《隧道工程》

第5章隧道工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算邵鵬spsyc@126.com中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院12五月2023主要內(nèi)容

隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

隧道結(jié)構(gòu)的荷載

隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述（1）隧道結(jié)構(gòu)體系的概念

1.隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述隧道結(jié)構(gòu)體系圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)初期支護(hù)二次襯砌通常是主要承載單元其穩(wěn)定性對(duì)結(jié)構(gòu)型式選擇起決定作用其結(jié)構(gòu)型式對(duì)結(jié)構(gòu)承載力和經(jīng)濟(jì)性影響很大5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

（2）隧道結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)發(fā)展過(guò)程開(kāi)挖后平衡三次應(yīng)力狀態(tài)（支護(hù)體系應(yīng)力狀態(tài)）一次應(yīng)力狀態(tài)（初始應(yīng)力狀態(tài)）二次應(yīng)力狀態(tài)（開(kāi)挖后應(yīng)力狀態(tài)）支護(hù)四次應(yīng)力狀態(tài)（終極應(yīng)力狀態(tài)）開(kāi)挖前5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述形成機(jī)制：隧道開(kāi)挖后，開(kāi)挖面周?chē)鷰r體解除了約束，原巖應(yīng)力場(chǎng)平衡被破壞，引起應(yīng)力重分布和位移。這種應(yīng)力重分布僅限于一定范圍內(nèi)的巖體----圍巖，而把重新分布后的應(yīng)力狀態(tài)叫做二次應(yīng)力狀態(tài)。1）二次應(yīng)力狀態(tài)一次應(yīng)力狀態(tài)彈性應(yīng)力狀態(tài)二次應(yīng)力狀態(tài)二次應(yīng)力狀態(tài)彈塑性應(yīng)力狀態(tài)穩(wěn)定（自穩(wěn)）巖體強(qiáng)度高整體性好斷面形狀有利超過(guò)部分圍巖的屈服條件塑性滑移、松弛或破壞

5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

a.彈性二次應(yīng)力狀態(tài)圍巖中的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

自由面的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)側(cè)壓力系數(shù)對(duì)切向應(yīng)力分布的影響應(yīng)力場(chǎng)a.彈性二次應(yīng)力狀態(tài)5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

自由面的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)位移場(chǎng)側(cè)壓力系數(shù)對(duì)位移分布的影響a.彈性二次應(yīng)力狀態(tài)5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

a.彈性二次應(yīng)力狀態(tài)=1時(shí)=1時(shí)，自由面處主應(yīng)力r和差值最大（2p0），因此隧道周邊最容易破壞。5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

b.彈塑性二次應(yīng)力狀態(tài)塑性區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)圍巖中的應(yīng)力超過(guò)其屈服條件，部分圍巖處于塑性狀態(tài)。塑性區(qū)應(yīng)力值與初始應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)，僅取決于圍巖本身的強(qiáng)度參數(shù)c、。（=1）5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

=1時(shí)，塑性區(qū)半徑為塑性區(qū)范圍塑性區(qū)范圍不僅與圍巖強(qiáng)度參數(shù)有關(guān)，而且取決于圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)。b.彈塑性二次應(yīng)力狀態(tài)5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

側(cè)壓力系數(shù)對(duì)塑性區(qū)的影響5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

隧道形狀對(duì)塑性區(qū)的影響隧道埋深對(duì)塑性區(qū)的影響5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

2）三次應(yīng)力狀態(tài)設(shè)置支護(hù)體系后，支護(hù)體系對(duì)圍巖位移產(chǎn)生阻力（支護(hù)阻力）；支護(hù)結(jié)構(gòu)受?chē)鷰r壓力作用也將產(chǎn)生變形。這一過(guò)程稱(chēng)為三次應(yīng)力狀態(tài)。5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

2）三次應(yīng)力狀態(tài)a.支護(hù)阻力對(duì)隧道周邊應(yīng)力分布的影響彈性三次應(yīng)力狀態(tài)假定支護(hù)阻力pa是徑向的，且沿隧道周邊均勻分布，則有：支護(hù)阻力的存在，使周壁的徑向應(yīng)力增大，而使切向應(yīng)力減小，使支護(hù)附近巖體由單向（或雙向的）應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向的（或三向的）應(yīng)力狀態(tài)，從而提高了巖體承載力。5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

彈塑性三次應(yīng)力狀態(tài)塑性區(qū)半徑隨著支護(hù)阻力的加大而減小，說(shuō)明徑向阻力對(duì)限制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展起重要作用。使圍巖的應(yīng)力狀態(tài)由二維變?yōu)槿S，提高了抗屈服能力。（塑性區(qū)半徑）5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

塑性區(qū)的位移彈塑性三次應(yīng)力狀態(tài)假定小變形的情況下，塑性區(qū)體積不變，則有事實(shí)上，圍巖在進(jìn)入塑性狀態(tài)后，體積要發(fā)生剪脹現(xiàn)象，故上式只能是近似公式。

1）荷載的模糊性和不確定性

2）圍巖壓力承載體系圍巖不僅是荷載，同時(shí)又是承載體；地層壓力由圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受；充分發(fā)揮圍巖的自承能力。

3）設(shè)計(jì)參數(shù)受施工方法和施作時(shí)機(jī)的影響很大5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述（3）隧道結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)2.隧道結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)模型5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)模型工程類(lèi)比法（EmpiricalMethod）收斂-約束法（Convergence-confinementMethod）荷載-結(jié)構(gòu)模型（作用-反作用模型，Action-reactionModel）連續(xù)介質(zhì)模型（ContinuumModel，巖體力學(xué)模型）5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述（1）工程類(lèi)比法支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)施工過(guò)程設(shè)計(jì)施工量測(cè)設(shè)計(jì)圍巖分級(jí)時(shí)間效應(yīng)1）工程類(lèi)比影響因素基本因素易變因素降雨、地震、施工5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述2）工程類(lèi)比法的流程支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)施工過(guò)程設(shè)計(jì)施工量測(cè)設(shè)計(jì)圍巖分級(jí)時(shí)間效應(yīng)影響因素分析1）收斂和約束的概念

隧道開(kāi)挖時(shí)，由于自由面的形成，圍巖開(kāi)始向隧道內(nèi)產(chǎn)生位移，這種位移稱(chēng)之為收斂。為保持圍巖穩(wěn)定性，開(kāi)挖后適時(shí)地沿隧道周邊設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)巖體移動(dòng)產(chǎn)生阻力，形成約束。直到支護(hù)阻力與圍巖應(yīng)力達(dá)到平衡形成力學(xué)上穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。

2）原理：以測(cè)量值為依據(jù)，把測(cè)試數(shù)據(jù)反饋于設(shè)計(jì)。

3）特點(diǎn)：能反映隧道圍巖的實(shí)際應(yīng)力及變形狀態(tài)，使設(shè)計(jì)、施工與圍巖的實(shí)際動(dòng)態(tài)相匹配。5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述（2）收斂-約束法

4）實(shí)施方法5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述兩個(gè)階段修正設(shè)計(jì)階段施工前預(yù)設(shè)計(jì)階段主要環(huán)節(jié)制定監(jiān)測(cè)方案、確定測(cè)試內(nèi)容、選擇測(cè)試手段、實(shí)施監(jiān)測(cè)計(jì)劃原始數(shù)據(jù)整理、選擇處理方法、提出處理結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)根據(jù)反饋的信息，修改設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工信息反饋數(shù)據(jù)處理

5）判斷圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的方法5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述a.收斂變形分析變形曲線分為三個(gè)階段：變形速度小于0.2mm/d時(shí)認(rèn)為圍巖節(jié)本穩(wěn)定。大秦鐵路復(fù)合式襯砌隧道的標(biāo)準(zhǔn)為：隧道跨度<10m時(shí)，水平收斂速率為0.1mm/d；隧道跨度>10m時(shí)，水平收斂速率為0.2mm/d；5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述b.壓力測(cè)試分析5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

1）觀點(diǎn)：以支護(hù)結(jié)構(gòu)為承載體，圍巖作為荷載同時(shí)考慮其對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形約束。用一般結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法進(jìn)行計(jì)算。

2）適用：淺埋隧道及圍巖塌落而出現(xiàn)松動(dòng)壓力的隧道。

3）特點(diǎn)：支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用通過(guò)圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性抗力來(lái)體現(xiàn)，而圍巖承載能力則在確定圍巖壓力和彈性抗力時(shí)間接地考慮。這種模型概念清晰，計(jì)算簡(jiǎn)便。5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述（3）荷載-結(jié)構(gòu)模型

4）分類(lèi)

主動(dòng)荷載模型主動(dòng)荷載+圍巖彈性約束模型實(shí)測(cè)荷載模型（實(shí)測(cè)壓力法）5.3隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述a.主動(dòng)荷載模型不考慮圍巖與支護(hù)的相互作用，適用于圍巖和支護(hù)剛度比較小時(shí)，或軟弱地層對(duì)結(jié)構(gòu)變形的約束能力較差時(shí)。

只要確定了支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)荷載，就可用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求解。5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述b.主動(dòng)荷載+圍巖彈性約束模型認(rèn)為圍巖不僅對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加主動(dòng)荷載，而且由于圍巖與支護(hù)相互作用，還對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加被動(dòng)的彈性抗力。彈性抗力：由于支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生向圍巖方向的變形而引起的圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的反作用力。

彈性抗力的形成機(jī)制：襯砌在受力過(guò)程中的變形，一部分有離開(kāi)圍巖形成“脫離區(qū)”的趨勢(shì)，另一部分壓緊圍巖形成所謂“抗力區(qū)”。在抗力區(qū)內(nèi)，約束著襯砌變形的圍巖相應(yīng)地產(chǎn)生被動(dòng)抵抗力。5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

彈性抗力的確定：（a）局部變形理論；（b）共同變形理論。局部變形理論以Winkler假定為基礎(chǔ)，認(rèn)為應(yīng)力和變形呈線性關(guān)系，比例系數(shù)K即為圍巖彈性抗力系數(shù)。共同變形理論把圍巖視為彈性半無(wú)限體，考慮相鄰質(zhì)點(diǎn)之間變形的相互影響。比較符合實(shí)際。5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述地層-荷載模型主要是對(duì)錨噴支護(hù)進(jìn)行與設(shè)計(jì)。出發(fā)點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用，組成一個(gè)共同承載體系，其中圍巖為主要的承載結(jié)構(gòu)，支護(hù)是鑲嵌在圍巖孔洞上的承載環(huán)，只是用來(lái)約束和限制圍巖變形。兩者共同作用的結(jié)果是使支護(hù)體系達(dá)到平衡狀態(tài)。特點(diǎn)能反映出隧道開(kāi)挖后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)和充分發(fā)揮圍巖的承載力。（4）地層-荷載模型5.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

編號(hào)荷載類(lèi)型荷載名稱(chēng)1永久荷載（恒載）圍巖壓力2結(jié)構(gòu)自重力3填土壓力水壓力4混凝土收縮和徐變影響力5可變荷載基本可變荷載公路車(chē)輛荷載，人群荷載6立交公路車(chē)輛荷載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力7立交鐵路列車(chē)活載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力8其它可變荷載立交渡槽流水壓力9溫度變化的影響力10凍脹力施工荷載11偶然荷載落石沖擊力，地震力5.2隧道結(jié)構(gòu)的荷載

荷載組合：結(jié)構(gòu)自重＋圍巖壓力＋附加恒載（基本）結(jié)構(gòu)自重＋土壓力＋公路荷載＋附加恒載結(jié)構(gòu)自重＋土壓力＋附加恒載＋施工荷載＋溫度作用力結(jié)構(gòu)自重＋土壓力＋附加恒載＋地震作用附加恒載：伴隨隧道運(yùn)營(yíng)的各種設(shè)備設(shè)施的荷載等。5.2隧道結(jié)構(gòu)的荷載（1）圍巖壓力及其分類(lèi)1）圍巖壓力廣義概念：引起地下開(kāi)挖空間周?chē)鷰r體和支護(hù)變形或破壞的作用力。包括由地應(yīng)力引起的圍巖壓力以及圍巖變形受阻而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用力。狹義概念：指圍巖變形受阻而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用力。1.主動(dòng)地層壓力（圍巖壓力）5.2隧道結(jié)構(gòu)的荷載2）圍巖壓力分類(lèi)5.2隧道結(jié)構(gòu)的荷載變形壓力指由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)如錨噴支護(hù)等的抑制，而使圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)在共同變形過(guò)程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。松動(dòng)壓力膨脹壓力沖擊壓力由于開(kāi)挖而松動(dòng)或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。圍巖中所積累的大量彈性變形能由于開(kāi)挖突然釋放出來(lái)時(shí)所產(chǎn)生的壓力。指由于圍巖吸水膨脹崩解所引起的壓力。

5.2隧道結(jié)構(gòu)的荷載變形壓力松動(dòng)壓力膨脹壓力沖擊壓力彈性變形壓力塑性變形壓力流變壓力變形階段松動(dòng)階段塌落階段成拱階段巖石的流變：巖石在長(zhǎng)期荷載作用下，應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間而變化的性質(zhì)。（2）深埋隧道松動(dòng)壓力1）統(tǒng)計(jì)法-我國(guó)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦方法豎向均布（壓力）作用5.2隧道結(jié)構(gòu)的荷載S-----圍巖級(jí)別。

水平均布?jí)毫ν扑]值

上述公式的使用條件：采用鉆爆法施工的深埋隧道；且H/B<1.7的范圍內(nèi)（H為隧道高度，B為隧道寬度）沒(méi)有顯著偏壓力及膨脹性壓力的圍巖。5.2隧道結(jié)構(gòu)的荷載2）普氏理論將巖體視為散粒體，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)面上的黏聚力。巖體堅(jiān)固性系數(shù)（似摩擦系數(shù)）為天然拱高度：豎向均布?jí)毫椋核骄妓蓜?dòng)壓力按朗肯公式計(jì)算：5.2隧道結(jié)構(gòu)的荷載堅(jiān)硬巖體松散破碎巖體適用于松散破碎的圍巖。3）太沙基理論

視巖體為散粒體，以松散介質(zhì)平衡理論為計(jì)算基礎(chǔ)。認(rèn)為上方巖體因隧道開(kāi)挖下沉，并產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)面OAB。5.2隧道結(jié)構(gòu)的荷載水平條帶單元體1）考慮兩側(cè)巖體加持作用時(shí)的計(jì)算方法

垂直壓力5.2隧道結(jié)構(gòu)的荷載（3）淺埋隧道主動(dòng)地層壓力

水平壓力5.2隧道結(jié)構(gòu)的荷載

2）全自重型的計(jì)算方法5.2隧道結(jié)構(gòu)的荷載5.2隧道結(jié)構(gòu)的荷載2.有地下水時(shí)土壓力的計(jì)算粘（1）地震對(duì)隧道的影響

剪切錯(cuò)位和振動(dòng)。（2）地震力的計(jì)算方法

1）靜力法(地震系數(shù)法)

假設(shè)隧道各部分與圍