第7讲辅助施工措施的力学分析

中南大学土木工程学院隧道工程系主讲教师：施成华隧道力学第7讲隧道辅助施工措施的力学分析本讲主要内容：1、常用辅助施工措施2、管棚作用的力学分析3、锁脚钢管的力学分析土木工程学院隧道工程系施成华一、隧道常用辅助施工措施在软弱围岩隧道施工过程中，需要采取辅助施工方法对开挖面前方围岩进行预加固、控制围岩变形，防止围岩坍塌、以保证施工安全。1)控制先行位移的措施——超前支护;2)控制隧道掌子面挤出位移的措施——掌子面补强;3)控制隧道拱脚下沉的措施——脚部补强，4)控制隧道掌子面后方变形的措施——加强初支及二衬。第7讲辅助施工措施的力学分析—常用辅助施工措施土木工程学院隧道工程系施成华一、隧道常用辅助施工措施1）超前支护第7讲辅助施工措施的力学分析—常用辅助施工措施(1)超前锚杆(2)超前小导管(3)水平旋喷注浆(4)压入式短钢管(5)预衬砌法(6)超前管棚法土木工程学院隧道工程系施成华一、隧道常用辅助施工措施2）掌子面补强支护第7讲辅助施工措施的力学分析—常用辅助施工措施(1)弧形开挖、留核心土(2)掌子面喷混凝土(3)短掌子面锚杆(4)长掌子面锚杆土木工程学院隧道工程系施成华一、隧道常用辅助施工措施3）脚部补强第7讲辅助施工措施的力学分析—常用辅助施工措施（1）补强锚杆（2）补强锚管（3）脚部注浆（4）水平喷射注浆（5）临时仰拱（6）基脚混凝土（7）水平锚管土木工程学院隧道工程系施成华一、隧道常用辅助施工措施4）初支及二衬补强第7讲辅助施工措施的力学分析—常用辅助施工措施(1)高强度喷射混凝土(2)高承载力锚杆(3)高承载力钢支撑(4)加厚初支(5)高强度二衬混凝土土木工程学院隧道工程系施成华(3)按钢管直径分类①小管棚：钢管直径小于129mm的管棚；②中管棚：钢管直径在129～299mm之间的管棚；③大管棚：钢管直径大于300mm的管棚。(4)按注浆分类①注浆管棚a.先管后注法b.先注后管法②不注浆管棚：钢管打设完毕后，不向围岩进行注浆，仅用水泥砂浆将填充钢管，有时为了增大钢管的强度和刚度，在钢管内设置钢筋笼后填塞水泥砂浆。第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚1.管棚的类型二、管棚土木工程学院隧道工程系施成华(5)按钢管之间连接方式分类①搭接管棚：钢管之间采用各类公母接头连接成②非搭接管棚：打设管棚时钢管之间未采用任何搭接方式(6)按施工方法分类①钻孔法：是目前最常用的方法②夯管法：采用夯击技术直接将钢管夯入地层，一般适用于软塑地层；③顶管法：压入式、螺旋钻进式、水平钻进式、泥浆加压式在我国地下工程施工中，除了在管幕顶推施工中通常采用大管棚外，应用最广泛的是小管棚和中管棚，钢管直径多在200mm以下，其中以φ108mm的钢管应用最多。近年来也出现了部分双层管棚以及大直径管棚第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚1.管棚的类型土木工程学院隧道工程系施成华(1)作为在既有公路、铁路下修建隧道的防护第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚2.管棚的主要用途管棚隧道铁路公路隧道隧道图2.1（a）管棚应用于下穿铁路隧道图2.1（b）管棚应用于下穿公路隧道重载货车双层管棚土木工程学院隧道工程系施成华(2)作为在地面或地下重要建筑物下方修建隧道的防护第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚2.管棚的主要用途建筑物双层管棚隧道道路地铁环线区间管棚新建车站图2.1（c）管棚作为地表建筑物防护图2.1（d）管棚作为地下建筑物防护变形缝变形缝土木工程学院隧道工程系施成华(3)作为隧道洞口段的辅助施工方法(4)作为大断面隧道的辅助施工方法第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚2.管棚的主要用途管棚三车道隧道三车道隧道隧道管棚边坡防护图2.1（e）管棚应用于浅埋偏压隧道洞口图2.1（f）管棚应用于大断面隧道土木工程学院隧道工程系施成华(5)作为穿过河底、海底、断层破碎带、塌方地段、软塑地层等困难地段的辅助施工方法第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚2.管棚的主要用途图2.1（h）管棚应用软塑地层隧道管棚图2.1（g）管棚应用于塌方地段处理塌方地段管棚隧道原地面线地铁大管棚小导管大管棚小导管地铁(6)代替施工便梁或挡土插板作为其它施工的辅助方法。土木工程学院隧道工程系施成华(1)作用于管棚上的载荷1）己开挖管棚上方和开挖面前方松弛范围的围岩压力2）围岩对管棚的弹性抗力、3）隧道上部的车辆荷载及其他荷载4）附加荷载：灌浆压力、温度变化或混凝土收缩引起的温度应力和收缩应力、施工荷载等。上述这些荷载中围岩压力为地下结构设计计算的控制因素，包括竖向压力和水平压力。第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚3.管棚的力学特征土木工程学院隧道工程系施成华(2)管棚中的钢管起着双重作用：一是起注浆管的作用，管棚注浆可以使钢管周围围岩裂隙充满浆液，提高围岩的稳定性和整体性，在围岩中形成加固圈，同时注浆具有隔水作用，减少了地下水的渗透；二是起支护结构的作用，钢管内部填充水泥砂浆形成刚度较大的钢管混凝土，其承受着临空面上部荷载，减少了围岩向隧道净空的径向位移量。管棚下部围岩不直接承受上部全部荷载，仅受到加固圈变形引起的形变压力，大大减小了掌子面围岩所承受的压力，有效保护掌子面稳定。第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚3.管棚的力学特征土木工程学院隧道工程系施成华(3)管棚预支护体系能够有效地从空间、时间上调整隧道开挖引起的应力分布，保持隧道掌子面稳定和抑制地面沉陷，长管棚从超前支护和永久支护两方面出发，改善围岩的内部环境，将未开挖前的初始平衡直接转移到建成隧道的最终平衡(4)在隧道掌子面后方已开挖并施作初期支护段，管棚与拱架相结合形成小跨度的短梁，短梁长度等于拱架间距；在已开挖但未施作初期支护段，上部围岩压力全部由管棚承担；伸入掌子面前方地层的管棚起弹性地基梁作用，不仅承受上部围岩压力，而且还受下部围岩的弹性抗力。因此，在隧道开挖过程中管棚起次梁的作用承受上部围岩压力，并将载荷传递给下面的主梁(拱架)和开挖面前方的弹性地基。第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚3.管棚的力学特征土木工程学院隧道工程系施成华（1）Winkler模型用一系列具有固定刚度且相互独立的弹簧来模拟地基，假定某点的地基反力与该点的位移成正比，而地基上某点的位移与其他点的应力无关。第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚4.围岩的力学模型(,)(,)pxykxy土木工程学院隧道工程系施成华（2）弹性半空间理论模型假定地基为一个均匀的、各向同性的半无限大连续弹性体，土的力学性质由变形模量和泊松比来表征，当集中力作为于某点时，地基表面处的竖向位移由Boussinesq解答给出第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚4.围岩的力学模型21(,)ssPxyEr22rxy2221(,)(,)()()ssqxyddExy当作用力为分布荷载时土木工程学院隧道工程系施成华（3）双参数地基模型双参数模型是介于Winkler模型和弹性半空间模型之间的地基计算模型，通过在独立弹簧之间引入力的相互作用，用两个独立的参数来表征地基土的特性，常用的双参数模型有费洛年柯一鲍罗基契(Filonenko-Borodich)模型、巴斯捷纳克(Pasternak)模型、海藤义(Hetenyi)模型和符拉索夫(Vlasov)模型。第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚4.围岩的力学模型土木工程学院隧道工程系施成华（3）双参数地基模型Pasternak模型是假设在Winkler模型中各弹簧单元之间存在着剪切作用，这种剪切作用是通过一层只能产生横向剪切变形而不可压缩的剪切层相联结来实现，外荷载与位移之间关系为：第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚4.围岩的力学模型2(,)(,)(,)pPxykxyGxyzx剪切层剪切层Pxz剪切层Pxzzx剪切层q(a)基本模型(b)集中荷载(d)均布柔性荷载(c)刚性荷载土木工程学院隧道工程系施成华（1）荷载大小按深、浅埋隧道分别进行计算。第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚5.管棚的作用荷载（2）荷载纵向分布范围掌子面后方：未支护段围岩压力全部由管棚承担，支护段为具有一定初始位移和初始转角的弹性固定端。掌子面前方：BCyhF围岩钢拱架初期支护掌子面破裂面xq=γhqA管棚ashqH'H2φ45o-(452)odhtg土木工程学院隧道工程系施成华第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚5.管棚的作用荷载（3）荷载横向分布范围第i根管棚承受岩体的宽度：管棚RHiαi洞轴线oqi=γHiei=λ(a)(b)tibiqitibiδθqncossiniibt第i根管棚支护范围内的径向均布荷载：22()()iiiintebqq2sin2R若将管棚作为梁，假设梁的宽度与管棚直径等宽，将荷载等效到梁的宽度b上，则作用在管棚上的荷载为：0nqqb土木工程学院隧道工程系施成华第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚6.管棚的弹性地基梁分析模型（1）模型1已支护段看着具有一定初始位移和初始转角的弹性固定端，已开挖但未支护段，围岩松弛压力完全由管棚承受；隧道掌子前方松弛范围内，管棚受到均布松动压力，同时还受到围岩的弹性抗力。因此，可将管棚作为半无限长弹性地基梁。ABCxyhDasd围岩钢拱架砼套拱初期支护p(x)=kω-Gpdωdx245o-φ22(b)掌子面破裂面Ey2dxdωp(x)=kω-GpE2dsDCBxq(x)(a)q0土木工程学院隧道工程系施成华第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚6.管棚的弹性地基梁分析模型（2）模型2当隧道开挖接近管棚前端，管棚可作为有限长度的弹性地基梁。ABCxyhDasd围岩钢拱架初期支护p(x)45o-φ2掌子面破裂面y2dxdωp(x)=kω-GpDCBxq(x)2ds(a)(b)q0土木工程学院隧道工程系施成华第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚7.地基梁的微分方程根据管棚的弹性地基梁模型，在管棚上截取一微段dx，其受力如图所示，设梁的宽度为bM(x)Q(x)q(x)p(x)Q(x)+dQ(x)M(x)+dM(x)dxyx2q0p(x)=kω-Gpdωdx2Bds0ω+M(a)(b)0θθ+Q+由可得由可得()()()dQxbpxqxdx0Y0M22()()022dxdxMMdMQdQdxqxpx22()()()()dQxdMxbpxqxdxdx略去二阶微分项得()()dMxQxdx由此有：土木工程学院隧道工程系施成华第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚7.地基梁的微分方程由Bernoulli-Euler经典理论得到荷载、位移及内力之间的微分关系M(x)Q(x)q(x)p(x)Q(x)+dQ(x)M(x)+dM(x)dxyx2q0p(x)=kω-Gpdωdx2Bds0ω+M(a)(b)0θθ+Q+由此可得到梁的挠曲微分方程2233()()()()()()()dxxdxdxMxEIdxdMxdxQxEIdxdx44()()()dxEIbqxpxdx土木工程学院隧道工程系施成华第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚7.地基梁的微分方程考虑不同的地基模型，即可得到地基抗力的表达式，由此得到管棚的控制微分方程。M(x)Q(x)q(x)p(x)Q(x)+dQ(x)M(x)+dM(x)dxyx2q0p(x)=kω-Gpdωdx2Bds0ω+M(a)(b)0θθ+Q+当采用双参数模型中的Pasternak模型时，有22()()()pdxpxkxGdx42**42()()()()pdxdxEIGbkbxbqxdxdx1/2*/1PGkbbb可得管棚的控制微分方程为为考虑双参数地基连续性有限宽度梁等效宽度土木工程学院隧道工程系施成华第7讲辅助施工措施的力学分析—管棚7.地基梁的微分方程ABCxyhDasd围岩钢拱架砼套拱初期支护p(x)=kω-Gpdωdx245o-φ22(b)掌子面破裂面Ey2dxdωp(x