《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

隧道设计计算理论的发展围岩压力结构力学方法岩体力学方法信息反馈方法及经验方法衬砌结构耐久性设计概要第五章　隧道支护结构设计计算方法的基本原理 第一节隧道设计计算理论的发展第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理地下结构的力学模型必须符合下述条件：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；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；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；材料性质和数学表达要等价。只要符合上述条件，任何计算方法都会获得合理的结果。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理地下工程支护结构理论的一个重要问题是如何确定作用在地下结构的荷载以及如何考虑围岩的承载能力。从这方面讲，支护结构计算理论的发展大概可分为3个阶段。一、刚性结构阶段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。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理二、弹性结构阶段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。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理1.假定弹性反力阶段衬砌在承受岩体所给的主动压力作用产生弹性变形的同时，将受到地层对其变形的约束作用。地层对衬砌变形的约束作用力就称之为弹性反力。假定弹性反力弹性反力的分布图形为直线(三角形或梯形)对拱形结构按变形曲线假定了月牙形的弹性反力图形 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。 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。 一、围岩压力及分类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。狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。 (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 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理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。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。1.松动压力 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理拱顶坍塌、冒落水平岩层倾斜岩层 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；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(c)(d)(a)(b)变形阶段松动阶段塌落阶段成拱阶段自然拱 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。 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式中——深浅埋隧道分界的深度；——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。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式中——岩体的内摩擦角和似摩擦角；岩体的抗剪强度：岩体坚固性系数： 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理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：式中hk——自然拱高度；bt——自然拱的半跨度。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。式中b——坑道的净跨之半；Ht——坑道的净高；——岩体的似摩擦角， 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理围岩垂直均布松动压力：围岩水平均布松动压力可按朗金公式计算： 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理在地面深度为h处取出一厚度为dh的水平条带单元体，考虑其平衡条件∑V＝0，得出假定作用在任何水平面上的竖向压应力是匀布的，相应的水平力k为侧压力系数。σH=kσv2.泰沙基理论 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展开后，得解上述微分方程，并引进边界条件，得洞顶岩层中任意点的垂直压力为随着坑道埋深h的加大,趋近于零，则 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理泰沙基根据实验结果，得出K＝1—1.5，取K＝1，则式中，b、φ0意义同上。如以＝f代入，得侧向均布压力则仍按朗金公式计算： 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理式中ω——宽度影响系数，ω=1+i(B-5)B——坑道宽度，以m计；i——B每增加1m时，围岩压力的增减率(以B＝5m为基准)，当B＜5m时取i=0.2，B＞5m时，取i＝0.1。对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设计时：3.我国《隧规》所推荐的方法（q、e）(1)深埋隧道 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理式中hq——等效荷载高度值；S——围岩级别，如Ⅲ级围岩S=3；γ——围岩的容重；对于单线隧道、按概率极限状态设计时： 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理水平压力e可用下表中的经验范围取值。水平压力e推荐范围 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理上述计算表达式的适用条件①H/B＜1.7(H为坑道的高度)；②深埋隧道；③不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；④采用钻爆法施工的隧道。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理垂直松动压力的分布图水平压力分部一般为均布形式，在高地应力、浅埋时，还应考虑水平压力非均匀分布的情况。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理(2)浅埋隧道当隧道埋深不大时，开挖的影响将波及到地表而不能形成“自然拱”。从施工过程中岩体(包括土体)的运动情况可以看到，隧道开挖后如不及时支撑，岩体即会大量坍落移动，这种移动会影响到地表并形成一个坍陷区域，此时岩体将会出现两个滑动面。对于这样的情况，可以采用松散介质极限平衡理论进行分析。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理当滑动岩体下滑时，受到两种阻力作用：一是滑面上阻止滑动岩体下滑的摩擦阻力；二是支护结构的反作用力，这种反作用力的数值应等于滑动岩体对支护结构施加的压力，也就是我们所要确定的围岩松动压力。围岩压力滑动面滑动土体未扰动土体支护结构反力 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理受力的极限平衡条件：滑动岩体重量＝滑面上的阻力+支护结构的反作用力(围岩松动压力)围岩松动压力＝滑动岩体重量—滑面上的阻力①隧道埋深h小于或等于等效荷载高度hq(即h≤hq)时，忽略滑动面上的摩擦力：式中γ——围岩容重，以kN/m3计；h——隧道埋置深度，以m计。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理围岩水平均布压力e按朗金公式计算①隧道埋深h大于等效荷载高度hq(即h＞hq)时：隧道随着埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必须考虑滑面上阻力的影响。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理施工中，上覆岩体的下沉和位移与许多因素有关，如支护是否及时，岩体的性质、坑道的尺寸及埋置深度的大小，施工方接是否合理等等。为方便计算，根据实践经验作如下简化假定。W2βW2T1NAφ0CDFBNEPW1hHBT1T2T2 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理a.岩体中所形成的破裂面是一个与水平面成β角的斜直面；b.当洞顶上覆盖岩体FEGH下沉时受到两侧岩体的挟持，应当强调它反过来又带动了两侧三棱岩体ACE和BDF的下滑，而当整个下滑岩体ABDHGC下滑时，又受阻于未扰动岩体。c.斜直面AC、BD是一个假定破裂滑面，该滑面的抗剪强度决定于滑面的摩擦角φ及粘结力c，为简化计算采用岩体的似摩擦角φ0。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理基于上述假定，按力的平衡条件，可求出作用在隧道支护结构上的围岩松动压力值。围岩垂直均布松动压力q 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理围岩水平均布松动压力 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理4.围岩压力计算实例如图所示单线铁路隧道，处在Ⅳ级围岩中，围岩容重γ＝21.5kN/m3，隧道跨度B＝7.4m，高度Ht=8.8m，φ0＝55°，θ=44°。如埋深h＝20m、8m、3m，试计算围岩压力。BHth 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理(a) 重点、难点内容1.围岩压力的定义、围岩压力的种类。2.影响围岩压力的因素3.围岩松动压力的形成过程、自然拱的定义。4.影响自然拱范围大小的因素。5.围岩松动压力的确定(铁路隧道)。