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隧道工程主讲教师:曹志军第五章隧道结构设计基本原理隧道结构计算的任务，就是采用数学力学的方法，计算分析在隧道修筑的整个过程中（包括竣工运营）隧道围岩及衬砌的强度、刚度及稳定性，为隧道的设计及施工提供具体设计参数。第五章隧道结构设计基本原理§5.1隧道设计计算理论的发展§5.3结构力学方法§5.4岩体力学方法§5.5信息反馈方法及经验方法§5.6隧道支护的结构类型及设计§5.2围岩压力*洞门设计计算§5.1隧道设计计算理论的发展一、隧道设计理论的发展二、隧道支护结构计算理论的发展三、计算模型一、隧道设计理论的发展1．支护系统的组成和类型的发展2．支护系统的设计计算理论的发展3．支护系统承载能力及安全度评定的完善4．支护系统设计手段的发展5．支护系统的设计计算模型1．支护系统的组成和类型的发展混凝土砌块钢、木临时支护喷锚支护管棚、注浆等预支护天然石块、陶土砖衬砌模筑混凝土喷锚衬砌钢筋、钢拱支撑复合衬砌3．支护系统承载能力及安全度评定的完善早期采用允许应力法，用压力线方法静力平衡求出衬砌各截面的内力后，要求截面上的最大应力不超过材料的允许应力。破损阶段设计法，考虑材料的塑性性质以及计算截面的承载能力。衬砌截面按偏心受压构件处理概率极限状态可靠度设计在地面结构中成功地应用，我国20世纪80年代中期开始将可靠度方法引入隧道设计的研究。《铁路隧道设计规范》（TB10003--2005）已有“概率极限状态设计”一节。4．支护系统设计手段的发展早期按刚性结构设计衬砌，在图纸上画出多边形及压力曲线，用比例尺量出偏心矩，其精度较低。按弹性结构假定抗力分布或按弹性地基梁计算的超静定拱形结构，采用机械式或电动式计算器（机）。电子计算机的应用，线性代数及计算技术等数学工具的发展，隧道支护系统设计计算进入新的阶段。支护系统有限元、边界元、离散元分析，弹塑性、粘弹塑性和几何、物理双非线性等模型的采用和通用程序相继编出，能在较短的时间计算出成果。各种反分析和重复几万次运算的随机分析也能在较短的时间完成。目前有关设计院已拥有各种隧道支护系统设计、计算、绘图连续完成的CAD软件及勘测、设计、施工图一体化的软件，支护系统设计已进入智能化设计阶段。二、隧道支护结构计算理论的发展1.刚性结构阶段2.弹性结构阶段3.连续介质阶段1.刚性结构阶段19世纪的地下建筑物大都是以砖石材料砌筑的拱形圬工结构。最先出现的计算理论是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。早期采用允许应力法，用压力线方法静力平衡求出衬砌各截面的内力后，要求截面上的最大应力不超过材料的允许应力。衬砌的稳定性则以最大横推力与最小横推力的比值来判定这种计算理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重力，没有考虑围岩自身的承载能力。压力线假设的计算方法缺乏理论依据，一般情况偏于保守，所设计的衬砌厚度将偏大很多。2.弹性结构阶段19世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现，并用于建造地下工程，使地下结构具有较好的整体性。从这时起，地下结构开始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。但当时并没有认识到这种塌落并不是形成围岩压力的唯一来源，也不是所有的情况都会发生塌落，更没有认识到通过稳定围岩，可以发挥围岩的自身承载能力。对于围岩自身承载能力的认识有又分为两个阶段：（1）假定弹性反力阶段（2）弹性地基梁阶段20世纪初期，假定弹性反力的分布图形位置线为三角形或梯形1934年，按结构的变形曲线假定地层弹性反力的分布图形为月牙形局部变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论3.连续介质阶段20世纪中期以来，连续介质力学理论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。这种计算方法的重要特征是把支护结构与岩体作为一个统一的力学体系来考虑。两者之间的相互作用则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等一系列因素有关，其中也包括施工技术的影响。锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的一整套新奥地利隧道设计施工方法的兴起，终于形成了以岩体力学原理为基础的、考虑支护与围岩共同作用的地下工程现代支护理论。到20世纪80年代又将现场监控量测与理论分析结合起来，发展成为一种适应地下工程特点和当前施工技术水平的新设计方法——现场监控设计方法（也称信息化设计方法）。目前，工程中主要使用的工程类比设计法，也正向着定量化、精确化和科学化方向发展。在地下工程支护结构设计中应用可靠性理论、推行概率极限状态设计研究方面也取得了重要进展。随机有限元（包括摄动法、纽曼法、最大熵法和响应面法等）、Monte-Carlo模拟、随机块体理论和随机边界元法等一系列新的地下工程支护结构理论分析方法近年来都有了较大的发展。三、计算模型（一）计算模型种类（三）隧道工程的两大理论比较（二）常用计算模型（一）计算模型种类理想的隧道工程的数学力学模型应能反映这些因素：①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。②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。④材料性质和数学表达要等价。③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。国际隧道协会归纳的四种设计模型：①以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法；②以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，例如以洞周位量测值为根据的收敛－约束法；③作用与反作用模型，即荷载—结构模型，例如弹性地基圆环计算和弹性地基框架计算等计算法；（结构力学模型）④连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。（岩体力学模型）地下结构设计计算方法结构力学方法岩体力学方法信息反馈方法经验方法（二）常用计算模型图5-23隧道计算模型1、结构力学模型2、岩体力学模型1、结构力学模型——松弛（动）荷载理论主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承。在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支承约束支护结构变形的抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。关键问题如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的是围岩所产生的松动压力、以及弹性支承给支护结构的弹性抗力（荷载—结构模型、作用—反作用模型）2、岩体力学模型——现代围岩共同承载理论它是将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系。在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，在围岩—结构模型中可以考虑各种几何形状，围岩和支护材料的非线性特性，开挖面空间效应所形成的三维状态，以及地质中不连续面等等。可以用解析法求解，或用收敛—约束法图解，但绝大部分问题，因数学上的困难必须依赖数值方法，尤其是有限单元法。关键问题如何确定围岩的初始应力场，以及表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。（围岩—结构模型、复合整体模型、收敛—约束模型）（三）隧道工程的两大理论比较松弛荷载理论围岩承载理论核心内容：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载；不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支承。这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。代表人物：太沙基（K.Terzaghi）和普氏以传统矿山法为基础核心内容：围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力；不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能够进入稳定状态。代表人物：腊布希维兹、米勒·菲切尔、芬纳·塔罗勃和卡斯特奈以新奥法为基础2020/3/13§5.2围岩压力一、围岩压力及其分类二、影响围岩压力的因素三、围岩松动压力的形成四、确定围岩松动压力的方法五、围岩压力的现场量测简介2020/3/13一、围岩压力及其分类（一）围岩压力（二）围岩压力分类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。1.松动压力2.形变压力3.膨胀压力4.冲击压力广义？狭义？2020/3/13松动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，坑道顶部和两侧边帮冒落；（3）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．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。采用松散介质极限平衡理论，或块体极限平衡理论计算分析。2020/3/13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。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。采用塑性理论计算。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。可以采用弹塑性理论配合流变性理论进行分析。4．冲击压力2020/3/13二、影响围岩压力的因素工程因素地质因素初始应力状态岩石力学性质岩体结构面施工方法坑道形状支护设置时间支护刚度2020/3/13隧道模筑衬砌所受的围岩压力，是衬砌为了阻止岩块松弛或岩块移动下塌等形成的荷载。三、围岩松动压力的形成2020/3/13（1）变形阶段（a）（2）松动阶段（b）（3）塌落阶段（c）（4）成拱阶段（d）“成拱作用”坑道开挖后围岩由形变到坍塌成拱的整个变形过程：2020/3/13（3）施工因素围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态等因素外，还有以下诸因素：（1）隧道的形状和尺寸．（2）隧道的埋深隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩的松动压力也越大。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，将这种隧道称为深埋隧道，否则称为浅埋隧道。自然拱范围影响因素2020/3/13四、确定围岩松动压力的方法（一）深埋隧道围岩松动压力的确定方法（二）浅埋隧道围岩松动压力的确定方法（三）围岩压力计算实例（四）偏压隧道围岩压力的确定（五）明挖浅埋隧道围岩压力的确定确定围岩松动压力的方法③经验法或工程类比法①现场实地量测；②按理论公式计算确定；（六）大跨隧道与小净距隧道围岩压力探讨2020/3/13（一）深埋隧道围岩松动压力的确定方法*1、我国《铁路隧道设计规范（隧规）》推荐方法深埋隧道松动压力仅是隧道周边某一破坏范围（自然拱）内岩体的重量，而与隧道埋置深度无关。2、普氏理论3、泰沙基理论2020/3/131、我国《铁路隧道设计规范（隧规）》推荐方法单线铁路隧道按概率极限状态设计时sq79.141.0hq单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时及公路隧道1Sq245.0hq垂直压力q水平分布松动压力e2020/3/13式中hq——等效荷载高度值；s——围岩级别，