《隧道工程》课件第9讲隧道支护结构设计计算方法的基本

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。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
水平岩层
倾斜岩层
拱顶坍塌、冒落
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
倾斜岩层掉 块、塌落 高边墙 坍塌
水平岩 层冒落
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
裂隙岩体顶部掉块
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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。
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第二节
本节内容
围岩压力
•围岩压力概念，分类； •围岩松动压力的确定方法。 本节重点 •围岩压力的概念； •我国铁路隧道围岩压力的计算方法。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理 一、围岩压力及分类
(一)围岩压力概念
广义概念：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。 狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护结构 上的作用力。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
(二)围岩压力分类
• 松动压力 • 形变压力 • 膨胀压力 • 冲击压力
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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。 松动压力常通过下列三种情况发生： 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩 石； 在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落； 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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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。
上述松动压力、形变压力往往同时存在，难以 严格区分。
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二、影响围岩压力的因素
影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。 地质因素：它包括初始应力状态、岩石力学性 质、岩体结构面等； 工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护 设置时间、支护刚度、坑道形状等。
Fra Baidu bibliotek 第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
软岩巷道严重底鼓变形
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
软岩巷道变形、支撑断裂
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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。它 与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起 的。
第五章
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隧道支护结构设计计 算方法的基本原理
隧道设计计算理论的发展 围岩压力 结构力学方法 岩体力学方法 信息反馈方法及经验方法 衬砌结构耐久性设计概要
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
第一节
隧道设计计算理论的发展
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地下工程支护结构理论的一个重要问题是如何 确定作用在地下结构的荷载以及如何考虑围岩的 承载能力。从这方面讲，支护结构计算理论的发 展大概可分为3个阶段。
深、浅埋隧道的判定原则
H p 2 ~ 2.5hq
式中
H p ——深浅埋隧道分界的深度；
hq ——等效荷载高度值，即坍落拱高度。
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1.假定弹性反力阶段 衬砌在承受岩体所给的主动压力作用产生弹性变 形的同时，将受到地层对其变形的约束作用。地 层对衬砌变形的约束作用力就称之为弹性反力。
弹性反力的分布图形为直线 ( 三 角形或梯形) 对拱形结构按变形曲线假定 了月牙形的弹性反力图形
假定弹性反力
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一、刚性结构阶段
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。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理 二、弹性结构阶段
变形阶段
松动阶段
(a)
(b)
自然拱
塌落阶段
成拱阶段
(c)
(d)
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自然拱范围的大小除了受上述的围岩地质条件、 支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态 等因素影响外，还取决于以下诸因素：
隧道的形状和尺寸；
隧道的埋深； 施工因素。
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三、围岩松动压力的形成和确定方法
(一)围岩松动压力的形成
深埋坑道开挖后围岩由变形到坍塌成拱的整个 变形过程，称为围岩的成拱作用。在成拱过程中形 成的相对稳定的拱形坍腔结构，成为自然拱或坍落 拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。
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2.弹性地基梁阶段
将隧道边墙视为支承在侧面和基底地层上的双向 弹性地基梁，计算在主动荷载作用下拱圈和边墙 的内力。 •局部变形弹性地基梁理论 •共同变形弹性地基梁理论
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理 三、连续介质阶段
用连续介质力学理论计算地下结构内力 这种计算方法以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后
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。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理