隧道受力结构
第6章隧道结构计算
α— 轴向力偏心影响系数。 1 1.5 e0 h
抗拉控制检算
大偏心判断准则：
e0 0.2h
此时承载能力由抗拉强度控制：
KN 1.75Rlbh
6e0 1 h
式中： Rl — 混凝土的抗拉极限强度，
其它符号意义同前。
6.5 衬砌截面强度验算
6.4 隧道洞门计算
1.洞门墙墙身抗压承载能力计算(承载能力极限状态)
2.洞门墙墙身抗裂承载能力计算(正常使用极限状态)
6.4 隧道洞门计算
3.洞门墙地基承载能力计算
4.抗倾覆计算 5.抗滑动计算
6.5 衬砌截面强度验算
6.5.1 检算内容
（1）安全系数检算 （2）偏心检算
6.5.2 适用范围
铁路隧道拼装式衬砌、复合式衬砌 双线隧道整体式衬砌 公路隧道衬砌结构
6.5.3 安全系数检算
（1） 允许安全系数 混凝土和石砌结构的强度安全系数
圬工种类及 荷载组合
破坏原因
混凝土
主 附主 要 加要 荷 荷、 载载
石砌体 主 附主 要 加要 荷 荷、 载载钢筋ຫໍສະໝຸດ 凝土主附主要
加要
荷
荷、
载
载
（钢筋）混凝土或石砌
设围岩垂直压力大于 侧向压力， 则存在拱顶 脱离区，两侧 抗力区。
6.2 结构力学方法
6.2.3 隧道衬砌荷载分类
(1) 主动荷载 主要荷载：围岩压力、支护结构自重、回填土荷载、地下 静水压力及车辆活载等。 附加荷载：冻胀压力、地震力等。 (2) 被动荷载 被动荷载是指围岩的弹性抗力，计算有共同变形理论和局 部变形理论。
直刚法计算流程
隧道工程第5章-隧道支护结构计算课件.ppt
e
ue
a
e
(4
3
)
a
e
e
(14
15
)
e
2 2
4
14
3
1
4
2
10
当基础无扩展时，墙顶位移为：
0 cp
uc0p
M
0 cp
1
M c0pu1
H
0
cp
2
H c0pu2
eeuee00
墙顶截面的弯矩Mc、水平力Hc、转角c、水平位移uc为：
Mc Hc
c
M
0 cp
X1
X2
另一种是开挖后，洞室围岩产生塑性区，此时洞室都要 采用承载的支护结构，支护结构对洞室围岩应力状态和位移 状态产生影响。
根据弹性力学和岩体力学可得，隧道壁的径向位移与支护阻 力之间的关系式：
u
பைடு நூலகம்
|r r0
r0 2G
(Hc
sin
C
cos)[(1
sin )
Hc C cot pa C cot
1sin
心某一距离的各点，其应力值是相同的，因此围岩中的塑性 区必然是个圆形区域。令这个圆形塑性区的半径为R0，那么
在塑性区与弹性区的交界面上(即在r=R0处)，塑性区的应力 p与弹性区的应力 e一定保持平衡，同时，交界面上的应力
既要满足弹性条件，又要满足塑性条件，可得到在r=R0处：
围岩弹塑性区
p r
p
替，便可得到变位积分的近似计算公式：
ik
S E
ip
S E
MiMk
M
I iM
p
I
11
S E
隧道衬砌台车结构受力与位移分析
用户•施工隧道衬砌台车结构受力与位移分析■孙丽英中铁十八局集团第一工程有限公司；河北保定072750摘要：以某矿山法施工隧道为工程背景，结合衬砌台车的主要技术参数，对隧道衬砌台车进行结构内力计算。
通过有限元软件ABAQUS对衬砌台车整体模型进行分析，得到台车整体的应力和位移云图，最大位移与应力部位均发生在台车拱肩位置，整体运动趋势向台车内部收缩。
关键词：衬砌台车；结构设计；受力分析衬砌台车是隧道二次衬砌混凝土整体化浇筑施工的重要机械设备，具有施工效率高，表面成型好的优点，可以有效地提高混凝土浇筑的速度和质量，降低对围岩的扰动，因而在公路、铁路等大量土木工程项目中广泛使用5。
目前，隧道断面类型设计比较成熟，但是相应与之配套的衬砌台车的设计加工没有形成统一标准，对衬砌台车进行系统地结构受力分析优化设计技术不够完善，因此有必要对台车进行系统的荷载内力计算，应用较为先进的数值分析软件对台车受力变形进行分析，为类似隧道衬砌台车的设计和加工提供理论指导。
1工程概况某公路隧道标段内全长340m,围岩主要为V级红黏土围岩，马蹄形断面。
二次混凝土衬砌釆用衬砌台车施工，台车设计由5个系统组成，分别为模板系统、门架系统、支撑系统、行走系统、液压与电气控制系统。
设计台车轮廓半径为R1为5600mm,长度L为9.0m,每块模板宽度为1500mm,面板厚度为10mm;工作窗数量28个，尺寸为450mm x5000mm,注浆孔数量为3个，直径为125mm。
台车模板由工厂制作定型钢模板，釆用C30混凝上，坍落度为175mm,容重2460kg/m‘，无缓凝剂添加。
为2.45t/m'o2.2衬砌台车的载荷计算在对衬砌台车进行内力计算分析时，应同时考虑工作和非工作2种状态下的强度、刚度和稳定性。
非工作时，台车只有自重荷载，台车受力较小，基本可以保证台车安全稳定，只需要分析台车工作状态时所承受的最大荷载，对模板门架进行荷载组合强度校核。
隧道结构计算的结构力学法
9.隧道衬砌结结构计算的矩阵位移法计算步骤：(1)计算衬砌单元刚度位移矩阵(2)计算链杆刚度 (3)计算墙底支座的刚度矩阵(4)集成总体刚度矩阵，并计算各元素值(5)消去已知位移(6)计算节点位 移(7)计算单元节点力。
7.外荷载产生的位移μhp和直墙拱的结构计算:(1)由弹性地基梁公式,计算系数μ1，β1，μ2， β2(墙顶位移)(2)由主动荷载及单位弹性抗力所产生的h点位移计算单位弹性抗力所产生的位移μhσ(3) 由μhp和μhσ求得弹性抗力σh(4)根据任一截面i处的内力表达式得拱的截面内力(5)求出直梁的内力(6) 校核。
10.拱形直墙计算模型：拱圈是一个拱脚弹性固定的无铰拱，拱圈弹性抗力假定为二次抛物线分 布，边墙视为弹性地基梁，全部抗力由文壳勒假设确定。
11.弹性地基梁分类：对于弹性地基梁按其相对长度al不同，可分为以下三种情况：当 1≤al≤2.75，认为是短梁，即梁的一端受力和变形会影响到另一端。当al≥2.75，认为是长梁，即 梁的一端受力和变形不会影响到另一端。当al≤1，认为是绝对刚性梁，即整个梁只产生平动和 转动。
14.矩阵力法和位移法的区别：力法：柔度方程：力;位移法：刚度方程：位移。计算衬砌 结构的单元有三种：一是模拟衬砌结构偏心受压的衬砌单元;二是模拟围岩约束衬砌自由变形 的链杆单元;三是模拟墙底地层约束墙脚变形的弹性支座单元。
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独墅湖隧道主体结构受力及变形规律分析_王霆
独墅湖隧道主体结构受力及变形规律分析王 霆1,周正康1,徐玉桂1,张 巍2(1.南京城建隧桥经营管理有限责任公司;2.南京大学)摘 要:介绍了苏州独墅湖隧道主体结构在水土压力荷载、不均匀沉降等因素作用下的受力与变形规律,通过现场测试与三维有限元分析以及对实测值与理论值的比较,找出了可能存在隧道渗漏隐患的薄弱环节,为隧道维护和管养提供了科学依据。
关键词:明挖隧道;应力;变形;裂缝;渗漏;管养1 概述苏州市南环快速路东延隧道工程(以下简称独墅湖隧道)全长3460m,为双向六车道城市快速路,采用明挖法施工。
隧道主体结构荷载等级为城-A 级,抗震按6度设防。
设计常水位+1.12m(黄海高程),百年一遇设计高水位+2.92m(黄海高程);结构设计使用年限为100a,所处的环境类别为二(a)类。
工程防洪标准设计重现期100a。
隧道结构每60m设一道变形缝,以适应纵向变形的要求,两条变形缝间设三条施工缝,在地层、结构刚度、地形突变处适当增设变形缝。
隧道采用跳仓施工,以降低混凝土早期干缩的不利影响。
隧道的防水等级采用略高于二级标准,局部机电设备集中区域的防水等级为一级。
现浇混凝土结构应满足自防水要求。
隧道暗埋段采用两孔一管箱涵结构,底板下设置钻孔灌注桩,保证结构的抗浮与整体稳定,桩长为18～25m。
敞开段采用U形结构,底部设抗拔桩抗浮。
隧道暗埋段主体结构标准断面示意图见图1。
图1 隧道暗埋段主体结构标准断面示意图 勘察报告显示,隧道沿线陆域土层中赋含地下水,其类型为潜水。
近3～5年最高潜水位约2.50m。
经观测表明,微承压水水位为1.41～1.48m。
尽管明挖隧道采用现浇钢筋混凝土结构形式,结构的完整性与工程质量相比地下暗挖隧道更易于控制,并且现浇混凝土通常具有自防水功能,然而,渗漏仍然是这类工程最主要的顽疾之一。
因此,本文将通过现场实测与理论研究比较,确定隧道主体在水、土压力荷载、不均匀沉降等因素作用下的结构状态,确定结构受力和变形规律,找出存在隧道渗漏隐患的薄弱环节,为隧道的维护和保养提供依据。
高铁隧道(隧道结构构造)
环境保护
隧道结构设计应考虑环境保护 ，尽量减少对周边环境和生态
的影响。
02
隧道衬砌结构
衬砌的类型和材料
衬砌类型
根据隧道的使用功能和围岩条件，衬砌类型可分为整体式衬砌、复合式衬砌和分离式衬 砌。整体式衬砌适用于围岩条件较好、对防水要求不高的隧道；复合式衬砌适用于围岩 条件较差、对防水要求较高的隧道；分离式衬砌适用于围岩条件特别差、有特殊要求的
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地下水压力
隧道开挖后，地下水对支护结构产生一定的 压力。
地震力
地震发生时，地层运动对支护结构产生作用 力。
温度应力
隧道内温度变化引起支护结构的热胀冷缩， 对结构产生作用力。
04
隧道排水系统
排水系统的组成和功能
排水系统的组成
主要由排水沟、集水坑、排水管道等组成。
排水系统的功能
主要负责将隧道内的积水排出，保持隧道干燥，防止水患对隧道结构和列车运行造成影响。
隧道。
衬砌材料
常用的衬砌材料有混凝土、钢筋混凝土和喷射混凝土等。混凝土衬砌具有抗压强度高、 耐久性好、成本低等优点，适用于一般隧道；钢筋混凝土衬砌具有更高的抗压和抗剪强 度，适用于有较大压力和剪力的隧道；喷射混凝土衬砌具有快速、简便、耐久性较好等
优点，适用于围岩条件较差、开挖后需要快速支护的隧道。
衬砌的厚度和构造
排水系统的设计原则
01
安全可靠
经济合理
02
03
便于维护
排水系统应具备足够的排水能力， 保证在任何情况下都能及时排除 积水。
在满足功能要求的前提下，应尽 量降低工程成本，选择合适的材 料和施工方法。
隧道结构力学计算
第一章绪论1. 隧道:构筑在离地面一定深度的岩层或土层中用作通到底建筑物2. 隧道分类:按周围介质分：岩石隧道和土层隧道;按用途不同分：交通隧道和市政工程隧道3. 公路隧道：穿越公路路线障碍物的交通隧道4. 公路隧道的主要特点:(1)断面形状复杂：宽而扁，高：宽<=1.; 常有特殊构造：岔洞，紧急停车带回车区，以及双连拱隧道，小间距隧道，双层隧道;(2) 荷载形式单一：主要是围岩压力，方向不会改变;(3)附属设施多：通风,照明,交通信号,消防,监控设施5. 断面几何形状:考虑功能和经济的两方面:马蹄形,圆形(盾构开挖),拱形(山岭隧道),双连拱(浅埋土层,地形受限),矩形(沉管法,城市隧道)6.. 衬砌的结构类型分为四类:整体式砼衬砌;装配式衬砌;锚喷支护衬砌;复合式衬砌7.. 整体式砼衬砌又可分为:半衬砌;厚拱薄墙衬砌;直墙拱形衬砌;曲墙拱形衬砌(1)半衬砌:适用于岩石较坚硬并且整体稳定或基本稳定的围岩; 对于侧压力很大的较软岩层或土层,为避免直墙承受较大压力,采用落地拱(2)厚拱薄衬砌:适用于水平压力很小的情况,拱脚较厚,边墙较薄(3) 直墙拱形衬砌:铁路隧道常用,竖向压力较大,水平侧压力不大(4)曲墙拱形衬砌:地质条件差,岩石破碎松散和易于坍塌地段8. 装配式衬砌:用于盾构法施工,深埋法施工,TBM 法施工9. 锚喷支护衬砌:喷混凝土和加锚杆两方法的统称。
常用方法：喷混凝土，钢筋网喷混凝土，锚杆喷混凝土，钢筋网锚杆混凝土，钢纤维喷混凝土;特点：有很强时效性，新奥法和挪威法10. 复合式衬砌：主要应用于含水量较多的地段，外层为锚喷支护，中间有一层防水层，内层多为整体式衬砌，新奥法多采用11. 初始地应力场由两种力系组成:自重应力分量;构造应力分量影响因素：一类是和地壳的运动，地下水的变化以及人类活动等因素有关12. 构造应力场：区域性明显，测试方法：解析反演法，原位测试法(1)地质的构造过程不公改变了地质的重力应力场，而且还有一总分残余在岩体内(2) 构造应力场在一定深度内普遍存在且多为水平分量(3)构造应力具有明显的区域性和时间性13. 作用在隧道结构上的荷载分为三类:主要荷载(就是长期作用的荷载,包括地层压力,围岩弹性抗力,结构自重力,回填岩土重力，地下静水压力及使用荷载); 附加荷载(指非经常作用的荷载，包括施工荷载，灌浆压力，局部落石以及有温度变化或砼收缩引起的温度应力和收缩用力) ;特殊荷载(一些偶然发生的荷载，如炮弹冲击力和爆炸时产生激波压力，地震力，车祸时冲撞力)14. 形变压力: 由岩体变形所产生的挤压力;15. 松散压力: 岩体坠落、滑移、坍塌所产生的重力16. 围岩压力：形变压力和松散压力统称为围岩压力17. 影响围岩压力的因素：a岩土的重力b岩体的结构c.地下水的分布d.隧道洞室的形状和尺寸e. 初始地应力18•确定围岩压力的方法：a•现场量测b•理论估算c工程类比法19•常用的围岩分类方法：a岩石坚固系数分类法b•太沙基理论c•铁路围岩分类法d•人工岩石洞室围岩分类法e.水工隧道围岩分类法20. 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)a.隧道围岩及衬砌的强度 b.刚度和稳定性，为隧道的设计及施工提供具体设计参数21. 隧道的计算方法可分为三大部分： a.刚体力学法b.结构力学法(荷载位移法)c.连续介质力学法(地层结构法)22. 附：19 世纪后期，砼材料与钢材料的出现，地下结构的建造于计算进入地下连续拱形框架结构阶段，而计算的理论基础为线弹性结构力学；地下连续拱形框架结构式一种超静定弹性结构系统，荷载为地层压力，优点：以结构力学原理为计算理论基础缺点：没有考虑地层对衬砌结构变形所产生的弹性抵抗力23. 如果人工考虑隧道衬砌和地层的相互作用，地下结构的计算方法仅分为结构力学方法和连续介质力学方法24. 造成隧道结构计算结果不能直接应用的主要原因:(1) 围岩的物理力学参数无法准确确定(2)隧道的荷载量级很大,无法准确给出(3) 围岩自承能力除受围岩自身条件影响外,还受施工方法、时间、支护形式、洞室几何尺寸等的影响( 4)围岩本构关系复杂和屈服性准则不完善性，使围岩自承能力无法发挥第二章隧道结构计算的结构力学法1. 在分析过程中首先要确定地层压力，然后计算衬砌在地层压力和其他荷载作用下的内力分布，最后根据内力分布对衬砌结构断面进行验算2. 荷载结构法和计算地表结构所采用的结构力学方法基本相同，主要差别是衬砌结构在变形过程中要受到周围介质的限制，分为力法与位移法3. 拱形半衬砌隧道的结构计算： ( 1)半衬砌结构可简化为弹性固定平面无铰拱(计算模型) (2)拱顶截面建立位移协调方程，由拱顶截面的位移协调方程得拱脚处的位移和转角( 3) 将拱脚位移和转角方程代入拱顶截面位移协调方程，得关于未知力X1 ，X2 的线性代数方程组，可得拱顶截面未知力( 4)各截面强度校核4. 拱形曲墙隧道的结构计算： (1)假定弹性抗力为镰刀形分布，拱形曲墙式衬砌的计算模型为墙角弹性固定而两侧受周围约束的无铰拱( 2)通过h点的变形协调条件计算弹性抗力bh(3)计算主动荷载作用下衬砌的内力(4) b h=1时衬砌的内力⑸求出最大抗力值b h(6)用叠加的方法求出衬砌内任一点的内力5. 拱形曲墙隧道的结构计算模型：竖向荷载所引起的侧墙部分的变形，将受到侧面围岩的约束，形成一个抗力区，这里假定弹性抗力为镰刀形，其量值用 3 个特征值控制：抗力上零点对一般与对称中线夹角为40°-60°；抗力下零点在拱脚处；最大抗力点h 在衬砌最大跨度处，一般在抗力区2/3 处6. 拱形直墙隧道的局部变形法:在分析拱形直墙式隧道结构时,需将拱圈与直墙分开考虑,拱圈是一个拱脚弹性固定的无铰拱,弹性抗力假定为二次抛物线分布,边墙视为弹性地基梁,全部抗力有文克勒假设确定,墙顶和拱脚弹性固结,墙脚与基岩间有较大的摩擦力,无水平位移发生,他在基岩的作用视为刚性体7•外荷载产生的位移卩hp和直墙拱的结构计算:(1)由弹性地基梁公式，计算系数卩1, 3 1,卩2, 3 2(墙顶位移)(2)由主动荷载及单位弹性抗力所产生的h点位移计算单位弹性抗力所产生的位移h b (3)由口hp和口h b求得弹性抗力b h (4)根据任一截面i处的内力表达式得拱的截面内力( 5)求出直梁的内力( 6)校核8•隧道衬砌结构计算的矩阵力法计算步骤：(1)计算［F0］(2)计算［丫SX］并将其转化为［丫SX］'⑶计算［丫SP］并将其转化为［丫SP］' (4)计算［Fxx］,［Fxp］(5)计算赘余力{x} (6)计算衬砌单元节点{s} ( 7)计算衬砌节点位移{ S }9•隧道衬砌结结构计算的矩阵位移法计算步骤：(1)计算衬砌单元刚度位移矩阵( 2)计算链杆刚度( 3)计算墙底支座的刚度矩阵( 4)集成总体刚度矩阵,并计算各元素值( 5)消去已知位移( 6)计算节点位移( 7)计算单元节点力10•拱形直墙计算模型：拱圈是一个拱脚弹性固定的无铰拱，拱圈弹性抗力假定为二次抛物线分布,边墙视为弹性地基梁,全部抗力由文壳勒假设确定。
隧道的结构简介
隧道的结构构造道路隧道结构构造由主体构造物和附属构造物两大类组成。
主体构造物是为了保持贮存岩体的稳定和行车安全而修建的人工永久建筑物，通常指洞身衬砌和洞门构造物。
洞身衬砌的平纵、横断面的形状由道路隧道的几何设计确定，衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定。
在山体坡面有发生崩坍和落石可能时，往往需要接长洞身或修筑明洞。
洞门的构造型式由多方面的因素决定，如岩体的稳定性、通风方式、照明状况、地形地貌以及环境条件等。
附属构造物是主体构造物以外的其他建筑物，是为了运营管理、维修养所、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的构造物。
1、衬砌结构的类型山岭隧道的衬砌结构形式，主要是根据隧道所处的地质地形条件，考虑其结构受力的合理性、施工方法和施工技术水平等因素来确定的。
随着人们对隧道工程实践经验的积累，对围岩压力和衬砌结构所起作用的认识的发展，结构形式发生了很大变化，出现各种适应不同的地质条件的结构类型，大致有下列几类。
1)直墙式衬砌直墙式衬砌形式通常用于岩石地层垂直围岩压力为主要计算荷载、水平围岩压力很小的情况。
对于道路隧道，直墙式衬砌结构的拱部，可以采用割圆拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱。
三心圆拱指拱轴线由三段圆弧组成，其轴线形状比较平坦时称为坦三心圆拱，形状较尖时称为尖三心圆拱，平时即为割圆拱。
2)曲墙式衬砌通常在III类以下围岩中，水平压力较大，为了抵抗较大的水平压力把边墙也做成曲线形状。
当地基条件较差时，为防止衬砌沉陷，抵御底鼓压力，使衬砌形成环状封闭结构，可以设置仰拱。
3)喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌这些衬砌与上述传统的衬砌方法有本质上的区别，这里仅介绍其结构形式。
为了使喷混凝土结构的受力状态趋于合理化，要求用光面爆破开挖，使洞室周边平顺光滑，成型准确，减少超欠挖。
然后在适当的时间喷混凝土，即为喷混凝土衬砌。
根据实际情况，需要安装锚杆的则先装设锚杆，再喷混凝土，即为喷锚衬砌。
如果以喷混凝土、锚杆或钢拱支架的一种或几种组合作为初次支护对围岩进行加固，维护围岩稳定防止有害松动。
隧道结构设计
一、衬砌1衬砌形式整体式模筑混凝土衬砌—就地灌筑混凝土衬砌装配式衬砌—将衬砌分成若干块构件，这些构件在现场或工厂预制，然后运到坑道内用机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌。
喷锚支护—喷射混凝土和加设锚杆、金属网和钢架共同支护复合式衬砌—外衬和内衬两层，所以也叫它为“双层衬砌”2衬砌的适用条件整体式模筑混凝土衬砌—对地质条件的适用性较强，易于按需要成型，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件，如可用木模板、钢模板或衬砌模板台车等装配式衬砌—拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。
目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中采用。
喷锚支护—喷锚支护是目前常用的一种围岩支护手段，适用于各种围岩地质条件，但是若作为永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、完整、稳定的地段中采用。
复合式衬砌—是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条件，有其广阔的发展前途。
3衬砌的一般结构要求混凝土与钢筋混凝土隧道工程所用的混凝土强度等级不应低于C15洞门用混凝土整体灌筑，其强度不应低于C20强度等级对于衬砌段不应低于C20，对于洞门不应低于C15片石混凝土在岩层较好地段的边墙衬砌，可采用片石混凝土（片石的掺量不应超过总体积的20%）。
当起拱线以上1m以外部位有超挖时，其超挖部分也可用片石混凝土进行回填。
选用的石料要坚硬，其强度等级不应低于MU40，有裂隙和易风化的石料不应采用。
石料和混凝土预制块石料或混凝土预制块用强度等级不低于M10的水泥砂浆砌筑衬砌。
石料的强度等级不应低于MU60，并且有裂隙和易风化的石料不应采用。
混凝土预制块强度等级不应低于MU20。
喷射混凝土喷射混凝土的强度等级采用C20，所用的水泥应优先采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥喷射钢纤维混凝土中的钢纤维宜采用普通碳素钢制成，等效直径为0.3～0.5㎜的方形或圆形断面，长度宜为20～25㎜锚杆锚杆的杆体宜用20 MnSi钢筋，也可采用Q235钢筋；缝管式锚杆宜采用16 MnSi钢管，亦可采用Q235钢管；锚杆直径宜为18～22㎜，垫板可采用Q235钢板。
中南大学隧道工程简答题
第0章绪论1.交通隧道的主要功能?交通隧道又分铁路隧道，公路隧道，地下铁道，水底隧道，航运隧道，人行地道，它们的作用是提供运输的孔道，其主要功能有：①克服高程障碍。
②裁弯取直，缩短线路。
③避开不良地质地段。
④避开其他重要建筑或工程等。
2.工程隧道的特点？优点：①缩短线路长度，减少能耗。
②节约地皮。
③有利于环境保护。
④应用范围广泛。
缺点：①造价较高。
②施工期限长。
③施工作业环境和条件较差。
3.隧道：一种修建在地下，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通过的工程建筑物。
4.隧道洞口位置选择的总原则与目的？①总原则：早进洞、晚出洞。
②目的：确保施工、运营的安全。
5.隧道纵坡的型式、适用条件、限制坡度？①纵坡型式：人字坡和单面坡；②适用条件：人字坡常出现在越岭隧道、长大隧道中，单面坡多用于线路的紧坡地段或是展线地区及河谷隧道中，以利争取高程；③限制坡度：隧道内最大限制坡度——铁路≥3‰，公路不大于3%，不小于0.3%。
第二章1、确定隧道建筑限界需要考虑哪些因素？A.铁路隧道：各种型号的机车和车辆在横断面尺寸上的最大的需要、列车装在货物的不同情况；B.公路隧道：行车道宽度(W)、路缘带(S)、侧向宽度(L)、人行道(R)或检修道(J) 、当设置人行道时含余宽(C)、道数2、比较铁路隧道与公路隧道在建筑限界与曲线加宽等方面的异同？相同点：车辆在曲线上行驶时，均是由于车辆内情和偏移，导致车辆通过所需要的面积增大，为了车辆正常通过，而需要对建筑限界，和曲线进行加宽、不同点：铁路隧道的建筑限界是固定统一的，而公路的隧道的建筑限界则取决于公路等级，地形车道数等条件，公路隧道的附属设施要求较高，每座隧道均会因交通量的不同而有不同的要求3、比较铁路隧道与公路隧道衬砌断面，思考有哪些因素会影响到断面形状？隧道内轮廓线必须满足建筑限界净空的要求，结构的任何部位都不应该侵入限界以内要考虑附属设施的富余量，采用施工方法要确保断面形状与尺寸有利于隧道稳定从经济观点出发，保证土石开挖量和圬工量最省结构的轴线符合荷载作用下的所决定的压力线，充分利用材料的抗压性能，另外还要考虑围岩等级，地质条件地下水，覆盖层厚度，车辆型号车道数等等4.隧道净空：隧道衬砌内轮廓所包含的空间。
隧道受力结构知识分享
具压密或成岩作用的粘性土、
粉土及砂类土，一般钙质、铁 质胶结的碎(卵)石土、大块石土， 黄土(Q1、Q2)
1.5～3.0
Ⅴ
软岩，岩体破碎至极破碎； 全部极软岩及全部极破碎岩(包括受 构造影响严重的破碎带)
一般第四系坚硬、硬塑粘性土，
隧道围岩与支护结构的共同作用
收敛和约束的概念 开挖隧道时，由于临空面的形成，围岩开始向洞内产生位移，这种
位移我们称之为收敛。若岩体强度高，整体性好、断面形状有利，岩 体的变形到一定程度，就将自行停止，围岩是稳定的。反之，岩体的 变形将自由地发展下去，最终导致隧道围岩整体失稳而破坏。在这种 情况下，应在开挖后适时地沿隧道周边设置支护结构，对岩体的移动 产生阻力，形成约束。相应地支护结构也将承受围岩所给予的反力， 并产生变形。如果支护结构有一定的强度和刚度，这种隧道围岩和支 护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与围岩应力之间达 到平衡为止，从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系。这时的隧道 围岩应力状态称为三次应力状态。
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结构变形 或破坏的作用力。
一、围岩压力分类 围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为如下几种类型：
1. 松动压力 由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力的形式直接作用在支护结构上压力
称为松动压力。 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结构(如锚喷支护等)的抑
稍密及以上、稍湿、潮湿的碎 (卵)石土、圆砾土、角砾土、粉 土及黄土(Q3、Q4)
1.0～2.0
Ⅵ
受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉 软塑状粘性土、饱和的粉土、 ＜1.0(饱和状态
盾构隧道施工期衬砌管片受力特性及其影响分析
01 引言
03 问题陈述
目录
02 文献综述 04 研究方法
目录
05 结果与讨论
07 未来研究方向和问题
06 结论 08 参考内容
引言
盾构隧道是一种常见的地下工程建设形式，其施工期衬砌管片作为维持隧道 结构稳定性的关键组成部分，对于保障施工安全和后期运营具有重要意义。本次 演示将从盾构隧道施工期衬砌管片的受力特性及其影响分析的角度出发，探讨盾 构隧道施工期衬砌管片的力学行为和安全性。
2、衬砌管片的受力特性如何随 施工进程发生变化？
3、不同工况下衬砌管片的受力 特性有何差异？
4、衬砌管片的受力特性如何影 响隧道结构的稳定性？
研究方法
本次演示采用文献调研和数值模拟相结合的方法，对盾构隧道施工期衬砌管 片的受力特性及其影响进行分析。具体步骤如下：
1、通过文献调研了解盾构隧道施工期衬砌管片受力特性的研究现状和发展 趋势；
在接缝防水方面，由于水下大直径盾构隧道穿越的地质条件复杂，防水问题 一直是施工中的难点。接缝防水作为防水工程中的关键环节，对隧道的防水效果 起着至关重要的作用。因此，针对接缝防水技术的研究也是十分必要的。
为了更好地研究水下大直径盾构隧道管片衬砌力学特性及接缝防水问题，建 议采取以下措施：首先，在进行隧道设计时，应充分考虑隧道所处的地质环境、 水文条件等因素，选择适当的管片衬砌形式和材料；其次，在施工过程中，要严 格控制管片的生产、拼装和质量，确保接缝的施工质量；最后，针对防水材料和 工艺进行研究，选择适合水下环境的防水材料和工艺，提高隧道的防水性能。
随着城市化进程的加快，地下空间的开发利用越来越受到人们的。水下大直 径盾构隧道作为一种重要的地下交通设施，在提高城市交通能力和缓解交通压力 方面具有重要作用。然而，水下大直径盾构隧道施工难度大，易受水压、土压等 多种因素影响，因此，研究其管片衬砌力学特性及接缝防水问题具有重要意义。
隧道结构受力分析
隧道结构受力分析隧道结构受力分析是指对隧道结构在受到外力作用下的力学响应进行分析，以便确定隧道结构的强度和稳定性。
隧道结构受力分析需要考虑各种力的作用，包括自重、地表荷载、地震力、水力作用等等。
下面将对常见的隧道结构受力分析进行详细说明。
首先，隧道结构的自重会对其产生垂直方向的力。
根据隧道结构的形状和材料的密度，可以计算出隧道结构的单位长度自重。
在计算受力时，需要考虑隧道纵向的自重分布，以及隧道横截面的自重对结构产生的弯曲和剪切效应。
其次，地表荷载是指上方土层的重力作用所导致的力。
地表荷载会对隧道结构产生水平和垂直方向的力。
在受力分析中，需要考虑到地表荷载的分布和变化，以及土层的物理特性和力学参数。
对于隧道中地表上方存在的建筑物和交通载荷等附加荷载，也需要进行相应的计算和分析。
地震力是指地震发生时地壳的震动所产生的力。
地震力会对隧道结构产生水平和垂直方向的力。
在隧道结构的受力分析中，需要考虑到地震的级数、距离和方向，以及隧道结构的地震响应特性。
地震力对隧道结构的影响会引起结构的振动、位移和变形等，因此需要进行详细的分析。
水力作用是指水流对隧道结构产生的力。
对于水流较大的地下水位，需要考虑隧道结构的抗水压力。
根据隧道结构的形状和长度，可以计算出水流对隧道的压力。
在受力分析中，还需要考虑到水流的流动速度和方向，以及隧道结构的地下水位。
水力作用可能导致隧道结构的渗流和浸润，对结构的破坏产生重要影响。
此外，隧道结构还需要考虑到温度变化、地质变形和建筑物的载荷等因素。
温度变化会导致隧道结构的热膨胀和收缩，产生热应力。
地质变形包括岩体的压缩和断裂，会对隧道结构产生附加应力。
建筑物的载荷，如车辆的振动和行驶荷载，会对隧道结构产生动力荷载。
这些因素在受力分析中也需要进行考虑。
综上所述，隧道结构受力分析需要综合考虑自重、地表荷载、地震力、水力作用、温度变化、地质变形和建筑物载荷等因素的作用。
通过对这些因素的计算和分析，可以确定和评估隧道结构的强度、刚度和稳定性，为隧道的设计和施工提供科学依据。
隧道结构构造详解(内容详实)
③注意在拱脚做平台以支撑拱圈，两侧岩壁喷浆敷面阻止风
化和少量地下水的课渗件类透。
36
（2）大拱脚 产生于先拱后墙法施工，为了节省圬工，采用大拱脚薄边墙衬砌
最大的问题是大拱脚支座施工困
难，在非均质岩层中很难用钻爆
法做出整齐稳定的支座。
课件类
37
（3）降低边墙建筑材料等级或采用花边墙
在地质条件尚好，侧压力不大，如围岩完整性比较好的 Ⅰ—Ⅱ类围岩中，但又不宜采用半衬砌时，为了节省边墙 圬工，可以简化边墙：
上部拱圈
竖直边墙
下部铺底
课件类
35
（一）直墙式衬砌
（1）半衬砌（省去边墙） 3、几种特殊情况 （2）大拱脚
（3）降低边墙建筑材料等级或采用花边墙 （1）半衬砌（省去边墙）
①多用于地质条件极好、岩层坚硬完整也没有地下水侵入的情况 ②对于一些侧压力很大的较软的岩层或土层，为了避免直 墙承受较大的压应力，也可采用落地拱形式。
按现代围岩承载理论设计和施作。
我国铁路隧道、高等级公路隧道已普遍采用复合式衬砌。
课件类
31
二、整体式模筑混凝土衬砌（单层衬砌）
整体式模筑混凝土衬砌，是在坑道 内树立摸板、拱架，然后浇灌混凝土而 成，具有较大的厚度和刚度。适用于不 同的地质条件，易于按需成形，整体性 强，抗渗性好，且适合多种施工方法， 因此，在我国隧道工程中广泛使用，技 术成熟，适用多种围岩条件，特别是在 隧道洞口段、浅埋段及围岩很差的软弱 围岩中采用整体式衬砌较为稳妥可靠。
线隧道也采用曲
墙有仰拱的衬砌。
课件类
41
（二）曲墙式衬砌
2、结构组成
侧面曲边墙
仰拱的作用？
①抵御底部围岩压力 ②防止衬砌沉降 ③使衬砌形成一个环状 的封闭整体结构以提高 衬砌的承载能力。
隧道支护结构计算计算模型及方法
隧道支护结构计算计算模型及方法隧道工程中，隧道支护结构的设计是一个至关重要的环节。
为了保证施工安全和隧道工程的长期稳定运行，需要使用科学的计算模型和方法对隧道支护结构进行设计和分析。
本文就隧道支护结构的计算计算模型及方法进行探讨。
一、计算模型的选择在隧道支护结构设计中，常用的计算模型有数值模型和解析模型两种。
数值模型是利用数值计算方法对隧道支护结构进行力学计算和分析，是一种较为常见和精确的计算方法。
数值模型可以根据隧道的具体条件和支护结构的特点，选取适当的有限元模型或离散元模型进行计算。
该模型考虑了材料的非线性和复杂的力学特性，可以较为真实地模拟隧道的受力情况。
解析模型是利用解析方法对隧道支护结构进行力学计算和分析，是一种简化和推导的计算方法。
解析模型常用的方法有弹性理论、弹塑性理论和弹性刚度法等。
解析模型适用于支护结构形状规则和材料较为简单的情况，计算速度快、结果相对准确。
根据具体情况，可以综合考虑数值模型和解析模型的特点，选择合适的计算模型进行隧道支护结构的设计和分析。
二、计算方法的应用1.强度计算方法隧道支护结构在受到地压和地震力等外载荷作用下，需要具备足够的强度来保证工程的稳定安全。
强度计算方法是根据支护材料的承载能力和结构的变形特点，对支护结构的强度进行计算和分析。
常用的强度计算方法有等效应力法、荷载传递法和有限元法等。
2.变形计算方法隧道支护结构在受到外力作用时会产生一定的变形，为了掌握支护结构的变形特点和变形范围，需要进行相应的变形计算和分析。
变形计算方法可以通过数值模型或解析模型进行，主要考虑隧道支护结构的刚度、材料的变形特性和支护结构与周围土层的相互作用。
3.稳定性计算方法稳定性是指隧道支护结构在受到外力作用时不发生破坏或失稳的能力。
稳定性计算方法是通过对支护结构的受力特点和受力平衡条件进行计算和分析，判断支护结构的稳定性。
常用的稳定性计算方法有平衡条件法、位移平衡法和有限元分析法等。
隧道的结构简介
隧道的结构构造道路隧道结构构造由主体构造物和附属构造物两大类组成。
主体构造物是为了保持贮存岩体的稳定和行车安全而修建的人工永久建筑物，通常指洞身衬砌和洞门构造物。
洞身衬砌的平纵、横断面的形状由道路隧道的几何设计确定，衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定。
在山体坡面有发生崩坍和落石可能时，往往需要接长洞身或修筑明洞。
洞门的构造型式由多方面的因素决定，如岩体的稳定性、通风方式、照明状况、地形地貌以及环境条件等。
附属构造物是主体构造物以外的其他建筑物，是为了运营管理、维修养所、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的构造物。
1、衬砌结构的类型山岭隧道的衬砌结构形式，主要是根据隧道所处的地质地形条件，考虑其结构受力的合理性、施工方法和施工技术水平等因素来确定的。
随着人们对隧道工程实践经验的积累，对围岩压力和衬砌结构所起作用的认识的发展，结构形式发生了很大变化，出现各种适应不同的地质条件的结构类型，大致有下列几类。
1)直墙式衬砌直墙式衬砌形式通常用于岩石地层垂直围岩压力为主要计算荷载、水平围岩压力很小的情况。
对于道路隧道，直墙式衬砌结构的拱部，可以采用割圆拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱。
三心圆拱指拱轴线由三段圆弧组成，其轴线形状比较平坦时称为坦三心圆拱，形状较尖时称为尖三心圆拱，平时即为割圆拱。
2)曲墙式衬砌通常在III类以下围岩中，水平压力较大，为了抵抗较大的水平压力把边墙也做成曲线形状。
当地基条件较差时，为防止衬砌沉陷，抵御底鼓压力，使衬砌形成环状封闭结构，可以设置仰拱。
3)喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌这些衬砌与上述传统的衬砌方法有本质上的区别，这里仅介绍其结构形式。
为了使喷混凝土结构的受力状态趋于合理化，要求用光面爆破开挖，使洞室周边平顺光滑，成型准确，减少超欠挖。
然后在适当的时间喷混凝土，即为喷混凝土衬砌。
根据实际情况，需要安装锚杆的则先装设锚杆，再喷混凝土，即为喷锚衬砌。
如果以喷混凝土、锚杆或钢拱支架的一种或几种组合作为初次支护对围岩进行加固，维护围岩稳定防止有害松动。
隧道的结构简介
隧道的结构构造道路隧道结构构造由主体构造物和附属构造物两大类组成。
主体构造物是为了保持贮存岩体的稳定和行车安全而修建的人工永久建筑物，通常指洞身衬砌和洞门构造物。
洞身衬砌的平纵、横断面的形状由道路隧道的几何设计确定，衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定。
在山体坡面有发生崩坍和落石可能时，往往需要接长洞身或修筑明洞。
洞门的构造型式由多方面的因素决定，如岩体的稳定性、通风方式、照明状况、地形地貌以及环境条件等。
附属构造物是主体构造物以外的其他建筑物，是为了运营管理、维修养所、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的构造物。
1、衬砌结构的类型山岭隧道的衬砌结构形式，主要是根据隧道所处的地质地形条件，考虑其结构受力的合理性、施工方法和施工技术水平等因素来确定的。
随着人们对隧道工程实践经验的积累，对围岩压力和衬砌结构所起作用的认识的发展，结构形式发生了很大变化，出现各种适应不同的地质条件的结构类型，大致有下列几类。
1)直墙式衬砌直墙式衬砌形式通常用于岩石地层垂直围岩压力为主要计算荷载、水平围岩压力很小的情况。
对于道路隧道，直墙式衬砌结构的拱部，可以采用割圆拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱。
三心圆拱指拱轴线由三段圆弧组成，其轴线形状比较平坦时称为坦三心圆拱，形状较尖时称为尖三心圆拱，平时即为割圆拱。
2)曲墙式衬砌通常在III类以下围岩中，水平压力较大，为了抵抗较大的水平压力把边墙也做成曲线形状。
当地基条件较差时，为防止衬砌沉陷，抵御底鼓压力，使衬砌形成环状封闭结构，可以设置仰拱。
3)喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌这些衬砌与上述传统的衬砌方法有本质上的区别，这里仅介绍其结构形式。
为了使喷混凝土结构的受力状态趋于合理化，要求用光面爆破开挖，使洞室周边平顺光滑，成型准确，减少超欠挖。
然后在适当的时间喷混凝土，即为喷混凝土衬砌。
根据实际情况，需要安装锚杆的则先装设锚杆，再喷混凝土，即为喷锚衬砌。
如果以喷混凝土、锚杆或钢拱支架的一种或几种组合作为初次支护对围岩进行加固，维护围岩稳定防止有害松动。
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Ⅴ
1.0～2.0
Ⅵ
＜1.0(饱和状态 的土＜1.5)
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结构变形 或破坏的作用力。
一、围岩压力分类 围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为如下几种类型： 1. 松动压力 由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力的形式直接作用在支护结构上压力 称为松动压力。 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结构(如锚喷支护等)的抑 制，而使围岩与支护结构共同变形的过程中，围岩对支护结构施加的接触压 力。 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。 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之后，由于隧道的开挖， 围岩约束被解除，能量突然释放所产生的压力。
施工控制三要素
保证结构尺寸 达到结构强度 满足使用功能
隧道的特点
（1）隧道是由围岩和多种支护结构两部分 组成的，即： 隧道 = 围岩 + 支护 围岩与支护共同承担山体的压力。 （2）隧道承受的压力具有不确定性。 2 （3）支护体系是控制围岩变形的关键。 为有效控制隧道工程安全风险，避免或减 少坍方事故发生，应以“充分调动围岩的 承载能力，有效控制围岩变形和松弛”为 设计理念，按新奥法原理进行软弱围岩隧 道设计。
隧道围岩与支护结构的共同作用
收敛和约束的概念 开挖隧道时，由于临空面的形成，围岩开始向洞内产生位移，这种 位移我们称之为收敛。若岩体强度高，整体性好、断面形状有利，岩 体的变形到一定程度，就将自行停止，围岩是稳定的。反之，岩体的 变形将自由地发展下去，最终导致隧道围岩整体失稳而破坏。在这种 情况下，应在开挖后适时地沿隧道周边设置支护结构，对岩体的移动 产生阻力，形成约束。相应地支护结构也将承受围岩所给予的反力， 并产生变形。如果支护结构有一定的强度和刚度，这种隧道围岩和支 护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与围岩应力之间达 到平衡为止，从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系。这时的隧道 围岩应力状态称为三次应力状态。
-
-
3.5～4.5
Ⅲ
-
2.5～4.0
Ⅳ
具压密或成岩作用的粘性土、 粉土及砂类土，一般钙质、铁 质胶结的碎(卵)石土、大块石土， 黄土(Q1、Q2) 一般第四系坚硬、硬塑粘性土， 稍密及以上、稍湿、潮湿的碎 (卵)石土、圆砾土、角砾土、粉 土及黄土(Q3、Q4) 软塑状粘性土0
隧道受力分析
• 隧道的结构体系是由围岩和支护结构共同
组成的。其中围岩是主要的承载元素，支 护结构是辅助性的，但通常也是必不可少 的，在某些情况下，支护结构主要起承载 作用。
隧道三次应力状态
隧道开挖前岩体处于初始应力状态，谓之一次应力状态；开挖隧道后 引起了围岩应力的重分布，同时围岩将产生向隧道内的位移，形成了 新的应力场，称之为围岩的二次应力状态，这种状态受到开挖方式 (爆破、非爆破)和方法(全断面开挖、分部开挖等)的强烈影响。如果 隧道围岩不能保持长期稳定，就必须设置支护结构，从隧道内部对围 岩施加约束，控制围岩变形，改善围岩的应力状态，促使其稳定，这 就是三次应力状态。显然这种状态与支护结构类型、方法以及施设时 间等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结 构，这样，这个力学过程才告结束。
根据岩石坚硬程度和岩体完整程度将围岩分为6级(见下表)。
围岩 级别 Ⅰ Ⅱ 岩体特征 土体特征 围岩弹性纵波 速度(km/s) ＞4.5
极硬岩，岩体完整 极硬岩，岩体较完整； 硬岩，岩体完整 极硬岩，岩体较破碎； 硬岩或软硬岩互层，岩体较完整； 较软岩，岩体完整 极硬岩，岩体破碎； 硬岩，岩体较破碎或破碎； 较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主 ，岩体较完整或较破碎； 软岩，岩体完整或较完整 软岩，岩体破碎至极破碎； 全部极软岩及全部极破碎岩(包括受 构造影响严重的破碎带) 受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉 末、泥土状的断层带
荷载—结构模型
隧道衬砌结构受力变形特点 隧道衬砌在围岩压力 作用下要产生变形 在隧道拱顶，其变形 背向围岩，不受围岩的约 束而自由地变形，这个区 域称为“脱离区”；而在 隧道的两侧及底部，结构 产生朝向围岩的变形，受 到围岩的约束作用，因而 围岩对隧道衬砌结构产生 了约束反力(弹性抗力)， 这个区域称为“抗力区”。 隧道衬砌结构受力变形特点