隧道力学 第7讲(中南大学 施成华)

qn
bi
2R sin 2
第i根管棚支护范围内的径向均布荷载： 若将管棚作为梁，假设梁
Hi
(ti ei )2 (bi qi )2

的宽度与管棚直径等宽，将荷
ti
载等效到梁的宽度b上，则作
用在管棚上的荷载为：
管棚
i
洞 轴 线
bi
qi=γHi
q0
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(a)
施成华
3）隧道上部的车辆荷载及其他荷载
4）附加荷载：灌浆压力、温度变化或混凝土收缩引起的温 度应力和收缩应力、施工荷载等。 上述这些荷载中围岩压力为地下结构设计计算的控制因素， 包括竖向压力和水平压力。
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
3.管棚的力学特征
(2) 管棚中的钢管起着双重作用：
A
h tg (45o 2)
s
q=γhq
H
初期支护 B
h
管棚 C
掌子面
H'
x
破裂面 φ 45o- 2
围岩
F 钢拱架 土木工程学院隧道工程系 y
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
5.管棚的作用荷载
（3）荷载横向分布范围 第i根管棚承受岩体的宽度：
bi cos ti sin
隧 道 力 学
主讲教师：施成华
中南大学土木工程学院 隧道工程系
第7讲 隧道辅助施工措施的力学分析
本讲主要内容： 1、常用辅助施工措施 2、管棚作用的力学分析 3、锁脚钢管的力学分析
第7讲 辅助施工措施的力学分析—常用辅助施工措施
一、隧道常用辅助施工措施
在软弱围岩隧道施工过程中，需要采取辅助施工方法对开 挖面前方围岩进行预加固、控制围岩变形，防止围岩坍塌、 以保证施工安全。
(4)压入式短钢管
(5)预衬砌法
(6)超前管棚法 土木工程学院隧道工程系
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—常用辅助施工措施
一、隧道常用辅助施工措施
2）掌子面补强支护 (1)弧形开挖、留核心土 (2)掌子面喷混凝土
(3)短掌子面锚杆
(4)长掌子面锚杆
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—常用辅助施工措施
一、隧道常用辅助施工措施
3）脚部补强 （1）补强锚杆
（2）补强锚管
（3）脚部注浆 （4）水平喷射注浆 （5）临时仰拱 （6）基脚混凝土
（7）水平锚管 土木工程学院隧道工程系
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—常用辅助施工措施
一、隧道常用辅助施工措施
4）初支及二衬补强 (1)高强度喷射混凝土 (2)高承载力锚杆
隧道
隧道
图2.1（g）管棚应用于塌方地段处理
图2.1（h）管棚应用软塑地层
(6)代替施工便梁或挡土插板作为其它施工的辅助方法。
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
3.管棚的力学特征
(1)作用于管棚上的载荷
1）己开挖管棚上方和开挖面前方松弛范围的围岩压力
2）围岩对管棚的弹性抗力、
Bθ 0
y
dω p(x)=kω -Gp 2 dx
2
+ 土木工程学院隧道工程系 θ +Q +M
p(x)
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
7. 地基梁的微分方程
由Bernoulli-Euler经典理论得到 荷载、位移及内力之间的微分关系
d ( x) ( x) dx 2 d ( x) M ( x) EI dx 2 3 dM ( x) d ( x) Q( x) EI dx dx3
( b)
δ
qn b
θ
α
R
e i= λ q i
qn
o
ti
第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
6.管棚的弹性地基梁分析模型
（1）模型1 已支护段看着具有一定初始位移和初始转角的弹性固定端，已开挖但未 支护段，围岩松弛压力完全由管棚承受；隧道掌子前方松弛范围内，管棚 受到均布松动压力，同时还受到围岩的弹性抗力。因此，可将管棚作为半 无限长弹性地基梁。
s
q0
由此可得到梁的挠曲微分方程
d 4 ( x) EI b q ( x) p ( x) 4 dx
d
q(x) x
ω
0
Q(x) M(x) dx
Q(x)+dQ(x) M(x)+dM(x)
1)控制先行位移的措施——超前支护; 2)控制隧道掌子面挤出位移的措施——掌子面补强; 3)控制隧道拱脚下沉的措施——脚部补强，
4)控制隧道掌子面后方变形的措施——加强初支及二衬。
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—常用辅助施工措施
一、隧道常用辅助施工措施
1）超前支护 (1)超前锚杆 (2)超前小导管 (3)水平旋喷注浆
Q( x) dM ( x) dx
dx dx q( x)
2
2
dx p ( x)
2
2
0
d
由此有：
dQ( x) dM 2 ( x) b p( x) q( x) 2 dx dx
q(x) x
ω
0
Q(x) M(x) dx
Q(x)+dQ(x) M(x)+dM(x)
第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
1.管棚的类型
(5)按钢管之间连接方式分类 ①搭接管棚：钢管之间采用各类公母接头连接成 ②非搭接管棚：打设管棚时钢管之间未采用任何搭接方式 (6)按施工方法分类 ①钻孔法：是目前最常用的方法 ②夯管法：采用夯击技术直接将钢管夯入地层，一般适用于软 塑地层； ③顶管法：压入式、螺旋钻进式、水平钻进式、泥浆加压式 在我国地下工程施工中，除了在管幕顶推施工中通常采用 大管棚外，应用最广泛的是小管棚和中管棚，钢管直径多在 200mm以下，其中以φ108mm的钢管应用最多。近年来也出现了 部分双层管棚以及大直径管棚 土木工程学院隧道工程系 施成华
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
4.围岩的力学模型
（2）弹性半空间理论模型 假定地基为一个均匀的、各向同性的半无限大连续弹性 体，土的力学性质由变形模量和泊松比来表征，当集中力作为 于某点时，地基表面处的竖向位移由Boussinesq解答给出
1 s 2 P ( x, y) Es r
管棚
隧道
三车道隧道
三车道隧道
图2.1（e）管棚应用于浅埋偏压隧道洞口
图2.1（f ）管棚应用于大断面隧道
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
2.管棚的主要用途
(5)作为穿过河底、海底、断层破碎带、塌方地段、软塑地层
等困难地段的辅助施工方法
原地面线 小导管 管棚 管棚 塌方地段 地铁 地铁 大管棚 小导管 大管棚
当作用力为分布荷载时
r x2 y 2
1 s 2 ( x, y ) Es
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q( , ) ( x ) ( y )
2 2
d d
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
4.围岩的力学模型
（3）双参数地基模型 双参数模型是介于Winkler模型和弹性半空间模型之间 的地基计算模型，通过在独立弹簧之间引入力的相互作用，用 两个独立的参数来表征地基土的特性，常用的双参数模型有费 洛年柯一鲍罗基契(Filonenko-Borodich)模型、巴斯捷纳克
x
x
z
z
(a)基本模型
P
剪切层
(b)集中荷载
q x
剪切层
x
z
z
(c)刚性荷载
(d)均布柔性荷载
P( x, y) k( x, y) Gp2( x, y)
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
5.管棚的作用荷载
（1）荷载大小
按深、浅埋隧道 分别进行计算。
a
hq
（2）荷载纵向分布范围 掌子面后方：未支护段围岩压力全部 由管棚承担，支护段为具有一定初始位 移和初始转角的弹性固定端。 掌子面前方： d
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
4.围岩的力学模型
（1）Winkler模型 用一系列具有固定刚度且相互独立的弹簧来模拟地基， 假定某点的地基反力与该点的位移成正比，而地基上某点的位 移与其他点的应力无关。
p( x, y) k( x, y)
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一是起注浆管的作用，管棚注浆可以使钢管周围围岩裂隙
充满浆液，提高围岩的稳定性和整体性，在围岩中形成加固圈， 同时注浆具有隔水作用，减少了地下水的渗透； 二是起支护结构的作用，钢管内部填充水泥砂浆形成刚度 较大的钢管混凝土，其承受着临空面上部荷载，减少了围岩向
隧道净空的径向位移量。管棚下部围岩不直接承受上部全部荷
7. 地基梁的微分方程
根据管棚的弹性地基梁模型，在管棚上截取一微段dx，其受力如图所示， 设梁的宽度为b dQ( x) b p( x) q ( x) 由 Y 0 可得 dx 由 M 0 可得 略去二阶微分项得
s
q0
M M dM Q dQ
第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
2.管棚的主要用途
(1)作为在既有公路、铁路下修建隧道的防护
铁路
重载货车
公路
管棚 双层管棚
隧道
隧道
隧道
图2.1（a）管棚应用于下穿铁路隧道
图2.1（b）管棚应用于下穿公路隧道
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
2.管棚的主要用途
(2)作为在地面或地下重要建筑物下方修建隧道的防护
载，仅受到加固圈变形引起的形变压力，大大减小了掌子面围 岩所承受的压力，有效保护掌子面稳定。 土木工程学院隧道工程系 施成华
第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
3.管棚的力学特征
(3)管棚预支护体系能够有效地从空间、时间上调整隧道开 挖引起的应力分布，保持隧道掌子面稳定和抑制地面沉陷，长 管棚从超前支护和永久支护两方面出发，改善围岩的内部环境， 将未开挖前的初始平衡直接转移到建成隧道的最终平衡 (4)在隧道掌子面后方已开挖并施作初期支护段，管棚与拱 架相结合形成小跨度的短梁，短梁长度等于拱架间距；在已开 挖但未施作初期支护段，上部围岩压力全部由管棚承担；伸入 掌子面前方地层的管棚起弹性地基梁作用，不仅承受上部围岩 压力，而且还受下部围岩的弹性抗力。因此，在隧道开挖过程 中管棚起次梁的作用承受上部围岩压力，并将载荷传递给下面 的主梁(拱架)和开挖面前方的弹性地基。
(3)高承载力钢支撑
(4)加厚初支
(5)高强度二衬混凝土
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
二、管棚
1.管棚的类型
(3)按钢管直径分类 ①小管棚：钢管直径小于129mm的管棚； ②中管棚：钢管直径在129～299mm之间的管棚； ③大管棚：钢管直径大于300mm的管棚。 (4)按注浆分类 ①注浆管棚 a.先管后注法 b.先注后管法 ②不注浆管棚：钢管打设完毕后，不向围岩进行注浆，仅用 水泥砂浆将填充钢管，有时为了增大钢管的强度和刚度，在 钢管内设置钢筋笼后填塞水泥砂浆。 土木工程学院隧道工程系 施成华
初期支护 a s
q(x)
d
s D E dω dx2
y
2
d
q0
砼套拱 A
B
h
C
掌子面
x
D B C
p(x)=kω -Gp
E dω dx2
2
x
p(x)=kω -Gp
破裂面 φ 45o- 2
围岩
(b)
钢拱架
y
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(a)
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6.管棚的弹性地基梁分析模型
建筑物
变形缝
地铁环线区间
变形缝
道路 双层管棚 新建 车站
管棚
隧道
图2.1（c）管棚作为地表建筑物防护
图2.1（d）管棚作为地下建筑物防护
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
2.管棚的主要用途
(3)作为隧道洞口段的辅助施工方法 (4) 作为大断面隧道的辅助施工方法
管棚 边坡防护
(Pasternak)模型、海藤义(Hetenyi)模型和符拉索夫(Vlasov)
模型。
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第7讲 辅助施工措施的力学分析—管棚
4.围岩的力学模型
剪切层 剪切层
P
（3）双参数地基模型
Pasternak模型是假 设在Winkler模型中各弹 簧单元之间存在着剪切 作用，这种剪切作用是 通过一层只能产生横向 剪切变形而不可压缩的 剪切层相联结来实现， 外荷载与位移之间关系 为：
（2）模型2
当隧道开挖接近管棚前端，管棚可作为有限长度的弹性地基梁。
a s q(x) d s
q0
d
D A 初期支护
h
B
C
掌子面
x
D B C dω p(x)=kω -Gp 2 dx
y
2
x
p(x)
破裂面 φ 45 - 2
o
围岩
(b )
钢拱架
y
(a)
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