第五章隧道结构体系
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
隧道支护结构体系及其协同作用
隧道支护结构体系及其协同作用摘要隧道支护体系由衬砌支护结构、锚杆支护结构和钢架支护结构组成。
有效控制隧道围岩变形，充分利用不同支护方法的特点，制定经济有效的支护方案，对确保隧道结构的安全运行具有重要意义。
根据隧道围岩结构的基本特征和支护功能，本文阐明了支护结构系统与围岩、不同支护结构和支护结构组成之间的协同关系，提出了隧道支护结构系统的协同优化设计方法。
关键词：隧道工程；支护结构体系；协同作用；支护结构设计1引言基于对围岩结构和荷载作用的认识，国内外许多学者阐述了支护结构的基本作用，形成了各种隧道设计理论和方法[[1]]。
隧道设计理论与工程实践脱节，超前支护、锚杆支护和初期支护的方案和参数主要由工程经验决定。
因此，研究围岩与支护结构的协同作用是十分必要和迫切的。
2支护结构的作用机理分析2.1隧道支护结构体系使围岩尽快形成新的稳定状态而不发生失稳和破坏，是隧道工程设计的基本问题，应采用超前支护、一次支护、二次衬砌等支护结构。
2.2衬砌支护根据关键块体理论，在自然条件下，根据空间结构面将围岩划分为不同的块体。
隧道开挖卸载后，部分块体首先失去自然平衡，导致围岩失稳甚至局部坍塌。
在此过程中，打破平衡的第一个区块是关键区块，而其他区块分为稳定区块、静态区块和潜在关键区块。
通过对隧道围岩稳定性的分析，确定关键块体的加固位置，控制隧道整个松弛区的位移[[2]]。
2.3锚杆支护经典的锚杆理论经历了三个发展阶段。
1）悬吊理论。
该理论认为，锚杆使隧道壁顶部松动的岩体挤压上部密实的围岩，阻止顶部松动的围岩脱落，从而防止隧道顶部出现离层现象。
2）组合梁理论。
与悬吊理论有相似之处，也认为隧道顶板的围岩是分层岩层，不同点在于，组合梁视隧道侧壁与顶部的交接点为支点，利用岩梁的支承作用承担其上部的岩层载荷。
组合梁内各岩层通过锚杆的联系保持协调变形，提高了抗弯能力，并且挠度也减小[[3]]。
3）加固拱理论。
这个理论认为锚杆对岩体有径向挤压的作用，待顶部岩层内应力稳定后，锚杆两侧会分别形成一个扇形的受压锚固区域，如果相邻锚杆的间距排布合理，单个锚杆的锚固区能相互叠加，松动区内形成厚度均匀的压缩带，改善岩层应力状态，有效控制位移。
5.1围岩的应力场与支护结构
s
2P0
sr
r0
P0 r
（图中P0=ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱc）
王丽琴主讲
从上面的曲线得出规律：
1. 随着向岩体内部的深入，应力变化幅度减小，最后接近 于初始应力状态。如r=6r0处，其变化只有3%左右，因此 可以大致认为在此范围以外的岩体不受工程的影响；
2. 孔壁部位变化最大，法向正应力 sr 从 Hc 变到 0 ，而切向 正应力s从Hc变到2Hc ，而且呈单向受压状态。当该值 大于岩体的单轴抗压强度Rc，就可能出现破坏。 Hc/ Rc 就成为反映岩体状态的一个指标。
f
2 1 2 2
式中的R1、R2是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标。
王丽琴主讲
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{s}3和位移场{u}3 ，以及支护结构的内力{M}和位移{d}。 5 判断支护结构安全度的准则，一般可写成：
f1 M , K1 0 F2 d , K2 0
王丽琴主讲
三、无支护坑道的稳定性及其破坏
坑道稳定性是指隧道围岩在开挖过程中， 在不设任何支护情况下所具有的稳定程度。
无支护坑道围岩的失稳破坏有三种形式：
王丽琴主讲
①局部崩坍
原因：破碎岩体的自重超过了岩体阻力。
发生部位：多数发生在顶部，少数在侧壁处。
②拱形崩坍 原因：岩体强度不足，即强度破坏（脆性破坏） 发生在脆性岩体中，侧壁先开始出现破坏（压裂、剪切 破坏）。 ③变形崩坍：发生在塑性岩体中 原因：变形过度而导致崩坍。
式中的K1、K2是支护结构材料的物理力学参数。
王丽琴主讲
第二节
围岩的二次应力场和位移场
在隧道开挖以前，围岩处于初始应力状态，也称为初始应 力场{s}0，它通常总是稳定的。与其相适应的位移场{u}0 。 隧道开挖后，地应力自我调整，出现相应位移，称为二 次应力场及位移场（ {s}2 及 {u}2 ），如果围岩的一部分出现 塑性以至松弛，就在适时修筑支护，给围岩以反力并约束其 自由位移，这样两者结合成一个体系，应力再次调整，围岩 出现三次应力场及位移场（{s}3及{u}3）。
隧道结构体系的抗震设计研究
隧道结构体系的抗震设计研究一、引言隧道结构是一种有着广泛用途的地下结构体系，其应用范围包括地铁隧道、公路隧道、水利隧道等。
在地震等自然灾害下，隧道结构的安全性极为重要。
因此，有效的抗震设计是隧道结构必需的技术措施之一。
本文将深入探讨隧道结构体系的抗震设计，以期提高隧道工程的抗震能力。
二、隧道结构体系1. 隧道结构体系的概述隧道结构通常由隧道顶板、隧道中央围岩、隧道底板、侧墙等构成。
隧道结构体系应对外界荷载（如风荷载、车辆荷载等）产生的变形应力起支撑刚度作用。
同时，隧道结构体系对地震荷载的抵抗也极为关键。
2. 隧道结构体系的力学模型针对隧道结构体系，常见的力学模型一般分为弹性模型、塑性模型、弹塑性模型等。
其中，弹塑性模型是比较实用的建模方法，它既考虑了隧道结构的弹性形变，也考虑了隧道结构在超过弹性极限时的塑性形变。
3. 隧道结构体系的抗震研究隧道结构体系的抗震研究是一项十分复杂的工作。
其主要考虑隧道结构在地震荷载下的动态响应问题。
隧道结构在地震作用下会产生地震反应，从而引起结构的应力变化。
如未按照规范进行合理的设计措施，隧道结构将有可能发生破坏。
三、隧道结构体系抗震设计的方法1. 隧道结构的地震设计规范目前国内已有一系列的地震设计规范，对于隧道结构的抗震设计提供了比较详细的要求，其中包括新《地震动规定》、《混凝土结构抗震设计规范》、《公路隧道设计规范》等。
2. 基于试验的隧道结构抗震设计方法隧道结构抗震设计方法中，试验模拟是十分重要的一环。
通常，建立隧道模型可以采用等比例缩小的方式进行。
通过试验，可以检验抗震设计方法的可行性和有效性，为工程实践提供了重要的依据。
3. 数值模拟方法在隧道结构抗震设计中的应用目前，随着计算机技术和数值模拟技术的不断进步，数值模拟方法在隧道结构抗震设计中显得越来越重要。
该方法可以较好地为隧道结构的抗震设计提供支持，同时也可以模拟更加复杂的地震荷载情况。
四、隧道结构体系抗震设计实例以典型的公路隧道为例，对其进行隧道结构体系抗震设计。
5.6隧道结构体系的计算模型与方法
隧道开挖在力学上可以认为是一个应力释放和回弹变形问题。 当隧道开挖后，围岩中的部分初始地应力得到释放，产生了向隧 道内的回弹变形，并使围岩中的应力状态发生重分布：隧道周边 成为自由表面，应力为零。为了模拟开挖效应，求得开挖隧道后 围岩中的应力状态，可以将开挖释放掉的应力作为等效荷载加在 开挖后坑道的周边上。 (4)支护结构强度校核
2
23
王丽琴主讲
二、岩体力学方法
在隧道结构体系中，一方面围岩本身由于支护结构提供了 一定的支护抗力，而引起它的应力调整，从而达到新的稳定； 另一方面由于支护结构阻止围岩变形，也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，它是支护结构和围岩共同变形过程中对支护施加的压力， 故可称为“形变压力”。
冻胀力及地震力等。
11
王丽琴主讲
(三) 作用(荷载)组成
被动荷载
弹性抗力——支护结构发生向围岩方向的变形而引起的围 岩的被动抵抗力。
12
王丽琴主讲
弹性抗力的大小，目前常用以“温克尔(Winkler)假定” 为基础的局部变形理论来确定。 它认为 围岩的弹性抗力是与围岩在该点的变形成正比的 ， 用公式表示为：
其中：φ b 、 φ i 、 φ 分别为i、b、h点所在截面与垂直对称轴的夹角；
h
yi΄ yh΄
i点所在截面与衬砌外轮廓线的交点至最大抗力点h的垂直距离；
墙底外缘至最大抗力点h的垂直距离。
19
王丽琴主讲
(2)局部变形地基梁法
q e
局部变形地基梁法由纳 乌莫夫首创，一般用于计算 直墙拱形初砌的内力。 该法计算拱形直墙衬砌
④ 凭借现场试验和监测手段，划定围岩级别，获得力学参数， 指导施工； ⑤ 对不同的地质条件，力学特征的围岩，灵活采用不同支护 方式和相应的力学计算模型。
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
隧道结构体系的计算模型与方法
隧道结构体系的计算模型与方法王丽琴主讲第五章隧道结构体系设计原理与方法第一节概述第二节围岩的二次应力场和位移场第三节隧道围岩与支护结构的共同作用第四节支护结构的设计原则第五节围岩压力第六节隧道结构体系的计算模型第七节隧道结构体系设计计算方法王丽琴主讲第六节隧道结构体系的计算模型一、计算模型的建立原则二、常用的计算模型王丽琴主讲一、计算模型的建立原则地下结构的力学模型必须符合下列条件：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隧道过中（各作业阶段）中荷载发生的情况一致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材料性质和数学表达要等价。
王丽琴主讲目前,地下结构设计方法可以归纳为以下四种设计模型：①工程类比模型：参照过去隧道工程实践经验进行设计②监控量测模型：以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法例如通过洞周位移和衬砌应力的量测不断优化支护参数③荷载结构模型：即作用与反作用模型例如假定弹性抗力法、弹性地基梁法和弹性链杆法④地层结构模型：即连续介质模型包括解析法、数值法、特征曲线法和剪切滑移破坏法。
数值计算法目前主要是有限单元法。
王丽琴主讲第一类模型：以支护结构作为承载主体围岩作为荷载主要来源同时考虑其对支护结构的变形起约束作用传统结构力学模型第二类模型：与上述模型相反是以围岩为承载主体支护结构则约束和限制围岩向隧道内变形。
现代岩体力学模型二、常用的计算模型从各国的地下结构设计实践看目前在设计隧道的结构体系时主要采用两类计算模型：王丽琴主讲第七节隧道结构体系设计计算方法一、结构力学方法二、岩体力学方法三、以围岩分级为基础的经验设计方法四、监控设计方法（信息化设计和施工）王丽琴主讲这一类计算模型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。
属于这一类模型的计算方法有：弹性连续框架(含拱形)法假定抗力法和弹性地基梁(含曲梁和圆环)法等。
隧道结构设计基本原理
（三）隧道工程的两大理论比较
松弛荷载理论
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。
代表人物：太沙基（K.Terzaghi）和普氏
围岩承载理论
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
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）
地下结构设计计算方法
结构力学方法 岩体力学方法 信息反馈方法 经验方法
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
§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
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
20世纪中期以来，连续介质力学理论
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。
140-演示文稿-剪切滑移破坏法、复合式衬砌结构耐久性设计
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
•提出确保混凝土耐久性的施工质量关键控制要求与 措施；
•确定钢筋混凝土保护层厚度； •提出对结构应采取的防腐蚀附加措施； •明确结构使用过程中的检测、养护、维修或局部更 换的要求。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
( 一 ) 初期支护的耐久性
1. 喷混凝土 在腐蚀性严重的场合，喷混凝土的强度等级应不低 于二次衬砌混凝土的强度等级； 喷混凝土的强度要满足长期强度（ 28d ）的要求， 且 1d 的抗压强度不宜小于 10MPa 。 2. 锚杆 锚杆宜采用全长灌浆式锚杆，并应设置垫板。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
化学侵蚀环境
化学侵蚀类型
硫酸盐 侵蚀
盐类结 晶侵蚀 酸性侵
蚀 二氧化 碳侵蚀 镁盐侵
蚀
环境水中 SO42-含量 (mg/L)
强透水性环境土中 SO42-含量(mg/kg) 弱透水性环境土中 SO42-含量(mg/kg) 环境土中 SO42-含量
(mg/kg)
管理等级 Ⅲ Ⅱ Ⅰ
变形管理等级
管理位移 U＜U0/3 U0/3≤U≤2U0/3 U＞2U0/3
施工状态 可正常施工 应加强支护 应采取特殊措施
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
4. 隧道失稳的经验先兆： •局部块石坍塌或层状劈裂，喷层的大量开裂； •累计位移量已达极限位移的 2/3 ，且仍未出现收敛 减缓的迹象； •每日的位移量超过极限位移的 10 ％； •洞室变形有异常加速，即在无施工干扰时的变形速 率加大。
•在施工阶段可利用位移反分析求得的围岩力学指标 和荷载分布状况，通过计算模拟取出极限位移。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
隧道结构体系的计算模型与方法
离散元法
01
离散元法是一种基于离散化思想的数值计算方法，通过将隧道结构离散化为一 系列相互独立的离散单元，利用单元之间的相互作用关系建立模型，实现隧道 结构的数值分析。
02
离散元法适用于处理不连续或破碎的隧道结构，能够模拟岩土工程中的块体运 动和失稳过程。
03
离散元法的计算精度和效率取决于离散单元的选择和划分，以及求解算法的稳 定性和收敛性。
隧道结构体系的智能化监测与加固技术
智能化监测技术
利用传感器、无线通信和数据处理技术，对隧道结构进行 实时监测和数据采集，实现隧道结构的智能化监测和管理。
健康监测与评估
通过智能化监测技术，对隧道结构的健康状况进行实时监 测和评估，及时发现潜在的安全隐患和损伤，为隧道的维 护和加固提供科学依据。
加固技术
蚁群算法
蚁群算法是一种模拟蚂蚁觅食行为的 优化算法，通过模拟蚂蚁的信息素传 递过程来寻找最优解。在隧道结构体 系的优化设计中，蚁群算法可以用于 解决路径优化问题，如隧道出入口连 接路线的选择、内部通道布局等。
VS
蚁群算法具有分布式计算、信息共享 和鲁棒性强等优点，适用于处理离散 空间的优化问题。通过合理设置信息 素挥发速度、蚂蚁数量和迭代次数等 参数，蚁群算法能够在较短时间内找 到满足工程要求的最优解。
详细描述
弹性力学模型将隧道结构视为连续的弹性体，采用弹性力学的基本方程进行计 算，包括平衡方程、应变-位移关系、应力-应变关系等。该模型适用于隧道结 构的静力分析和稳定性分析。
有限元模型
总结词
将隧道结构离散化为有限个小的单元，通过单元的力学特性进行整体分析。
详细描述
有限元模型将隧道结构离散化为有限个小的单元，每个单元具有特定的力学特性，通过建立单元之间的相互关系， 进行整体的结构分析。该模型能够处理复杂的边界条件和材料非线性问题，适用于各种类型的隧道结构分析。
隧道支护结构计算-计算模型及方法
5.1.1 隧道结构计算的发展历史
2. 1900—1960年代
其后，不同学者和工程师们在设计隧道衬砌时采 用不同的假定来计及围岩对衬砌变形所产生的抗力， 其中温克尔(winker)局部变形理论得到了广泛应用。
与此同时，将村砌和围岩视作连续介质模型进行 分析的方法也得到了发展，其中的代表学者是H.卡 斯特勒(1960)。
5.1.2 隧道工程的力学特点
1.荷载的模糊性 隧道工程是在自然状态下的岩土地质中开挖的，隧
道周边围岩的地质环境对隧道支护结构的计算起着决定 性的作用。地面结构的荷载比较明确，而且荷载的量级 不大；而隧道结构的荷载取决于当地的地应力，但是地 应力难以进行准确测试，这就使得隧道工程的计算精度 受到影响。
8
5.1.1 隧道结构计算的发展历史
2. 1900—1960年代
1950年代以来，喷射混凝土和锚杆被广泛用作初期支护。 人们逐渐认识到，这种支护能在保证围岩稳定的同时允许 其有一定程度的变形，使围岩内部应力得到调整从而发挥 其自持作用，因此可以将内层衬砌的厚度减小很多。
3. 20世纪60年代以来
1960年代中期，随着数字电子计算机的更新和岩土本构 定律研究的进展，隧道工程分析方法进入了以有限元法为 代表的数值分析时期。这方面的代表性学者是：0.C.辛克 维奇等(1968)
12
5.1.2 隧道工程的力学特点
3.围岩—支护结构承载体系 ◆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 ◆充分发挥围岩自身承载力的重要性 4.设计参数受施工方法和施作时机的影响很大
隧道工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结 构能否承载，又要考虑围岩是否失稳。
5.隧道与地面结构受力的不同点 存在围岩抗力的作用
第五章隧道结构体系设计(原理与方法)
图5-13 支护特性曲线
对于几种支护结构型式，其支护特性曲线如图5-13所示。
五、围岩与支护结构准静力平衡状态的建立(三次应力场)
如果支护结构有足够的强度和刚度，则围岩的支护需求曲线和支护结构的支护补给曲线会相交一点，而达到平衡，这个交点都应在 或 之前。随着时间的推移，地下水位逐渐恢复，围岩物性指标恶化，锚杆锈蚀等等，这个平衡状态还将调整。
要进行支护结构设计，就必须充分认识和了解以下五方面的问题： 围岩的初始应力状态，或称一次应力状态 , 这部分内容已在第四章中作了介绍； 开挖隧道后围岩的二次应力状态 和位移场 ； 判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件即围岩稳定性准则。一般可表示为： (5-1) 式中的 、 是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标。
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。
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。
二、围岩松动压力的形成和确定的方法
作用在支护结构上的围岩松动压力总是远远小于其上覆盖地层自重所造成的压力。这可以用围岩的“成拱作用”来解释。
5 隧道结构构造
31
复合式衬砌
（一）初期支护 4、钢筋网 钢筋网喷射混凝土是在喷射混凝土之前，在岩面上
挂设钢筋网，然后再喷射混凝土。目前，我国在各类隧 道工程中应用钢筋网喷射混凝土支护的比较多，主要用 于软弱破碎围岩，而更多的是与锚杆或者钢拱架构成联 合支护。
山岭隧道
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复合式衬砌
（一）初期支护 4、钢筋网 钢筋网通常作环向和纵向布置。环向筋一般为受力
时速350 km双线铁路隧道代表性衬砌结构断面(V级围岩)
51
复合式衬砌
（三）山岭隧道复合式衬砌典型断面及部分参数 5）高速铁路隧道复合式衬砌断面
山岭隧道
时速350 km双线铁路隧道代表性衬砌结构断面(II级围岩)
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单层衬砌
（一）整体式混凝土衬砌 隧道开挖后，以较大厚度和刚度的整体模筑混凝
土作为隧道的结构。 整体式衬砌按照工程类比、不同围岩级别采用不
山岭隧道
18
复合式衬砌
（一）初期支护 2、喷射混凝土 喷混凝土的设计项目主要是喷混凝土的强度、厚度。 我国铁路隧道设计规范和公路隧道设计规范以及锚
杆喷射混凝土支护技术规范规定的喷混凝土为C20。
山岭隧道
19
复合式衬砌
（一）初期支护 2、喷射混凝土
对喷混凝土厚度的认识 ： 从饰面的角度出发，喷混凝土厚度多采用5cm，喷砂 浆的厚度可以采用3cm； 从发挥支护构件作用，厚度不宜小于8cm； 喷混凝土的最大厚度，除特殊场合外不宜大于20cm， 在特殊场合可以采用25cm。
筋，由设计确定，直径12mm左右；纵向筋一般为构造 筋，直径6~10mm；网格尺寸一般为20cmx20cm, 20cmx25cm,25cmx25cm,25cmx30cm或30cmx30cm。
《隧道工程》作业完整版
绪论思考题1.什么是隧道？2.隧道的种类有哪些？3.隧道设计包括的内容有哪些?4.和地面结构相比，隧道工程有哪些特点？5.试从隧道的广泛用途上论述学习、研究与发展隧道技术的重要意义。
6.你认为隧道工程需要解决的难题有哪些？第二章思考题1、隧道工程地质调查与勘测的内容有哪些？2、施工地质超前预报的内容有哪些？3、简述岩石与岩体的区别。
4、岩体的工程性质有哪些？5、围岩的定义，围岩分级的目的？6、围岩分级的基本因素有哪些？7、影响围岩稳定性的主要因素有哪些？8、简述我国铁路隧道设计规范的围岩分级方法。
第三章思考题：1、影响隧道位置选择的因素有哪些？2、越岭隧道与河谷隧道有何区别？它们在位置的选择上采取什么原则？3、地质条件对隧道位置选择有哪些影响？4、隧道洞口位置的选择遵循哪些原则？确定洞口位置考虑哪些因素？5、什么是隧道净空？6、铁路隧道的横断面是根据什么设计的？7、简述曲线铁路隧道加宽的原因和方法。
8、曲线铁路隧道和直线隧道衔接的方法是什么？向直线方向延长13m和22m的理由是什么？9、公路隧道建筑限界包含哪些内容？10、隧道衬砌断面设计的原则是什么？计算题1、某隧道位于半径R=800m的圆曲线上，通过三级围岩地段，设计为直墙式衬砌，曲线加宽40cm，中线偏移值d=12.5cm，外轨超高值E=9.5cm，隧道竣工后，测得DK23+15、DK23+20、DK23+25各起拱线处内外侧宽值如表1所示，试按隧限—2A计算各点侵限情况。
表12、某单线铁路隧道位于圆曲线半径R=1000m，缓和曲线长Lc=100m的曲线上，曲线全长L=309.44m ，隧道进口桩号DK27+844，出口DK28+344，ZH 点桩号DK27+958，设计最高行车速度为120km/h 。
试计算隧道加宽值W ，中线偏移值d ，并绘图说明隧道断面的变化位置、线路中线和隧道中线的关系。
1.解：cm cm E 155.9<=，cm W W d 5.122/)(21=-=，曲线加宽cm W W W 40213=+= 则：内侧加宽1W =32.5cm ，外侧加宽2W =7.5cm 。
第五章 山岭隧道矿山法施工
隧道施工方法就是指隧道的开挖与支护的施工程序及方法， 按照隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展，隧 道施工方法分为：
山岭隧道施工方法矿山法(钻爆法)新 传奥 统法 矿山法
掘进机法
明挖法
隧道施工方法浅埋及软土隧道施工方法盖 地挖 下法 连续樯法
浅埋暗挖法
盾构法
水底隧道施工方法盾 沉构 管法 法
“紧封闭”，一方面是指采取喷射混凝土等防护措施，避免因围岩长时间 暴露而致强度和稳定性衰减的情况发生，尤其针对易风化的软弱围岩；另一 方面是指要适时对围岩施作封闭形支护，及时阻止围岩变形，使支护和围岩 能进入良好的共同工作状态。
3．新奥法施工特点
（1）开挖作业多采用光面爆破和预裂爆破，并尽量采用大 断面或较大断面开挖，以减少对围岩的扰动；
（一）传统矿山法
传统的矿山法是人们在长期的施工实践中发展起来的，它是 以木或钢构件作为临时支撑，待隧道开挖成形后，逐步将临时支 撑撤换下来，而代之以整体式衬砌作为永久性支护的施工方法。
材料：木构件支撑（较少采用）、钢构件支撑。
传统矿山法的施工工序如下：
1.传统矿山法施工的基本原则是： 少扰动、早支撑、慎撤换、快衬砌，即“十二字原则”。
（二）新奥法
新奥法以既有隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，以 维护和利用围岩自稳能力为基点，将锚杆和喷射混凝土组合在 一起作为主要支护手段，及时进行支护，以便控制围岩的变形 与松弛，使围岩成为支护体系的一部分，形成了锚杆、喷射混 凝土和隧道围岩组成的三位一体的承载结构，共同支承岩体压 力。
新奥法的适用范围很广，从铁路隧道、公路隧道、城市地铁、 地下贮库、地下厂房直到水电站的输水隧洞、矿山巷道等，都 可采用新奥法施工。新奥法已在隧道工程中得到了广泛的应用。
隧道结构体系设计(原理与方法)
隧道支护结构
防水排水设计
采用复合式衬砌结构，包括初期支护和二 次衬砌。初期支护采用喷射混凝土和钢拱 架，二次衬砌采用钢筋混凝土。
采用全包防水设计，设置中心深埋水沟和 侧沟，配备专业的排水系统。
某铁路隧道结构设计
隧道长度与规模
该隧道全长8公里，为双线铁路 隧道。
结构设计原则
确保隧道结构的强度、刚度和 稳定性，满足高速铁路的行车 要求。
力。
智能材料
如形状记忆合金、压电陶瓷等， 能够感知外界刺激并作出响应， 可用于监测隧道结构的健康状况，
实现结构的自适应调节。
智能化技术在隧道结构体系中的应用
1 2 3
智能传感器技术
通过安装智能传感器，实时监测隧道结构的应力、 应变、位移等参数，为结构安全性评估提供数据 支持。
数值模拟与优化设计
利用数值模拟软件对隧道结构进行精细化建模和 分析，优化设计方案，提高结构的经济性和安全 性。
自动化施工与监控
通过自动化施工设备和智能监控系统，实现隧道 施工过程的实时监测和自动控制，提高施工效率 和安全性。
绿色环保理念在隧道结构体系中的应用
节能设计
优化隧道照明、通风等系统设计，采用节能设备和技术，降低能耗 和碳排放。
资源循环利用
对隧道施工过程中的废旧材料进行回收和再利用，减少资源浪费和 环境污染。
结构的耐久性。
03
隧道结构体系设计方法
隧道结构的断设计
根据隧道的功能和用途，确定隧道的断面形状和 尺寸，以满足行车、行人的安全和舒适性要求。
考虑地质条件、施工方法等因素，优化隧道断面 设计，降低施工难度和成本。
考虑环保和景观要求，将隧道断面设计与周围环 境相协调，提高隧道的美观性和舒适性。
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H C HC
X
图5-2 力学模型
由此而引起的计算误差在洞周上是不大的，并随着隧道埋深 的增加而减少。当埋深超过10倍洞径时，其误差可以忽略不 计。
第五章隧道结构体系
二、隧道开挖后形成塑性区的二次应力状态及位移状 态
塑性应力区域是由于多数围岩具有塑性这一性质而造成 的。塑性就是指围岩在应力超过一定值后产生塑性变形的性 质。此时，应力即使不增加，变形仍继续。当围岩内应力超 过围岩的抗压强度后，围岩发生塑性变形并迫使塑性变形的 围岩向隧道内滑移。塑性区的围岩因变得松弛，其物理力学 性质也发生变化。
第五章 隧道结构体系设计 原理与方法
第一节 概 述
隧道的结构体系是由围岩和共同组成的。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。这就是按 现代岩石力学原则设计支护结构的基本出发点。
第五章隧道结构体系
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。
f 2, R1 0 (5-1)
F u2, R2
0
式中的 R 1 、R 2 是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特
定指标。
第五章隧道结构体系
▪ 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 3 和位移场u 3，以及支护结构的内力M 和位移 。
▪ 判断支护结构安全度的准则，一般可写成： (5-2)
z H c
x
z
式中 H c 为隧道中心点的埋深，以m计， 是围岩的侧压力
系数，无量纲。
第五章隧道结构体系
根据弹性力学原理，这个 问题的求解还可以简化为 不考虑体积力的形式，而 用在有孔无限平面(无重的) 无穷远边界上作用有垂直 均布荷载和水平荷载的形 式来代替，如图5-2所示。
r
Z A
r 0
第五章隧道结构体系
二、坑道支护后的围岩应力状态及位移状态
隧道开挖后，围岩应力状态出现两种情况：
一种是开挖后的二次应力状态仍然是弹性的，隧道围岩除 因爆破、地质状态、施工方法等原因可能引起稍许松弛掉块外， 是稳定的，在这种情况下，坑道是稳定的，原则上无需支护，即 使支护也是防护性的，支护方法一般可采用喷浆或者喷射混凝土；
f1M, K1 0 F2, K2 0
式中的 、 是支护结构材料的物理力学参数。
K1 K2
第五章隧道结构体系
第二节 围岩的二次应力场和位移场
一、隧道开挖后的弹性二次应力状态及位移状态
计算围岩的二次应力场和位移场，首先推算隧道开挖
前围岩的初始应力状态 0，以及与之相适应的位移场 u0 。
隧道开挖后，因其周边上的径向应力 n 和剪应力 都为零，
❖ 在塑性岩体中，稳定的丧失是由于塑性变形的结果，岩体产 生了过度的位移，但无明显的破坏迹象。
第五章隧道结构体系
第三节 隧道围岩与支护结构的共同作用
一、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。
0 z
0x
(a)
{ }0 , { u }0
1
1 n
{ }1, { u }1
2
2 r
{ }2= { }0+ { }1 { u }2 = { u }1
(b)
(c)
(d)
图5-1 隧道开挖所经历的力学过程模拟
对于自重应力场中的深埋隧道，常常将它的围岩初始应力 场简化为常量场，也就是假定围岩的初始应力到处都是一 样。并取其等于隧道中心点的自重应力，即
另一种是开挖后隧道围岩产生一定范围的塑性区，此时应采 用承载型的支护结构，以维护坑道的稳定。
坑道支护后，相当于在坑道周边施加了一个阻止隧道围岩变 形的支护阻力(抗力)，从而也改变了围岩的二次应力状态。支护 阻力的大小和方向对围岩的应力状态有着很大的影响 。
第五章隧道结构体系
要进行支护结构设计，就必须充分认识和了解以下五方面的 问题：
▪ 围岩的初始应力状态，或称一次应力状态 0 , 这部分内
容已在第四章中作了介绍；
▪ 开挖隧道后围岩的二次应力状态 2 和位移场 u 2；
、 ▪ 判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件即围
岩稳定性准则。一般可表示为：
三、无支护坑道的稳定性及其破坏
坑道稳定性是指隧道围岩在开挖过程中，在不设任何 支护情况下所具有的稳定程度。
第五章隧道结构体系
无支护坑道围岩的失稳破坏有三种形式：
❖ 由于破碎岩体的自重作用，超过了它们脱离岩体的阻力而多 在顶部、较少在侧壁处造成局部崩塌；
❖ 由围岩应力重分布所造成的应力集中区域内的岩体强度破坏 而形成的崩塌。一般发生在脆性岩体中，且在多数情况下，岩 体破坏从坑道侧壁开始，同时岩体的破坏和位移也可能发生在 顶部和底部；
故可向具有初始应力的围岩，在隧道周边上反方向施加与 初始应力相等的释放应力。用0 弹性力学方法计算带有孔洞
的无限平面在释放应力作用下的应力 和位 1移 。u而1 真实
的围岩二次应力挖所经历的力学过程可以用图5-1表示。
第五章隧道结构体系
A
0
n
B 0
B A