秋第5章隧道结构设计原理1.0
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（2）弹性地基wk.baidu.com阶段
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
这种计算方法以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内
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
2.弹性结构阶段
19世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现，并用于建造地
下工程，使地下结构具有较好的整体性。从这时起，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
概率极限状态可靠度设计在地面结构中成功地应用，我 国20世纪80年代中期开始将可靠度方法引入隧道设计的 研究。《铁路隧道设计规范》（TB 10003--2005）已有 “概率极限状态设计”一节。
4．支护系统设计手段的发展
早期按刚性结构设计衬砌，在图纸上画出多边形及压力曲 线，用比例尺量出偏心矩，其精度• 较低。
护结构施加的压力，称为形变压力。
这种计算方法的重要特征是把支护结构与岩体作为一个统一的 力学体系来考虑。两者之间的相互作用则与岩体的初始应力状态、
岩体的特性、支护结构的特性、支护结构与围岩的接触条件以及参与 工作的时间等一系列因素有关，其中也包括施工技术的影响。
锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的一整套新奥地利 隧道设计施工方法的兴起，终于形成了以岩体力学原理为基础的、考 虑支护与围岩共同作用的地下工程现代支护理论。
隧道工程
主讲教师:曹志军
第五章 隧道结构设计基本原理
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）隧道围岩及衬砌的强度、刚度及稳定性，为 隧道的设计及施工提供具体设计参数。
•
第五章 隧道结构设计基本原理
§5.1隧道设计计算理论的发展 §5.2围岩压力 §5.3结构力学方法 *洞门设计计算 §5.4岩体力学方法 §5.5信息反馈方法及经验方法 §5.6隧道支护的结构类型及设计
二、隧道支护结构计算理论的发展
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
19世纪的地下建筑物大都是以砖石材料砌筑的拱形圬工结构。
最先出现的计算理论是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。
§5.1隧道设计计算理论的发展
一、隧道设计理论的发展 二、隧道支护结构计算理论的发展 三、计算模型
一、隧道设计理论的发展
1．支护系统的组成和类型的发展 2．支护系统的设计计算理论的发展 3．支护系统承载能力及安全度评定的完善 4．支护系统设计手段的发展 5．支护系统的设计计算模型
1．支护系统的组成和类型的发展
早期采用允许应力法，用压力线方法静力平衡求出衬砌各 截面的内力后，要求截面上的最大应力不超过材料的允许 应力。衬砌的稳定性则以最大横推力与最小横推力的比值 来判定
•
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。 压力线假设的计算方法缺乏理论依据，一般情况偏于保守，所设计 的衬砌厚度将偏大很多。
随机有限元（包括摄动法、纽曼法、最大熵法和响应面法等）、 Monte-Carlo模拟、随机块体理论和随机边界元法等一系列新的地 下工程支护结构理论分析方法近年来都有了较大的发展。
三、计算模型
（一）计算模型种类 （二）常用计算模型 （三）隧道工程的两大理论比较
（一）计算模型种类
理想的隧道工程的数学力学模型应能反映这些因素：
力——松动压力。
但当时并没有认识到这种塌落并不是形成围岩压力的唯一来源， 也不是所有的情况都会发生塌落，更没有认识到通过稳定围岩， 可以发挥围岩的自身承载能力。
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
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
按弹性结构假定抗力分布或按弹性地基梁计算的超静
定拱形结构，采用机械式或电动式计算器（机）。
电子计算机的应用，线性代数及计算技术等数学工具的发 展，隧道支护系统设计计算进入新的阶段。 支护系统有限元、边界元、离散元分析，弹塑性、粘弹塑 性和几何、物理双非线性等模型的采用和通用程序相继编 出，能在较短的时间计算出成果。各种反分析和重复几万 次运算的随机分析也能在较短的时间完成。目前有关设计 院已拥有各种隧道支护系统设计、计算、绘图连续完成的 CAD软件及勘测、设计、施工图一体化的软件，支护系统 设计已进入智能化设计阶段。
•
到20世纪80年代又将现场监控量测与理论分析结合起来，发
展成为一种适应地下工程特点和当前施工技术水平的新设计方法—
—现场监控设计方法（也称信息化设计方法）。
目前，工程中主要使用的工程类比设计法，也正向着定量化、 精确化和科学化方向发展。
在地下工程支护结构设计中应用可靠性理论、推行概率极限状态设计 研究方面也取得了重要进展。
钢、木临时支护
天• 然石块、陶土砖衬砌
混凝土砌块
喷锚支护
模筑混凝土
钢筋、钢拱支撑
管棚、注浆等预支护
喷锚衬砌 复合衬砌
3．支护系统承载能力及安全度评定的完善
早期采用允许应力法，用压力线方法静力平衡求出衬砌 各截面的内力后，要求截面上 的• 最大应力不超过材料的 允许应力。
破损阶段设计法，考虑材料的塑性性质以及计算截面 的承载能力。衬砌截面按偏心受压构件处理
共同变形弹性地基梁理论
•
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3.连续介质阶段
20世纪中期以来，连续介质力学理论
这种计算方法以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内
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
2.弹性结构阶段
19世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现，并用于建造地
下工程，使地下结构具有较好的整体性。从这时起，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
概率极限状态可靠度设计在地面结构中成功地应用，我 国20世纪80年代中期开始将可靠度方法引入隧道设计的 研究。《铁路隧道设计规范》（TB 10003--2005）已有 “概率极限状态设计”一节。
4．支护系统设计手段的发展
早期按刚性结构设计衬砌，在图纸上画出多边形及压力曲 线，用比例尺量出偏心矩，其精度• 较低。
护结构施加的压力，称为形变压力。
这种计算方法的重要特征是把支护结构与岩体作为一个统一的 力学体系来考虑。两者之间的相互作用则与岩体的初始应力状态、
岩体的特性、支护结构的特性、支护结构与围岩的接触条件以及参与 工作的时间等一系列因素有关，其中也包括施工技术的影响。
锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的一整套新奥地利 隧道设计施工方法的兴起，终于形成了以岩体力学原理为基础的、考 虑支护与围岩共同作用的地下工程现代支护理论。
隧道工程
主讲教师:曹志军
第五章 隧道结构设计基本原理
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）隧道围岩及衬砌的强度、刚度及稳定性，为 隧道的设计及施工提供具体设计参数。
•
第五章 隧道结构设计基本原理
§5.1隧道设计计算理论的发展 §5.2围岩压力 §5.3结构力学方法 *洞门设计计算 §5.4岩体力学方法 §5.5信息反馈方法及经验方法 §5.6隧道支护的结构类型及设计
二、隧道支护结构计算理论的发展
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
19世纪的地下建筑物大都是以砖石材料砌筑的拱形圬工结构。
最先出现的计算理论是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。
§5.1隧道设计计算理论的发展
一、隧道设计理论的发展 二、隧道支护结构计算理论的发展 三、计算模型
一、隧道设计理论的发展
1．支护系统的组成和类型的发展 2．支护系统的设计计算理论的发展 3．支护系统承载能力及安全度评定的完善 4．支护系统设计手段的发展 5．支护系统的设计计算模型
1．支护系统的组成和类型的发展
早期采用允许应力法，用压力线方法静力平衡求出衬砌各 截面的内力后，要求截面上的最大应力不超过材料的允许 应力。衬砌的稳定性则以最大横推力与最小横推力的比值 来判定
•
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。 压力线假设的计算方法缺乏理论依据，一般情况偏于保守，所设计 的衬砌厚度将偏大很多。
随机有限元（包括摄动法、纽曼法、最大熵法和响应面法等）、 Monte-Carlo模拟、随机块体理论和随机边界元法等一系列新的地 下工程支护结构理论分析方法近年来都有了较大的发展。
三、计算模型
（一）计算模型种类 （二）常用计算模型 （三）隧道工程的两大理论比较
（一）计算模型种类
理想的隧道工程的数学力学模型应能反映这些因素：
力——松动压力。
但当时并没有认识到这种塌落并不是形成围岩压力的唯一来源， 也不是所有的情况都会发生塌落，更没有认识到通过稳定围岩， 可以发挥围岩的自身承载能力。
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
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
按弹性结构假定抗力分布或按弹性地基梁计算的超静
定拱形结构，采用机械式或电动式计算器（机）。
电子计算机的应用，线性代数及计算技术等数学工具的发 展，隧道支护系统设计计算进入新的阶段。 支护系统有限元、边界元、离散元分析，弹塑性、粘弹塑 性和几何、物理双非线性等模型的采用和通用程序相继编 出，能在较短的时间计算出成果。各种反分析和重复几万 次运算的随机分析也能在较短的时间完成。目前有关设计 院已拥有各种隧道支护系统设计、计算、绘图连续完成的 CAD软件及勘测、设计、施工图一体化的软件，支护系统 设计已进入智能化设计阶段。
•
到20世纪80年代又将现场监控量测与理论分析结合起来，发
展成为一种适应地下工程特点和当前施工技术水平的新设计方法—
—现场监控设计方法（也称信息化设计方法）。
目前，工程中主要使用的工程类比设计法，也正向着定量化、 精确化和科学化方向发展。
在地下工程支护结构设计中应用可靠性理论、推行概率极限状态设计 研究方面也取得了重要进展。
钢、木临时支护
天• 然石块、陶土砖衬砌
混凝土砌块
喷锚支护
模筑混凝土
钢筋、钢拱支撑
管棚、注浆等预支护
喷锚衬砌 复合衬砌
3．支护系统承载能力及安全度评定的完善
早期采用允许应力法，用压力线方法静力平衡求出衬砌 各截面的内力后，要求截面上 的• 最大应力不超过材料的 允许应力。
破损阶段设计法，考虑材料的塑性性质以及计算截面 的承载能力。衬砌截面按偏心受压构件处理