隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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
第五章-隧道结构设计
5.6 隧道洞门计算
5.6.2 计算部位（检算条带）的选取及计算要点
1．柱式、端墙式洞门
取Ⅰ、Ⅱ作为“检 算条带”。检算墙身截 面偏心、强度，以及基 底偏心、应力及沿基底 的滑动和绕墙趾倾覆稳 定性
2．有挡、翼墙的洞门
◆ 检算翼墙时取洞门端墙墙趾前之翼墙宽1m的条带“Ⅰ”， 按挡土墙检算偏心、强度及稳定性； ◆ 检算端墙时取最不利部分“Ⅱ”作为“检算条带”，检算 其截面偏心和强度； ◆ 检算端墙与翼墙共同作用部分“Ⅲ”的滑动稳定性。
共同变形理论：把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之 间的相互影响。其所需围岩物理力学参数较多，而且计算颇 为繁杂，因而我国很少采用。
假设：地基为一均质、连 续、弹性的半无限体。 优点： ①反映了地基的连续整体 性； ②从几何上、物理上对地 基进行了简化，因而可以 把弹性力学中有关半无限 弹性体的经典问答已知结 论作为计算的基础。
§ 地层结构法
将地层与结构视为一整体来进行分析，考虑地 层-结构的共同作用。 求解方法：
解析法 数值法
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3.计算模型详细比较
结构力学模型
岩体力学模型
认识
力学 原载－结构”力学体 建立的是“围岩－支护”力学体系，
系，以最不利荷载组合 以实际的应力－应变状态作为支护
基底偏心距 e 滑动稳定系数 K0 倾覆稳定系数 K0
≤容许应力
≤0.3倍截面厚度
图3.2 弹性地基梁的受力和变形
✓缺点：
没有反映地基的变形连续性，当 地基表面在某一点承受压力时，实 际上不仅在该点局部产生沉陷，而 且也在邻近区域产生沉陷。由于没 有考虑地基的连续性，故温克尔假 设不能全面地反映地基梁的实际情 况，特别对于密实厚土层地基和整 体岩石地基，将会引起较大的误差。 但是，如果地基的上部为较薄的 土层，下部为坚硬岩石，则地基情 况与图中的弹簧模型比较相近，这 时将得出比较满意的结果。
支护强度计算公式
支护强度计算公式支护强度是指在矿山、隧道等工程中，为了保证围岩稳定所需要提供的支撑力的大小。
支护强度的计算对于工程的安全和经济合理性至关重要。
咱先来说说支护强度计算公式的基本原理。
这就好比你要盖一座房子，得先知道地基要承受多大的重量，才能决定用多厚的水泥、多粗的钢筋一样。
在工程里，支护强度的计算就是要弄清楚围岩会给支护结构施加多大的压力，然后才能确定支护结构得有多强才能顶住这个压力。
比如说，在一个煤矿巷道中，我们得考虑煤层的厚度、硬度，还有地质构造这些因素。
煤层厚、硬度低，地质构造复杂，那围岩给巷道支护的压力就大，需要的支护强度也就高。
那支护强度具体是怎么算的呢？这就得提到一些关键的参数和公式啦。
常见的支护强度计算公式里，会涉及到岩石的容重、巷道的跨度、高度，还有一些与地质条件相关的系数等等。
我给您举个例子吧。
有一次我去一个矿山实地考察，那个矿山正在进行新巷道的开拓。
工程师们正在为支护强度的计算发愁。
我跟着他们一起到了现场，看到那巷道周围的岩石有些破碎，还有些小的裂缝。
工程师们先是测量了巷道的尺寸，然后采集了岩石样本去做实验，确定岩石的容重和强度等参数。
回到办公室，他们就开始套用公式计算支护强度。
可是算出来的结果却让大家有点疑惑，因为按照这个结果设计的支护结构，成本太高了。
于是大家又重新审视了之前的数据采集和计算过程，发现原来是在测量巷道跨度的时候，因为测量工具的误差，导致数据偏大了一点。
重新修正数据后，再次计算，得到的支护强度就合理多了，既能保证安全，又不会造成太大的浪费。
这就告诉我们，在计算支护强度的时候，每一个数据都得准确无误，哪怕是一点点的误差，都可能导致结果的偏差，从而影响工程的安全性和经济性。
而且，不同的工程条件，使用的支护强度计算公式也可能会有所不同。
比如说，在软岩巷道和硬岩巷道中，计算方法就有差别。
软岩巷道可能需要更多地考虑岩石的变形和流变特性，而硬岩巷道则更侧重于岩石的强度和破裂模式。
隧道工程第6章 隧道结构计算
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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。
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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。
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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。
隧道初期支护计算
隧道初期支护计算隧道初期支护计算是指在隧道开挖初期施工阶段，为了保障隧道的稳定，需要进行支护措施的计算和设计。
隧道初期支护计算的目的是确定在不同的地质条件下，采取何种支护结构和支护参数，以确保施工过程中的安全性和经济性。
地质勘察分析是隧道初期支护计算的基础。
通过对隧道所穿越地层的勘察和分析，可以了解地质环境的情况，如岩石的类型、岩层的厚度和倾角、地下水情况等。
地质勘察分析还能够判断地质体的稳定性，为支护结构的设计提供参考。
支护结构设计是隧道初期支护计算的核心内容。
根据隧道所处的地质条件和施工要求，选择合适的支护结构。
常见的支护结构包括：钢筋混凝土衬砌、钢拱架、锚杆、喷射混凝土、聚合物材料等。
支护结构设计需要综合考虑地质条件、施工工艺和经济性等因素，以确保支护结构的可靠性和经济性。
支护嵌岩稳定性分析是隧道初期支护计算的重要环节。
通过对地质体嵌岩稳定性进行分析，可以判断岩体的稳定性，确定支护结构的设计参数。
支护嵌岩稳定性分析主要包括：岩体的受力状态、岩体的变形特性、岩体的破坏机理等。
通过对这些因素的定量分析，可以确定支护结构的尺寸、布置方式、支护参数等。
内外力分析是隧道初期支护计算的另一个重要内容。
在隧道初期施工阶段，隧道周围的地层会受到各种内外力的作用，包括地下水压力、岩层应力、人工开挖引起的变形等。
通过对这些内外力的分析，可以确定支护结构的设计参数，以满足施工过程中的安全要求。
总之，隧道初期支护计算是隧道工程设计中的一个重要环节，对保障隧道施工的安全性和经济性具有重要意义。
通过对地质勘察分析、支护结构设计、支护嵌岩稳定性分析、内外力分析等内容的综合考虑，可以获得一个合理、可靠的支护方案，实现隧道初期施工的安全与效益。
5.1围岩的应力场与支护结构
s
2P0
sr
r0
P0 r
（图中P0=ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱc）
王丽琴主讲
从上面的曲线得出规律：
1. 随着向岩体内部的深入，应力变化幅度减小，最后接近 于初始应力状态。如r=6r0处，其变化只有3%左右，因此 可以大致认为在此范围以外的岩体不受工程的影响；
2. 孔壁部位变化最大，法向正应力 sr 从 Hc 变到 0 ，而切向 正应力s从Hc变到2Hc ，而且呈单向受压状态。当该值 大于岩体的单轴抗压强度Rc，就可能出现破坏。 Hc/ Rc 就成为反映岩体状态的一个指标。
f
2 1 2 2
式中的R1、R2是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标。
王丽琴主讲
4
设置支护结构后围岩的应力状态，亦称围岩的三次应力状
态{s}3和位移场{u}3 ，以及支护结构的内力{M}和位移{d}。 5 判断支护结构安全度的准则，一般可写成：
f1 M , K1 0 F2 d , K2 0
王丽琴主讲
三、无支护坑道的稳定性及其破坏
坑道稳定性是指隧道围岩在开挖过程中， 在不设任何支护情况下所具有的稳定程度。
无支护坑道围岩的失稳破坏有三种形式：
王丽琴主讲
①局部崩坍
原因：破碎岩体的自重超过了岩体阻力。
发生部位：多数发生在顶部，少数在侧壁处。
②拱形崩坍 原因：岩体强度不足，即强度破坏（脆性破坏） 发生在脆性岩体中，侧壁先开始出现破坏（压裂、剪切 破坏）。 ③变形崩坍：发生在塑性岩体中 原因：变形过度而导致崩坍。
式中的K1、K2是支护结构材料的物理力学参数。
王丽琴主讲
第二节
围岩的二次应力场和位移场
在隧道开挖以前，围岩处于初始应力状态，也称为初始应 力场{s}0，它通常总是稳定的。与其相适应的位移场{u}0 。 隧道开挖后，地应力自我调整，出现相应位移，称为二 次应力场及位移场（ {s}2 及 {u}2 ），如果围岩的一部分出现 塑性以至松弛，就在适时修筑支护，给围岩以反力并约束其 自由位移，这样两者结合成一个体系，应力再次调整，围岩 出现三次应力场及位移场（{s}3及{u}3）。
5.6隧道结构体系的计算模型与方法
隧道开挖在力学上可以认为是一个应力释放和回弹变形问题。 当隧道开挖后，围岩中的部分初始地应力得到释放，产生了向隧 道内的回弹变形，并使围岩中的应力状态发生重分布：隧道周边 成为自由表面，应力为零。为了模拟开挖效应，求得开挖隧道后 围岩中的应力状态，可以将开挖释放掉的应力作为等效荷载加在 开挖后坑道的周边上。 (4)支护结构强度校核
2
23
王丽琴主讲
二、岩体力学方法
在隧道结构体系中，一方面围岩本身由于支护结构提供了 一定的支护抗力，而引起它的应力调整，从而达到新的稳定； 另一方面由于支护结构阻止围岩变形，也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，它是支护结构和围岩共同变形过程中对支护施加的压力， 故可称为“形变压力”。
冻胀力及地震力等。
11
王丽琴主讲
(三) 作用(荷载)组成
被动荷载
弹性抗力——支护结构发生向围岩方向的变形而引起的围 岩的被动抵抗力。
12
王丽琴主讲
弹性抗力的大小，目前常用以“温克尔(Winkler)假定” 为基础的局部变形理论来确定。 它认为 围岩的弹性抗力是与围岩在该点的变形成正比的 ， 用公式表示为：
其中：φ b 、 φ i 、 φ 分别为i、b、h点所在截面与垂直对称轴的夹角；
h
yi΄ yh΄
i点所在截面与衬砌外轮廓线的交点至最大抗力点h的垂直距离；
墙底外缘至最大抗力点h的垂直距离。
19
王丽琴主讲
(2)局部变形地基梁法
q e
局部变形地基梁法由纳 乌莫夫首创，一般用于计算 直墙拱形初砌的内力。 该法计算拱形直墙衬砌
④ 凭借现场试验和监测手段，划定围岩级别，获得力学参数， 指导施工； ⑤ 对不同的地质条件，力学特征的围岩，灵活采用不同支护 方式和相应的力学计算模型。
隧道结构体系的计算模型与方法
隧道结构体系的计算模型与方法王丽琴主讲第五章隧道结构体系设计原理与方法第一节概述第二节围岩的二次应力场和位移场第三节隧道围岩与支护结构的共同作用第四节支护结构的设计原则第五节围岩压力第六节隧道结构体系的计算模型第七节隧道结构体系设计计算方法王丽琴主讲第六节隧道结构体系的计算模型一、计算模型的建立原则二、常用的计算模型王丽琴主讲一、计算模型的建立原则地下结构的力学模型必须符合下列条件：与实际工作状态一致能反映围岩的实际状态以及与支护结构的接触状态荷载假定应与在修建隧道过中（各作业阶段）中荷载发生的情况一致算出的应力状态要与经过长时间使用的结构所发生的应力变化和破坏现象一致材料性质和数学表达要等价。
王丽琴主讲目前,地下结构设计方法可以归纳为以下四种设计模型：①工程类比模型：参照过去隧道工程实践经验进行设计②监控量测模型：以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法例如通过洞周位移和衬砌应力的量测不断优化支护参数③荷载结构模型：即作用与反作用模型例如假定弹性抗力法、弹性地基梁法和弹性链杆法④地层结构模型：即连续介质模型包括解析法、数值法、特征曲线法和剪切滑移破坏法。
数值计算法目前主要是有限单元法。
王丽琴主讲第一类模型：以支护结构作为承载主体围岩作为荷载主要来源同时考虑其对支护结构的变形起约束作用传统结构力学模型第二类模型：与上述模型相反是以围岩为承载主体支护结构则约束和限制围岩向隧道内变形。
现代岩体力学模型二、常用的计算模型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：王丽琴主讲第七节隧道结构体系设计计算方法一、结构力学方法二、岩体力学方法三、以围岩分级为基础的经验设计方法四、监控设计方法（信息化设计和施工）王丽琴主讲这一类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。
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。
隧道结构设计基本原理
（三）隧道工程的两大理论比较
松弛荷载理论
核心内容：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷
载；不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护 结构予以支承。这样，作用在支护结构上的荷载 就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩 体重力。
代表人物：太沙基（K.Terzaghi）和普氏
围岩承载理论
以传统矿山法为基础
核心内容：围岩稳定显然是岩体自身有承载自
②以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，例如以洞周位量测 值为根据的收敛－约束法；
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；（结构力学模型）
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。（岩体力学模型）
地下结构设计计算方法
结构力学方法 岩体力学方法 信息反馈方法 经验方法
稳能力；不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的， 如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围 岩仍然能够进入稳定状态。
代表人物：腊布希维兹、米勒·菲切尔、芬
纳·塔罗勃和卡斯特奈
以新奥法为基础
§5.2 围岩压力
一、围岩压力及其分类 二、影响围岩压力的因素 三、围岩松动压力的形成 四、确定围岩松动压力的方法 五、围岩压力的现场量测简介
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 （2）弹性地基梁阶段
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
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。
140-演示文稿-剪切滑移破坏法、复合式衬砌结构耐久性设计
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
•提出确保混凝土耐久性的施工质量关键控制要求与 措施；
•确定钢筋混凝土保护层厚度； •提出对结构应采取的防腐蚀附加措施； •明确结构使用过程中的检测、养护、维修或局部更 换的要求。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
( 一 ) 初期支护的耐久性
1. 喷混凝土 在腐蚀性严重的场合，喷混凝土的强度等级应不低 于二次衬砌混凝土的强度等级； 喷混凝土的强度要满足长期强度（ 28d ）的要求， 且 1d 的抗压强度不宜小于 10MPa 。 2. 锚杆 锚杆宜采用全长灌浆式锚杆，并应设置垫板。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
化学侵蚀环境
化学侵蚀类型
硫酸盐 侵蚀
盐类结 晶侵蚀 酸性侵
蚀 二氧化 碳侵蚀 镁盐侵
蚀
环境水中 SO42-含量 (mg/L)
强透水性环境土中 SO42-含量(mg/kg) 弱透水性环境土中 SO42-含量(mg/kg) 环境土中 SO42-含量
(mg/kg)
管理等级 Ⅲ Ⅱ Ⅰ
变形管理等级
管理位移 U＜U0/3 U0/3≤U≤2U0/3 U＞2U0/3
施工状态 可正常施工 应加强支护 应采取特殊措施
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
4. 隧道失稳的经验先兆： •局部块石坍塌或层状劈裂，喷层的大量开裂； •累计位移量已达极限位移的 2/3 ，且仍未出现收敛 减缓的迹象； •每日的位移量超过极限位移的 10 ％； •洞室变形有异常加速，即在无施工干扰时的变形速 率加大。
•在施工阶段可利用位移反分析求得的围岩力学指标 和荷载分布状况，通过计算模拟取出极限位移。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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
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。
隧道结构体系设计(原理与方法)
隧道支护结构
防水排水设计
采用复合式衬砌结构，包括初期支护和二 次衬砌。初期支护采用喷射混凝土和钢拱 架，二次衬砌采用钢筋混凝土。
采用全包防水设计，设置中心深埋水沟和 侧沟，配备专业的排水系统。
某铁路隧道结构设计
隧道长度与规模
该隧道全长8公里，为双线铁路 隧道。
结构设计原则
确保隧道结构的强度、刚度和 稳定性，满足高速铁路的行车 要求。
力。
智能材料
如形状记忆合金、压电陶瓷等， 能够感知外界刺激并作出响应， 可用于监测隧道结构的健康状况，
实现结构的自适应调节。
智能化技术在隧道结构体系中的应用
1 2 3
智能传感器技术
通过安装智能传感器，实时监测隧道结构的应力、 应变、位移等参数，为结构安全性评估提供数据 支持。
数值模拟与优化设计
利用数值模拟软件对隧道结构进行精细化建模和 分析，优化设计方案，提高结构的经济性和安全 性。
自动化施工与监控
通过自动化施工设备和智能监控系统，实现隧道 施工过程的实时监测和自动控制，提高施工效率 和安全性。
绿色环保理念在隧道结构体系中的应用
节能设计
优化隧道照明、通风等系统设计，采用节能设备和技术，降低能耗 和碳排放。
资源循环利用
对隧道施工过程中的废旧材料进行回收和再利用，减少资源浪费和 环境污染。
结构的耐久性。
03
隧道结构体系设计方法
隧道结构的断设计
根据隧道的功能和用途，确定隧道的断面形状和 尺寸，以满足行车、行人的安全和舒适性要求。
考虑地质条件、施工方法等因素，优化隧道断面 设计，降低施工难度和成本。
考虑环保和景观要求，将隧道断面设计与周围环 境相协调，提高隧道的美观性和舒适性。
隧道施工监控量测技术(2)
切径向荷载 向 荷 载
(c)
水平压力e
抗 力 区
脱离区
拱部 变形后 外轮廓线
边墙
竖直压力q 弹性抗力
仰拱
底压力
σi δi
(a)局部变形假设
σi σi
(b)整体变形假设
eX
q
O
b
e
b
i
h K
a
Va
Y
Ka
2 h
i
K
a Va
b c
K
l
a ha
q O
b
c
EJ K
a Ka
1
01
3.实际荷载模式(如图c)
二、隧道衬砌受力变形特点
如图所示的曲墙式衬砌，在主动荷载(设围岩 垂直压力大于侧向压力)作用下，结构产生的变形 用虚线表示。在拱顶，其变形背向地层，不受围岩 的约束而自由变形，这个区域称为 “脱离区”； 而在两侧及底部，结构产生朝向地层的变形，并受 到围岩的约束阻止其变形，因而围岩对衬砌产生了 弹性抗力，这个区称为 “抗力区”。
其设计原理是按围岩分级或由实用公式确定 围岩压力，围岩对支护结构变形的约束作用是通 过弹性支撑来体现的，而围岩的承载能力则在确 定围岩压力和弹性支撑的约束能力时间接考虑。
在围岩与支护结构相互作用的处理上却有几 种不同的做法：
1.主动荷载模式 (如图a) 2.主动荷载加被动荷载(弹性抗力)模式(如图b)
莫尔—库仑准则的图形如图
τ
φ ccotφ
Rc/2 c
σr
(σθ－ σr)/2
2θ Rc
σθ
σ
图中的斜线，即岩体破坏分界线上的各点都 符合下列算式：
f n tan [ ] C 0
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
fn
u2
sinf n
单位水平力
sin0kfnn
dco s
f n
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
15
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避车洞的布置原则、隧道结构防排水体系。
第五章 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
支护结构计算理论的发展大概可分为3个阶段。
一、刚性结构阶段
二、弹性结构阶段 三、连续介质阶段
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
第二节 围岩压力
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原 理
锚杆 网喷混凝土
防水层 二次衬砌
H O3
h1
45° r1
O1
O2
O2
r3
隧线 中中 线线 内轨顶面
d
O3 h1
80
27
B
复合式衬砌示意图
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原 理
式中ω——宽度影响系数， ω=1+i(B-5) B——坑道宽度，以m计； i——B每增加1m时，围岩压力的增减率(以B＝
5m为基准)，当B＜5m时取i=0.2，B＞5m时，取i＝ 0.1。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
对于单线隧道、按概率极限状态设计时：
q hq 0.411.79S
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。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
变形阶段
(a)
塌落阶段
(c)
松动阶段
(b)
成拱阶段
(d)
自然拱
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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。
ei pqi 2c p
a
tan2 (45
)
2
p
tan2 (45 )
2
在负计压算力总。压力时可不计临界深度h0
= 2c
a
以上的
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
1.我国《隧规》所推荐的方法（q、e）
(1)深埋隧道 对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设计时：
q hq 0.45 2S1 w
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
(二)确定围岩松动压力的方法
➢现场实地量测 ➢理论公式计算 ➢统计的方法
围岩压力
水平岩 层冒落
倾斜岩层 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
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
h b
k
侧向压力
朗金土压力理论
ei aqi 2c a
ei pqi 2c p
a
tan2 (45
)
2
p
tan2 (45 )
2
在负计压算力总。压力时可不计临界深度h0
= 2c
a
以上的
内容回顾
1.围岩压力的概念及分类。 2.松动压力的形成过程。 3.《隧规》推荐计算松动压力的计算方法。
17°28′08″
17°28′08″
12°49′51″
59°28′01″
59°28′01″
12°49′51″
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
第二节 围岩压力
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。 狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护结构
上述松动压力、形变压力往往同时存在，难以 严格区分。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理 二、影响围岩压力的因素
➢ 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。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
水平压力e可用下表中的经验范围取值。
水平压力e推荐范围
围岩级别 Ⅰ～Ⅱ Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
水平匀布压力 0 ＜0.15q (0.15～0.3)q (0.30～0.5)q (0.5～1.0)q
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
上述计算表达式的适用条件
①H/B＜1.7(H为坑道的高度)； ②深埋隧道； ③不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩； ④采用钻爆法施工的隧道。
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
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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。
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
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
(二)确定围岩松动压力的方法
➢现场实地量测 ➢理论公式计算 ➢统计的方法
土质隧道：
竖向压力
明挖和浅埋暗挖隧道
深埋暗挖隧道
全部土柱重量 泰沙基公式或普氏公式计算
q h
q h ; q
b tg0
1
e
tan0
h b
k
侧向压力
朗金土压力理论
ei aqi 2c a
影响因素：工程地质、水文地质、埋深、结构形状、
工作条件、施工方法、相邻隧道间距等。
深埋石质隧道：围岩的松动压力可按《铁 路隧道设计规范》所建议的公式进行计算。
土质隧道：
竖向压力
明挖和浅埋暗挖隧道
深埋暗挖隧道
全部土柱重量 泰沙基公式或普氏公式计算
q h
q h ; q
b tg0
1
e
tan0
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。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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。