第五章-隧道结构计算5

学习本章学习目的：（1）要求了解地下工程与地面工程的特性、设计原则的区别。（2）要求掌握有关公路隧道、铁路隧道的设计及有关计算方法。第5章隧道结构计算5.1概述5.2隧道衬砌上的荷载类型及其组合5.3围岩压力确定方法5.4隧道结构计算方法5.5衬砌截面强度验算5.6隧道结构计算实战5.1概述1、地下工程与地面工程的区别2、隧道结构计算理论发展3、隧道结构体系计算模型1、地下工程与地面工程的区别地下结构工程特性、设计原则和方法与地面结构完全不同。（1）荷载大小与类别（2）材料物理力学参数（3）承载结构体系不同隧道结构是由周边围岩和支护结构两者共同组成并相互作用的结构体系周边围岩在很大程度上是隧道结构承载的主体。隧道衬砌的设计计算必须结合围岩自承能力进行。对不同型式的衬砌结构物应用不同方法进行强度计算2、隧道结构计算理论的发展如何确定作用在地下结构上的荷载？如何考虑围岩的承载能力？（1）刚性结构阶段在十九世纪末，隧道衬砌结构是作为静定弹性三铰拱计算，但仅考虑作用在衬砌上的围岩压力，忽视了围岩对衬砌的约束作用。⑵弹性结构阶段弹性抗力：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”，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.隧道衬砌结构是作为超静定弹性连续拱形框架，超静定结构力学方法计算，不仅考虑作用在衬砌上的围岩主动压力，并考虑了地层对衬砌的弹性反力约束作用。弹性抗力大小，目前以温克尔（E.Winkler）假定为基础的局部变形理论，它认为应力和变形之间呈线性关系，即为围岩弹性抗力系数式中—围岩边面上任意一点i的压缩变形（m）;—围岩在同一点所产生的弹性抗力（MPa）;—比例系数，称为围岩的弹性抗力系数(MPa/m)。iiKiiK施加荷载后计算模型图弯矩图变形图变形前变形后（3）连续介质阶段二者相互作用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、施工技术等因素有关。以岩体力学理论为基础，视隧道结构与围岩为受力整体，共同承受围岩形变压力。（4）数值分析与信息反馈阶段随着岩土本构关系进步以及有限元法及离散元法等数值解法发展，连续介质力学的计算应用范围得到扩大。计算参数难以准确获得。例如：岩体原始应力、岩体力学参数及施工因素等。以新奥法理论为基础，采用监控量测技术，将支护与围岩共同作用、信息反馈原理应用在地下工程中，形成现代信息化支护与技术。3、隧道结构体系的计算模型计算模型的如何建立？隧道结构计算如何简化？不同简化计算结果差异大！目前采用的地下结构设计常用方法可以归纳为以下3种设计模型：以工程类比为主的经验设计法；荷载—结构模型方法岩体力学模型方法，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，即结构力学模型，又称为荷载－结构模型；●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，即岩体力学模型或称为围岩（地层）—结构模型。天府广场地下综合体三维实体模型近接上下交叉隧道整体三维模型上部管线隧道下部贯穿隧道侧开窗洞门基坑开挖后初始模型计算5000步计算25000步计算5000步计算25000盾构开挖初始模型基坑开挖后初始模型破坏1MNMX-.211E+07-.188E+07-.164E+07-.140E+07-.116E+07-926184-688695-451206-21371723772ELEMENTSOLUTIONSUB=1TIME=1SZ(NOAVG)RSYS=0DMX=.134E-03SMN=-.211E+07SMX=237721ELEMENTSMATNUM1MNMX-124752-108888-93025-77161-61297-45433-29570-13706215818021APR13201011:33:23NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=13TIME=1SZ(AVG)RSYS=0DMX=.511E-04SMN=-124752SMX=180215.2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1、基本荷载（1）围岩压力（2）结构自重力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。2、隧道结构上的荷载及其类型《公路隧道设计规范》JTGD70-2004将隧道结构上荷载仿照桥规分为：●永久荷载●可变荷载●偶然荷载编号荷载类型荷载名称1永久荷载（恒载）围岩压力2结构自重力3填土压力水压力4混凝土收缩和徐变影响力5可变荷载基本可变荷载公路车辆荷载，人群荷载6立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力和土压力7立交铁路列车活载及其所产生的冲击力和土压力8其它可变荷载立交渡槽流水压力9温度变化的影响力10冻胀力施工荷载11偶然荷载落石冲击力12地震力隧规P28：作用在隧道结构上的荷载荷载组合：●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＋地震作用附加恒载：伴随隧道运营的各种设备设施的荷载等。eeqP1P2P1P2P2P15.3围岩压力的确定1、围岩压力的概念围岩压力：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。从狭义上来理解，围岩压力是指围岩作用在支护结构上的压力。在工程中一般研究狭义的围岩压力。●围岩压力按作用力发生形态分为：⑴松散压力：⑵形变压力：⑶膨胀压力：⑷冲击压力：常通过下列三种情况发生：①在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；②在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮冒落；③在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。⑴松散压力：是指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的压力。跨度11m组合跨度14m组合跨度14mIII级围岩自稳性跨度5m组合跨度6m组合跨度7mV级围岩自稳性III级围岩自稳性V级围岩自稳性⑵形变压力：是指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。形变压力除与围岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。⑶膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。⑷冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性变性能之后，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。冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与弹性模量直接相关。弹性模量较大的岩体，在高地应力作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件，就会突然猛烈的大量释放。2、围岩松散压力的产生开挖隧道所引起的围岩松动和破坏的范围有大有小，对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅局限在隧道周围一定深度，作用在支护结构上的围岩松散压力远远小于其上覆岩层自重所造成的压力，这可用围岩的“成拱作用”来解释。2、围岩松散压力的产生过程⑴隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开始沉陷，并出现拉断裂纹，可视为变形阶段；⑵顶板的裂纹继续发展并且张开，由于结构面切割等原因，逐渐转变为松动，可视为松动阶段；⑶顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍塌阶段；⑷顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成一近似的拱形，可视为成拱阶段。自然拱的范围的大小除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外，还取决于以下诸因素：⑴隧道的形状和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩松散压力也越大；⑵隧道的埋深：实践证明，只有当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然拱。习惯上称这种隧道为深埋隧道，否则为浅埋隧道。⑶施工因素：爆破震动,分部开挖多次扰动围岩，引起围岩失稳，加大自然拱范围。3、围岩压力的确定方法围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：●直接量测法●经验法或工程类比法●理论估算法●直接量测法：是一种切合实际的方法，对隧道工程而言，也是研究发展的方向；但由于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍常用。接触压力量测布置图●经验法或工程类比法：是根据大量以前工程的实际资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值，作为后建隧道工程确定围岩压力的依据的方法。是目前使用较多的方法。●理论估算法：是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法。由于地质条件的不确定性，影响围岩压力的因素多，企图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩压力理论及计算方法是困难的。⑴深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法)围岩竖向匀布压力q按下式计算：q=0.45×2s-1×γω(kN/m2)式中：S—围岩级别，如属II级，则S＝2；γ—围岩容重，(kN/m3)；ω＝1+i(B-5)—宽度影响系数；B—隧道宽度，（m）；i—以B＝5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。当B5m，取i＝0.2；当B5m,取i＝0.1。⑴深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法)q=0.45×2s-1×γω(kN/m2)●适用条件①H/B1.7，式中H为隧道高度；②深埋隧道；③不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道；④采用钻爆法施工的隧道。●围岩的水平匀布压力e的确定，按下表中的经验公式计算围岩级别I、IIIIIIVVVI水平匀布压力00.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q●铁路新规范：q＝γhh=0.41×1.79S这是全国1046座铁路隧道得出的经验公式，其中S—新规范围岩的分级。围岩压力分布特征qeeeeqP1P2P1P2P2P1深埋荷载分布深埋荷载分布，考虑水压竖向荷载分布水平荷载分布郑西客运专线黄土隧道厦门翔安海底隧道⑵浅埋隧道围岩松散压力的计算①深、浅埋隧道的判定原则隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，应以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。●深埋隧道围岩松散压力值是以施工坍方平均高度(等效荷载高度值)为根据，为了形成此高度值，隧道上覆岩体就有一定的厚度。根据经验，这个深度通常为2～2.5倍的坍方平均高度值①深、浅埋隧道的判定原则Hp＝（2～2.5）hq式中:Hp—深浅埋隧道分界深度;hq—荷载等效高度，按下式计算：hq＝q/γq—深埋隧道竖向均布压力kN／m2；γ—围岩容重（kN／m2）。在矿山法施工的条件下I一III级围岩取Hp＝2hqIV～VI级围岩取Hp＝2.5hq当隧道覆盖层厚度H≥Hp时为深埋，H＜Hp时为浅埋H＜hq时为超浅埋②超浅埋隧道围岩压力的确定方法●埋深(H)小于或等于等效荷载高度hq时，荷载视为均布竖向压力q=γH式中:q—匀布竖向压力；γ—深度上覆围岩容重；H—隧道埋深，抬隧道顶至地面的距离。②超浅埋隧道围岩压力的确定方法侧向压力e，按匀布考虑时，其值为：式中:e—侧向匀布压力；γ—围岩容重，以kN/m3计；H—隧道埋深，以m计；Ht—隧道高度，以m计；Φc一围岩计算摩擦角，可查有关规范。245tan22ctHHe●浅埋，埋深大于hq、小于等于Hp时采用松散介质极限平衡理论进行分析，即：围岩松动压力=滑动岩体重量－滑面上的阻力。tan1BHrHq2hHe⑶围岩应力的现场量测实测围岩压力的方法很多，可归纳为两类：直接量测间接量测●直接量测：主要采用压力盒、压力传感器等，压力盒按工作原理分为机械作用式、电测式和液压式等，目前使用较多的是钢弦式压力盒。●间接量测：利用量测隧道衬砌的应变、变形来推算作用在其上的围岩压力的方法，即间接量测