《隧道工程》课件第9讲隧道支护结构设计计算方法的基本原理1
合集下载
- 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)。
在具有一定粘结力的松散介质中开挖坑道后，其 上方会形成一个抛物线形的自然拱，作用在支护结构 上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重量。
而自然拱的形状和尺寸(即它的高度hk和跨度Bt)与 岩体的坚固性系数f 有关。具体表达式为：
hk bt f
式中 hk——自然拱高度； bt——自然拱的半跨度。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
水平岩 层冒落
倾斜岩层掉 块、塌落
高边墙 坍塌
第五章 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
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
2.弹性地基梁阶段
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
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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护结构施加的压力，称为形变压 力。
松动压力常通过下列三种情况发生： 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩 石； 在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落； 在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面 发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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
➢理论公式计算：由于围岩地质条件的千变万化，
所用计算参数难以确切取值，目前还没有一种能 适合于各种客观实际情况的统一理论。
➢统计的方法：在大量施工坍方事件的统计基础
上建立起来的统计方法，在一定程度上能反映围 岩压力的真实情况。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
1.普氏理论
➢ 提出岩体坚固性系数f 的概念。 视岩体为散粒体。但岩体又不同于一般的散粒
狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护结构 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。
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。它 与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起 的。
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。
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
影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。
➢ 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；
hk
hk
Ht
BtLeabharlann Baidu
45 0
2
B
b
B
(a)
(b)
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
在松散和破碎岩体中，坑道的侧壁受到扰动而 产生滑移，自然拱的跨度也相应加大 。
bt b Ht tg45 0 2
式中 b——坑道的净跨之半； Ht——坑道的净高；
体，其结构面上存在着不同程度的粘结力，又要保 证其抗剪强度不变。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
岩体的抗剪强度： 岩体坚固性系数：
tgc
ft gct g ct g 0
式中 0 ——岩体的内摩擦角和似摩擦角；
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
➢ 提出基于“自然拱”概念的计算理论
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
本节内容
•围岩压力概念，分类； •围岩松动压力的确定方法。 本节重点
•围岩压力的概念； •我国铁路隧道围岩压力的计算方法。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理 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。它包括由地应 力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护 结构上的作用力。
➢ 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
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。在成拱过程中形 成的相对稳定的拱形坍腔结构，成为自然拱或坍落 拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。
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
Hp2~2.5hq
式中 H p ——深浅埋隧道分界的深度；
h q ——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：按目前的量测手段和技术水平
来看量测的结果尚不能充分反映真实情况。
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。
而自然拱的形状和尺寸(即它的高度hk和跨度Bt)与 岩体的坚固性系数f 有关。具体表达式为：
hk bt f
式中 hk——自然拱高度； bt——自然拱的半跨度。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
水平岩 层冒落
倾斜岩层掉 块、塌落
高边墙 坍塌
第五章 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
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
2.弹性地基梁阶段
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
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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护结构施加的压力，称为形变压 力。
松动压力常通过下列三种情况发生： 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩 石； 在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落； 在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面 发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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
➢理论公式计算：由于围岩地质条件的千变万化，
所用计算参数难以确切取值，目前还没有一种能 适合于各种客观实际情况的统一理论。
➢统计的方法：在大量施工坍方事件的统计基础
上建立起来的统计方法，在一定程度上能反映围 岩压力的真实情况。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
1.普氏理论
➢ 提出岩体坚固性系数f 的概念。 视岩体为散粒体。但岩体又不同于一般的散粒
狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护结构 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。
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。它 与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起 的。
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。
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
影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。
➢ 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；
hk
hk
Ht
BtLeabharlann Baidu
45 0
2
B
b
B
(a)
(b)
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
在松散和破碎岩体中，坑道的侧壁受到扰动而 产生滑移，自然拱的跨度也相应加大 。
bt b Ht tg45 0 2
式中 b——坑道的净跨之半； Ht——坑道的净高；
体，其结构面上存在着不同程度的粘结力，又要保 证其抗剪强度不变。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
岩体的抗剪强度： 岩体坚固性系数：
tgc
ft gct g ct g 0
式中 0 ——岩体的内摩擦角和似摩擦角；
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
➢ 提出基于“自然拱”概念的计算理论
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
本节内容
•围岩压力概念，分类； •围岩松动压力的确定方法。 本节重点
•围岩压力的概念； •我国铁路隧道围岩压力的计算方法。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理 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。它包括由地应 力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护 结构上的作用力。
➢ 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
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。在成拱过程中形 成的相对稳定的拱形坍腔结构，成为自然拱或坍落 拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。
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
Hp2~2.5hq
式中 H p ——深浅埋隧道分界的深度；
h q ——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：按目前的量测手段和技术水平
来看量测的结果尚不能充分反映真实情况。
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。