道的高度)；深埋隧道；不产生显著的偏压力及膨胀
17、压力的一般围岩；采用钻爆法施工的隧道。,上述计算表达式的适用条件:,深埋隧道松动压力计算, 统计法我国铁路隧道设计规范推荐方法（q、e）,隧道支护结构设计,垂直松动压力的分布图:,水平压力分部一般为均布形式，在高地应力、浅埋时，还应考虑水平压力非均匀分布的情况。,深埋隧道松动压力计算, 普氏理论,隧道支护结构设计,提出岩体坚固性系数f 的概念。视岩体为散粒体。但岩体又不同于一般的散粒体，其结构面上存在着不同程度的粘结力，又要保证其抗剪强度不变.,式中,岩体的内摩擦角和似摩擦角；,岩体的抗剪强度：,岩体坚固性系数：,深埋隧道松动压力计算, 普氏理论,隧道支护结构设计,在具有一定粘结力的松散介质中
18、开挖坑道后，其上方会形成一个抛物线形的自然拱，作用在支护结构上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重量。而自然拱的形状和尺寸(即它的高度hk和跨度Bt)与岩体的坚固性系数f 有关。具体表达式为：,式中 hk自然拱高度； bt自然拱的半跨度。,提出基于“自然拱”概念的计算理论, 普氏理论,坚硬岩体中，坑道侧壁稳定，天然拱跨度就是隧道宽度,松散和破碎岩体中，坑道侧壁受扰动而滑移，天然拱跨度也相应加大,b=bt (bt为隧道的净宽度的一半),式中 Ht坑道的净高； 岩体的似摩擦角，,隧道支护结构设计,天然拱高度的计算：围岩竖向的匀布松动压力，则为：围岩水平的匀布松动压力按朗肯公式计算：, 普氏理论,隧道
19、支护结构设计, 太沙基理论,隧道支护结构设计,假定作用在任何水平面上的竖向压应力 是匀布的，相应的水平力,H=kv,k为侧压力系数。,在地面深度为h处取出一厚度为dh的水平条带单元体，考虑其平衡条件 V0 ，得出:, 太沙基理论,隧道支护结构设计,展开后，得,解上述微分方程，并引进边界条件，得洞顶岩层中任意点的垂直压力为,随着坑道埋深h的加大, 趋近于零，则, 太沙基理论,隧道支护结构设计,泰沙基根据实验结果，得出K11.5，取K1，则,式中，b、0 意义同上。,如以 f 代入，得,侧向均布压力则仍按朗金公式计算：,（五）浅埋隧道松动压力计算,隧道支护结构设计,当隧道埋深不大时，开挖的影响将波
20、及到地表而不能形成“自然拱”。从施工过程中岩体(包括土体)的运动情况可以看到，隧道开挖后如不及时支撑，岩体即会大量坍落移动，这种移动会影响到地表并形成一个坍陷区域，此时岩体将会出现两个滑动面。对于这样的情况，可以采用松散介质极限平衡理论进行分析。, 考虑两侧岩体挟持作用时的计算方法,受力的极限平衡条件： 滑动岩体的重力=滑面上的阻力+支护反作用力（围岩松动压力） 围岩松动压力=滑动岩体重力-滑面上的阻力,浅埋隧道松动压力计算,隧道支护结构设计, 考虑两侧岩体挟持作用时的计算方法,隧道支护结构设计, 考虑两侧岩体挟持作用时的计算方法,隧道支护结构设计, 全自重型的计算方法,隧道支护结构设计,有地
21、下水时土压力的计算, 竖向压力：, 侧向压力： 对于砂性土可采用水压力与土压力分开计算,式中的i为各层围岩的重度，地下水位以上的土体采用天然重度及对应的侧压力系数;水位以下的土体采用有效重度及对应的侧压力系数计算土压力。,对于砂性土可采用水压力与土压力合算,隧道支护结构设计, 地基反力：一般位于地下水位中的结构要做成闭合的，因此，要承受地基反力。 地层反力沿衬砌宽度呈竖向均匀分布，其数值与各种竖向压力的总和相平衡。 包括结构自重、上部围岩压力（土压力及水压力）及附加的路面荷载等。,有地下水时土压力的计算,隧道支护结构设计,（六）围岩压力计算实例,如图所示单线铁路隧道，处在级围岩中，围岩容重21
22、.5kN/m3，隧道跨度B7.4m，高度Ht=8.8m，055，=44。如埋深h20m、8m、3m，试计算围岩压力。,隧道支护结构设计,隧道支护结构设计,不同公式计算松动土压力结果,形变压力的计算,作用在支护上的形变压力，在工程中采用的主要是塑性变形压力,塑性变形压力的计算,隧道支护结构设计,最小围岩（形变）压力的计算 一般情况要求：,只有知道 才能确定最佳支护结构或最佳支护时间； 最小围岩压力和围岩允许位移是等价的。目前对于两者都没有较好的计算方法； 对于 的情况，我们提出一种估算方法。,隧道支护结构设计,形变压力的计算,最小围岩（形变）压力的计算,分析过程,实际作用在支护上的压力应该是重力
23、和形变压力的叠加，故,（按三角形面积计）,形变压力的计算,隧道支护结构设计,偏压隧道围岩压力的计算,(一)产生偏压的原因,隧道支护结构设计,地形上，洞顶覆盖层较薄，地面横坡显著有倾斜的松散、软质或土质围岩，多见于洞口浅埋地段或傍山浅埋地段。 地质上，围岩为倾斜层状结构，层间粘结力差伴随以有害节理裂隙切割或洞身有倾角较陡的软弱结构面，围岩一部分较软，一部分较硬。 施工期间因各种原因造成一侧塌方，形成显著偏压,偏压隧道围岩压力的计算,(二)偏压隧道围岩压力的计算,隧道支护结构设计,偏压隧道围岩压力的计算应按其产生偏压的原因分别考虑。根据以往经验，一般在级及以上围岩以地形引起的偏压为主进行计算；而在
24、级及以下围岩，因地质构造影响较大，则以地质构造的具体条件进行计算。,偏压隧道围岩压力的计算,1.由地形引起偏压的计算方法,隧道支护结构设计,傍山浅隧道施工时，因支撑或衬砌下沉，以及超挖、回填不实等原因，引起洞身上部围岩的下沉及隧道两侧地表开裂，在岩体内形成两个非对称的滑动面。假定偏压分布的图形与地面坡一致。,偏压隧道围岩压力的计算,1.由地形引起偏压的计算方法,隧道支护结构设计,水平侧压力：,内侧 ei=hi,外侧 ei=h1i1,偏压隧道围岩压力的计算,2.由地质构造引起偏压的检算,隧道支护结构设计,多发生在多裂隙层状或块状岩体中，其情况复杂，尚无确定的计算方法，当需要检算时，应注意以下几点： 必须查明围岩可能产生偏压的被割裂或松动的范围大小 尽量取得控制弱面的强度计算指标。 当为块体运动时，可近似地按岩块刚体平衡的方法计算。当一部分为软层，另一部分为硬层时，可分别取用不同的指标计算。,重点、难点内容,1.围岩压力的定义、围岩压力的种类。 2.影响围岩压力的因素 3.围岩松动压力的形成过程、自然拱的定义。 4.影响自然拱范围大小的因素。 5.围岩松动压力的确定(铁路隧道)。,隧道支护结构设计,Thank You！,
