05-隧道支护结构的计算
隧道施工中喷锚支护有关参数的选择及计算
理论公式 ,总结了喷锚支护有关参数的选择及计算方法 。
[ 中图分类号 ] TD352 + . 5 [ 文献标识码 ] B [ 文章编号 ] 100228951 ( 2002) 0220017204
第 2 期 史马祥 : 隧道施工中喷锚支护有关参数的选择及计算
l1 ≥ dRg
19
4 Kt
=
118 × 2450 = 7315≈74cm 4× 115 × 10
式中 : v — — — 安全系数 , 一般取 v = 115 ; σ — — 岩石单轴抗压强度 (实测得出) , kg/ cm2 ; c — θ— — — 岩石结构面的内摩擦角 。 根据奥地利的腊布希维兹 ( L . V . Rabcewicz) 等 提出的 “剪切破坏理论” 知道 , 围岩稳定性的丧失是 由于地压作用下两侧锥形剪切体 , 径向移动致使喷 层发生剪切破坏 。莫尔强度理论认为中间主应力 σ 2 对岩石影响可不考虑 。这样 , 岩石所受的应力可 近似为平面应力状态 , 即 σ 1 和σ 3 , 而最大主应力 σ 1 为开挖周边的切向应力 , 最小主应力 σ 为开挖周边 3 的径向应力 。根据莫尔强度理论 , 剪切斜面与 σ 3 作 θ 用线成 σ= 45° + 角度 。剪切破坏发生在与开挖 2 θ 周边切线成 σ 的斜面上 。喷层抗剪面的 1 = 45° 2 长度 L 近 似 的 等 于
式中 : P1 — — — 工作风压 , kg/ cm2 ;
P2 — — — 水压 , kg/ cm 。
2
事铁路工程管理工作 。
213 喷头与受喷面的距离和倾角
从宝成复线的实际施工经验来看 , 当喷头与受
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
隧道出口明洞衬砌支护结构的内力计算与分析
第３ ４卷 第 ２ ７期 ２０ ０ ８ 年 ９ 月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＴＥＣｒ ． ０８
・３ ３ ・ ２
文 章 编 号 ：０ ９６２ （０ ８ ２ ．３ ３０ １０ ．８ ５２ ０ ）７０ ２ ．２
Ｐ ｙ２× ｈ × 。
５６６ ４ ５Ｉ。设计段 隧道右线 出 口段 明洞里程 为 Ⅵ（７＋４ ８ ５ ．４ Ｉ Ｔ ６ ２～
其中 ， ２ ｙ 为墙背 回填土石重度 ， 其值 为 １ ． Ｎ／ ； 为边 ９ ５ｋ ｍ３ ｈ
Ｙ ７＋４ ０ 全长 ２Ｉ， Ｋ６ ４， Ｉ明洞净 宽 １ ． Ｉ 高 ９ ０ Ｉ Ｔ ２ ５Ｉ， Ｔ净 ．１Ｉ。明洞 区域 墙计 算点换算 高度 ， ＝＾ ×ｈ ， １ Ｔ ｈ ０＋ ｌｈ 为填土边 墙坡面至 墙 的围 岩 以 强 风 化 泥 岩 为 主 ， 质 结 构 ， 层 状 构 造 岩 体 破 碎 风 化 泥 薄 顶的垂直 高度 ，Ｉｈ ＝１ ． Ｉ＾ Ｉ， １ ０ ７Ｉ， ０为墙 顶至计 算端 的高度 ， 墙 Ｔ Ｔ 故 节理 、 隙发 育 ， 裂 岩体呈碎石状镶嵌结构 ， 围岩稳定 性差 。 顶处 ｈ ＝１ ．３Ｉ， ０ ４ Ｉ墙角 处 ｈｉ １ ．５ｍ； 为侧 压力 系数 ， Ｔ ＿ ３ ２ 二 ＝
对于钻孔过程 中泥浆质量 的控制 ， 立工地泥浆试验 室至关 的严 格 质量 控 制 ， 证 了桩 基 础 施 工 的质 量 。 建 保 重要 ， 泥浆配制好 后 ， 专人 负 责试验 工作 ，４ ｈ值班并 定 时检测 ， 参 考 文献 ： ２ 特别是从一种地 质层进入 另一种地 质层时 ， 要加强 对泥浆指标 的 ［ ］ 陈跃起 ． １ 大直径桩 基 深 水 Ｐ 泥 浆的 应用 ［ ］ 山 西建筑 ， Ｊ． 监控 ， 当钻孔至 中砂层 及砂砾等易塌地层 时 ， 应加 大泥浆 比重 ， 粘
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
隧道结构计算书
地 面
H1=25m
q1 qm e1
h'=4.1m H2=17m
q2 qz e 3 e4
e3 e4
e' 1
h=11.58m
e2
B=32.22m
e' 2
图 3-1 浅埋连拱隧道荷载计算示意图 图 3-1 所示为连拱隧道 V 级围岩浅埋段最大埋深处隧道二次衬砌结构荷载计 算示意图。从图中看出，左侧洞室埋深大于右侧洞室，存在偏压现象。隧道结构
-3-
隧道结构计算书
H q1 H1 1 1 tan B H q2 H 2 1 2 tan B
中隔墙顶部三角形块体自重荷载为：
qz h
作用在衬砌上的隧道两侧水平围岩压力为：
e1 H1 e2 ( H1 h) H 2 e1 ( H 2 h) e2
得：
tan =tanc
(tan 2 c 1)tanc ＝2.52 tanc tan
tan tan c ＝0.35 tan 1 tan (tan c tan ) tan c tan
25 H q1 H1 1 1 tan 25 25 1 0.35 0.384 ＝560kPa B 32.22
H p 2.5hq
式中：Hp—浅埋隧道分界深度(m)； hq—荷载等效高度(m)，按下式计算：
hq
式中， 为围岩重度(kN/m3)；
q
q 为 V 级围岩深埋隧道围岩垂直均布压力(kN/m2)，
q h 0.45 2s 1
式中，s 为围岩级别， 为宽度影响系数， 1 i(0.5B 5) ，B 为连拱隧道宽度 (m)；i 为 B 每增减 1m 时的围岩压力增减率，以 B>5m 时，取 i=0.1。 由上述计算过程计算 V 级围岩浅埋和深埋隧道的分界高度 H p ：
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。
隧道工程第6章 隧道结构计算
8
9
6.3 半衬砌的计算
拱圈直接支承在坑道围岩侧壁上时，称为半衬砌， 如图6.3所示。常适合于坚硬和较完整的围岩（Ⅱ、Ⅲ 级）中，或用先拱后墙法施工时，在拱圈已作好，但马 口尚未开挖前，拱圈也处于半衬砌工作状态。 6.3.1 计算图式、基本结构及正则方程 道路隧道中的拱圈，一般矢跨比不大，在垂直荷载 作用下拱圈向坑道内变形，为自由变形，不产生弹性抗 力。由于支承拱圈的围岩是弹性的，即拱圈支座是弹性 的，在拱脚反力的作用下围岩表面将发生弹性变形，使 拱脚产生角位移和线位移。
24
6.4 曲墙式衬砌计算
在衬砌承受较大的垂直方向和水平方向的围岩压力 时，常常采用曲墙式衬砌形式。它由拱圈、曲边墙和底 板组成，有向上的底部压力时设仰拱。曲墙式衬砌常用 于Ⅳ耀Ⅵ级围岩中，拱圈和曲边墙作为一个整体按无铰 拱计算，施工时仰拱是在无铰拱业已受力之后修建的， 因此，一般不考虑仰拱对衬砌内力的影响。 6.4.1 计算图式在主动荷载作用下，顶部衬砌向隧 道内变形而形成脱离区，两侧衬砌向围岩方向变形，引 起围岩对衬砌的被动弹性抗力，形成抗力区，如图6.11 所示。抗力图形分布规律按结构变形特征作以下假定：
3
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； 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。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：一类是以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载 同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型；另一类 则相反，视围岩为承载主体，支护结构则为约束围岩变 形的模型。
18
19
视为自由变形得到的计算结果。 由于没有考虑弹性抗力，所以弯矩是比较大的，因此截 面也较厚。如果围岩较坚硬，或者拱的形状较尖，则可 能有弹性抗力。衬砌背后的密实回填是提供弹性抗力的 必要条件，但是拱部的回填相当困难，不容易做到密实。 仅在起拱线以上1耀1.5m 范围内的超挖部分，由于是用 与拱圈同级的混凝土回填的，可以做到密实以外，其余 部分的回填则比较松散，不能有效地提供弹性抗力。拱 脚处无径向位移，故弹性抗力为零，最大值在上述的1 耀1.5m 处，中间的分布规律较复杂，为简化计算可以 假定为按直线分布。考虑弹性抗力的拱圈计算，可参考 曲墙式衬砌进行。
隧道工程思考题
隧道⼯程思考题第⼀讲1. 什么是隧道？隧道：修建在地下，两端有出⼊⼝，供车辆、⾏⼈、⽔流及管线等通⾏的⼯程建筑物。
2. 隧道⼯程包含哪两⽅⾯的含义？(1)是指从事研究和建造各种隧道及地下构筑物的规划,勘测,设计,施⼯和养护的⼀门应⽤科学和⼯程技术;(2)是指在岩体或⼟层中修建的通道和各种类型的地下建筑物3. 隧道有哪⼏种分类⽅法？隧道分类:（1）按地层：⼟质隧道，岩⽯隧道（2）按埋深：浅埋隧道，深埋隧道（3）按断⾯：圆形、马蹄形、矩形（4）按⽤途：交通隧道, 市政隧道, 隧道⽔⼯,矿⼭隧道（5）按⼤⼩：特⼤、⼤、中、⼩、极⼩（6）按长度：特长隧道：L>3000 m;长隧道：3000 m ≥L>1000 m;中长隧道：1000 m ≥L>500 m;短隧道：L≤500 m;(7)按断⾯⾯积分类:特⼤断⾯隧道：断⾯积在100m2 以上;⼤断⾯隧道：断⾯积在50~100m2 之间;中等断⾯隧道：断⾯积在10~50m2 之间;⼩断⾯隧道：断⾯积在3~10m2 之间;极⼩断⾯隧道：断⾯积在3 m2 以下;4. 交通、市政隧道包含哪些种类？（1）给⽔隧道：城市⾃来⽔管⽹系统⽤隧道（2）污⽔隧道：⼯业与⽣活废⽔排放隧道（3）管线隧道：煤、暖、热⽔、通信、输电⽤（4）⼈防隧道：⽤于防空，地下安全庇护所第⼆讲1．不良地质段隧道选址主要应考虑哪些问题？*（1）崩塌；（2）滑坡；（3）泥⽯流；（4）流沙；（5）溶洞、⼟洞；（6）⽡斯；（7）围岩、落⽯…2 ．隧道施⼯中涌⽔的危害性？（1）岩质软化，软岩⼭体松弛，强度降低；（2）岩层层间阻⼒减⼩，导致岩体滑动；（3）某些岩类溶解和膨胀，⼭体出现附加压⼒；（4）⼤量涌⽔，产⽣动⽔压⼒；（5）腐蚀性⽔对钢筋混凝⼟结构产⽣侵蚀（6）隧道塌⽅与围岩失稳的罪魁祸⾸之⼀（7）集中涌⽔与稳定涌⽔3．隧道平⾯设计应注意哪些问题？*（1）⼩半径曲线问题（2）超⾼问题(3)最⼩间距问题4．隧道纵断⾯设计应注意哪些问题？*关键问题（1）纵坡坡度设计：排⽔0.3%，通风2%（2）纵坡形式设计：单下坡，⼈字坡5．什么是隧道建筑限界？指为保证隧道内各种交通的正常运⾏与安全，⽽规定在⼀定宽度和⾼度范围内不得有任何障碍物的空间限界.6．隧道接线的平⾯及纵断⾯线形有何要求？* （1）保证有⾜够的视距和⾏驶安全（2）注视点和注视时间：当隧道净宽⼤于所在公路的路基宽度时,应有加宽段，并设计过渡段加以衔接。
隧道断面计算公式
隧道断面计算公式隧道断面计算是确定隧道横截面积和形状的过程。
隧道断面的形状和尺寸对隧道的稳定性和使用条件有重要影响。
在进行隧道设计时，需要依据工程要求和地质条件来确定合适的断面形状和尺寸。
以下是常见的隧道断面计算公式和相关参考内容。
1. 地质勘探和地质参数：在进行隧道断面计算之前，需要进行地质勘探，获取地质参数，包括地质岩性、地应力、地下水等。
这些地质参数对隧道断面计算具有重要影响。
地质参数的获取可依据国家规范或工程师的经验进行判断。
2. 地层压力计算公式：根据地层压力的计算公式可估算隧道断面所受的地层压力。
常用的地层压力计算公式包括：- Terzaghi地压公式：P = k_h * γ_h * h- 吉环地压公式：P = k_n * γ_v * h其中，P为地层压力，k_h和k_n为地压系数，γ_h和γ_v为地层重度，h为覆土深度。
地压系数可根据地质条件和经验取值。
3. 支护结构计算公式：隧道施工过程中需要进行支护，支护结构的设计也需要进行断面计算。
常用的支护结构计算公式包括：- 钢支撑计算公式：N = (σ_1 + σ_3)/2- 混凝土衬砌计算公式：h = N * m其中，N为地层压力，σ_1和σ_3为地应力，h为衬砌厚度，m为混凝土抗压强度。
这些公式可依据设计要求和工程经验进行合理取值。
4. 断面形状计算：隧道断面的形状决定了隧道的稳定性和使用条件。
常见的隧道断面形状有圆形、马蹄形、矩形等。
断面形状计算的主要目标是确定隧道拱顶高度、宽度和截面积。
常用的断面形状计算公式包括：- 圆形断面计算：A = π * r^2, P = 2 * π * r + h- 马蹄形断面计算：A = (b1 + b2) * h/2, P = b1 + b2 + 2 * h其中，A为断面面积，P为断面周长，r为拱顶半径，h为拱高。
b1和b2为马蹄形断面的底宽和顶宽。
参考内容：- 《公路隧道设计规范》（JTJ 042-96）- 《铁路隧道设计规范》（TB 10002.1-2005）- 《城市轨道交通隧道设计规范》（GB 50486-2010）- 相关学术论文和专业书籍。
隧道工程(第六讲-隧道支护结构设计)
半拱形结构计算 典型方程的建立 正对称的结构，作用有正对称的荷载，利用对称性，从拱顶切开，取基本结构如右图
结构力学设计方法
计算关键： 拱顶单位位移和荷载位移的计算； 拱脚位移的计算。
半拱形结构计算
结构力学设计方法
拱顶单位位移和荷载位移的计算： 根据结构力学中位移计算方法，可求的某一点在单位力作用下，沿k方向的位移（忽略剪力作用）为：
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算
1. 求主动荷载作用下的衬砌内力
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算 1. 求主动荷载作用下的衬砌内力
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算 求单位弹性反力作用下的衬砌内力
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算
3. 位移及最大弹性反力值的计算
①主动荷载作用下最大抗力点h点位移的计算
结构力学设计方法
直墙拱形结构计算
计算原理
③附加一个方程：墙顶变位 ④拱圈内力的计算：在原理上与弹性固定的高拱结构完全相同 ，只是计及墙顶变位 ⑤边墙：作为弹性地基上的直梁来计算
结构力学设计方法
直墙拱形结构计算
计算原理
弹性地基梁，按其换算长度l的不同，可分为3种情况： ① 长梁 l≥2.75 ② 短梁 1<l<2.75 ③ 刚性梁 1≥l l为梁的长度（即边墙高度），为弹性地基梁的弹性特征值
结构力学设计方法
4.衬砌内力计算及校核计算结果的正确性
曲墙拱形结构计算
③ 按变形协调条件，校核整个计算过程：
直墙拱形结构计算 结构 拱圈支承在弹性地基梁上的弹性固定无铰拱； 边墙双向弹性地基梁 计算原理
结构力学设计方法
结构力学设计方法
直墙拱形结构计算 计算原理 ②弹性反力 拱圈：任意截面弹性反力荷载图形假设为二次抛物线，作用方向为径向；计算公式如下； 边墙：用弹性地基梁的方法计算
隧道与地铁工程_ 隧道支护结构的设计计算_ 直墙式衬砌的计算方法_
第五章 隧道支护结构的计算
第5讲 直墙式衬砌的计算方法
本讲主要内容：
1. 隧道支护结构的计算模型 2. 隧道衬砌受力特点 3. 荷载分类及组合 4. 隧道衬砌计算的有关规定
2
直墙式衬砌有哪些特点？
• 结构形式： 拱圈+竖直边墙+底板
• 受力特点： 拱圈、边墙受力
• 适用条件： 水平压力大或稳定性较差岩层
l 可近似作为弹性地基上的绝对刚 性梁，近似认为=0
l 边墙本身不产生弹性变形，在外 力作用下只产生刚体位移，即只 产生整体下沉和转动
l 由于墙底摩擦力很大，所以不产 生水平位移
l 当边墙向围岩方向位移时，围岩 将对边墙产生弹性抗力，墙底处 为零，墙顶处为最大值σh，中间 呈直线分布
l 墙底面的抗力按梯形分布
之间的相互作用（拱脚变位取决于墙 顶的约束情况）
l 直墙式衬砌的拱圈计算中的拱脚位移，需要 考虑边墙变位的影响
l 直边墙的变形和受力状况与弹性地基梁相类 似，可以作为弹性地基上的直梁计算
l 墙顶（拱脚）变位与弹性地基梁（边墙）的
弹性特征值及换算长度λ=ahc有关，按l可以
分为三种情况：
（1）短梁 1 2 .7 5
M
k 2a2
uc3
k 4a3
c4
M c1
1 2a
H c2
H
k 2a
uc2
k 4a
c3
M ca4
H c1
c
uc a4
c1
2a3 k
M c2
2a2 k
H c3
uc
uc1
1 2a
c2
2a2 k
M c3
a k
隧道工程(第六讲-隧道支护结构设计)
要点一
BIM技术
要点二
设计与管理
BIM（建筑信息模型）技术能够实现隧道支护结构的数字化 建模、分析和优化，提高设计效率与准确性。
基于BIM技术的隧道支护结构设计能够实现协同设计、优 化方案、减少错漏碰缺等问题；同时，在施工过程中，通 过BIM模型的管理与更新，实现施工进度、质量、成本的 实时监控与控制。
力学解析设计法
总结词
基于力学原理，通过分析支护结构的受力状态进行设计的方法。
详细描述
力学解析设计法基于力学原理，通过分析隧道支护结构的受力状态进行设计。 这种方法考虑了支护结构的实际受力情况，具有较高的理论依据，但计算过程 较为复杂，需要较高的力学理论基础。
数值模拟设计法
总结词
利用数值计算方法模拟支护结构的受力状态和变形过程进行设计的方法。
支护结构设计应考虑施工可行性，确保设 计方案的实施方便、快捷，同时应考虑环 境保护和水土保持要求。
02
隧道支护结构类型
初期支护
定义
初期支护是隧道施工中的临时支 护措施，主要用于控制围岩变形 和稳定性，通常在开挖后立即进
行。
主要结构
初期支护通常包括喷射混凝土、锚 杆、钢支撑等结构，这些结构可以 组合使用，以达到最佳的支护效果。
新型支护材料
随着科技的发展，新型支护材料如高 强度混凝土、纤维增强复合材料等不 断涌现，具有更高的强度和耐久性， 能够提高隧道支护结构的稳定性。
应用领域
新型支护材料广泛应用于公路、铁路 、地铁等隧道工程领域，尤其在复杂 地质条件和环境保护要求高的地区， 显示出其优越性。
智能化监测与预警系统在隧道支护结构设计中的应用
隧道支护结构设计的基本原则
安全性
《隧道支护》课件
安全性评估
风险评估
对隧道支护结构可能存在的风险进行评估，如坍塌、滑坡等，确 定其安全等级。
安全系数
根据隧道支护结构的承载能力和稳定性要求，计算其安全系数，评 估其安全性。
安全措施
根据隧道支护结构的安全性评估结果，采取相应的安全措施，如加 强支护、排水等，确保隧道施工安全。
经济合理
根据工程实际情况，综合考虑支护结构的 可靠性、施工难度、材料成本等因素，制 定经济合理的支护方案。
B
C
施工方便
支护设计应充分考虑施工可行性，尽量采用 常规施工方法，降低施工难度，，应考虑减少对周边环境 的影响，采取相应的环境保护措施，降低施 工噪音、粉尘、废水的排放。
钻芯取样
在隧道支护结构上钻取芯样，进行 抗压强度、抗剪强度等力学性能试 验，以评估其质量。
稳定性评估
计算分析
利用数值计算方法，如有限元分析、离散元 分析等，对隧道支护结构进行稳定性分析， 评估其承载能力和稳定性。
现场监测
对隧道支护结构进行位移、沉降等监测，实时掌握 其变形情况，评估其稳定性。
经验评估
D
设计流程
收集资料
初步设计
收集隧道工程的地质勘察报告、施工图纸 等相关资料，了解工程概况和设计要求。
根据收集的资料，进行初步的支护结构设 计，确定主要的支护参数和方案。
详细设计
图纸绘制
在初步设计的基础上，进行详细的支护结 构设计，对各种可能的工况进行校核，确 定最终的支护参数和施工方法。
根据详细设计结果，绘制隧道支护施工图 纸，包括平面图、剖面图、大样图等。
《隧道支护》PPT课 件
目录
• 隧道支护概述 • 隧道支护设计 • 隧道支护施工方法 • 隧道支护质量检测与评估 • 隧道支护案例分析
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
公路隧道波纹钢整体式支护结构设计计算方法
公路隧道波纹钢整体式支护结构设计计算方法发布时间：2022-04-25T07:50:14.659Z 来源：《工程管理前沿》2022年第1期作者：肖文豪1 祁兴远1 许浩东2,3 陈保祥1 郭灯1 [导读] 目前公路隧道支护的结构形式中采用的工字钢和格栅钢架等存在结构尺寸大，需要扩挖隧道断面肖文豪1 祁兴远1 许浩东2,3 陈保祥1 郭灯11 中交一公局集团有限公司贵州沿印松高速公路总承包项目部, 贵州松桃 554100;2 同济大学地下建筑与工程系, 上海 200092;3 岩土及地下工程教育部重点參验室, 上海 200092摘要：目前公路隧道支护的结构形式中采用的工字钢和格栅钢架等存在结构尺寸大，需要扩挖隧道断面，安装工艺复杂，施工周期长等问题。
而波纹钢整体式支护结构具有方便加工，强度高，施工快速等特点，是一种新型公路隧道支护结构。
为验证波纹钢支护结构的安全性和有效性，本文基于上马山隧道主洞衬砌结构采用荷载-结构法计算了波纹钢整体式支护结构的内力和变形，并与原设计衬砌方案进行对比分析。
计算结果表明，波纹钢整体式支护结构的拱顶下沉量和收敛值达到原支护结构的近3倍，但仍在工程安全要求范围内；在相同工况下，波纹钢整体式支护结构强度显著高于原设计衬砌方案。
关键词：公路隧道；波纹钢结构；数值模拟；衬砌变形；强度验算中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：作者简介：肖文豪(– )，男，。
E-mail:。
引言工程实践表明，在破碎围岩中开挖地下洞室，开挖前采取的预支护措施合理，若采取的初期支护和二次衬砌措施不当，开挖后易造成隧道围岩的大变形、坍塌等严重后果，严重影响隧道工程建设的顺利进行和经济效益，甚至造成安全事故。
所以在实际工程中，在隧道开挖前预支护措施的基础上，应对开挖后的锚喷初期支护和钢筋混凝土二次衬砌支护措施足够重视。
目前初期支护的结构形式主要由喷射混凝土、锚杆、工字钢或格栅钢架等组合而成。
该结构形式存在以下主要问题：（1）由于工字钢和格栅钢架结构尺寸较大，为满足安装条件，需扩大隧道的开挖断面；（2）由于工字钢与混凝土的热膨胀系数的不同，温度变化时，经常沿着钢拱架产生环向收缩裂缝。
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。
隧道工程考点答案
隧道⼯程考点答案第⼀章绪论1.隧道的概念：隧道是埋置于地层中的⼯程建筑物，是⼈类利⽤地下空间的⼀种形式。
是“以某种⽤途，在地⾯下⽤任何⽅法按规定形状和尺⼨修筑的断⾯积⼤于2平⽅⽶的洞室。
”2.隧道按位置分类：⼭岭隧道、⽔底隧道和城市隧道。
3.隧道按⽤途分类：交通隧道、⽔⼯隧道和市政隧道和矿⼭隧道。
第⼆章隧道⼯程地质环境及围岩分级1.⼯程地质调查测绘主要内容：隧道通过地段的地质调查测绘是隧道⼯程地质勘测的核⼼⼯作。
①铁路⼯程地质技术规范的总要求②地形地貌调查③地层、岩性调查④地质构造调查⑤⽔⽂地质调查⑥滑坡、落⽯、岩堆、泥⽯流和岩溶地质调查⑦地温测定2.如何引起岩体的初始应⼒：由于岩体的⾃重和地质构造作⽤和地质地温作⽤引起3.RQD法的定义及公式：所谓岩⽯质量指标RQD是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率。
岩芯复原率即单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的⽐例,可写为4.围岩分级的基本因素：①岩⽯坚硬程度②岩体的完整程度5.围岩的基本分级：P25表格6.隧道级别的修正：①地下⽔影响的修正②围岩初始地应⼒状态修正③风化作⽤的影响第三章隧道线路及断⾯设计1.越岭线上隧道位置选择考虑因素：主要以选择垭⼝和确定隧道⾼程两⼤因素为依据。
2.隧道洞⼝位置选择（“早进晚出”+9原则）：①“早进晚出”的原则②洞⼝不宜设在垭⼝沟⾕的中⼼或沟底低洼处③洞⼝应避开不良地质地段④当隧道线路通过岩壁陡⽴，基岩裸露处时，最好不刷动或少刷动原⽣地表，以保持⼭体的天然平衡。
⑤减少洞⼝路埑段长度，延长隧道，提前进洞。
⑥洞⼝线路宜与等⾼线正交。
⑦当线路位于有可能被⽔淹没的河滩或⽔库回⽔影响范围以内时，隧道洞⼝标⾼应⾼出洪⽔位加波浪⾼度，以防洪⽔灌⼊隧道。
⑧为了确保洞⼝的稳定和安全，边坡及仰坡均不宜开挖过⾼。
⑨当洞⼝附近遇有⽔沟或⽔渠横跨线路时，可设置拉槽开沟的桥梁或涵洞，以排泄⽔流。
⑩当洞⼝地势开阔，有利于施⼯场地地布置时，可利⽤弃渣有计划、有⽬的地改造洞⼝场地，以便布置运输便道、材料堆放场、⽣产设施⽤地及⽣产、⽣活⽤房等。
隧道与地铁工程_ 隧道支护结构的设计计算_ 半衬砌的计算方法_
0
Mp
Np0
A
fn
up
单位弯矩
单位水平力
单位竖向力
外荷载11
σ y= 0 k
β1 A dn
Mn=1
A
单位弯矩
0
N
p
0knd
Mp0
Np0
βp
fn A
dn up
外荷载
vp v2 v2
n
cos0fkn d
dn
fn cosfn HA=1
A
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sinf n
单位水平力
sin0kfnn
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V
fn
X 1 21 X 2 22 2 p u0
f 0
0
β0
u0
q
X1 X2
l/2
v0
f
δik——拱顶截面处的单位变位，即基本结构中，悬臂端在Xk=1
作用下，沿未知力Xi方向产生的变化（i,k=1,2）。由于
位移互等定理知δik = δki ； ∆ip——拱顶截面处的荷载变位。即基本结构中，在外
A=1sin
f
n
A
fn
dn u 2
单位竖向力
dn——拱脚截面厚度； b ——拱脚截面纵向单位宽度，取1m； In——拱脚截面惯性矩； kd ——拱脚围岩基底弹性抗力系数； fn——拱脚截面与竖起线间的夹角；
12
⑴ 单位力矩作用时
l 在MA=1作用下，拱脚截面绕中心点A转过一个角度 β1，
l 拱脚围岩边缘产生的法向应力σ1和相应该应力方向的变位
位竖直力VA作用下，拱脚位移如下
3 0 u3 cosfn sinfn
kddn
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矩阵位移法又叫直接刚度法，它是以结构节点位移 为基本未知量，联接在同一节点各单元的节点位移应该
相等，并等于该点的结构节点位移（变形协调条件）；
同时作用于某一结构节点的荷载必须与该节点上作用的 各个单元的节点力相平衡（静力平衡条件）。
第5章 隧道支护结构的计算
计算特点:
① 三种单刚
◆ 衬砌单刚：梁单元 ◆ 抗力单刚：二力杆单元 ◆ 基础单刚：支座单元 ② 拼总刚(结构刚度矩阵)
此仅需按抗压强度进行检算。
第5章 隧道支护结构的计算
5.2.4 衬砌截面强度简算
1.破损阶段法
◆ 当 时，由抗拉强度控制承载能力，
仅需按抗拉强度进行检算 。
第5章 隧道支护结构的计算
5.2.4 衬砌截面强度简算
1.破损阶段法
◆ 偏心距限制 混凝土衬砌的偏心距不宜大于0.45倍截面厚度； 石砌体偏心距不应大于0.3倍截面厚度；
第5章 隧道支护结构的计算
图5-4
直刚法计算图式
第5章 隧道支护结构的计算
2.计算图式 (2)等效节点荷载的处理
◆ 按“静力等效”原则进行，即均布荷载所作的 虚功应等于节点荷载所作的虚功。
第5章 隧道支护结构的计算
图5-5 等效节点荷载计算示意图
第5章 隧道支护结构的计算
垂直均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为：
第5章 隧道支护结构的计算
5.1 隧道结构体系的计算模型
5.1.1隧道工程的受力特点
4.设计参数受施工方法和施作时机的影响很大 5.隧道与地面结构受力的不同点—围岩抗力的存在
第5章 隧道支护结构的计算
5.1.2 隧道结构体系的计算模型
1.结构力学模型
特点：
◆ 以支护结构作为承载主体； ◆ 围岩对支护结构的作用间接地体现为两点： ①围岩压力； ②围岩弹性抗力。 ◆ 采用结构力学方法计算。 适用于：模筑砼衬砌
3.单元刚度矩阵
图5-7 弹性链秆单元示意图
第5章 隧道支护结构的计算
3.单元刚度矩阵
图5-8
墙角弹性支座单元示意图
第5章 隧道支护结构的计算
4.建立结构刚度方程
（1）结构刚度方程的形成 （2） 结构刚度矩阵的特点 ◆ 对称矩阵(反力互等定理)； ◆ 稀疏的带状矩阵，非零元素的个数一般只占元素总
5.4 隧道洞门计算
5.4.4 洞门计算的概率极限状态法
铁路隧道设计规范规定隧道洞门除按破损阶段 法进行检算外，还可采用极限状态法进行设计计算。 基本方法仍同破损阶段法，如取计算条带，具体公 式不同，按可靠度理论得出.
第5章 隧道支护结构的计算
5.4 隧道洞门计算
5.4.4 洞门计算的概率极限状态法
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)
第5章 隧道支护结构的计算
5.4 隧道洞门计算
5.4.4 洞门计算的概率极限状态法
3.洞门墙地基承载能力计算 4.抗倾覆计算 5.抗滑动计算
第5章 隧道支护结构的计算
5.5 隧道抗震计算
5.5.1 概 述
等，仅介绍有限元法
2.有限元法处理特点
（1）单元类型的选择和网格划分
第5章 隧道支护结构的计算
5.3.2 数值分析法
图5-11
隧道计算范围及网格划分
第5章 隧道支护结构的计算
（2）计算范围的选取 ① 隧道开挖影响范围～距开挖面中心点3~5倍洞跨的 范围；
② 边界上位移为零。
第5章 隧道支护结构的计算
数的5％左右；
◆ 是非奇异矩阵。因抗力弹簧本身就是对衬砌结构的 约束，故衬砌结构不能作刚体移动。
第5章 隧道支护结构的计算
5. 未知节点位移的求解和弹性支承的调整
（1）边界条件 ◆ 围岩抗力弹簧支承就是一种边界约束，已在拼
总刚中考虑了；
◆ 基底支座～水平位移为0。 （2）方程组求解：高斯消去法；迭代法 （3）对围岩抗力弹簧支承的自动调整
②无论墙背仰斜或直立，土压力的作用方向均假定为水平； ③不考虑被动土压力。
④取最不利位置的墙体条带计算，称为“检算条带”。条带
宽度一般为1m，最不利位置～墙体最高点。
第5章 隧道支护结构的计算
5.4 隧道洞门计算
5.4.1 计算部位（检算条带）的选取及计算要点
1．柱式、端墙式洞门
第5章 隧道支护结构的计算
第5章 隧道支护结构的计算
5.1 隧道结构体系的计算模型
5.2 结构力学方法 5.3 岩体力学方法
5.4 隧道洞门计算
5.5 隧道抗震计算
第5章 隧道支护结构的计算
5.1 隧道结构体系的计算模型 5.1.1隧道工程的受力特点
1.荷载的模糊性 2.围岩物理力学参数难以准确获得
3.围岩压力承载体系
◆ 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。
5.5 隧道抗震计算
5.5.3 地震系数法
2.衬砌内力计算
（1）衬砌任一截面内的弯矩按图（b）可得： （2）衬砌任一截面内的弯矩按图（c）可得： （3） 在衬砌任一截面中，由于地震力产生的最 大应力为：
第5章 隧道支护结构的计算
思考题
1.隧道结构的受力特点？隧道结构体系的概念？ 2.什么是荷载—结构模型？什么是岩体力学模型？ 3.什么是围岩弹性抗力？计算模型中有几种处理方式？温氏 假定与它有什么关系？
第5章 隧道支护结构的计算
水平均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为：
第5章 隧道支护结构的计算
2.计算图式
(3)围岩弹性抗力的处理
◆ 以弹簧支承模拟围岩弹性抗力，即在每个节点上设置一
根弹簧链杆，弹簧力即为围岩抗力；
◆ 以温氏假定反映抗力与节点位移的关系； ◆ 弹簧支承的方向：应按衬砌与围岩的接触状态而定。
第5章 隧道支护结构的计算
2.计算图式
图5-6 围岩弹性抗力链秆设置示意图
第5章 隧道支护结构的计算
3.单元刚度矩阵 (1)衬砌单元刚度矩阵(衬砌单刚) (2)弹性支承链杆单元刚度矩阵(抗力单刚)
要点： ◆ 其局部坐标系与总体坐标系一致； ◆ 由温氏假定求抗力。
(3) 墙脚弹性支座单元刚度矩阵
第5章 隧道支护结构的计算
第5章 隧道支护结构的计算
2.岩体力学模型
特点： ◆ 支护结构与围岩视为一体，共同承受荷载，且以 围岩作为承载主体； ◆ 支护结构约束围岩的变形； ◆ 采用岩体力学方法计算； ◆ 围岩体现为形变压力。 适用于：锚喷支护
第5章 隧道支护结构的计算
5.2 结构力学方法 5.2.1概 述
1.基本原理
◆将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载的主体，围
第5章 隧道支护结构的计算
2.隧道衬砌受力变形的特点
第5章 隧道支护结构的计算
3.隧道衬砌承受的荷载及分类
(1) 主动荷载 ◆ 主要荷载
◆ 附加荷载
(2) 被动荷载～围岩抗力 ◆ 共同变形理论 ◆ 局部变形理论
图5-3 局部变形示意图
第5章 隧道支护结构的计算
5.2.3 隧道衬砌结构计算的矩阵位移法
③ 边界条件～墙基础水平位移为0
④ 求解以节点位移为未知量的方程组～高斯消去法等 ⑤ 由节点位移求出单元节点力～内力
第5章 隧道支护结构的计算
2.计算图式
(1)衬砌结构的处理
◆ 衬砌的处理：将衬砌沿其轴线离散化为直杆单元 （梁单元），并将单元的联接点称为节点。 ◆ 墙基础的处理：假设边墙底端是弹性固定，即能 产生转动和垂直下沉，不能产生水平位移。
4.采用直刚法计算时，隧道结构有哪三种单刚？拼总刚的两
个条件是什么？ 5.衬砌截面强度检算目前有几种方法？ 6.洞门是如何检算的？
岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，与其对应的计
算模型称为荷载—结构模型。
第5章 隧道支护结构的计算
根据对荷载的处理不同，它大致有如下三种模式： ◆ 主动荷载模式（图5－1（a）） ◆ 主动荷载加被动荷载模式（图5－1（b）) ◆ 实际荷载模式（图5－1（c）)。
第5章 隧道支护结构的计算
图5—1 荷载—结构模式
规定：在地震基本烈度为7度及以上地区的隧道，需要进 行抗震设计。 抗震设计方法：地震系数法 其它方法：
①波动法；②相互作用法；③数值分析方法，等。
第5章 隧道支护结构的计算
5.5 隧道抗震计算
5.5.3 地震系数法
考虑两种情况：
◆ 水平地震力的方向横交隧道纵轴
应考虑洞口、浅埋、偏压地段和明洞。 ◆ 水平地震力的方向沿隧道纵轴
第5章 隧道支护结构的计算
6.衬砌内力的计算
（1）单元结点位移 （2）单元结点力
第5章 隧道支护结构的计算
7.直刚法计算流程图
第5章 隧道支护结构的计算
5.2.4 衬砌截面强度检算
1.破损阶段法
破损阶段法～考虑到结构的塑性阶段，材 料塑性极限强度Rb已进入塑性阶段。
◆ 当
时，由抗压强度控制其承载能力，因
第5章 隧道支护结构的计算
5.2.4 衬砌截面强度简算
2.概率极限状态法
（2）正常使用极限状态 从抗裂要求出发，混凝土矩形偏心受压构件的抗裂承载力 按下 解析法
5.3 岩体力学方法 5.3.2 数值分析法
1.概述
◆边界元法、无限元法、有限元法、有限元法耦合方法
（3）边界条件和初始应力 （4）卸荷释放荷载及卸荷过程模拟 （5）开挖施工步骤的模拟 （6）求单元应力
（7）围岩与支护结构稳定性判断
（8）有限元法计算的可信度
第5章 隧道支护结构的计算
5.4 隧道洞门计算
计算方法：洞门可视作挡土墙，按计算挡土墙的方法进行计算。 计算处理：