隧道工程(第五讲-隧道支护结构设计)

隧道支护结构设计
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。
假定弹性反力
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
隧道支护结构设计
2.弹性地基梁阶段
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和位移场 ， 以及支护结构的内力和位移
5.判断支护结构安全度的准则 围岩复杂多变
必须充分认识 ！
很难得到确定、可靠的结果
信息化设计与施工
隧道支护结构设计
隧道信息化设计与施工
使经验方法科学化 信息化设计与施工
使理论分析具有实际背景
过程与要点 地质调查与室内试验 理论分析与工程类比
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
隧道支护结构设计 二、弹性结构阶段
隧道支护结构设计
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
隧道支护结构设计
隧道结构体系
隧道结构体系
围岩 承载的主体 支护结构 辅助围岩承载
主要承载
隧道结构体 系
支护结构
围岩
隧道支护结构设计
隧道结构体系的受力特点
（1）荷载的模糊性和不确定性
围岩壁面
（2）围岩压力承载体系 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 （3充）分设发计挥参围数岩受的施自工承方载法力和施作时机 的影响很大
隧道支护结构设计
第一节 隧道设计计算理论的发展
隧道支护结构设计
地下结构的力学模型必须符合下述条件： • 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洞室过程(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。
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。
隧道支护结构设计
第二节隧道结构设计内容与流程
隧道支护结构设计
现代围岩承载理论关于隧道支护结构设计的基本原则
“围岩不稳，支护帮助，遇强则弱，遇弱则强，按需提供，先柔 后刚，协调工作，量测监控，动态调整”
隧道支护结构设计
（一）隧道支护的作用和结构设计基本原则
（1）根据隧道使用年限及重要性，确定安全系数。 （2）在满足直线建筑限界要求、功能要求和构造要求，保证隧道 净空大小够用的条件下，依据围岩稳定能力的强弱、岩体结构类 型、围岩压力的作用和分布状态，应用工程类比方法，初步拟订 支护结构的横断面几何形状和尺寸等各项支护参数。
（一）隧道支护的作用和结构设计基本原则
围岩具有“三位一体特性”
围岩既是产生围岩压力的原因（岩体处于应力场中），又是承受 压力的结构（应力岩体的自承载作用），而且是构成这个结构的天然 材料（非人工材料）。
围岩与支护的基本关系
围岩是工程加固的对象，支护只是加固的手段；围岩是隧道结构 体系的基本承载部分，支护是隧道结构体系的辅助承载部分；围岩是 不可替代的天然的结构主体，支护是可以选择的人工的结构部分。
（3）然后应用理论计算方法检算支护结构内力及围岩内应力，并 调整横断面几何形状和尺寸，使支护受力状态及围岩应力分布均趋 于合理。 （4）在施工过程中对“围岩——支护”结构体系的力学动态进行必 要而有效的现场监控量测，以验证各项参数的合理性，发现和控制 施工过程中出现的不良状况，并依据实际状况的变化对相应的支护 参数乃至于施工方案予以及时调整和修改。
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。
隧道支护结构设计 一、刚性结构阶段
只要符合上述条件，任何计算方法都会获得合理的 结果。
隧道支护结构设计
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 。
刚性结构阶段
弹性结构阶段
假定弹性反力阶段 弹性地基梁阶段
连续介质阶段
隧道支护结构设计
隧道支护结构设计
二、弹性结构阶段
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。
设置初期支护
与
时
间
约束、控制围岩变形 及
施
工
改善围岩的应力状态
有 关
自然塌落拱
三次应力状态
松动压力 形变压力
稳定后
稳定的洞室结构
隧道支护结构设计
需要认识的主要问题
1.围岩的初始应力状态，或称一次应力状态 2.开挖隧道后围岩的二次应力状态和位移场 3.围岩稳定性准则:判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件
（4）隧道与地上结构的区别－围岩抗 力的存在
支护结构 围岩抗力
隧道支护结构设计
隧道开挖后的围岩变化
地层
初始应力场（一次）
ห้องสมุดไป่ตู้
理论上不设支护
隧道开挖
围岩
围岩压力
围岩长期稳定
力
位移不侵入限界
学
围岩应力重分布
第一阶段
二次应力状态
过 程
围岩不稳定
围岩产生位移、松弛 围岩薄弱处局部破坏
隧道坍塌
第二阶段 第三阶段 第四阶段
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《隧道工程》课程 第五讲
隧道支护结构设计（1）
西南交通大学
第五讲 隧道支护结构设计
• 隧道设计计算理论的发展 • 隧道结构设计内容与流程 • 围岩压力的计算方法 • 结构力学方法 • 其他设计方法 • 常用计算软件简介