衬砌结构设计方法

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隧道衬砌结构设计

一、隧道结构计算模型

1.荷载结构模型（结构力学模型）：松弛荷载理论

以支护结构为承载体，围岩对支护结构的作用只是作用在结构上的荷载（包括主动的围岩压力和被动的弹性抗力）。一般用结构力学方法对支护结构进行计算。隧道支护结构与围岩的相互作用通过弹性抗力来体现。

2.地层结构模型（现代岩体力学模型）：岩承理论

将支护结构与围岩视为一体，作为共同承受荷载的隧道结构体系。模型中围岩是直接承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，是反映现代支护原理的计算方法。

二、隧道衬砌结构设计方法

1.结构力学法（弹性理论）

结构力学法，也就是荷载-结构模式的分析方法。这里的结构是指衬砌结构，荷载主要是指开挖洞室后由松动岩土的自重所产生的地层压力。一般把隧道支护结构在力学上和构造上作为拱形结构来处理，这个思想是从地面结构引申出来的。

拱形结构概念以下述假定为基础：被砌筑的衬砌视为结构的主体，围岩（或其一部分）只是被视为荷载，从本质上说这是与隧道工程的本质相矛盾的。只要施工没有满足下述条件：制止松弛和由此产生的松弛压力；结构和围岩之间有效的、长期的紧密接触。隧道结构就只能是个拱，而按拱形结构进行设计计算。

荷载-结构模型在荷载处理上大致经历了三个阶段：1主动荷载模式；2主动荷载+被动荷载模式；3实际荷载模式。多数情况下采用第二种模式。第二种模式考虑了结构和围岩之间的相互作用，即围岩对结构的约束作用——围岩抗力，局部体现了隧道作为地下结构的受力特点。因此，它是第一种模式的进一步发展。为了保证围岩约束抗力的存在，就必须保证结构与围岩之间的紧密接触。在此，把围岩对结构形变的约束所产生的反作用谓之抗力，而且把它视为线弹性的，Ky σ=（K ——弹性抗力系数；y ——接触点的径向位移）。实际上，在荷载作用下地基的变形是一个弹塑性过程。现在计算方法是把荷载分为被动的弹性抗力与主动的侧压力。

其计算结果最终归结为验证安全系数是否满足设计要求。

2.岩体力学法（弹塑性理论）

岩体力学法以弹塑性理论为依据。

①收敛约束法（特征曲线法）

特征曲线法的基本原理是利用围岩特征曲线和支护结构特

征曲线交会的方法来决定支护体系的最佳平衡条件（右图）。 破坏准则：由本构方程决定，通常情况下采用摩尔-库伦破坏准则。 围岩特征曲线：受围岩性质（瞬时的及长期的）、围岩构造、施工

技术（对围岩强度损害程度）的影响。

支护结构特征曲线：由其材料、构造决定。

②剪切破坏滑移法（极限状态设计法）

在围岩压力作用下，隧道两侧壁因受剪切破坏而有楔形岩体滑移，喷层受剪破坏，这就是滑移楔体理论的基本概念。根据这一概念，锚喷支护及其作用下形成的围岩承载拱在剪切滑面上应能提供足够的抗剪力以保持隧道结构的稳定。抗剪力的大小与锚喷支护参数有直接的关系。

③数值分析法（有限元法）

3.信息反馈法

监控量测（力、位移）

修正设计、指导施工

4.工程类比法

围岩分级，不同级别决定不同支护参数、不同开挖方式。