《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1

1、 隧道设计计算理论的发展隧道设计计算理论的发展 围岩压力围岩压力 结构力学方法结构力学方法 岩体力学方法岩体力学方法 信息反馈方法及经验方法信息反馈方法及经验方法 衬砌结构耐久性设计概要衬砌结构耐久性设计概要 第五章 隧道支护结构第五章 隧道支护结构 设计计算方法的基本原设计计算方法的基本原 理理第一节第一节 隧道设计计算理论的发展隧道设计计算理论的发展第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基隧道支护结构设计计算方法的基 本原理本原理地下结构的力学模型必须符合下述条件：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；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荷载假定应与在修建洞室过程( (各作业阶段各作业阶段) )中中 荷载发生的情况一致；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；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。材料性质和数学表达要等价。只要符合上述条件，任何

2、计算方法都会获得合只要符合上述条件，任何计算方法都会获得合 理的结果。理的结果。 第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本隧道支护结构设计计算方法的基本 原理原理地下工程支护结构理论的一个重要问题是如何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 展大概可分为展大概可分为3 3个阶段。个阶段。 一、刚性结构阶段一、刚性结构阶段 将地下结构视为将地下结构视为刚性结构的压力线理论刚性结构的压力线理论。压力线。压力线 理论认为，地下结构是由一些刚性块组成的拱形理论认为，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。，其内力可按静力学原理进行计算。 第

3、五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基隧道支护结构设计计算方法的基 本原理本原理二、弹性结构阶段二、弹性结构阶段按按弹性连续拱形框架弹性连续拱形框架用超静定结构力学方法计算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力，并考虑了地层对结构产生的弹性反力的约束 作用。作用。这类计算理论认为，当地下结构埋置深度较大时这类计算理论认为，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，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是围岩坍落体积内松动岩体的重力松动压力松动压力 。第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本隧道支护结构设计计算方法的基本 原理原理1.1.假定弹性反力阶段假定弹性反力阶段 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层对衬砌变形的约束作用力就称之为弹

4、性反力弹性反力。假定弹性反力假定弹性反力弹性反力的分布图形为直线弹性反力的分布图形为直线( (三三 角形或梯形角形或梯形) )对拱形结构按变形曲线假定对拱形结构按变形曲线假定 了月牙形的弹性反力图形了月牙形的弹性反力图形第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本隧道支护结构设计计算方法的基本 原理原理2.2.弹性地基梁阶段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 弹性地基梁弹性地基梁，计算在主动荷载作用下拱圈和边墙，计算在主动荷载作用下拱圈和边墙 的内力。的内力。 局部变形弹性地基梁理论局部变形弹性地基梁理论 共同变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基隧道支护结构设计计算方法的基 本原理本原理三、连续介质阶段三、连续介质阶段用连续介质力学理论计算地下结构内力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向洞室内变形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组

5、 成的地下结构体系共同承受。一方面围岩本身由于支护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，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，称为形变压岩共同变形过程中对支护结构施加的压力，称为形变压 力。力。 第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理 第二节第二节 围岩压力围岩压力 本节内容本节内容 围岩压力概念，分类；围岩压力概念，分类； 围岩松动压力的确定方法。围岩松动压力的确定方法。本节重点本节重点 围岩压力的概念；围岩压力的概念； 我国铁路隧道围岩压力的计算方法。我国铁路隧道围岩压力的计算方法。一、围岩压力及分类一、围岩压力及分类第五章第五章 隧道支护结

6、构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理( (一一) )围岩压力概念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。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狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护结构 上的作用力。上的作用力。( (二二) )围岩压力分类围岩压力分类 松动压力松动压力 形变压力形变压力 膨胀压力膨胀压力 冲击压力冲击压力第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基隧道支护结构设计计算方法的基 本原理本原理由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作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。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：松动压力常通过下列三种情况发生： 在整

7、体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩 石；石；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；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。发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。 1.1.松动压力松动压力 第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基隧道支护结构设计计算方法的基 本原理本原理拱顶坍塌、冒落水平岩层倾斜岩层第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本隧道支护结构设计计算方法的基本 原理原理水平岩 层冒落倾斜岩层掉 块、塌落高边墙 坍塌第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本隧道支护结构设计计算方法的基本 原理原理裂隙岩体顶部掉块第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基隧道支护结构设计计算方法的基 本原理本原理2.2.形变压力形变压力形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护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

8、护结构施加的接触压力。变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基隧道支护结构设计计算方法的基 本原理本原理软岩巷道严重底鼓变形 第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基隧道支护结构设计计算方法的基 本原理本原理软岩巷道变形、支撑断裂第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基隧道支护结构设计计算方法的基 本原理本原理3.3.膨胀压力膨胀压力当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩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与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起 的。的。第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本隧道支护结构设计计算方法的基本 原理原理 4.4.冲击压力冲击压力冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能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。突然释放所产生的压力。上述松动压力、形变压力往往同

9、时存在，难以上述松动压力、形变压力往往同时存在，难以 严格区分。严格区分。第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基隧道支护结构设计计算方法的基 本原理本原理 二、影响围岩压力的因素二、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；质、岩体结构面等； 工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护工程因素：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。设置时间、支护刚度、坑道形状等。 第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基隧道支护结构设计计算方法的基 本原理本原理 三、围岩松动压力的形成和确定方法三、围岩松动压力的形成和确定方法( (一一) )围岩松动压力的形成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拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源 。第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基隧道支护结构设计计算方法的基 本原理本原理(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第五章 隧道支护结构设计计算方法的基隧道支护结构设计计算方法的基 本原理本原理自然拱范围的大小除了受上述的围岩地质条件、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：等因素影响外，还取决于以下诸因素：PP隧道的形状和尺寸；隧道的形状和尺寸；PP隧道的埋深；隧道的埋深； PP

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