17-2隧道工程第5章隧道支护结构设计

5.1 隧道结构的设计模型

一、计算理论（力学模型）发展历史

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

将地下结构视为刚性结构的压力线理论。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。

2.弹性结构阶段

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。

作用在结构上的压力：围岩坍落体积内松动岩体的重力——松动压力。并考虑了地层对结构产生的弹性反

力的约束作用。

对于围岩自身承载能力的认识有又分为两个阶段：

（1）假定弹性反力阶段（2）弹性地基梁阶段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

共同变形弹性地基梁理论

3.连续介质阶段

坑道开挖——向洞室内变形而释放的围岩压力——支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。

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。

二、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）

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——松弛（动）荷载理论

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。

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。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（荷载—结构模型、作用—反作用模型）

2、岩体力学模型——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。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。

（围岩—结构模型、复合整体模型、

收敛—约束模型）

第2节矿山法隧道的设计与计算

一、结构选型

•初支锚喷结构

I/II/III/VI经验确定IV/V计算确定

•二衬

I/II/III构造设计

IV/V/VI计算设计

二

、荷载确定荷载结构法松动压力

地层结构法释放荷载（形变压力）

第2节矿山法隧道的设计与计算

1、围岩松动压力的形成

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。

（

1）变形阶段（a ）

（2）松动阶段（b ）

（3）塌落阶段（c ）

（4）成拱阶段（d ）

“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：

（3）施工因素

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．

（2）隧道的埋深

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。

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。

自然拱范围影响因素

（一）深埋隧道围岩松动压力的确定方法

*1、《铁/公路隧道设计规范（隧规）》推荐方法

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，而与隧道埋置深度无关。

2、普氏理论

3、泰沙基理论

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

γ

γ⨯⨯=⨯=s

q 79.141.0h q 单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时及公路隧道γω

γ⨯⨯=⨯=-1S q 2

45.0h q 垂直压力q 水平分布松动压力e

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，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。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．

公式适用条件

)5B (i 1-+=ωγγ⨯⨯=⨯=s q 79.141.0h q γωγ⨯⨯=⨯=-1S q 245.0h q s q 79.141.0h ⨯=ω⨯⨯=-1S q 245.0h