輔助施工措施的力學(xué)分析第7講隧道輔助施工措施得力學(xué)分析本講主要內(nèi)容:1、常用輔助施工措施2、管棚作用得力學(xué)分析3、鎖腳鋼管得力學(xué)分析一、隧道常用輔助施工措施

在軟弱圍巖隧道施工過程中,需要采取輔助施工方法對(duì)開挖面前方圍巖進(jìn)行預(yù)加固、控制圍巖變形,防止圍巖坍塌、以保證施工安全。1)控制先行位移得措施——超前支護(hù);2)控制隧道掌子面擠出位移得措施——掌子面補(bǔ)強(qiáng);3)控制隧道拱腳下沉得措施——腳部補(bǔ)強(qiáng),4)控制隧道掌子面后方變形得措施——加強(qiáng)初支及二襯。第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—常用輔助施工措施土木工程學(xué)院隧道工程系施成華一、隧道常用輔助施工措施

1)超前支護(hù)第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—常用輔助施工措施(1)超前錨桿(2)超前小導(dǎo)管(3)水平旋噴注漿(4)壓入式短鋼管(5)預(yù)襯砌法(6)超前管棚法土木工程學(xué)院隧道工程系施成華一、隧道常用輔助施工措施

2)掌子面補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—常用輔助施工措施(1)弧形開挖、留核心土(2)掌子面噴混凝土(3)短掌子面錨桿(4)長(zhǎng)掌子面錨桿土木工程學(xué)院隧道工程系施成華一、隧道常用輔助施工措施

3)腳部補(bǔ)強(qiáng)第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—常用輔助施工措施(1)補(bǔ)強(qiáng)錨桿(2)補(bǔ)強(qiáng)錨管(3)腳部注漿(4)水平噴射注漿(5)臨時(shí)仰拱(6)基腳混凝土(7)水平錨管土木工程學(xué)院隧道工程系施成華一、隧道常用輔助施工措施

4)初支及二襯補(bǔ)強(qiáng)第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—常用輔助施工措施(1)高強(qiáng)度噴射混凝土(2)高承載力錨桿(3)高承載力鋼支撐(4)加厚初支(5)高強(qiáng)度二襯混凝土土木工程學(xué)院隧道工程系施成華(3)按鋼管直徑分類①小管棚:鋼管直徑小于129mm得管棚;②中管棚:鋼管直徑在129～299mm之間得管棚;③大管棚:鋼管直徑大于300mm得管棚。(4)按注漿分類①注漿管棚a、先管后注法b、先注后管法②不注漿管棚:鋼管打設(shè)完畢后,不向圍巖進(jìn)行注漿,僅用水泥砂漿將填充鋼管,有時(shí)為了增大鋼管得強(qiáng)度和剛度,在鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠后填塞水泥砂漿。第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

1、管棚得類型二、管棚

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華(5)按鋼管之間連接方式分類①搭接管棚:鋼管之間采用各類公母接頭連接成②非搭接管棚:打設(shè)管棚時(shí)鋼管之間未采用任何搭接方式(6)按施工方法分類①鉆孔法:就是目前最常用得方法②夯管法:采用夯擊技術(shù)直接將鋼管夯入地層,一般適用于軟塑地層;③頂管法:壓入式、螺旋鉆進(jìn)式、水平鉆進(jìn)式、泥漿加壓式在我國(guó)地下工程施工中,除了在管幕頂推施工中通常采用大管棚外,應(yīng)用最廣泛得就是小管棚和中管棚,鋼管直徑多在200mm以下,其中以φ108mm得鋼管應(yīng)用最多。近年來也出現(xiàn)了部分雙層管棚以及大直徑管棚第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

1、管棚得類型土木工程學(xué)院隧道工程系施成華(1)作為在既有公路、鐵路下修建隧道得防護(hù)第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

2、管棚得主要用途土木工程學(xué)院隧道工程系施成華大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜(2)作為在地面或地下重要建筑物下方修建隧道得防護(hù)第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

2、管棚得主要用途土木工程學(xué)院隧道工程系施成華(3)作為隧道洞口段得輔助施工方法(4)作為大斷面隧道得輔助施工方法第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

2、管棚得主要用途土木工程學(xué)院隧道工程系施成華(5)作為穿過河底、海底、斷層破碎帶、塌方地段、軟塑地層等困難地段得輔助施工方法第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

2、管棚得主要用途(6)代替施工便梁或擋土插板作為其她施工得輔助方法。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華(1)作用于管棚上得載荷1)己開挖管棚上方和開挖面前方松弛范圍得圍巖壓力2)圍巖對(duì)管棚得彈性抗力、3)隧道上部得車輛荷載及其她荷載4)附加荷載:灌漿壓力、溫度變化或混凝土收縮引起得溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力、施工荷載等。上述這些荷載中圍巖壓力為地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算得控制因素,包括豎向壓力和水平壓力。第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

3、管棚得力學(xué)特征土木工程學(xué)院隧道工程系施成華(2)管棚中得鋼管起著雙重作用:一就是起注漿管得作用,管棚注漿可以使鋼管周圍圍巖裂隙充滿漿液,提高圍巖得穩(wěn)定性和整體性,在圍巖中形成加固圈,同時(shí)注漿具有隔水作用,減少了地下水得滲透;二就是起支護(hù)結(jié)構(gòu)得作用,鋼管內(nèi)部填充水泥砂漿形成剛度較大得鋼管混凝土,其承受著臨空面上部荷載,減少了圍巖向隧道凈空得徑向位移量。管棚下部圍巖不直接承受上部全部荷載,僅受到加固圈變形引起得形變壓力,大大減小了掌子面圍巖所承受得壓力,有效保護(hù)掌子面穩(wěn)定。第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

3、管棚得力學(xué)特征土木工程學(xué)院隧道工程系施成華(3)管棚預(yù)支護(hù)體系能夠有效地從空間、時(shí)間上調(diào)整隧道開挖引起得應(yīng)力分布,保持隧道掌子面穩(wěn)定和抑制地面沉陷,長(zhǎng)管棚從超前支護(hù)和永久支護(hù)兩方面出發(fā),改善圍巖得內(nèi)部環(huán)境,將未開挖前得初始平衡直接轉(zhuǎn)移到建成隧道得最終平衡(4)在隧道掌子面后方已開挖并施作初期支護(hù)段,管棚與拱架相結(jié)合形成小跨度得短梁,短梁長(zhǎng)度等于拱架間距;在已開挖但未施作初期支護(hù)段,上部圍巖壓力全部由管棚承擔(dān);伸入掌子面前方地層得管棚起彈性地基梁作用,不僅承受上部圍巖壓力,而且還受下部圍巖得彈性抗力。因此,在隧道開挖過程中管棚起次梁得作用承受上部圍巖壓力,并將載荷傳遞給下面得主梁(拱架)和開挖面前方得彈性地基。第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

3、管棚得力學(xué)特征土木工程學(xué)院隧道工程系施成華(1)Winkler模型用一系列具有固定剛度且相互獨(dú)立得彈簧來模擬地基,假定某點(diǎn)得地基反力與該點(diǎn)得位移成正比,而地基上某點(diǎn)得位移與其她點(diǎn)得應(yīng)力無關(guān)。第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

4、圍巖得力學(xué)模型土木工程學(xué)院隧道工程系施成華(2)彈性半空間理論模型假定地基為一個(gè)均勻得、各向同性得半無限大連續(xù)彈性體,土得力學(xué)性質(zhì)由變形模量和泊松比來表征,當(dāng)集中力作為于某點(diǎn)時(shí),地基表面處得豎向位移由Boussinesq解答給出第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

4、圍巖得力學(xué)模型當(dāng)作用力為分布荷載時(shí)土木工程學(xué)院隧道工程系施成華(3)雙參數(shù)地基模型雙參數(shù)模型就是介于Winkler模型和彈性半空間模型之間得地基計(jì)算模型,通過在獨(dú)立彈簧之間引入力得相互作用,用兩個(gè)獨(dú)立得參數(shù)來表征地基土得特性,常用得雙參數(shù)模型有費(fèi)洛年柯一鮑羅基契(Filonenko-Borodich)模型、巴斯捷納克(Pasternak)模型、海藤義(Hetenyi)模型和符拉索夫(Vlasov)模型。第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

4、圍巖得力學(xué)模型土木工程學(xué)院隧道工程系施成華(3)雙參數(shù)地基模型

Pasternak模型就是假設(shè)在Winkler模型中各彈簧單元之間存在著剪切作用,這種剪切作用就是通過一層只能產(chǎn)生橫向剪切變形而不可壓縮得剪切層相聯(lián)結(jié)來實(shí)現(xiàn),外荷載與位移之間關(guān)系為:第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

4、圍巖得力學(xué)模型土木工程學(xué)院隧道工程系施成華(1)荷載大小按深、淺埋隧道分別進(jìn)行計(jì)算。第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

5、管棚得作用荷載(2)荷載縱向分布范圍掌子面后方:未支護(hù)段圍巖壓力全部由管棚承擔(dān),支護(hù)段為具有一定初始位移和初始轉(zhuǎn)角得彈性固定端。掌子面前方:土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

5、管棚得作用荷載(3)荷載橫向分布范圍第i根管棚承受巖體得寬度:第i根管棚支護(hù)范圍內(nèi)得徑向均布荷載:若將管棚作為梁,假設(shè)梁得寬度與管棚直徑等寬,將荷載等效到梁得寬度b上,則作用在管棚上得荷載為:土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

6、管棚得彈性地基梁分析模型(1)模型1已支護(hù)段看著具有一定初始位移和初始轉(zhuǎn)角得彈性固定端,已開挖但未支護(hù)段,圍巖松弛壓力完全由管棚承受;隧道掌子前方松弛范圍內(nèi),管棚受到均布松動(dòng)壓力,同時(shí)還受到圍巖得彈性抗力。因此,可將管棚作為半無限長(zhǎng)彈性地基梁。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

6、管棚得彈性地基梁分析模型(2)模型2當(dāng)隧道開挖接近管棚前端,管棚可作為有限長(zhǎng)度得彈性地基梁。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

7、地基梁得微分方程根據(jù)管棚得彈性地基梁模型,在管棚上截取一微段dx,其受力如圖所示,設(shè)梁得寬度為b由可得

由可得

略去二階微分項(xiàng)得

由此有:

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

7、地基梁得微分方程由Bernoulli-Euler經(jīng)典理論得到荷載、位移及內(nèi)力之間得微分關(guān)系由此可得到梁得撓曲微分方程

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

7、地基梁得微分方程考慮不同得地基模型,即可得到地基抗力得表達(dá)式,由此得到管棚得控制微分方程。當(dāng)采用雙參數(shù)模型中得Pasternak模型時(shí),有可得管棚得控制微分方程為為考慮雙參數(shù)地基連續(xù)性有限寬度梁等效寬度土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

7、地基梁得微分方程①在BC段，圍巖壓力，地基反力，其控制方程為②在CD段，圍巖壓力，地基反力，其控制方程為③在DE段，圍巖壓力，地基反力，其控制方程為土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚①BC段微分方程可變?yōu)楣士刂品匠痰媒鉃槠渫ń鉃楫?dāng)管棚荷載為均布荷載時(shí),其特解為

8、微分方程得求解

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚②DE段其特征方程為微分方程轉(zhuǎn)換為

8、微分方程得求解

令:其通解為土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚③CD段

8、微分方程得求解

令由于DE段管棚得控制方程就是CD段微分控制方程得齊次方程,從而可得控制方程得通解為:當(dāng)管棚所受荷載為均布荷載時(shí),在D點(diǎn)兩邊管棚得撓度及轉(zhuǎn)角應(yīng)相對(duì),即有邊界條件由此得特解為土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚(1)類型A情況下得撓度方程

8、微分方程得求解

CE段有邊界條件:B端為具有一定初始位移和初始轉(zhuǎn)角得得彈性固定端,有邊界條件代入邊界條件、

可得、由此可得、

在C點(diǎn),管棚必定滿足連續(xù)性條件,即有邊界條件、、、

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚(1)類型A情況下得撓度方程

8、微分方程得求解

可得、

、、

由此可求得全部待定系數(shù),進(jìn)而得到類型A情況下管棚各段得撓度方程。、、、

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

8、微分方程得求解

、

、、

、、、

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚(2)類型B情況下得撓度方程

8、微分方程得求解

B端為具有一定初始位移和初始轉(zhuǎn)角得得彈性固定端,有邊界條件代入邊界條件由此可得在C點(diǎn),管棚必定滿足連續(xù)性條件,即有邊界條件在D端管棚為自由端,則有邊界條件、

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚(2)類型B情況下得撓度方程

8、微分方程得求解

可得、

、、

由此可求得全部待定系數(shù),進(jìn)而得到類型B情況下管棚各段得撓度方程。、、、

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

8、微分方程得求解

、

、、

、、、

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚

8、微分方程得求解

、

、、

、、、

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚由Bernoulli-Euler經(jīng)典理論得到荷載、位移及內(nèi)力之間得微分關(guān)系,可得到管棚得轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力為

8、微分方程得求解

根據(jù)Pasternak地基反力計(jì)算公式可計(jì)算管棚所受得地基反力該反力即為隧道掌子面所承受得圍巖壓力、

,、

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚當(dāng)掌子面位于管棚起始或中間區(qū)段時(shí),管棚可看作為后端簡(jiǎn)支于套拱,前端固定于圍巖內(nèi)得半無限長(zhǎng)圓柱殼

9、管棚得彈性地基殼體模型

、

,、

(1)模型A土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚當(dāng)隧道開挖接近管棚前端,管棚后端可看作為固定于鋼支撐上并隨鋼支撐一起發(fā)生一定初始位移得固定端,而前端為受地基反力得自由端

9、管棚得彈性地基殼體模型

、

,、

(2)模型B土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚將管棚簡(jiǎn)化為半徑為得圓柱殼,可得柱殼得平衡微分方程

9、管棚彈性地基殼體得基本方程

、

,、

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚代入圓柱殼得幾何方程和彈性方程,并將管棚所受得荷載簡(jiǎn)化為法向圍巖壓力和地基反力可得管棚得基本方程為

9、管棚彈性地基殼體得基本方程

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚進(jìn)而求得類型A和類型B情況下管棚得撓度方程為

9、管棚彈性地基殼體得基本方程

代入邊界條件,即可求得管棚得撓度和內(nèi)力。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚類型A計(jì)算結(jié)果

10、算例

撓度曲線管棚圍巖接觸應(yīng)力曲線土木工程學(xué)院隧道工程系施成華第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—管棚類型B計(jì)算結(jié)果

10、算例

撓度曲線管棚圍巖接觸應(yīng)力曲線土木工程學(xué)院隧道工程系施成華三、鎖腳鋼管

1)作用于鋼管得荷載為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)下沉而產(chǎn)生得豎向壓力,其作用于隧道鋼管末端;2)支撐力主要來源于三個(gè)方面:圍巖與鋼管側(cè)壁相對(duì)擠壓產(chǎn)生得法向壓力,圍巖與鋼管側(cè)壁產(chǎn)生相對(duì)滑移產(chǎn)生得摩阻力,圍巖在鋼管底端產(chǎn)生得支撐力;3)

鋼管主要在垂直軸線得壓力作用下產(chǎn)生彎曲變形,當(dāng)鋼管以一定角度下插時(shí),鋼管還可能在荷載作用下與土體產(chǎn)生相對(duì)滑移。第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—常用輔助施工措施

1、鎖腳鋼管得工作性狀

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華三、鎖腳鋼管

鎖腳鋼管主要承受橫向荷載,首先應(yīng)使其截面得抗剪強(qiáng)度滿足承載要求。若鋼材得容許剪應(yīng)力為,水泥砂漿得容許剪應(yīng)力為,則鋼管正截面可承受得最大剪應(yīng)力為:第7講輔助施工措施得力學(xué)分析—常用輔助施工措施

2、鎖腳鋼管正截面抗剪能力

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華三、鎖