2013秋第5章隧道结构设计原理1.0

（1）假定弹性反力阶段
3.连续介质阶段
20世纪中期以来，连续介质力学理论 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 必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形。这种反作用力和围岩的 松动压力极不相同，它是支护结构与围岩共同变形过程中对支护结构 施加的压力，称为形变压力。 这种计算方法的重要特征是把支护结构与岩体作为一个统一的力学体 系来考虑。两者之间的相互作用则与岩体的初始应力状态、岩体的特 性、支护结构的特性、支护结构与围岩的接触条件以及参与工作的时 间等一系列因素有关，其中也包括施工技术的影响。
1.刚性结构阶段
2.弹性结构阶段
19世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现，并用于建造地下 工程，使地下结构具有较好的整体性。从这时起，地下结构开始按 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。
§5.3结构力学方法
§5.4岩体力学方法
§5.5信息反馈方法及经验方法 §5.6隧道支护的结构类型及设计
§5.1隧道设计计算理论的发展
一、隧道设计理论的发展
二、隧道支护结构计算理论的发展
三、计算模型
一、隧道设计理论的发展
1．支护系统的组成和类型的发展 2．支护系统的设计计算理论的发展 3．支护系统承载能力及安全度评定的完善 4．支护系统设计手段的发展 5．支护系统的设计计算模型
狭义？
1.松动压力 2.形变压力 3.膨胀压力 4.冲击压力
（二）围岩压力分类
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1.松动压力
由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护 结构上的压力称为松动压力。 采用松散介质极限平衡理论，或块体极限平衡理论计算分析。 松动压力常通过下列三种情况发生： （1）在整体稳定的岩体中，可能 出现个别松动掉块的岩石； （2）在松散软弱的岩体中，坑道 顶部和两侧边帮冒落； （3）在节理发育的裂隙岩体中， 围岩某些部位沿软弱面发生剪切破 坏或拉坏等局部塌落．
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垂直松动压力的分布图
用等效荷载，即非均布压力的总和应与均布压力的总和相等 的方法来确定各荷载图形的高度值。
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关键问题
如何确定围岩的初始应力场，以及表示材料非线性 特性的各种参数及其变化情况。
（三）隧道工程的两大理论比较
核心内容：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷
载；不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护 结构予以支承。这样，作用在支护结构上的荷载 就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩 体重力。
松弛荷载理论
但当时并没有认识到这种塌落并不是形成围岩压力的唯一来源， 也不是所有的情况都会发生塌落，更没有认识到通过稳定围岩， 可以发挥围岩的自身承载能力。
对于围岩自身承载能力的认识有又分为两个阶段： 20世纪初期，假定弹性反力的分布 图形位置线为三角形或梯形 1934年，按结构的变形曲线假定地 层弹性反力的分布图形为月牙形 局部变形弹性地基梁理论 （2）弹性地基梁阶段 共同变形弹性地基梁理论
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（一）深埋隧道围岩松动压力的确定方法
深埋隧道松动压力仅是隧道周边某一破坏范围（自然拱） 内岩体的重量，而与隧道埋臵深度无关。
*1、我国《铁路隧道设计规范（隧规）》推荐方法 2、普氏理论 3、泰沙基理论
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1、我国《铁路隧道设计规范（隧规）》推荐方法
单线铁路隧道按概率极限状态设计时
隧道模筑衬砌所受的围岩压力，是衬砌为了阻止岩块松 弛或岩块移动下塌等形成的荷载。
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“成拱作用”
坑道开挖后围岩由形变到坍塌成拱的整个变形过程：
（1）变形阶段（a） （2）松动阶段（b） （3）塌落阶段（c） （4）成拱阶段（d）
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自然拱范围影响因素 围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩 的接触状态等因素外，还有以下诸因素： （1）隧道的形状和尺寸． 隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩的 松动压力也越大。 （2）隧道的埋深 只有当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然 拱，习惯上，将这种隧道称为深埋隧道，否则称为浅埋 隧道。 （3）施工因素
隧道工程
主讲教师:曹志军
第五章 隧道结构设计基本原理
隧道结构计算的任务，就是采用数学力学的方法， 计算分析在隧道修筑的整个过程中（包括竣工运 营）隧道围岩及衬砌的强度、刚度及稳定性，为 隧道的设计及施工提供具体设计参数。
第五章 隧道结构设计基本原理
§5.1隧道设计计算理论的发展 §5.2围岩压力
三、计算模型
（一）计算模型种类 （二）常用计算模型 （三）隧道工程的两大理论比较
（一）计算模型种类
理想的隧道工程的数学力学模型应能反映这些因素：
①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。 ②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。 ③算出的应力状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。 ④材料性质和数学表达要等价。
1．支护系统的组成和类型的发展
2．支护系统的设计计算理论的发展
3．支护系统承载能力及安全度评定的完善
4．支护系统设计手段的发展
5．支护系统的设计计算模型
二、隧道支护结构计算理论的发展
1.刚性结构阶段 2.弹性结构阶段 3.连续介质阶段
1.刚性结构阶段
19世纪的地下建筑物大都是以砖石材料砌筑的拱形圬工结构。 最先出现的计算理论是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。 这种计算理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重力， 没有考虑围岩自身的承载能力。 压力线假设的计算方法缺乏理论依据，一般情况偏于保守，所设计 的衬砌厚度将偏大很多。
4．冲击压力
冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能以后，由 于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产 生的压力。
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二、影响围岩压力的因素
地质因素
初始应力状态 岩石力学性质 岩体结构面
施工方法 坑道形状 支护设置时间 支护刚度
工程因素
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三、围岩松动压力的形成
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四、确定围岩松动压力的方法
①现场实地量测；
确定围岩松动压力的方法 ②按理论公式计算确定； ③经验法或工程类比法
（一）深埋隧道围岩松动压力的确定方法 （二）浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 （三）围岩压力计算实例 （四）偏压隧道围岩压力的确定 （五）明挖浅埋隧道围岩压力的确定
（六）大跨隧道与小净距隧道围岩压力探讨
关键问题 如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的
是围岩所产生的松动压力、以及弹性支承给支护结构的 弹性抗力
2、岩体力学模型 （围岩—结构模型、复合整体模型、
收敛—约束模型） ——现代围岩共同承载理论
它是将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系。 在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和 限制围岩的变形， 在围岩—结构模型中可以考虑各种几何形状，围岩和支护材料的 非线性特性，开挖面空间效应所形成的三维状态，以及地质中不 连续面等等。 可以用解析法求解，或用收敛—约束法图解，但绝大部分问题，因 数学上的困难必须依赖数值方法，尤其是有限单元法。
结构力学方法
岩体力学方法 地下结构设计计算方法 信息反馈方法 经验方法
（二）常用计算模型
图5-23 隧道计算模型
1、结构力学模型
2、岩体力学模型
1、结构力学模型 （荷载—结构模型、作用—反作用模型）
——松弛（动）荷载理论
它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷 载的来源和支护结构的弹性支承。在这类模型中隧道支护结构与围岩 的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的，而围岩的 承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。围 岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支承约束支护 结构变形的抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。 主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承 担围岩“松动”压力的情况。
代表人物：太沙基（K.Terzaghi）和普氏 以传统矿山法为基础 核心内容：围岩稳定显然是岩体自身有承载自
围岩承载理论
稳能力；不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的， 如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围 岩仍然能够进入稳定状态。 代表人物：腊布希维兹、米勒· 菲切尔、芬 纳· 塔罗勃和卡斯特奈
以新奥法为基础
国际隧道协会归纳的四种设计模型：
①以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法； ②以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，例如以洞周位量 测值为根据的收敛－约束法； ③作用与反作用模型，即荷载—结构模型，例如弹性地基圆环计算和 弹性地基框架计算等计算法；（结构力学模型） ④连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是 有限单元法。（岩体力学模型）
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2．形变压力
形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护 等的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对 支护结构施加的接触压力。采用塑性理论计算。
3．膨胀压力
当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀 崩解所引起的压力称为膨胀压力。可以采用弹塑性理论配 合流变性理论进行分析。
锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的一整套新奥地利 隧道设计施工方法的兴起，终于形成了以岩体力学原理为基础的、考 虑支护与围岩共同作用的地下工程现代支护理论。
到20世纪80年代又将现场监控量测与理论分析结合起来，发展成为 一种适应地下工程特点和当前施工技术水平的新设计方法——现场 监控设计方法（也称信息化设计方法）。
垂直压力q
q h q 0.41 1.79
s
单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时 及公路隧道
q h q 0.45 2 S1
水平分布松动压力e
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§5.2 围岩压力
一、围岩压力及其分类
二、影响围岩压力的因素 三、围岩松动压力的形成 四、确定围岩松动压力的方法 五、围岩压力的现场量测简介
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一、围岩压力及其分类
（一）围岩压力
围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形 或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力以 及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。 广义？
h q 0.41 1.79
s
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式中hq——等效荷载高度值； s——围岩级别，如Ⅲ级围岩s=3； γ——围岩的容重； ω——宽度影响系数， 1 i(B 5) B——坑道宽度，以m计， i——每增加lm时，围岩压力的增减率（以B= 5m为基 准），当B＜5m时取i=0.2, B＞ 5m时，取i=0 ．1。 公式适用条件 ①H/B＜1.7(H为坑道的高度）； ②深埋隧道； ③不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩； ④采用钻爆法施工的隧道 ．
目前，工程中主要使用的工程类比设计法，也正向着定量化、精确 化和科学化方向发展。 在地下工程支护结构设计中应用可靠性理论、推行概率极限状态设计 研究方面也取得了重要进展。
随机有限元（包括摄动法、纽曼法、最大熵法和响应面法等）、 Monte-Carlo模拟、随机块体理论和随机边界元法等一系列新的地 下工程支护结构理论分析方法近年来都有了较大的发展。