隧道衬砌设计与计算
压力隧洞衬砌计算方法
压力隧洞衬砌计算方法压力隧道是一种在地下开挖的隧道，通常用于输送水、油、气等介质。
隧道的衬砌是保证其稳定性和安全性的重要组成部分。
本文将介绍压力隧道衬砌的计算方法。
一、压力隧道衬砌的分类压力隧道衬砌按照材料分为混凝土衬砌和钢衬砌。
混凝土衬砌又可分为预制混凝土衬砌和现浇混凝土衬砌。
钢衬砌又可分为钢板衬砌和钢筋混凝土衬砌。
二、压力隧道衬砌的设计参数1.压力压力是压力隧道衬砌设计的重要参数。
压力隧道衬砌的设计应根据隧道内介质的压力来确定。
压力分为内压和外压，内压是介质对衬砌内侧的压力，外压是土层对衬砌外侧的压力。
在设计中应考虑内压和外压的影响。
2.温度温度是影响压力隧道衬砌设计的另一个重要参数。
随着温度的变化，材料的体积会发生变化，这会影响衬砌的稳定性。
在设计中应考虑温度的影响。
3.地质条件地质条件是影响压力隧道衬砌设计的另一个重要参数。
地质条件包括地层的性质、地质构造、地下水位等。
在设计中应考虑地质条件的影响。
三、压力隧道衬砌的计算方法压力隧道衬砌的计算方法通常分为静力计算和动力计算两种。
1.静力计算静力计算是指在不考虑地震、爆炸等外力的情况下，根据介质压力、温度、地质条件等参数计算衬砌的稳定性和安全性。
静力计算包括梁式计算、板式计算和弹性理论计算等。
2.动力计算动力计算是指在考虑地震、爆炸等外力的情况下，根据介质压力、温度、地质条件等参数计算衬砌的稳定性和安全性。
动力计算包括地震响应谱法、有限元法等。
四、压力隧道衬砌的施工方法压力隧道衬砌的施工方法包括预制和现浇两种。
1.预制预制是指在厂房内制作衬砌构件，然后运到现场进行组装。
预制衬砌的优点是质量稳定、施工速度快。
缺点是需要有足够的场地进行制作和存放。
2.现浇现浇是指在现场进行衬砌的施工。
现浇衬砌的优点是适用范围广、可以根据现场情况进行调整。
缺点是施工周期长、质量受现场环境影响。
五、压力隧道衬砌的质量控制压力隧道衬砌的质量控制是保证其稳定性和安全性的关键。
《隧道衬砌详尽计算》课件
软件应用案例及效果展示
某高速公路隧道施工过程中，采用有 限元分析软件对衬砌结构进行了详尽 的计算和分析，确保了隧道的施工安 全和质量。
此外，该软件还应用于其他多个隧道 工程中，均取得了良好的效果和效益 ，证明了其在隧道衬砌计算中的重要 性和优势。
CHAPTER
有限元分析软件介绍
1
有限元分析软件是一种广泛应用于工程领域的计 算工具，它能够模拟复杂的结构和现象，提供详 尽的分析结果。
2
在隧道衬砌计算中，有限元分析软件能够模拟衬 砌结构的受力状态、变形情况以及稳定性等，为 设计提供重要的参考依据。
3
常见的有限元分析软件包括ANSYS、ABAQUS、 SAP等，这些软件具有强大的计算能力和广泛的 应用领域。
3
有限元法
通过有限元分析软件，模拟衬砌结构的稳定性。
04 隧道衬砌计算的实例分析
CHAPTER
某隧道工程概况
隧道长度：10km
隧道名称：某高速公路隧道
01
隧道断面：矩形断面，宽度
20m，高度5m
02
03
工程地质：隧道穿越山岭地 区，地质条件复杂，包括岩
石、土壤和地下水等
04
05
施工环境：隧道施工难度较 大，需考虑通风、water supply and drainage等
面限制等。
计算结果的分析与评价
受力分析
分析衬砌结构在施工过程中的受力状态，包括衬砌内力、外力和 变形等。
安全评价
根据计算结果，评价衬砌结构的安全性，判断衬砌是否满足设计 要求和施工安全。
优化建议
根据计算和分析结果，提出衬砌结构的优化建议，提高隧道施工 的安全性和可靠性。
毕业设计之隧道衬砌
毕业设计之隧道衬砌翠峰山隧道衬砌设计5.1 概述隧道洞身的衬砌结构根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求大致可以分为以下几种类型：喷锚衬砌、整体式衬砌和复合式衬砌。
规范规定，高速公路的隧道应采用复合式衬砌。
隧道衬砌设计应综合考虑地质条件、断面形状、支护结构、施工条件等，并应充分利用围岩的自承能力。
衬砌应有足够的强度和稳定性，保证隧道长期安全使用。
注：1、隧道高度h=内轮廓线高度+衬砌厚度+预留变形量；2、隧道跨度b=内轮廓线宽度+衬砌厚度+预留变形量。
5.2深埋衬砌内力计算5.2.1深、浅埋的判断隧道进、出口段埋深较浅，需按浅埋隧道进行设计。
由明洞计算可知：h q =0. 45⨯2S -1[1+i (B -5)]（5.1）式中：s —围岩的级别，取s =4；B —隧道宽度i —以B =5.0m的垂直均布压力增减率，因B =11.8m>5m，所以i =0.1。
带入数据得：h q =6.264对于Ⅳ级围岩: H p =2.5h q =2.5⨯6.264=15.66 深埋：h ＞H p ；浅埋：h q ＜h ≤H p ；超浅埋：h ≤h q 。
5.2.2围岩压力计算基本参数：围岩为Ⅳ级，容重γ=20kN /m 3，围岩的弹性抗力系数K =0.5⨯106kN /m 3，衬砌材料为C25钢筋混凝土，弹性模量E h =2.95⨯107KPa 。
1、围岩垂直均布压力根据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2019) 的有关计算公式及已知的围岩参数，代入公式：q =0.45⨯2S -1⨯γ⨯ω（5.2）式中： S —围岩的级别，取S=4；γ—围岩容重，根据基本参数γ=23 KN/m3；ω—宽度影响系数，由式ω=1+i(B-5)=1.76计算； B —隧道宽度，B=2⨯（5.7+0.5+0.5）=12.4m；i —以B=5.0m的垂直均布压力增减率。
因B=12.6m>5m,所以i=0.1。
所以围岩竖向荷载： q =0.45⨯24-1⨯20⨯1.74=125.28KN /m 2 2、围岩水平均布压力5 e =0. 2q （5.3）式中：Ⅳ类围岩压力的均布水平力e =(0.15~0.3)q ，这里取值0.25 代入数据得：25125. =28K 3N 1. 3m 2 0. 2⨯/5.2.3衬砌几何要素计算图示如下q1234567R 78R 图5.1 衬砌结构计算图示1、衬砌几何尺寸内轮廓线半径:r 1=5. 70m , r 2=8. 20m ；拱轴线半径：r 1' =5.95m ，r 2' =8.45m ；拱顶截面厚度d 0=0.5m ,拱底截面厚度d n =0.5m。
盾构隧道衬砌结构及计算
2021年3月第9章盾构隧道衬砌结构1.基本概念1.1隧道衬砌隧道衬砌，英文为Tunnel Lining 。
盾构隧道的衬砌一般为预制管片，预制管片英文为Segment 。
1.2衬砌结构分类（1）按施工方法分类衬砌分为：预制管片、二次浇筑衬砌即拼装管片的内部，做了现浇的二次衬砌、压注混凝土衬砌（ECL 工法）。
是否需要内部做二次衬砌，取决于隧道的用途及结构计算，例如南水北调工程穿越黄河的盾构隧洞及珠江三角洲水资源配置工程盾构隧洞，就做了内部二衬。
（2）按材料分类，管片可分为：钢筋混凝土管片（RC ）（如图9.1所示）、铸铁管片、钢管片、钢纤维混凝土管片、合成材料。
图9.1盾构管片试拼装（佛山地铁）（错缝拼装，5+1块）1.3管片外形与尺寸管片外形可分为四边形的，六角蜂窝形的。
四边形的，例如：深圳地铁快线长隧道，例如11号线、14号线等。
管片外径6700mm ，内径6000mm ，厚度350mm ，宽度1.5m ，纵向螺栓16个，管片分度22.5°，采用左右转弯环+标准环的形式。
管片统一采用1+2+3形式（即：1块封顶块（F ），2块邻接块（L1）、（L2）、3块标准块（B1）、（B2）、（B3））。
止水条采用三元乙丙橡胶及遇水膨胀橡胶条，如图9.2所示。
K 块图9.2用于深圳地铁的Փ6700盾构管片（14号线，2020年）日本的一个六角形管片的案例，并采用插销式接头的案例：隧道直径为Ф6600mm，单线隧道衬砌主要采用6等分的RC平板型管片，环宽1600mm，厚320mm，管片连结采用新研制的FAKT插销式接头。
部分段采用环宽1250mm、厚250mm的蜂窝形RC管片。
如图9.3、图9.4所示。
图9.3日本的六角蜂窝状管片示意图图9.4在盾构隧道中待拼装的六角形管片（傅德明2012）中国在引水隧道中也用过六角形管片（山西万家寨引水工程）。
1.4管环类型：为了满足盾构隧道在曲线上偏转及蛇行纠偏的需要，应设计楔形衬砌环。
偏压隧道衬砌作用计算方法
偏压隧道衬砌作用计算方法C.0.1偏压隧道设计时，在假定偏压分布图形与地面坡度一致(图C.0.1)作用下，其垂直压力宜按下列公式计算：Q=Z[(力+〃，)8—(劝2+z7∕2)tano](C.0.1-1) z=—!—X ------------------------- tan "T ----------------------- (C.0.1-2) tan β-tana 1+tan^(tan φc -tan θ)+tan φc tan Θ/= ]X _______________ t an∕Γ-ta∏∙ ____________tan∕7,+tanα1+tan/(tan φc -tan+tan φc tan Oteβ-taια *：—G(CoJ —3)tan β=tan 纥÷叵互画良三逅 Ytan φt .-tan θtan β∙=tan 仍÷附纥+W 国Ytan φc-tan θ 式中：h ——内侧由拱顶水平至地面的高度（m ）；h ,——外侧由拱顶水平至地面的高度（m ）；B ——隧道宽度（m ）；γ ---- 围岩重度（kN/m 3）；O ——顶板土柱两侧摩擦角（°）；当无实测资料时，宜按表BO1选取;λ——内侧的侧压力系数；才——外侧的侧压力系数；o. --- 地面坡度角（°）;φr —围岩计算摩擦角（°）,可按表B.0.2取值；β——内侧产生最大推力时的破裂角（°）;β,——外侧产生最大推力时的破裂角（o ）o (C.0.1-4) (C.0.1-5)图CO1偏压隧道衬砌作用（荷载）计算图式C.0.2在荷载作用下的水平侧压力宜按下列公式计算：内侧：e i=γh iλ夕卜侧：e i=γh i,λ,,式中：h i—内侧任一点i至地面的距离（m）；h；—外侧任一点i至地面的距离（m）。
(C.0.2-1) (C.0.2-2)。
某公路隧道衬砌结构计算书共18页文档
目录一基本资料 (1)二荷载确定 (1)2.1围岩竖向均布压力 (1)2.2围岩水平均布力 (1)三衬砌几何要素 (1)3.1衬砌几何尺寸 (1)3.2半拱轴线长度S及分段轴长△S (2)3.3割分块接缝重心几何要素 (2)四计算位移 (2)4.1单位位移 (2)4.2载位移——主动荷载在基本结构中引起的位移 (2)4.3载位移——单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移 (8)4.4墙低（弹性地基上的刚性梁）位移 (12)五解力法方程 (12)σ=）分别产生的衬砌内力 (13)六计算主动荷载和被动荷载（1h七最大抗力值的求解 (14)八计算衬砌总内力 (14)九衬砌截面强度检算（检算几个控制截面） (15)9.1拱顶（截面0） (15)9.2截面（7） (18)9.3墙低（截面8）偏心检查 (18)十内力图18一 基本资料高速公路隧道，结构断面如图1所示，围岩级别为V 级，容重318kN /m ϒ=，围岩的弹性抗力系数630.1510kN /K m =⨯，衬砌材料C20混凝土，弹性模量72.9510kPa h E =⨯，容重323kN /m ϒ=。
图1 衬砌结构断面二 荷载确定2.1 围岩竖向均布压力： 10.452s q ωγ-=⨯式中：s ——围岩级别，此处s=5；ϒ——围岩容重，此处ϒ=18kN/㎡；ω——跨度影响系数，ω=1+i(B m -5)，毛洞跨度B m =12.02m ，B m =5~15时，i=0.1，此处: ω=1+0.1×（12.02-5）=1.702所以，有：510.45218 1.702220.5792q kPa -=⨯⨯⨯=考虑到初期之处承担大部分围岩压力，而二次衬砌一般作为安全储备，故对围岩压力进行折减，对于本隧道按照45%折减，即q 45%0.45220.579299.2606q kPa =⨯=⨯=2.2 围岩水平均布力：e =0.4×q=0.4×99.2606=39.7043kPa三 衬砌几何要素3.1衬砌几何尺寸内轮廓半径 r 1=5.56m ；内径r 1 所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角1ϕ=100°； 截面厚度d=0.45m 。
隧道衬砌结构知识、原理和衬砌计算及设计公式
隧道衬砌结构知识、原理和衬砌计算及设
计公式
简介
隧道衬砌结构是用于支撑和保护隧道壁面的一种结构。
衬砌的设计和计算是确保隧道的安全和稳定性的重要步骤。
衬砌结构类型
隧道衬砌结构通常包括以下几种类型：
1. 塑料管衬砌：使用塑料管来加固和保护隧道壁面。
2. 预制混凝土片衬砌：使用预制混凝土片来支撑和保护隧道壁面。
3. 钢筋混凝土衬砌：使用钢筋混凝土结构来加固和保护隧道壁面。
衬砌计算及设计公式
在进行隧道衬砌的计算和设计时，需要考虑以下因素：
1. 隧道直径：隧道的直径是确定衬砌结构尺寸和类型的关键因素。
2. 地层情况：地层的稳定性和承载能力将影响衬砌的安全性和设计方法。
3. 水压情况：如果隧道处于水下或水土压力较大的地区，需要考虑水压对衬砌的影响。
根据以上因素，可以使用以下公式进行衬砌计算和设计：
1. 隧道衬砌尺寸计算公式：根据隧道直径和地层参数计算衬砌的合适尺寸。
2. 衬砌材料选择公式：根据地层情况和环境条件选择合适的衬砌材料。
3. 衬砌厚度计算公式：根据地层情况和水压情况计算衬砌的合适厚度。
结论
隧道衬砌结构的知识、原理和衬砌计算及设计公式对于确保隧道的安全和稳定性至关重要。
根据隧道的直径、地层情况和水压情况等因素，可以选择合适的衬砌结构类型，并使用相应的公式进行计算和设计。
隧道衬砌计算
隧道衬砌计算隧道衬砌是隧道工程中的重要部分，它承担着保护隧道结构、增强隧道稳定性和延长使用寿命的重要任务。
隧道衬砌的计算是确定隧道衬砌结构所需材料和尺寸的过程，下面将介绍隧道衬砌计算的相关内容。
隧道衬砌计算需要确定衬砌的材料。
常用的隧道衬砌材料有混凝土、钢筋混凝土和预制板等。
根据隧道的使用环境、地质条件和设计要求等因素，选择合适的材料进行衬砌计算。
隧道衬砌计算需要确定衬砌的尺寸。
衬砌的尺寸包括衬砌厚度、衬砌宽度和衬砌高度等。
衬砌厚度的确定需要考虑隧道的使用要求和地质条件，以保证衬砌的强度和稳定性。
衬砌宽度的确定需要考虑隧道的截面形状和使用要求，以保证衬砌的稳定性和使用功能。
衬砌高度的确定需要考虑隧道的设计要求和地质条件，以保证衬砌的稳定性和使用寿命。
隧道衬砌计算还需要考虑衬砌的受力情况。
隧道衬砌在使用过程中会受到地压力、水压力、温度变化和地震等外力的作用。
衬砌的受力分析是衬砌计算的重要内容，它可以通过有限元分析或经验公式等方法进行。
隧道衬砌计算还需要考虑衬砌的稳定性。
隧道衬砌在使用过程中需要保持稳定，不受地下水、岩层移动和地震等因素的影响。
衬砌的稳定性分析是衬砌计算的重要内容，它可以通过有限元分析或经验公式等方法进行。
隧道衬砌计算需要进行结构设计。
隧道衬砌的结构设计包括衬砌的布置方式、连接方式和支撑方式等。
衬砌的结构设计需要考虑隧道的使用要求和地质条件，以保证衬砌的稳定性和使用寿命。
隧道衬砌计算是确定隧道衬砌结构所需材料和尺寸的过程，它涉及衬砌材料的选择、衬砌尺寸的确定、衬砌受力情况的分析、衬砌稳定性的考虑和衬砌结构的设计等内容。
隧道衬砌计算的准确性和科学性对于保证隧道工程的安全稳定和使用寿命具有重要意义。
隧道衬砌设计检算
隧道衬砌设计检算
隧道衬砌设计检算是一种专门用于计算隧道衬砌的工作。
它包含对衬砌结构的检查、分析和计算，以确保衬砌的安全性能，确保衬砌的机械特性，以及确保衬砌的维护和维修方面的要求。
隧道衬砌设计检算的基本方法是通过给定衬砌材料的力学参数，根据衬砌结构的外形和尺寸，采用适当的数学方法，来计算和分析衬砌结构的承载能力。
衬砌设计检算的目的一般有2个：第一，确保衬砌结构能够抵御外界荷载；第二，确保衬砌结构的维护和维修要求。
衬砌设计检算的基本步骤主要包括：
1. 设计荷载的确定：衬砌设计的第一步就是确定设计荷载，即需要考虑的最大外部荷载，如：重力荷载、水位荷载、地震荷载等。
2. 基础模型和计算模型的确定：根据设计荷载的确定，再确定基础模型和计算模型，如线性、非线性、稳定性分析等。
3. 衬砌材料的力学参数的确定：根据衬砌材料的性能，确定衬砌材料的力学参数，如抗弯刚度、抗压强度、抗拉强度、屈服强度等。
4. 衬砌结构受力的分析：根据设计荷载和衬砌材料的力学参数，采用适当的计算模型，对衬砌结构受力情况进行分析，以及衬砌结构受力的最大值。
5. 衬砌结构的安全性能分析：根据衬砌结构受力的分析，采用适当的安全系数，确定衬砌结构的安全性能，并确定衬砌结构能够抵御外部荷载的能力。
6. 维护和维修要求的分析：根据衬砌结构的安全性能分析结果，确定衬砌的维护和维修要求，如衬砌的检测要求、衬砌的修理要求等。
隧道衬砌设计检算是隧道施工中必不可少的一个工作，其目的是确保衬砌的安全性能和维护维修要求。
在进行衬砌设计检算时，必须正确确定设计荷载、衬砌材料的力学参数及衬砌结构受力的分析，以便确保衬砌能够抵御外部荷载，保证衬砌的安全性能和维护维修要求。
隧道衬砌计算
第五章隧道衬砌结构检算5.1结构检算一般规定为了保证隧道衬砌结构的安全，需对衬砌进行检算。
隧道结构应按破损阶段法对构件截面强度进行验算。
结构抗裂有要求时，对混凝土应进行抗裂验算。
5.2 隧道结构计算方法本隧道结构计算采用荷载结构法。
其基本原理为：隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。
计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按照弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌结构的内力，并进行结构截面设计。
5.3 隧道结构计算模型本隧道衬砌结构验算采用荷载—结构法进行验算，计算软件为ANSYS10.0。
取单位长度（1m）的隧道结构进行分析，建模时进行了如下简化处理或假定：①衬砌结构简化为二维弹性梁单元（beam3），梁的轴线为二次衬砌厚度中线位置。
②围岩的约束采用弹簧单元（COMBIN14），弹簧单元以铰接的方式支撑在衬砌梁单元之间的节点上，该单元不能承受弯矩，只有在受压时承受轴力，受拉时失效。
计算时通过多次迭代，逐步杀死受拉的COMBIN14单元，只保留受压的COMBIN14单元。
图5-1 受拉弹簧单元的迭代处理过程③衬砌结构上的荷载通过等效换算，以竖直和水平集中力的模式直接施加到梁单元节点上。
④衬砌结构自重通过施加加速度来实现，不再单独施加节点力。
⑤衬砌结构材料采用理想线弹性材料。
⑥衬砌结构单元划分长度小于0.5m。
隧道结构计算模型及荷载施加后如图5-2所示。
5.4 结构检算及配筋本隧道主要验算明洞段、Ⅴ级围岩段和Ⅳ级围岩段衬砌结构。
根据隧道规范深、浅埋判定方法可知，Ⅴ级围岩段分为超浅埋段、浅埋段和深埋段。
Ⅳ级围岩段为深埋段。
根据所给的材料基本参数和修改后的程序，得出各工况下的结构变形图、轴力图、建立图和弯矩图。
从得出的结果可知，Ⅴ级围岩深埋段，所受内力均较大，故对此工况进行结构检算。
5.4.1 材料基本参数 (1)Ⅴ级围岩围岩重度318.5/kN m γ=，弹性抗力系数300/k MPa m =，计算摩擦角045ϕ=，泊松比u=0.4。
隧道衬砌结构计算
03
弹性模量表示材料抵抗弹性变形的能力，泊松比则表示横向变
形的程度。
衬砌结构材料的耐久性和可靠性
环境因素
衬砌结构材料应能耐受地下水、土壤中的化学物质、侵蚀性气体 等环境因素的侵蚀，保持长期性能稳定。
耐久性设计
衬砌结构材料的耐久性应通过合理的耐久性设计和施工质量控制来 保证，包括选择合适的材料、采取有效的防排水措施等。
计算内容
防水层的厚度、材料性能、抗渗压力等。
计算方法
采用理论分析和实验验证相结合的方法，综合考虑水压、地质条件 和施工工艺等因素进行计算。
感谢您的观看
THANKS
抗震加固措施
根据抗震设计结果，采取相应的加固措施提 高衬砌结构的抗震性能。
03 隧道衬砌结构材料与性能
衬砌结构材料的种类和特性
混凝土
混凝土是隧道衬砌结构中最常用 的材料之一，具有抗压强度高、 耐久性好、成本低等优点。根据 需要可加入添加剂，如防水剂、
膨胀剂等。
钢材
钢材用于隧道衬砌结构中的受力 构件，如型钢、钢板等。具有强 度高、塑性好、耐腐蚀等特点。
可靠性评估
衬砌结构材料的可靠性应通过科学的方法进行评估，以便及时发现 和处理潜在的安全隐患，确保隧道运营安全。
04
计算目的
确保隧道衬砌结构的安全性和稳定性，满足公路行车 要求。
计算内容
衬砌厚度、混凝土抗压强度、抗剪强度、抗弯强度等。
计算方法
采用有限元分析法，结合实际地质资料和荷载条件进 行计算。
衬砌结构设计的基本原则
安全可靠
衬砌结构设计应满足安全可靠 的要求，能够承受围岩压力、 水压力等作用，保证隧道结构
的稳定性。
经济合理
衬砌结构设计应考虑工程成本 ，选择合适的材料和结构形式 ，以达到经济合理的目标。
隧道衬砌设计与计算
《公路隧道设计规范》JTG D70-2004中在对隧道结构进行计算时，《列出 了荷载类型，（如表5-1所示）并按其可能出现的最不利组合考虑。
表5-1 作用在隧道结构上的荷载
（2）荷载组合：
结构自重＋围岩压力＋附加恒载（基本） 结构自重＋土压力＋公路荷载＋附加恒载 结构自重＋土压力＋附加恒载＋施工荷载＋ 温度作用力 结构自重＋土压力＋附加恒载＋地震作用
⑶ 拱脚没有径向位移，只有切向位移；
⑷ 对称的垂直分位移对拱圈内力不产生影响；
⑸ 拱脚的转角 和切向位移的水平分位移 是必须考虑的
3、正则方程（拱顶切开处截面相对位移为0）
根据结构力学方法可以建立正则方程：
X 1 11 X 2 12 1P a 0 X121 X 222 2P fa ua 0
（6） 墙脚支承在弹性岩 体上，可发生转动和垂直 位移(无水平位移)
bh段： i
cos2 b cos2 b
cos2 i cos2 h
h
ha段： i
1
y
' i
y
' h
2
h
2 、主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力
力法方程：
X 1p11 X 2 p12 1p ap 0 X 1p 21 X 2 p 22 2 p f ap uap 0
式中： ik ,
位转角；
0 ap
ip是为基基本本结结构构的墙单底位的位荷移载和转主角动；荷f 载为位衬移砌；的矢1高是。墙底单
求得 X1p , X 2 p 后，在主动荷载作用下，衬砌内力即可计 算：
M ip
X1p
X 2 p yi
M
0 ip
N ip
X2p
cos i
隧道衬砌计算
隧道衬砌计算的基本原则
符合工程实际
隧道衬砌计算应符合隧道的实 际地质条件、施工条件和运营 条件，充分考虑各种因素的影
响。
结构力学分析
隧道衬砌计算应采用结构力学 分析方法，对衬砌结构进行受 力分析和稳定性验算。
安全可靠
隧道衬砌计算应确保衬砌结构 的安全性和稳定性，满足工程 设计的要求。
04 隧道衬砌计算实例某公路隧道Fra bibliotek砌计算01
02
03
隧道衬砌厚度
根据地质勘察资料和隧道 设计规范，计算出隧道衬 砌厚度，以确保隧道结构 的稳定性。
衬砌混凝土强度
根据隧道使用要求和受力 分析，选择合适的混凝土 强度等级，以满足衬砌承 载力和耐久性的要求。
衬砌配筋
根据衬砌受力分析，合理 配置钢筋，以提高衬砌的 承载能力和延性。
其他隧道衬砌计算软件
其他隧道衬砌计算软件包括MicroStation、MIDAS Civil等， 这些软件在隧道衬砌计算方面也具有一定的应用价值。
这些软件在功能和特点上可能有所不同，但都致力于为工程 师提供高效、准确的分析工具，以解决各种复杂的隧道衬砌 计算问题。
感谢您的观看
THANKS
优点是计算精度高，能够模拟复杂的边界条件和 材料性质。
有限差分法
有限差分法是一种基于差分原理的数值计算方法，通 过将衬砌和围岩离散化为有限个差分网格，并建立每
个网格点的力学模型，来求解衬砌应力。
输标02入题
它能够考虑衬砌和围岩的非线性、非均匀性和不连续 性等特点，适用于复杂地质条件下的隧道衬砌计算。
03
衬砌厚度与施工难度
隧道设计衬砌计算范例结构力学方法
1.1 工程概况川藏公路二郎山隧道位于省天全县与甘孜泸定县交界的二郎山地段, 东距约 260km , 西至约 97 km , 这里山势险峻雄伟, 地质条件复杂, 气候环境恶劣, 自然灾害频繁, 原有公路坡陡弯急, 交通事故不断, 使其成为千里川藏线上的第一个咽喉险道, 严重影响了川藏线的运输能力, 制约了川藏少数民族地区的经济开展。
二郎山隧道工程自天全县龙胆溪川藏公路K2734+ 560 (K256+ 560)处回头, 沿龙胆溪两侧缓坡展线进洞, 穿越二郎山北支山脉——干海子山, 于泸定县别托村和平沟左岸出洞, 跨和平沟经别托村展线至K2768+ 600 (K265+ 216) 与原川藏公路相接, 总长 8166km , 其中二郎山隧道长4176 m , 别托隧道长104 m ,改建后可缩短运营里程2514 km , 使该路段公路到达三级公路标准, 满足了川藏线二郎山段的全天候行车。
1.2 工程地质条件地形地貌二郎山段山高坡陡,地形险要,在地貌上位于盆地向青藏高原过渡的盆地边缘山区分水岭地带,隶属于龙门山深切割高中地区。
隧道中部地势较高。
隧址区地形地貌与地层岩性及构造条件密切相关。
由于区地层为软硬相间的层状地层,构造为西倾的单斜构造,故地形呈现东陡西缓的单面山特征。
隧道轴线穿越部位,山体浑厚,东西两侧发育的沟谷多受构造裂隙展布方向的控制。
主沟龙胆溪、和平沟与支沟构成羽状或树枝状,横断面呈对称状和非对称状的 " v 〞型沟谷,纵坡顺直比降大,局部受岩性构造影响,形成陡崖跌水。
水文气象二郎山位于盆地亚热带季风湿润气候区与青藏高原大陆性干冷气候区的交接地带。
由于山系屏障,二郎西两侧气候有显著差异。
东坡潮湿多雨,西坡枯燥多风,故有 "康风雅雨〞之称。
全年分早季和雨季。
夏、秋两季受东进的太平洋季风和南来的印度洋季风的控制,降雨量特别集中；冬春季节,则受青藏高原寒冷气候影响,多风少雨,气候严寒。
隧道衬砌结构计算原理公式及强度验算
1、概述 2、半衬砌的计算 3、曲墙式衬砌计算 4、弹性地基上直梁的计算公式 5、直墙式衬砌计算 6、衬砌截面强度验算 7、衬砌计算中存在的问题
第一节 概述
1、隧道结构设计应注意的问题 2、隧道结构设计理论的发展历史 3、弹性抗力的确定 4、衬砌计算的一般规定（隧道设计规范） 5、隧道衬砌上的荷载类型及其组合
（4）复合式衬砌中二次衬砌，Ⅰ～Ⅲ级围岩中为 安全储备，并按构造要求设计； Ⅳ、Ⅴ级围岩中 为承载结构，可采用地层结构法计算内力和变形
第一节 概述
（5）地层结构法 设计原理：将衬砌和地层视为整体共同受力的统 一体系，在满足变形协调的前提下分别计算衬砌 与地层的内力，据以验算地层的稳定性和进行结 构截面设计。
第一节 概述
《公路隧道设计规范》JTG D70-2004将隧 道结构上荷载仿照桥规分为：
● 永久荷载 ● 可变荷载 ● 偶然荷载
隧规P28：表6 7
8 9 10 11 12
荷载类型
永久荷载 （恒载）
可
基本
变
可变
荷
荷载
载
其它 可变 荷载
偶然 荷载
第一节 概述
5、隧道衬砌上的荷载类型及其组合 （1）隧道结构上的基本荷载 （2）隧道结构上的荷载及其类型
第一节 概述
（1）隧道结构上的基本荷载
围岩压力、结构自重 （2）隧道结构上的荷载及其类型
作用在衬砌上的荷载，按其性质可以区分为主动 荷载与被动荷载两大类。 ● 主动荷载是主动作用于结构、并引起结构变形 的荷载； ● 被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩 被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起限制 作用。
第一节 概述
1、隧道结构设计应注意的问题 1）隧道结构是由周边围岩和支护结构两者组成共 同的并相互作用的结构体系 ,围岩具有自稳能力,在 很大程度上是隧道结构承载的主体。 2）净空断面的要求（总体设计），强度要求（结 构设计与计算） 3）对不同型式的衬砌结构物应用不同方法进行强 度计算
隧道衬砌抗拉强度计算公式
隧道衬砌抗拉强度计算公式隧道是地下工程中常见的一种结构形式，其衬砌是隧道内部的一种重要构造，用于支撑和保护隧道的内壁。
在设计隧道衬砌时，抗拉强度是一个重要的参数，它影响着衬砌的稳定性和安全性。
因此，对于隧道衬砌抗拉强度的计算公式的研究具有重要的理论和实际意义。
隧道衬砌抗拉强度的计算公式可以通过材料力学和结构力学的理论推导得到，其基本原理是根据材料的物理性质和结构的力学特性来确定。
一般来说，隧道衬砌材料的抗拉强度可以通过以下公式计算：σ = F/A。
其中，σ表示材料的应力，单位为N/m²或Pa；F表示受力，单位为N；A表示受力面积，单位为m²。
在实际工程中，隧道衬砌的抗拉强度计算公式可以根据具体的材料和结构形式进行修正和补充。
例如，对于混凝土材料的隧道衬砌，其抗拉强度计算公式可以根据混凝土的抗拉强度和衬砌的结构形式来确定。
一般来说，混凝土的抗拉强度可以通过以下公式计算：f_t = F/A。
其中，f_t表示混凝土的抗拉强度，单位为N/m²或Pa；F表示受力，单位为N；A表示受力面积，单位为m²。
隧道衬砌的抗拉强度计算公式还可以考虑到材料的弹性模量和应力-应变关系，以更准确地描述材料的力学性能。
在考虑材料的弹性模量和应力-应变关系时，抗拉强度计算公式可以表示为：σ = Eε。
其中，σ表示材料的应力，单位为N/m²或Pa；E表示材料的弹性模量，单位为N/m²或Pa；ε表示材料的应变，无量纲。
在实际工程中，隧道衬砌的抗拉强度计算公式还需要考虑到结构的几何形状和受力情况。
例如，对于圆形隧道衬砌，其抗拉强度计算公式可以根据圆形截面的受力情况进行修正。
一般来说，圆形隧道衬砌的抗拉强度可以通过以下公式计算：σ = M/S。
其中，σ表示材料的应力，单位为N/m²或Pa；M表示受力矩，单位为N·m；S表示受力臂，单位为m。
综上所述，隧道衬砌抗拉强度的计算公式是根据材料力学和结构力学的理论推导得到的，其基本原理是根据材料的物理性质和结构的力学特性来确定。
隧洞衬砌结构计算
隧洞衬砌结构计算
隧洞衬砌是指在隧道内部进行的结构衬砌，用于保护地下隧道的稳定性和安全性。
隧洞衬砌的计算主要包括衬砌墙面的受力计算和衬砌结构的稳定性分析。
1. 衬砌墙面的受力计算：
根据隧道内部的开挖土体压力以及支护结构的抗力，计算衬砌墙面所受的力和力矩。
通常采用等效荷载法或者力学理论计算。
2. 衬砌结构的稳定性分析：
分析衬砌结构在承受水平地震力、垂直荷载以及水压力等外力作用下的稳定性。
主要包括衬砌结构的抗震能力、抗倾覆能力和抗滑移能力等。
此外，还需要考虑隧道衬砌的材料及厚度等参数的选择，以满足隧道的设计要求和施工工艺。
需要注意的是，隧洞衬砌结构的计算和设计还需按照相关的建筑设计规范及工程经验进行，并由相关的专业人员进行具体的计算和设计工作。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
《公路隧道设计规范》JTG D70-2004中在对隧道结构进行计算时，《列出 了荷载类型，（如表5-1所示）并按其可能出现的最不利组合考虑。
表5-1 作用在隧道结构上的荷载
（2）荷载组合：
结构自重＋围岩压力＋附加恒载（基本） 结构自重＋土压力＋公路荷载＋附加恒载 结构自重＋土压力＋附加恒载＋施工荷载＋ 温度作用力 结构自重＋土压力＋附加恒载＋地震作用
半衬砌：拱圈直接支承在坑道围岩侧壁（如图54所示） 常用于坚硬、较完整的围岩（Ⅱ、Ⅲ级）。 用先拱后墙法施工时，在拱圈已做好，但马口尚 未开挖前，拱圈也处于半衬砌工作状态
图5-4
1、基本假定
⑴ 在垂直荷载作用下拱圈向隧道内变形为自 由变形，不产生弹性抗力 ；
⑵ 拱脚产生角位移和线位移，并使拱圈内力 发生改变，计算中除按固端无铰拱考虑外， 还必须考虑拱脚位移的影响
附加恒载：伴随隧道运营的各种设备设施的 荷载等。
4.衬砌计算的有关规定
（1）深埋隧道中的整体衬砌、浅埋隧道中的 整体或复合式衬砌及明洞衬砌等应采用荷载 结构法计算。深埋隧道中复合式衬砌的二次 衬砌也可采用荷载结构法计算。
荷载结构法的设计原理认为，隧道开挖后地层的作用主要是 对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等 荷载的作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力， 然后按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌内力，并进行结构 截面设计。
3.隧道衬砌荷载及其类型
（1）荷载类型
作用在衬砌上的荷载，按其性质可以区分为主动荷载与被动荷 载两大类。 ➢ 主动荷载是主动作用于结构、并引起结构变形的荷载；主动荷
载包括主要荷载(指长期及经常作用的荷载，有围岩压力、回填 士荷载、衬砌自重、地下静水压力等) 和附加荷载(指非经常作 用的荷载，有灌浆压力、冻胀压力、混凝士收缩应力、温差应 力以及地震力等)，计算时应根据这两类荷载同时存在的可能性 进行组合。在一般情况下可仅按主要荷载进行计算。特殊情况 下才进行必要的组合，并选用相应的安全系数检算结构强度。 被动荷载主要指围岩的弹性抗力，它只产生在被衬砌压缩的那 部分周边上。其分布范围和图式一般可按工程类比法假定，通 常可作简化处 ➢ 被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即 弹性抗力，它对结构变形起限制作用。
2、弹性抗力的确定
衬砌在受力过程中的变形，一部分结构
有离开围岩形成“脱离区”的趋势，另一部 分压紧围岩形成所谓“抗力区’(如图5-1所 示)。在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩， 相应地产生被动抵抗力，即“弹性抗力”
弹性抗力因围岩性质、围岩压力大小和
结构变形的不同而异。但是对这个问题有不 同的见解，即局部变形理论和共同变形理论。
(3) 荷载一结构模型。将围岩对结构的作用简化为荷 载作用于结构上进行计算;
(4) 连续介质模型，将围岩和结构作为整体进行计算。 包括解析法和数值法，数值计算法前主要是有限 单元法，也可利用各种有限元软件来计算。
从各国的地下结构设计实践看，主要采用上 述后两类计算模型，荷载-结构计算模型主要适 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。利用这类 模型进行隧道支护结构设计的关键问题，是如何 确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要 的是围岩所产生的松动压力，以及弹性支承给支 护结构的弹性抗力。一旦这两个问题解决了，剩 下的就只是运用普通结构力学方法求出超静定结 构的内力和位移了。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) 法等都可属于荷载-结 构法。
（3）复合式衬砌中二次衬砌，Ⅰ～Ⅲ级围岩中为安全储备，并按构造要求设计； Ⅳ、Ⅴ级围岩中为承载结构，可采用地层结构法计算内力和变形。
地层结构法
设计原理：将衬砌和地层视为整体共同受力 的统一体系，在满足变形协调的前提下分别 计算衬砌与地层的内力，据以验算地层的稳 定性和进行结构截面设计。
5.2 半衬砌的计算
隧道衬砌设计与计算
一、简况
1.隧道结构设计理论的发展历史
（1）最初的隧道衬砌使用砖石材料，其结构型式通常为拱形。采用的截 面厚度常常很大，所以结构变形很小，可以忽略不计。因为构件的刚度 很大，故将其视为刚性体，计算时按静力学原理确定其承载时压力线位 置，检算结构强度。 （2）在十九世纪末，混凝土已经是广泛使用的建筑材料，它具有整体性 好，可以在现场根据需要进行模注等特点。这时，隧道衬砌结构是作为 超静定弹性拱计算的，但仅考虑作用在衬砌上的围岩压力，而未将围岩 的弹性抗力计算在内，忽视了围岩对衬砌的约束作用。其计算原理和地 面结构一样。由于把衬砌视为自由变形的弹性结构，因而，通过计算得 到的衬砌结构厚度很大，过于安全。 （3）考虑弹性抗力的计算模型，进入本世纪后，通过长期观测，发现围 岩不仅对衬砌施加压力，同时还约束着衬砌的变形。围岩对衬砌变形的 约束，对改善衬砌结构的受力状态有利，不容忽视。
图5-1
局部变形理论
图5-2形理论把围岩视为弹性半无限体， 考虑相邻岩柱之间变形的相互影响，即考虑 独立岩柱之间的联系。它用纵向变形系数E和 横向变形系数μ表示地层特征，并考虑粘结力 C和内摩擦角φ的影响。但这种方法所需围岩 物理力学参数较多，计算相对复杂。
5-3 联合的弹簧
表5-2 各级 围岩弹性抗力系数表
注：（1）采用荷载结构法计算隧道衬砌的内力和变形时，应通过考虑弹性抗力等体现 围岩对衬砌变形的约束作用。弹性抗力的大小及分布，对回填密实的衬砌构件可采用局 部变形理论计算确定
（2）Ⅰ～Ⅴ级围岩中，复合式衬砌的初期支护主要按工程类比法设计。其中Ⅳ、 Ⅴ级围岩的支护参数应通过计算确定，计算方法为地层结构法。
国际隧道协会(ITA)在1987年成立了隧道结构设计 模型研究组，收集和汇总了各会员国采用的地下结构 设计方法。经过总结，国际隧道协会认为，目前采用 的地下结构设计方法可以纳为以下4种设计模型:
(1) 以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主 的经验设计法;
(2) 以现场量测和试验为主的实用设计方法;