隧道及地下工程結(jié)構(gòu)計算理論第一節(jié)地下結(jié)構(gòu)受力特點及計算模型1、結(jié)構(gòu)受力特點（1）除了承受使用荷載（在洞室使用過程中作用在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的荷載，如設(shè)備重量、地下儲庫的內(nèi)壓力、隧道中行駛車輛的重量等）以外，地下結(jié)構(gòu)還要承受周圍巖土體和地下水的作用，而且后者往往構(gòu)成地下結(jié)構(gòu)的主要荷載。（2）地下結(jié)構(gòu)的荷載與眾多的、隨機性和時空效應(yīng)明顯的、往往難以量化的自然和工程因素有關(guān)；因此，現(xiàn)場量測圍巖與結(jié)構(gòu)的性狀對于及時、合理地調(diào)整設(shè)計與施工往往是至關(guān)重要的。

（3）地下結(jié)構(gòu)的圍巖既是荷載的來源，又可以在某些情況下與人造結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成承載體系的一部分；這樣，結(jié)構(gòu)的目的常常主要是加固地層以最大程度地維持其自身的承載能力，而不在僅僅是為了承受地層荷載。（4）地下水對結(jié)構(gòu)的的作用與地下滲流場有關(guān)。地下結(jié)構(gòu)的防水工作狀態(tài)影響著地下水的滲流。只有當?shù)叵滤幱陟o止狀態(tài)時，作用在結(jié)構(gòu)上的地下水壓力才等于地下水頭高度乘以地下水容重；否則將因為滲流的存在而較靜止水壓力有所減少或增加。（5）當?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)的埋置深度足夠大時，由于地層的成拱效應(yīng)，結(jié)構(gòu)所承受的地層豎向壓力總是小于其上覆地層的自重壓力。

（6）周圍巖土體對地下結(jié)構(gòu)的作用可以按結(jié)構(gòu)與地層的相對位移關(guān)系，分成主動地層壓力和被動地層反力兩種類型：

對于荷載結(jié)構(gòu)模型又分：

主動荷載模型

特點：不考慮圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用。

適用用條件：圍巖與支護結(jié)構(gòu)的“剛度比”較小時。主動荷載+被動彈性抗力模型

特點：考慮圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用，即彈性抗力。

彈性抗力：支護結(jié)構(gòu)在主動荷載作用下一部分將會發(fā)生向圍巖方向的變形，只要圍巖具有一定的剛度，就必然會對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反作用力來抵制它的變形，這種反作用力就是彈性抗力，屬于被動荷載。

適用條件：所有類型圍巖。實地量測荷載模型

特點：實地量測的荷載值是圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用的綜合反映，既包含圍巖的主動壓力，也含有彈性抗力。

適用條件：某一種實地量測的荷載，只能適用于和量測條件相同的情況。2、計算模型（a）荷載結(jié)構(gòu)模型—

基本概念是洞室圍巖已經(jīng)發(fā)生松弛或坍落，結(jié)構(gòu)只是“被動”地承受地層松動所帶來的荷載；結(jié)構(gòu)內(nèi)力（和變形）按結(jié)構(gòu)力學方法計算；被動地層反力是結(jié)構(gòu)與地層相互作用的唯一反映；計算的關(guān)鍵在于確定地層荷載。（b）地層結(jié)構(gòu)模型—

基本概念是圍巖與結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成承載體系，荷載來自地層的原位應(yīng)力和施工所引起的應(yīng)力釋放；結(jié)構(gòu)內(nèi)力與地層重分布應(yīng)力一道按連續(xù)介質(zhì)力學方法計算（如彈塑性力學的有限單元法）；地層與結(jié)構(gòu)的相互作用以變形協(xié)調(diào)條件來體現(xiàn)；計算的關(guān)鍵在于確定圍巖的應(yīng)力釋放和地層結(jié)構(gòu)的相互作用。第二節(jié)地下結(jié)構(gòu)荷載的計算方法一、荷載（作用）及其組合

鐵路隧道作用荷載分類表序號作用分類結(jié)構(gòu)受力及影響因素荷載分類1永久作用結(jié)構(gòu)自重恒載主要荷載2結(jié)構(gòu)附加荷載3圍巖壓力4土壓力5混凝土收縮和徐變的影響6可變作用列車活載活載7活載所產(chǎn)生的土壓力8公路車輛荷載9沖擊力10渡槽流水壓力（設(shè)計渡槽明洞時）11制動力附加荷載12溫度變化的影響13灌漿壓力14凍脹力15施工荷載（施工階段的某種外加力）特殊荷載16偶然作用落石沖擊力附加荷載17地震力特殊荷載混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)圬工種類混凝土砌體荷載組合主要荷載主要荷載加附加荷載主要荷載主要荷載加附加荷載破壞原因混凝土或砌體達到抗壓極限強度2.42.02.72.3混凝土達到抗拉極限強度3.63.0--荷載組合主要荷載主要荷載加附加荷載破壞原因鋼筋達到計算強度或混凝土達到抗壓或抗剪極限強度2.01.7混凝土達到抗拉極限強度2.42.0鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)

按破損階段法設(shè)計驗算構(gòu)件截面的強度時，應(yīng)根據(jù)不同的荷載組合取安全系數(shù)如下表。二、主動地地層壓力的的計算1、天然拱的的概念與深深淺埋的劃劃分當埋深足夠夠大時，開開挖引起上上覆土體的的變形—松動—坍塌過程如如圖，最后后穩(wěn)定，形形成拱形結(jié)結(jié)構(gòu)。水平成層圍圍巖中洞室室‘天然拱拱’的形成成過程—（a）變形階段段，（b）松動階段段，（c）坍落階段段，（d）成拱狀態(tài)態(tài)天然拱：地地下結(jié)構(gòu)上上方形成的的相對穩(wěn)定定的拱。地地下結(jié)構(gòu)的的成拱效應(yīng)應(yīng)。天然拱以內(nèi)內(nèi)塌落地層層的重量就就是作用在在結(jié)構(gòu)上的的主動圍巖巖壓力。另另外一種主主動圍巖（（形變）壓壓力是由于于洞室收斂斂收到結(jié)構(gòu)構(gòu)的約束而而產(chǎn)生的，，只能在地地層結(jié)構(gòu)模模型中考慮慮。影響天然拱拱形狀和范范圍的因素素：自然因因素（巖石石的組成、、結(jié)構(gòu)和力力學性質(zhì)））；工程因因素（隧道道的埋深、、形狀和尺尺寸、開挖挖方法、支支護剛度、、施做時機機及與圍巖巖接觸狀態(tài)態(tài)等）。松動壓力：：開挖隧道道會引起圍圍巖的部分分松弛、坍坍塌，這部部分松弛坍坍塌的圍巖巖質(zhì)量作用用在支護結(jié)結(jié)構(gòu)上就是是圍巖的松松動壓力。。形變壓力：：將支護與與巖體視為為一個統(tǒng)一一的整體，，開挖隧道道后，在支支護與圍巖巖整體變形形過程中，，圍巖施予予支護的接接觸作用力力。以天然拱高高度為依據(jù)據(jù)進行劃分分：超淺埋：hch*，hc為隧道埋深深，h*為天然拱高高度淺埋：h*hch*，=2.0~2.5深埋：hch*鐵路隧道劃劃分：對于單線或或雙線隧道道洞頂埋深深小于：VI級圍巖35-40m、V級圍巖18-25m、IV級圍巖10-14m、III級圍巖5-7m，為淺埋隧隧道。城市地鐵：：覆跨比H/D在0.6-1.5時為淺埋，，H/D小于0.6時為超淺埋埋。2、深埋結(jié)構(gòu)主動地地層壓力的計算方方法（1）《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范范》（TB10003-2001，J117-2001，簡稱《隧規(guī)》）所推薦的方法通通過對對坍方資料的統(tǒng)計計分析獲得圍巖松松動壓力的經(jīng)驗估估算公式。雙線隧道：其中，為圍巖的重度（KN/m3），s為圍巖的級別，B為洞室跨度.i為B每增加1m時圍巖壓力增減率率，B＜5m時，取i=0.2，B＞5m時，取i=0.1。η為側(cè)壓力系數(shù)，與與圍巖級別有關(guān)，，0≤η≤1.0單線隧道：（2）普氏（普羅托吉吉雅柯諾夫）理論論（假設(shè)圍巖為松松散體，是一種基基于天然拱概念的的地層壓力理論））普氏認為：在具有有一定粘結(jié)力的松松散介質(zhì)中開挖隧隧道后，其上方會會形成一個拋物線線形的天然拱，作作用在支護結(jié)構(gòu)上上的圍巖壓力就是是天然拱范圍內(nèi)松松動巖體的重量。。而天然拱的尺寸寸，即它的高度和和跨度與反映巖體體特征的f值和所開挖的隧道道寬度有關(guān)。天然拱的高度：天然拱的跨度：巖石堅固性系數(shù)：：普氏理論中天然拱拱的范圍（a）堅硬完整巖體，，（b）松散破碎巖體（3）太沙基（Terzaghi）理論太沙基理論也把洞洞室圍巖看作松散散體，但沒有天然然拱的概念，而是是在假定洞室上方方巖體變形形態(tài)的的基礎(chǔ)上按平衡條條件推導(dǎo)出地層壓壓力的計算表達式式。平衡方程：邊界條件:得：3、淺埋地下結(jié)構(gòu)主主動地層壓力的計計算地下工程的實踐表表明,當?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)埋深不不大時,開挖的影響將波及及到地表,無法形成天然拱,因此,估算深埋地下結(jié)構(gòu)構(gòu)圍巖松動壓力的的公式對淺埋地下下結(jié)構(gòu)是不適用的的,需要從分析淺埋地地下結(jié)構(gòu)圍巖體運運動的規(guī)律入手,建立新的計算公式式。松動地層壓力=支護結(jié)構(gòu)反力=滑動地層重力–滑移面上的摩擦阻阻力（1）超淺埋隧道洞室埋深小于或等等于天然拱高度（（即））,滑移面上的摩擦阻阻力遠小于滑動巖巖體的重力，偏于于安全忽略摩擦阻阻力，地層豎向勻勻布壓應(yīng)力為：（2）淺埋隧道即，，滑移面上的摩擦擦阻力較為顯著，，計算松動地層壓壓力時必須計入。。滑移面上摩擦阻阻力的計算與滑移移面的位置和摩擦擦性質(zhì)有關(guān)，不同同的滑移面假定可可以得到不同的地地層松動壓力計算算表達式。4、偏壓隧道垂直壓力：=0.3~0.90水平壓力：三、被動地層反力力的計算地層處于彈性狀態(tài)態(tài)時的被動地層反反力即彈性抗力有有兩類計算理論，，局部變形理論和和共同變形理論。。局部變形理論（溫溫克爾（Winkler）假定）：地層層―結(jié)構(gòu)界面上任意一一點的地層抗力與與該點的變位成正正比，與界面上其其他部位的變位或或彈性抗力無關(guān)。。數(shù)學表達式：：以溫克爾假定為基基礎(chǔ)的局部變形理理論共同變形理論：設(shè)設(shè)地層處于彈性狀狀態(tài)，共同變形理理論把地層假想為為一排或數(shù)層以某某種連系構(gòu)造的彈彈簧結(jié)構(gòu)。幾種共同變形理論論的地層概念模型型—（a）一排由某種特性性的繩索連系在一一起的彈簧群，（b）一排能夠相互傳傳遞剪力的彈簧群群，（c）數(shù)層相互關(guān)聯(lián)的的彈簧群。四、地下水壓力和和浮力的計算作用在地下結(jié)構(gòu)上上的水壓力與地下下水的賦存狀態(tài)及流動情況有關(guān)。。當滲流作用不明顯時，按按帕斯卡（Pascal）定律，結(jié)構(gòu)受各各向相同的靜水壓壓力。在潛水或上上層滯水地層中，，靜水壓力強度等等于水的重度乘以以計算點至潛水或或上層滯水水位的的深度。在承壓水水地層中，靜水壓力等于承壓壓水的壓力。對于滲透能力較較強的地層（如裂裂隙巖體、砂性土土等），如果存在在明顯的水力梯度度，則結(jié)構(gòu)承受動動水壓力；視滲流流方向的不同，動動水壓力可能大于于或小于靜水壓力力。設(shè)地下水處于某種種賦存狀態(tài)，假如如地下水靜止時的的水壓應(yīng)力為p0，則結(jié)構(gòu)受到的水水壓應(yīng)力p可以一般地表示為為：水土分算水土合算式中是一個與地下水的的流動速度和方向向有關(guān)的系數(shù)。五、地震力的計算算地震對地下結(jié)構(gòu)的的作用主要表現(xiàn)為為地層的剪切錯位位和振動。地震力力效應(yīng)的計算方法法：結(jié)構(gòu)的地震響響應(yīng)分析；擬靜力力法。擬靜力法是一種偏偏于安全的算法，，具體做法就是在在結(jié)構(gòu)的靜力計算算中，把隨時間變變化的地震力或地地層位移用當量的的靜地震力或靜地地層位移代替。地地震力的具體計算算可以按垂直和水水平方向考慮。式中，F(xiàn)i為沿i方向作用在結(jié)構(gòu)上上的地震慣性力;為地震綜合影響系系數(shù);Q為地震物體的重量量;Ki為i方向的地震系數(shù)。。一般對震級較小和和對垂直振動不敏敏感的結(jié)構(gòu),可以不計垂直地震震力,但在驗算結(jié)構(gòu)的抗抗浮能力時,則應(yīng)計入垂直地震震力。結(jié)構(gòu)的水平慣性力力：結(jié)構(gòu)上方地層的水水平慣性力：結(jié)構(gòu)的垂直慣性力力：結(jié)構(gòu)上方地層的垂垂直慣性力：側(cè)向主動地層壓應(yīng)應(yīng)力：第三節(jié)荷載結(jié)構(gòu)構(gòu)模型分析方法1、計算模型的建立立（1）平面應(yīng)變模型對于長度遠大于橫橫截面尺寸的地下下結(jié)構(gòu)，如果結(jié)構(gòu)構(gòu)的荷載、幾何及及力學參數(shù)沿長度度方向沒有變化，，則可以認為結(jié)構(gòu)構(gòu)不會發(fā)生縱向位位移（即平面應(yīng)變變狀態(tài)），采用一一段單位長度的結(jié)結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力計算算；因縱向應(yīng)變?yōu)闉榱?，按虎克定律律可得單位長度結(jié)結(jié)構(gòu)的有效彈性模模量和有效泊松比比分別為：地下結(jié)構(gòu)一般為超超靜定結(jié)構(gòu)，內(nèi)力力計算必須考慮結(jié)結(jié)構(gòu)的變形方能進進行，如圖：暗挖馬蹄形隧道模模筑襯砌（無仰拱拱）及主動地層壓壓力（2）結(jié)構(gòu)的離散化取一橫斷面，用一一系列有限長度的的直桿梁單元代替替結(jié)構(gòu)。單元的端端點稱為節(jié)點。單單元的數(shù)目取決于于計算精度要求。。單元的厚度可以以近似地取為常量量，如取為單元兩兩端厚度的平均值值。馬蹄形隧道模筑襯襯砌的離散（3）主動荷載的離散散化把分布荷載按靜力力等效（虛功不變變）原則置換為節(jié)節(jié)點荷載。對于豎豎向或水平分布荷荷載，其等效節(jié)點點力分別近似地取取為節(jié)點兩相鄰單元水水平或垂直投影長長度的一半襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)計算寬度這一一面積范圍內(nèi)的分分布荷載的總和。。結(jié)構(gòu)自重的等效節(jié)節(jié)點力近似地取為為節(jié)點兩相鄰單元元自重的一半。典型節(jié)點等效荷載載的計算FPABC一、虛功原理描述述：設(shè)體系上作用用任意的平衡力系系，又設(shè)體系發(fā)生生符合約束條件的的無限小剛體體系系位移（虛位移）），則主動力在位位移上所作的虛功功之和=0.虛功方程：-FPΔP+FByΔB=0ΔPΔB虛位移狀態(tài)平衡狀態(tài)FP（4）被動荷載的處理理由于彈性抗力與結(jié)結(jié)構(gòu)的變形相關(guān)，，其大小、范圍與與分布只能在結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)力與變形的計計算過程中經(jīng)過迭迭代得到。假定抗力分布法：：限定彈性抗力的分分布形式（如拋物物線），各點彈性性抗力的大小僅由由若干個控制點處處的彈性抗力即可可確定，控制點處處彈性抗力的大小小用溫克爾假定與與該點的結(jié)構(gòu)（壓壓縮）變形相聯(lián)系系；彈性抗力的作作用范圍通過迭代代確定。彈性地基梁法：把直線型結(jié)構(gòu)元件件（如直墻式襯砌砌的整個直邊墻，，或離散后結(jié)構(gòu)的的直線型單元）看看作彈性地基上的的直梁，有解析解解可以利用。彈性支撐法：把地層對結(jié)構(gòu)的連連續(xù)約束離散為有有限個作用在結(jié)點點上的彈性支撐，，彈性抗力的作用用范圍通過迭代確確定，彈性支撐的的剛度由地層抗力力系數(shù)和彈性支撐撐代表的地層范圍圍確定，彈性抗力力的大小用溫克爾爾假定與結(jié)構(gòu)變形形相聯(lián)系。側(cè)面的彈性抗力：：支座的彈性抗力和和抗力矩：彈性支撐的設(shè)置方方向應(yīng)該按結(jié)構(gòu)與與地層的接觸狀態(tài)態(tài)確定。四種典型型情況：（a）如果兩者牢固地地粘結(jié)在一起，以以至于結(jié)構(gòu)與地層層之間不僅能傳遞遞法向力而且還能能傳遞剪切力，則則可以設(shè)置兩個彈彈性支撐，一個沿沿法向設(shè)置以代表表地層對結(jié)構(gòu)的法法向約束，另一個個沿切向設(shè)置以代代表地層的切向約約束；（b）如果結(jié)構(gòu)與地層層之間沒有顯著的的粘結(jié)力，只有結(jié)結(jié)構(gòu)擠壓地層時才才受到地層的約束束，即兩者之間只只能傳遞法向壓力力（不能傳遞拉力力和剪力），則在在不計結(jié)構(gòu)與地層層接觸面上摩擦力力影響的前提下，，可以把彈性支撐撐沿著結(jié)構(gòu)軸線的的法線方向設(shè)置；；彈性支撐方向的選選擇—（i）法向和切向，（（ii）法向，（iii）法向加上摩擦力力影響，（iv）簡化成水平方向向（c）如果結(jié)構(gòu)與地層層之間雖然沒有顯顯著的粘結(jié)力，但但需要計入兩者接接觸面上的摩擦力力，則可以把彈性性支撐沿偏離結(jié)構(gòu)構(gòu)軸線法線一個摩摩擦角的方向設(shè)置置；（d）如果為了簡化，，也可以沿水平方方向設(shè)置彈性支撐撐。2、結(jié)構(gòu)內(nèi)力的的計算方法位移法的步驟驟是：（a）進行單元分分析，建立單單元剛度方程程；（b）對于離散后后的結(jié)構(gòu)和荷荷載，根據(jù)靜靜力平衡條件件進行整體分分析；（c）引入邊界約約束條件，由由結(jié)構(gòu)剛度方方程解出未知知的結(jié)構(gòu)節(jié)點點位移（等于于相應(yīng)的單元元節(jié)點位移）），結(jié)構(gòu)側(cè)面面地層彈性支支撐的范圍需需要迭代調(diào)整整確定；（d）再利用單元元剛度方程可可以計算出結(jié)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力—單元節(jié)點力。。位移法計算圖圖式直梁單元彈性支撐單元彈性支座單元（1）單元分析離散后的結(jié)構(gòu)構(gòu)由三種單元元構(gòu)成：模擬擬結(jié)構(gòu)的直梁梁單元、模擬擬地層側(cè)面約約束作用的彈彈性支撐單元元、模擬墻底底彈性約束的的彈性支座單單元。（a）直梁單元分分析單元節(jié)點力向向量、單元剛剛度矩陣和單單元節(jié)點位移移向量：局部坐標系轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為整體坐坐標系:該單元在整體體坐標系下的的剛度方程:（b）側(cè)面彈性支支撐單元分析析（c）墻底彈性支支座單元分析析ha（2）整體分析位移法的“整體”分析，實際上上就是對每個個結(jié)構(gòu)節(jié)點建建立靜力平衡衡方程，將所所有節(jié)點的平平衡方程集合合在一起就是是結(jié)構(gòu)的整體體剛度方程。?；颍菏街校哼@里是指第i個彈性支承的的剛度矩陣；；是墻腳彈性支支座的剛度矩矩陣。（3）求解未知節(jié)節(jié)點位移和調(diào)調(diào)整彈性支撐撐引入邊界條件件，此處為位位移約束，即即：剛度矩陣陣[K]中對應(yīng)于節(jié)點點位移分量為為零的行和列列的全部元素素僅在主元素素位置上置1，同時將荷載載項{F}中與零位移分分量相對應(yīng)的的荷載分量也也置零。彈性支撐單元元對應(yīng)節(jié)點的的位移必須是是朝向圍巖方方向的，否則則應(yīng)該在下次次試算中把該該彈性支撐去去掉。這樣迭迭代直到所有有彈性支撐均均為壓縮變位位為止。(4)計算襯砌內(nèi)力力根據(jù)變形協(xié)調(diào)調(diào)條件：計算得單元節(jié)節(jié)點力：3、荷載結(jié)構(gòu)模模型計算圖式式選擇（1）暗挖隧道模模筑襯砌（a）彈性地基梁梁圖式，（b）彈性支撐圖圖式普通直梁單元彈性地基直梁單元普通直梁單元彈性支撐鏈桿普通直梁單元（2）對于由噴錨錨初期支護、、防水層和內(nèi)內(nèi)層模筑襯砌砌組成的復(fù)合合式襯砌，可可以分成三種種情況考慮：：（a）若內(nèi)層襯砌砌在初期支護護變形徹底完完成后修筑，，則原則上內(nèi)內(nèi)襯不承受地地層荷載，只只為地層和結(jié)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)現(xiàn)的不良情況況作安全儲備備；（b）如果內(nèi)襯在在初期支護變變形穩(wěn)定之前前施作，則內(nèi)內(nèi)襯將與初期期支護共同承承受地層荷載載，占總荷載載的比例與初初期支護的位位移―時間曲線以及及內(nèi)襯的施作作時間有關(guān)。。（c）初期支護、、防水層與內(nèi)內(nèi)襯作為一個個結(jié)構(gòu)體系共共同承受圍巖巖荷載，用離離散的二力桿桿單元模擬中中間防水層的的作用（不能能抗拉或抗剪剪）。（3）對于暗挖圓圓形隧道的裝裝配式襯砌，，一般按勻質(zhì)質(zhì)連續(xù)圓環(huán)考考慮。如果裝配式襯襯砌接頭的剛剛度與管片自自身的剛度大大致相等，則則可取管片剛剛度作為勻質(zhì)質(zhì)連續(xù)圓環(huán)的的剛度。如果裝配式襯襯砌接頭的剛剛度明顯不同同于（小于））管片自身的的剛度，結(jié)構(gòu)構(gòu)有效剛度可可以用管片自自身剛度表示示成，，其中用用來反反映接頭剛度度和接頭數(shù)目目的影響。裝配式襯砌所所受彈性抗力力的假定分布布：(a)三角形分布,(b)月牙形分布側(cè)向約束明顯顯堅硬地層（4）地下結(jié)構(gòu)是是分步施作的的，其承載狀狀態(tài)與結(jié)構(gòu)的的構(gòu)筑過程有有關(guān)。例如，對于用用蓋挖逆作法法修建的淺埋埋多層多跨地地下結(jié)構(gòu)，結(jié)結(jié)構(gòu)的主要受受力構(gòu)件可能能兼有臨時結(jié)結(jié)構(gòu)和永久結(jié)結(jié)構(gòu)的雙重功功能。結(jié)構(gòu)的的型式、剛度度、支撐和荷荷載有明顯的的繼承性，隨隨施工過程而而變化。結(jié)構(gòu)構(gòu)在施工階段段的最終內(nèi)力力和變形是各各施工步驟中中結(jié)構(gòu)內(nèi)力和和變形的累計計效應(yīng)。增量法計算結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)力：對于型式、剛剛度、支撐和和荷載在施工工過程中不斷斷變化的蓋挖挖逆作結(jié)構(gòu)體體系，應(yīng)該按按施工階段的的延續(xù)采用增增量疊加法進進行受力和變變形計算。施施工階段的劃劃分界限當然然是當結(jié)構(gòu)的的型式、剛度度、支撐或荷荷載有顯著變變化時。通常?？梢赃@樣處處理：（a）構(gòu)件的自重重僅在該構(gòu)件件在計算模型型中第一次出出現(xiàn)時考慮；；（b）活載的作用用與靜載分開開計算，結(jié)果果相疊加即得得結(jié)構(gòu)的靜活活載綜合效應(yīng)應(yīng)；（c）支撐的拆除除在增量過程程中可以處理理成反向施加加該支撐力；；（d）坑底土體開開挖引起邊墻墻橫向土壓力力的改變可以以按增量考慮慮。1)A1=a1A12=A1+a2靜載靜載+活載產(chǎn)生內(nèi)力:2）B1=A1+b1B12=B1+b23)C1=B1+c1C12=C1+c24)D1=C1+d1D12=D1+d2地層壓力的分分配問題總變形量的80%初期支護二次襯砌總變形量按新奧法原理理施工的復(fù)合合式襯砌P0ddP初期期支支護護：：I,II,III級圍圍巖巖，，圍圍巖巖自自身身可可承承擔擔近近70%的的地地層層壓壓力力，，因因此此初初期期支支護護可可僅僅按按30%的的地地層層壓壓力力考考慮慮，，IV,V,VI級圍圍巖巖，，圍圍巖巖自自身身僅僅可可承承擔擔近近30%的的地地層層壓壓力力，，故初期期支支護護按按70%的的地地層層壓壓力力考考慮慮。。復(fù)合合襯襯砌砌I,II,II級圍圍巖巖，，再再考考慮慮地地層層30%的地地層層壓壓力力由由二二襯襯與與初初期期支支護護共共同同承承受受，，這這意意味味著著，，在在長長期期荷荷載載作作用用下下，，有有40%的地地層層壓壓力力仍仍由由圍圍巖巖自自身身承承擔擔。。同同時時，，二二襯襯還還要要考考慮慮100%靜水水荷荷載載。。對于于IV,V,VI級圍圍巖巖，再再考考慮慮其余余30%的地地層層壓壓力力由由二二襯襯與與初初期期支支護護共共同同承承受受。。這這意意味味著著，，在在長長期期荷荷載載作作用用下下，，二二襯襯與與初初期期支支護護共共同同承承受受100%的地地層層壓壓力力。。同同時時，，二二襯襯還還要要考考慮慮100%靜水水荷荷載載。。第四四節(jié)節(jié)地地層層結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)模模型型分分析析方方法法一、、圍圍巖巖的的二二次次應(yīng)應(yīng)力力場場地下下開開挖挖使使地地層層出出現(xiàn)現(xiàn)了了新新臨臨空空面面和和該該臨臨空空面面上上圍圍巖巖應(yīng)應(yīng)力力的的釋釋放放，，破破壞壞了了地地層層的的原原始始應(yīng)應(yīng)力力平平衡衡，，引引起起圍圍巖巖應(yīng)應(yīng)力力的的重重新新分分布布過過程程。。在在這這個個時時間間過過程程中中，，圍圍巖巖應(yīng)應(yīng)力力是是連連續(xù)續(xù)變變化化的的；；特特別別地地，，洞洞室室開開挖挖后后在在未未加加支支護護情情況況下下，，圍圍巖巖應(yīng)應(yīng)力力達達到到新新的的相相對對平平衡衡稱稱為為圍圍巖巖的的二二次次應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)。。二二次次應(yīng)應(yīng)力力發(fā)發(fā)展展與與成成形形受受到到自自然然因因素素和和工工程程因因素素的的影影響響。。計算算假假定定：：（1）圍圍巖巖為為均均質(zhì)質(zhì)的的、、各各向向同同性性的的連連續(xù)續(xù)介介質(zhì)質(zhì)；；（2）只只考考慮慮自自重重造造成成的的初初始始地地應(yīng)應(yīng)力力場場；；（3）坑坑道道形形狀狀是是圓圓形形的的；；（4）坑坑道道位位于于一一定定深深度度,簡化化為為無無限限體體中中的的孔孔洞洞問問題題。。3、地地層層結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)模模型型的的有有限限單單元元法法在上上面面的的分分析析過過程程中中，，只只考考慮慮了了簡簡單單規(guī)規(guī)則則地地層層、、洞洞室室和和支支護護的的解解析析解解。。在一一般般情情況況下下，，解解析析解解是是沒沒辦辦法法求求出出的的，，必須須使使用用數(shù)數(shù)值值方方法法，，如如有有限限單單元元法法、、有有限限差差分分法法、、邊邊界界單單元元法法等等。。（1）計計算算范范圍圍的的選選取取模型型只只能能是是空空間間有有限限的的區(qū)區(qū)域域，，而而地地下下結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)周周圍圍的的地地層層相相對對而而言言是是無無限限大大或或半半無無限限大大（（深深埋埋或或淺淺埋埋））的的，，因因此此必必須須針針對對某某個個有有限限的的計計算算范范圍圍建建立立有有限限單單元元模模型型。。這這個個范范圍圍的的邊邊界界應(yīng)應(yīng)該該設(shè)設(shè)在在地地下下工工程程幾幾乎乎影影響響不不到到的的地地方方，，比比如如3~5倍于于洞洞室室跨跨度度處處。。在在這這樣樣的的邊邊界界上上，，可可以以認認為為地地層層不不會會因因地地下下工工程程而而發(fā)發(fā)生生變變形形或或應(yīng)應(yīng)力力改改變變。。有限限單單元元模模型型范范圍圍及及邊邊界界條條件件的的選選擇擇（2）單單元元類類型型的的選選擇擇地層層可可以以用用二二維維或或三三維維實實體體單單元元來來離離散散化化模模擬擬。。對于于如如噴噴射射混混凝凝土土或或模模筑筑混混凝凝土土之之類類的的（（外外接接觸觸式式））面面支支護護結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，可可以以采采用用與與地地層層單單元元相相協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)的的單單元元，，也也可可以以采采用用直直梁梁單單元元。。后后者者可可以以直直接接計計算算出出結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的軸軸力力、、彎彎矩矩和和剪剪力力。。但但因因為為梁梁單單元元有有節(jié)節(jié)點點轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動位位移移，，在在公公共共節(jié)節(jié)點點處處不不能能與與只只有有節(jié)節(jié)點點線線位位移移的的實實體體單單元元直直接接滿滿足足位位移移協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)，，需需要要特特殊殊處處理理。。一種處理理方法是是用只能能承受軸軸力和發(fā)發(fā)生軸向向變形的的桿單元元在兩端端分別與與梁單元元節(jié)點和和實體單單元節(jié)點點鉸接，，即可達達到公共共節(jié)點的的位移協(xié)協(xié)調(diào)。對于如錨錨桿之類類的線形形支護構(gòu)構(gòu)件，可可以用桿桿單元模模擬。例例如，預(yù)預(yù)應(yīng)力錨錨桿可以以用一個個在兩端端作用有有集中力力的桿單單元來代代表，全全長粘結(jié)結(jié)式錨桿桿可以用用若干個個彼此鉸鉸接、但但與地層層單元節(jié)節(jié)點剛性性相連的的桿單元元來模擬擬。支護結(jié)構(gòu)構(gòu)單元的的選擇（3）開挖效效應(yīng)的模模擬開挖釋放放了洞室室邊界上上的原始始應(yīng)力，，在計算算中通過過在開挖挖邊界上上施加與與原始應(yīng)應(yīng)力大小小相等方方向相反反的“釋釋放荷載載”。圖圖示的平平面問題題，設(shè)開開挖邊界界上節(jié)點點的原始始應(yīng)力已已經(jīng)確定定，這里里（為了了簡化表表達）假假定為均均勻應(yīng)力力場，則則某節(jié)點點處的典典型釋放放荷載可可以表示示為：開挖釋釋放應(yīng)應(yīng)力的的計算算案例北京地地鐵4號線西西單站站1、坑道道開挖挖后的的彈性性二次次應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)為簡單單計,設(shè)初始始地應(yīng)應(yīng)力場場以λ表示,即＝σx/σy,則在圍圍巖中中開挖挖半徑徑為a的圓形形坑道道后,其二次次應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)可近近似用用下式式表達達。勻質(zhì)地地層中中圓形形洞室室的簡簡化模模型：：（i）彈性性，（（ii）彈塑塑性σr＝σy/2[(1－2)(1＋)＋(1－42＋34)(1－)cos2φ]σt=σy/2[(1+2)(1＋)-(1＋34)(1－)cos2φ]τrt=σy/2(1-)(1+22-34)sin2φ式中=a/r,當r=a時，表表示在在坑道道周邊邊上。。（1）坑道道周邊邊應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)的規(guī)規(guī)律：：當r=a時，上上式變變成：：r=0t=y〔(1-2cosφφ)+(1+2cos2φ)〕圓形坑坑道周周邊切切向應(yīng)應(yīng)力分分布幾點認認識：：1）=0，即只只有初初始垂垂直應(yīng)應(yīng)力時時，拱拱頂出出現(xiàn)最最大切切向拉拉應(yīng)力力，并并分布布在拱拱頂一一定范范圍內(nèi)內(nèi)。拱頂處處最大大拉應(yīng)應(yīng)力t等于t=－y，相當當于初初始垂垂直應(yīng)應(yīng)力值值。拱拱頂受受拉范范圍約約出現(xiàn)現(xiàn)在與與垂直直軸左左右各各30°°的范圍圍內(nèi)，，這說說明拱拱頂范范圍可可能產(chǎn)產(chǎn)生掉掉塊。。2）隨著著的增加加,拱頂切切向拉拉應(yīng)力力值及及其范范圍逐逐漸減減少。。當=1/3時,拱頂切切向拉拉應(yīng)力力等于于0。大于于1/3后,整個坑坑道周周邊的的切向向應(yīng)力力皆為為壓應(yīng)應(yīng)力。。這說說明,在0~1/3之間時時,坑道拱拱頂〈拱底〉范圍是是受拉拉的。。由于于巖石石的抗抗拉強強度較較弱,當切向向拉應(yīng)應(yīng)力超超過其其抗拉拉強度度時,拱頂可可能發(fā)發(fā)生局局部掉掉塊和和落石石,但不會會造成成整個個坑道道的破破壞。。3）在側(cè)側(cè)壁范范圍內(nèi)內(nèi),λ值變化化在0~1.0之間時時,周邊切切向應(yīng)應(yīng)力總總是壓壓應(yīng)力力,而且總總比拱拱頂范范圍的的應(yīng)力力值大大。這這說明明,側(cè)璧處處在較較大的的應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)下。。例如如當λ=0時，側(cè)側(cè)璧中中點（（φ=90°°）的最最大壓壓力等等于3σy。隨著λ值的增增大，，側(cè)壁壁中點點的壓壓應(yīng)力力逐漸漸減小小，當當λ=1時,其值變變成σt=2σσy。側(cè)壁壁處在在較大大的壓壓應(yīng)力力作用用下是是造成成側(cè)壁壁剪切切破壞壞或巖巖爆（（分離離破壞壞）的的主要要原因因之一一。而而且,常常是是整個個坑道道喪失失穩(wěn)定定的主主要原原因,應(yīng)予以以足夠夠重視視。4）當λ=1（即初初始垂垂直應(yīng)應(yīng)力與與初始始水平平應(yīng)力力相等等）時時,坑道周周邊圍圍巖各各點的的應(yīng)力力皆相相同。。即為為一常常數(shù)值值（σt=2σσy）。這這種應(yīng)應(yīng)力狀狀態(tài)對對圓形形坑道道穩(wěn)定定是很很有利利的。。5）通常常圍巖巖的側(cè)側(cè)壓力力系數(shù)數(shù)變動動在0.2~0.5之間。。在這這個范范圍內(nèi)內(nèi),坑道周周邊切切向應(yīng)應(yīng)力σt都是壓壓應(yīng)力力。因因此,要十分分注意意切向向應(yīng)力力的變變化,它是造造成坑坑道破破壞的的主要要原因因之一一。（2）圍巖巖應(yīng)力力向深深處變變化的的規(guī)律律沿圓形形坑道道水平平、垂垂直軸軸上應(yīng)應(yīng)力分分布a)λ=0的情況況b)λ=1的情況況1）側(cè)壁壁中點點（φ＝90°°）,在λ=0~1.0時坑道道周邊邊的切切向應(yīng)應(yīng)力都都為正正值（（壓應(yīng)應(yīng)力））。最最大值值為σt=3σσy(λ=0),最小值值為2σy(λ=l)。2）拱頂頂處（（φ=0°）,在周邊邊上的的σt值由-σy（λ=0）變到到2σy（λ=1）。當當λ=1/3時,σt=0。隨著著r的增加加,當λ=0時,σσt接近于于0，當λ=1時,接近σy，即都都逐漸漸接近近于初初始的的應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)。σr值在λ=0和λ=1時,變化大大致相相同,即由0逐漸增增加到到σy值。由由此可可見,坑道開開挖后后的二二次應(yīng)應(yīng)力分分布范范圍是是很有有限的的。視視λ值其范范圍大大致在在（5~7）a左右。。λ愈大，，范圍圍愈大大。在在此之之后,圍巖仍仍處在在初應(yīng)應(yīng)力狀狀態(tài)。。這說說明:坑道開開挖對對圍巖巖的影影響(擾動)是有限限的。。3）在拱拱頂處處的拉拉應(yīng)力力深入入圍巖巖內(nèi)部部的范范圍約約為0.58a（λ=0）,而后轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)闉閴簯?yīng)應(yīng)力.這也說說明,坑道圍圍巖內(nèi)內(nèi)的拉拉應(yīng)力力區(qū)域域是有有限的的,而且只只在λ小于1/3時的情情況下下出現(xiàn)現(xiàn)。前前已指指出,拉應(yīng)力力區(qū)的的存在在對造造成圍圍巖的的局部部破壞壞（松松弛、、掉塊塊、落落石））是有有影響響的。。尤其其是在在大跨跨度洞洞室的的情況況下。。(3)坑道位位移狀狀態(tài)在平面面問題題中，，坑道道周邊邊的位位移ua可由下下式?jīng)Q決定ua=1+μ/E.a.σy從上式式可求求出隧隧道周周邊各各點的的位移移，當當λ值不同同時，，圍巖巖值及及其分分布狀狀態(tài)也也不同同。不同λ值條件件下圓圓形坑坑道周周邊位位移分分布在不同同的λ值條件下,開挖后的斷面面收斂狀態(tài)示示。當λ=1時,隧道斷面是均均勻縮小的,隨著λ值的減小,隧道上、下頂頂點繼續(xù)向隧隧道內(nèi)擠入,水平直徑處則則減小,而變成扁平的斷面形形狀。坑道位移狀態(tài)態(tài)說明，坑道道開挖后圍巖巖基本上是向向隧道內(nèi)移動動的。只