第四章 地下建筑结构的计算方法

第四章地下结构的设计方法第一节概述第二节工程类比法第四节地层结构法第五节收敛限制法第三节荷载结构法1设计大体思路：按使用要求、场地条件、施工方法、经济条件等初定结构型式§1概述要计算，但不能过于依赖计算据经验初估结构各部位尺寸之后进行计算分析，必要时修改构件尺寸或结构型式2设计方法一般分以下4类：工程类比法（严格说并非计算方法）地层结构法：共同承载，连续介质理论。收敛限制法：属地层结构法，弹塑-粘性理论荷载结构法：主动荷载、主动荷载+弹性抗力数值法、解析法可用于上列后3种方法的任意一种计算模型：平面模型、空间模型§1概述3§2工程类比法隧道各级围岩自稳能力判断围岩级别自稳能力Ⅰ跨度20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方Ⅱ跨度10m～20m，，可基本稳定，局部可发生掉块或小塌方；跨度10m，可长期稳定，偶有掉块；Ⅲ跨度10～20m，可稳定数日至1个月，可发生小～中塌方；跨度5～10m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小～中塌方跨度5m,可基本稳定Ⅳ跨度5m，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动变形、小塌方，进而发展为中～大塌方。埋深小时，以拱部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性流动变形和挤压破坏跨度小于5m，可稳定数日至1个月Ⅴ无自稳能力，跨度5m或更小时，可稳定数日Ⅵ无自稳能力工程类比法进行设计2车道隧道初期支护的设计参数围岩级别初期支护喷射混凝土厚度（cm）锚杆（m）钢筋网钢架拱部、边墙仰拱位置长度间距Ⅰ5局部2.0Ⅱ5～8局部2.0～2.5Ⅲ8～12拱、墙2.0～3.01.0～1.5局部@25×25Ⅳ12～15拱、墙2.5～3.01.0～1.2拱、墙@25×25拱、墙Ⅴ15～25拱、墙3.0～4.00.8～1.2拱、墙@25×25拱、墙、仰拱3车道隧道初期支护的设计参数围岩级别初期支护喷射混凝土厚度（cm）锚杆（m）钢筋网钢架拱部、边墙仰拱位置长度间距Ⅰ8局部2.5局部Ⅱ8～10局部2.5～3.5局部Ⅲ10～15拱、墙3.0～3.51.0～1.5局部@25×25拱、墙Ⅳ15～20拱、墙3.0～4.00.8～1.0拱、墙@25×25拱、墙Ⅴ20～30拱、墙3.5～5.00.5～1.0拱、墙（双层）@25×25拱、墙、仰拱Ⅵ通过试验、计算确定Q系统围岩分级与经验设计Q分级法在欧美等国应用极广，该法根据Q值将围岩分为9级（Q=0.001～1000），并确定了合理的支护结构参数。支护体系设计的最大特点是把一次支护作为永久支护，只是在运营后，如果有涌水、冰霜等危害的情况下，才修筑衬砌支护。通常永久支护是采用高质量（40～150MPa）的钢纤维喷射混凝土和全长粘结型高拉力、耐腐蚀的锚杆。Q系统分级与分级系数的关系SRFRQDQwarnJJJJ岩体质量分级岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q值1000～400400～100100～4040～1010～44～11～0.10.1～0.010.01～0.001Q系统分级的应用1.估算上覆荷载（作为衬砌结构的外荷载进行结构设计或估算松散荷载的高度）rnroofJQJP30.231212.用于经验类比设计Q指标值结合开挖支护比（ESR）进行经验类比设计4.0QESR2BB——计算跨度，或称不支护跨度，m；支护比ESR值洞室类型ESR洞室类型ESR探洞3～5地下电站厂房、隧道交叉段1.0施工支洞、引水隧道1.6地下核电站、地下工厂0.8永久交通洞1.3以Q法为基础的岩石支护设计简图Q系统支护卡§3荷载结构法先给出地层对结构的荷载（土、水压力），再按结构力学方法计算。方法：关键是荷载的确定方法。13§4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14解析法：仅对很简单的问题才可求出解析解，如均质半无限体中的单孔圆形隧道、双孔等直径圆形隧道，以及椭圆形、方形和直墙拱形洞室等问题。但仅对第一种问题得出了精确的解析计算式，对其他情况虽已用复变函数建立了计算式，但最终结果的计算仍需借助于数值逼近。考虑塑性时也仅对圆形洞室的部分课题才有解析解。§4地层结构法15有限元法：适用性强（各种地层、洞室，非线性，施工过程等）；缺点：本构关系难以准确给出。输入参数不正确，则给出错误结果。§4地层结构法16§5收敛限制法NATM要点：基本思想来源于新奥法（NATM—NewAustrianTunnelingMethod）。在施工过程中量测洞室收敛位移，以判断洞室稳定性及支护结构的加固效果，并据此对设计进行必要的修改。17认为地层有一定的自承能力，支护的目的是将地层加强，二者共同作用。收敛限制法：监测反馈、适时支护。又称特征线法或变形法，是一种以理论为基础、实测为依据、经验为参考的隧道设计方法。由法国人1978年在新奥法的基础上提出。§5收敛限制法18收敛线概念：据地层及洞室情况可有弹性、塑性、松动等三段。限制线概念：支护时间和结构刚度的合理选择：（图）§5收敛限制法19收敛线的确定：解析法，难，不同部位的收敛线不一样；限制线的确定：与上类似思想合理，但实际应用上尚待进一步发展§5收敛限制法有限元方法；现场实测法20小结有限元法—理论上完善，但土的应力—应变关系至今不成熟，关键问题在于土并非连续材料；收敛限制法—思想合理，但实用上尚待发展；荷载结构法结合实测还是较实用的方法。较可靠的方法：综合采用结构计算、经验判断和实地量测相结合的“信息化设计”方法。21