均质隧洞破坏机理及其设计方法课件

均质隧洞破坏机理及其设计方法均质隧洞破坏机理及其设计方法1 1 一、传统隧洞破坏机理（基于松散体理论）一、传统隧洞破坏机理（基于松散体理论）1 1、深埋隧洞破坏机理、深埋隧洞破坏机理地层形成普氏压力拱地层形成普氏压力拱,承受压力拱下土体重量承受压力拱下土体重量2 2、浅埋隧洞破坏机理、浅埋隧洞破坏机理隧洞上部土体坍塌，存在应力传递隧洞上部土体坍塌，存在应力传递 深埋隧洞的压力拱深埋隧洞的压力拱太沙基浅埋理论太沙基浅埋理论一、传统隧洞破坏机理（基于松散体理论）深埋隧洞的压力拱太沙基2 2 二、现代隧洞破坏机理二、现代隧洞破坏机理(基于弹塑性理论基于弹塑性理论)20042004年郑颖人等应用有限元强度折减法求年郑颖人等应用有限元强度折减法求破破破破裂裂裂裂楔楔楔楔体体体体拉拉拉拉布布布布希希希希维维维维兹兹兹兹楔体楔体楔体楔体喷混凝土喷混凝土喷混凝土喷混凝土破裂面破裂面破裂面破裂面隧洞围岩安全系数隧洞围岩安全系数二、现代隧洞破坏机理(基于弹塑性理论)2004年郑颖人等应用3 3有限元强度折减法计算过程：有限元强度折减法计算过程：不断降低岩土不断降低岩土C C、值和抗滑力，直到破坏。值和抗滑力，直到破坏。强度降低的倍数就是隧洞的安全系数强度降低的倍数就是隧洞的安全系数并能求出围岩的破裂面并能求出围岩的破裂面有限元强度折减法计算过程：强度降低的倍数就是隧洞的安全系数4 42 深埋隧洞的滑裂破坏面水泥、石膏、滑石粉的比例为水泥、石膏、滑石粉的比例为0.2：0.6：0.2 密度密度密度密度 （kpakpa）E(MPa)E(MPa)C(Kpa)C(Kpa)1.78342700.3211621.8隧洞跨度隧洞跨度8cm8cm洞高洞高12cm12cm洞深洞深15cm15cm405215cm 405215cm 模型尺寸：模型尺寸：2 深埋隧洞的滑裂破坏面水泥、石膏、滑石粉的比例为0.2：5 5 隧洞模型隧洞模型 试验方案试验方案方案方案方案方案隧洞跨度隧洞跨度隧洞跨度隧洞跨度/cm/cm侧墙侧墙高高高高/cm/cm拱高拱高拱高拱高/cm/cm方案一方案一方案一方案一882方案二方案二方案二方案二883方案三方案三方案三方案三884方案四方案四方案四方案四864方案五方案五方案五方案五844 隧洞模型 试验方案方案隧洞跨度/cm侧墙高/c6 6模型试验与数值模拟结果对比分析 (a)方案一方案一 (b)方案二方案二模型试验与数值模拟结果对比分析 (a)方案一 (b)方7 7 (c)方案三方案三(d)(d)方案四方案四 (e)(e)方案五方案五模型试验模型试验数值模拟数值模拟 (c)方案三(d)方案四 (e)方案五模型试验数值模8 8模型试验与数值模拟结果 方方方方案案案案侧墙高高拱拱高高模型模型模型模型试验试验极限极限极限极限荷荷荷荷载载/kN/kN数数数数值值模模模模拟拟极限极限极限极限荷荷荷荷载载/kN/kN模型模型模型模型试验试验 数数数数值值模模模模拟拟 破裂面与洞壁破裂面与洞壁 最大距离最大距离一一一一82625713.413.1二二二二83595514.314.1三三三三84565315.615.3四四四四64616012.912.8五五五五44686611.711.5模型试验与数值模拟结果 方侧拱模型数值模型试验 数值模拟一9 9深埋隧洞破裂面位置确定 围岩等效塑性应变与潜在破裂面(a)1号路径 破裂面发生在位移或塑性应变突变处，一般是塑性应变最大的地方。深埋隧洞破裂面位置确定 围岩等效塑性应变与潜在破裂面(a)11010(b)2号路径(c)3号路径(d)4号路径等效塑性应变与X坐标关系曲线图(e)5号路径(b)2号路径(c)3号路径(d)4号路径等效塑性应变与X坐1111土质深埋隧洞侧向破坏的工程监测n n（1）隧洞拱顶锚杆受力小，两侧受力大。）隧洞拱顶锚杆受力小，两侧受力大。n n（2）钢架水平收敛位移平均）钢架水平收敛位移平均19mm，大，大于于n n 拱顶与拱脚差异沉降平均拱顶与拱脚差异沉降平均9.8mm土质深埋隧洞侧向破坏的工程监测（1）隧洞拱顶锚杆受力小，两侧12123 浅埋隧洞的滑裂破坏面 (a)(a)模型破坏模型破坏(压力压力28KN)28KN)(b)(b)数值模拟（压力数值模拟（压力26KN26KN）浅埋隧洞破坏面浅埋隧洞破坏面洞跨洞跨8m8m，埋深，埋深3m3m3 浅埋隧洞的滑裂破坏面(a)模型破坏(压力28KN13134不同埋深下隧洞的破坏过程 n n（1）矩形洞室）矩形洞室埋深埋深1 1米，安全系数米，安全系数0.30.3 埋深埋深3 3米，安全系数米，安全系数0.520.52 洞跨12m 高5m 埋深1米，在顶部中间破坏。埋深3m，在肩部破坏，安全系数随埋深增大。c=40kpa4不同埋深下隧洞的破坏过程（1）矩形洞室埋深1米，安全系数1414埋深埋深7 7米，安全系数米，安全系数0.650.65 埋深埋深8 8米，安全系数米，安全系数0.640.64 埋深埋深9 9米，安全系数米，安全系数0.660.66 随埋深增加逐步形成浅埋压力拱埋深9m形成浅埋压力拱安全系数逐渐增大埋深7米，安全系数0.65 埋深8米，安全系数0.64 埋深1515埋深埋深1010米，安全系数米，安全系数0.690.69 埋深埋深1212米，安全系数米，安全系数0.70.7 埋深10m浅埋压力拱逐渐消失形成深埋压力拱（拱高5M)埋深910m是深浅埋的分界线按规范公式hq为12m埋深埋深1515米，安全系数米，安全系数0.7 0.7 逐渐形成两个破裂面压力拱高不变安全系数不变埋深10米，安全系数0.69 埋深12米，安全系数0.7 埋1616埋深埋深1818米，安全系数米，安全系数0.70.7 埋深埋深3030米，安全系数米，安全系数0.67 0.67 埋深埋深5050米，安全系数米，安全系数0.610.61 安全系数基本不变拱顶与侧壁出现两破裂面安全系数随深度减少明显出现两侧先破坏安全系数随深度减少两侧破坏埋深18米，安全系数0.7 埋深30米，安全系数0.67 埋1717矩形隧洞破坏机理：矩形隧洞破坏机理：1、随埋深从拱顶破坏到拱肩破坏、随埋深从拱顶破坏到拱肩破坏2、开始时安全系数增加，逐渐形成、开始时安全系数增加，逐渐形成浅埋压力拱，最大拱高浅埋压力拱，最大拱高9m3、埋深、埋深10m后，浅埋压力拱消失，后，浅埋压力拱消失，形成深埋压力拱，拱高约形成深埋压力拱，拱高约5m，安全系数不变安全系数不变矩形隧洞破坏机理：18184、9 10m为深浅埋分界标准，为深浅埋分界标准，按规范公式为按规范公式为12m5、10 18m,普氏拱高度不变，普氏拱高度不变，安全系数不变安全系数不变6、18m后，破坏逐渐先从侧向开后，破坏逐渐先从侧向开始，随埋深增加，安全系数减少，始，随埋深增加，安全系数减少，出现侧向破坏后的塌落拱出现侧向破坏后的塌落拱4、9 10m为深浅埋分界标准，按规范公式为12m1919n n（2）拱形洞室）拱形洞室埋深埋深4 4米，安全系数米，安全系数0.870.87 埋深埋深7 7米，安全系数米，安全系数0.840.84 埋深1m拱顶中间破坏埋深4m，拱腰破坏 埋深7m，拱肩破坏与矩形不同，随深度增加安全系数减少。拱形洞室受力优于矩形洞室。埋深埋深3.53.5米，安全系数米，安全系数0.880.88（2）拱形洞室埋深4米，安全系数0.87 埋深7米，安全系数2020埋深埋深1010米，安全系数米，安全系数0.820.82 埋深埋深8 8米，安全系数米，安全系数0.820.82 浅埋压力拱逐渐形成拱顶破坏埋深埋深9 9米，安全系数米，安全系数0.820.82 埋深9m,浅埋压力拱形成拱顶破坏埋深10m,浅埋压力拱逐渐消失同时出现侧向破坏,不形成深埋压力拱埋深10米，安全系数0.82 埋深8米，安全系数0.82 浅2121埋深埋深1212米，安全系数米，安全系数0.810.81 埋深埋深1515米，安全系数米，安全系数0.8 0.8 埋深12m、15m,浅埋压力拱逐渐消失隧洞侧向破坏，埋深10米是深浅埋分界线规范为12米埋深12米，安全系数0.81 埋深15米，安全系数0.8 埋2222埋深埋深3030米，安全系数米，安全系数0.77 0.77 埋深埋深2020米，安全系数米，安全系数0.78 0.78 先侧向破坏随埋深增加，安全系数不断减少侧向破坏后形成塌落平衡拱埋深埋深5050米，安全系数米，安全系数0.750.75埋深30米，安全系数0.77 埋深20米，安全系数0.78 2323 埋深埋深4 4米，安全系数米，安全系数0.87 0.87 埋深埋深4 4米，安全系数米，安全系数1.32 1.32（3 3）不同强度时拱形洞室等效塑性应变图比较）不同强度时拱形洞室等效塑性应变图比较强度不同，安全系数不同，图形基本相同强度不同，安全系数不同，图形基本相同。埋深埋深3.53.5米，安全系数米，安全系数0.880.88 埋深埋深3.53.5米，安全系数米，安全系数1.371.37 c=40kpac=70kpa埋深4米，安全系数0.87 埋深4米，安全系数1.32（2424埋深埋深8 8米，安全系数为米，安全系数为1.22 1.22 埋深埋深8 8米，安全系数米，安全系数0.82 0.82 埋深埋深9 9米，安全系数米，安全系数1.20 1.20 埋深埋深9 9米，安全系数米，安全系数0.82 0.82 埋深埋深7 7米，安全系数为米，安全系数为1.25 1.25 埋深埋深7 7米，安全系数米，安全系数0.84 0.84 埋深8米，安全系数为1.22 埋深8米，安全系数0.82 埋2525埋深埋深1010米，安全系数为米，安全系数为1.18 1.18 埋深埋深1010米，安全系数米，安全系数0.82 0.82 埋深埋深1212米，安全系数米，安全系数1.15 1.15 埋深埋深1212米，安全系数米，安全系数0.81 0.81 埋深10米，安全系数为1.18 埋深10米，安全系数0.822626埋深埋深1515米，安全系数为米，安全系数为1.12 1.12 埋深埋深1515米，安全系数米，安全系数0.8 0.8 埋深埋深2020米，安全系数为米，安全系数为1.07 1.07 埋深埋深2020米，安全系数米，安全系数0.78 0.78 埋深15米，安全系数为1.12 埋深15米，安全系数0.8 2727埋深埋深3030米，安全系数为米，安全系数为1.03 1.03 埋深埋深3030米，安全系数米，安全系数0.77 0.77 埋深埋深5050米，安全系数为米，安全系数为0.90.9 深、浅埋分界线取决于洞形与洞跨深、浅埋分界线取决于洞形与洞跨 埋深埋深5050米，安全系数为米，安全系数为0.75 0.75 埋深30米，安全系数为1.03 埋深30米，安全系数0.772828拱形隧洞破坏机理：拱形隧洞破坏机理：1、随埋深从拱顶破坏到拱肩破坏、随埋深从拱顶破坏到拱肩破坏2、拱形洞室受力明显优于矩形洞室，、拱形洞室受力明显优于矩形洞室，随埋深增加，安全系数减小，先逐渐随埋深增加，安全系数减小，先逐渐形成浅埋压力拱，最大拱高形成浅埋压力拱，最大拱高9m3、埋深、埋深10m后，浅埋压力拱消失，后，浅埋压力拱消失，形成两个破裂面。形成两个破裂面。10为深浅埋分界为深浅埋分界标准，按规范公式为标准，按规范公式为12m拱形隧洞破坏机理：29294、不存在普氏压力拱，随埋深逐渐、不存在普氏压力拱，随埋深逐渐转为侧向破坏。转为侧向破坏。5、12m后，破坏明显先从侧向开后，破坏明显先从侧向开始，随埋深增加，安全系数减少始，随埋深增加，安全系数减少6、深浅埋分界与洞形洞跨有关、深浅埋分界与洞形洞跨有关,与与强度关系不大强度关系不大4、不存在普氏压力拱，随埋深逐渐转为侧向破坏。3030三、目前隧洞设计中存在的问题三、目前隧洞设计中存在的问题1、设计方法不符合实际，如形变压力、设计方法不符合实际，如形变压力采用荷载采用荷载-结构法，使设计偏于保守。结构法，使设计偏于保守。2、采用形变压力法没有客观破坏标准，、采用形变压力法没有客观破坏标准，使设计保守。使设计保守。开挖后塑性区开挖后塑性区 破坏破坏时塑性区塑性区 三、目前隧洞设计中存在的问题1、设计方法不符合实际，如形变压31313、现行隧洞破坏状态判据研究、现行隧洞破坏状态判据研究n n1)以洞周位移或收敛位移为判据存在的以洞周位移或收敛位移为判据存在的问题问题 测点位置不同，位移值不同，位移标准测点位置不同，位移值不同，位移标准也不同，不知道最敏感的测点位置也不同，不知道最敏感的测点位置 力学分析中，没有以位移表述的破坏标力学分析中，没有以位移表述的破坏标准，极限位移值按经验确定准，极限位移值按经验确定.3、现行隧洞破坏状态判据研究1)以洞周位移或收敛位移为判据3232弹性模量弹性模量E对洞周位移影响很大对洞周位移影响很大弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量()()2030405060拱拱拱拱顶顶最大垂直位移最大垂直位移最大垂直位移最大垂直位移(cm)(cm)9.47.34.74.43.6侧墙侧墙最大水平位移最大水平位移最大水平位移最大水平位移(cm)(cm)7.65.13.83.02.5安全系数安全系数安全系数安全系数1.62 1.62 1.62 1.62 1.62表表1 不同弹性模量的计算结果不同弹性模量的计算结果岩土的弹性模量很难测准，严重影响计算结果岩土的弹性模量很难测准，严重影响计算结果弹性模量E对洞周位移影响很大弹性模量(3333 断面形状、尺寸不同，收敛位移界限不同类围岩不同断面的相对收敛位移界限标准类围岩不同断面的相对收敛位移界限标准 三心圆拱三心圆拱扁平直墙拱扁平直墙拱窄高直墙拱窄高直墙拱小断面（小断面（57.55）大断面大断面(101510)围围岩岩岩岩类别类别毛洞毛洞毛洞毛洞断面断面断面断面部位部位部位部位隧洞断面形状隧洞断面形状隧洞断面形状隧洞断面形状三心三心三心三心圆圆直拱扁平直拱扁平直拱扁平直拱扁平直拱窄高直拱窄高直拱窄高直拱窄高小断面小断面小断面小断面大断面大断面大断面大断面 拱拱拱拱顶顶0.290H0.290H0.559H0.559H0.257H0.257H0.481H0.481H0.164H0.164H0.310H0.310H0.134H0.134H0.258H0.258H侧墙侧墙0.350D0.350D0.672D0.672D0.192D0.192D0.362D0.362D0.472D0.472D0.896D0.896D0.212D0.212D0.410D0.410D 断面形状、尺寸不同，收敛位移界限不同类围岩不同断面34342)以塑性区大小为破坏判据的问题以塑性区大小为破坏判据的问题n n位移值大小主要取决于弹模，塑性区位移值大小主要取决于弹模，塑性区大小主要取决于强度大小主要取决于强度n n力学分析中还没有以塑性区大小的破力学分析中还没有以塑性区大小的破坏标准，塑性区大小的判据也按经验坏标准，塑性区大小的判据也按经验确定确定2)以塑性区大小为破坏判据的问题位移值大小主要取决于弹模3535图图1开挖后围岩开挖后围岩的塑性区的塑性区 (=0.20)图图2开挖后围岩开挖后围岩 的塑性区的塑性区 （=0.25）图图3开挖后围岩开挖后围岩 的塑性区的塑性区 (=0.30)n n不同的泊松比对塑性区大小有很大影响不同的泊松比对塑性区大小有很大影响图1开挖后围岩 图2开挖后围岩图3开挖后围岩不同的泊松比对塑3636图图4开挖后围岩开挖后围岩 的塑性区的塑性区 (=0.35)图图5开挖后围岩开挖后围岩 的塑性区的塑性区 (=0.40)（图图6开挖后围岩开挖后围岩 的塑性区的塑性区 (=0.45)图4开挖后围岩 图5开挖后围岩（图6开挖后围岩3737表表3不同泊松比的计算结果不同泊松比的计算结果 泊松比不易测准，对塑性区大小影响很大泊松比不易测准，对塑性区大小影响很大,但对安全系数影响很小但对安全系数影响很小0.200.200.250.250.300.300.350.350.400.400.450.45围围岩塑性区岩塑性区岩塑性区岩塑性区面面面面积积()294.56294.5638.3938.3912.8512.858.968.968.718.718.688.68围围岩塑性区岩塑性区岩塑性区岩塑性区最大深度最大深度最大深度最大深度(m(m(m(m)14.0014.006.266.262.762.761.571.571.281.281.201.20安全系数安全系数安全系数安全系数1.6241.6241.6261.6261.6251.6251.6251.6251.6261.6261.6271.627泊松比泊松比 表3不同泊松比的计算结果 泊松比不易测准，对塑性区大小影响很3838 不同数值分析软件对塑性区大小的影响ANSYS软件软件计算的塑性区计算的塑性区 PLASIX软件软件计算的塑性区计算的塑性区 FLAC软件软件计算的塑性区计算的塑性区 不同数值分析软件对塑性区大小的影响ANSYS软件PLASI3939 采用不同软件计算的塑性区大小区大小PLAXIS FLAC ANSYS分析分析软件件ANSYS PLAXISFLAC围岩塑性区面岩塑性区面积()8.9624.7822.40围岩塑性区最大岩塑性区最大深度深度(m(m)1.573.092.80安全系数安全系数1.621.601.64 采用不同软件计算的塑性区大小PLAXIS FLAC 4040 断面形状尺寸不同,标准不同n n塑性区面积比塑性区面积比:三心圆拱三心圆拱扁平直墙拱扁平直墙拱窄高直墙拱窄高直墙拱n n小断面经验破坏判据小断面经验破坏判据n n塑性区深度为洞跨的塑性区深度为洞跨的11.5倍倍n n大断面经验破坏判据大断面经验破坏判据n n塑性区深度为洞跨的塑性区深度为洞跨的0.751倍倍 断面形状尺寸不同,标准不同塑性区面积比:4141四、黄土隧洞剪切安全系数计算四、黄土隧洞剪切安全系数计算n n材料破坏分为剪切破坏与拉破坏材料破坏分为剪切破坏与拉破坏n n黄土隧洞安全系数可分为剪切安全系数黄土隧洞安全系数可分为剪切安全系数与拉裂安全系数与拉裂安全系数n n黄土隧洞在施工与运行中破坏主要由土黄土隧洞在施工与运行中破坏主要由土体强度降低引起，建议采用强度储备安体强度降低引起，建议采用强度储备安全系数全系数四、黄土隧洞剪切安全系数计算材料破坏分为剪切破坏与拉破坏42n n不断降低抗剪强度，直到破坏，求出剪切安全不断降低抗剪强度，直到破坏，求出剪切安全系数。系数。n n工程概况工程概况n n某无衬砌黄土洞室，跨度某无衬砌黄土洞室，跨度3 3米，侧墙高米，侧墙高1.51.5米，米，埋深埋深3030米。米。n n矢跨比取矢跨比取0 0、1/61/6、1/31/3、1/21/2、2/32/3，n n拱高取拱高取0.00.0、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.02.0米；米；不断降低抗剪强度，直到破坏，求出剪切安全系数。43表表5 土体物理力学参数土体物理力学参数弹性弹性弹性弹性模量模量模量模量泊松比泊松比泊松比泊松比容容容容 重重重重粘聚力粘聚力粘聚力粘聚力内摩内摩内摩内摩擦角擦角擦角擦角()()抗拉抗拉抗拉抗拉强度强度强度强度400.35170.05250.02表5 土体物理力学参数弹性泊松比容 重粘聚力内摩抗拉400.44折减、计算结果（FLAC）表表6 不同矢跨比条件的下剪切安全系数不同矢跨比条件的下剪切安全系数、矢跨矢跨比比拱高拱高（m）只折减只折减 、折减折减 、抗拉抗拉强强度度00.01.721.731/60.51.711.711/31.01.671.681/21.51.641.642/32.01.591.59折减 、计算结果（FLAC）表6 不同矢跨45不同矢跨比的剪切安全系数不同矢跨比的剪切安全系数（ANSYS）、粘聚力粘聚力粘聚力粘聚力()()内摩擦角内摩擦角内摩擦角内摩擦角（）跨度跨度跨度跨度(m (m )拱高拱高拱高拱高(m )(m )矢跨比矢跨比矢跨比矢跨比剪切安全剪切安全剪切安全剪切安全系数系数系数系数0.050.0525253 30.50.51/61/61.69(1.711.69(1.71)1 11/31/31.65(1.681.65(1.68)1.51.51/21/21.62(1.641.62(1.64)0.020.0218183 30.50.51/61/60.930.931 11/31/30.900.901.51.51/21/20.880.88两种软件计算误差小于两种软件计算误差小于2%老黄土中洞室安全，新黄土中洞室不安全老黄土中洞室安全，新黄土中洞室不安全不同矢跨比的剪切安全系数（ANSYS）、粘聚力内摩擦角跨46开挖后的塑性区开挖后的塑性区 破坏时的塑性区破坏时的塑性区 拱高拱高0.5米米等效塑性应变和潜在破裂面等效塑性应变和潜在破裂面 开挖后的塑性区 破坏时的塑性区 拱高0.5米等效塑性应变和潜47开挖后的塑性区开挖后的塑性区 破坏时的塑性区破坏时的塑性区 等效塑性应变和潜在破裂面等效塑性应变和潜在破裂面 拱高拱高1米米开挖后的塑性区 破坏时的塑性区 等效塑性应变和潜在破裂面 拱48开挖后的塑性区开挖后的塑性区 破坏时的塑性区破坏时的塑性区 等效塑性应变和潜在破裂面等效塑性应变和潜在破裂面 拱高拱高1.5米米开挖后的塑性区 破坏时的塑性区 等效塑性应变和潜在破裂面 拱49隧洞设计计算方法隧洞设计计算方法:n n、IIII级岩体可按风险设计。级岩体可按风险设计。n nIIIIII、IVIV、V V级可按稳定性计算设计，级可按稳定性计算设计，一般可采用形变压力计算。一般可采用形变压力计算。n n既要保证围岩的一定安全度，又要保既要保证围岩的一定安全度，又要保证衬砌达到足够安全度，证衬砌达到足够安全度，n n当不能保证围岩长期稳定时，必须采当不能保证围岩长期稳定时，必须采用松动压力计算。用松动压力计算。五、有衬砌时黄土洞室设计五、有衬砌时黄土洞室设计隧洞设计计算方法:五、有衬砌时黄土洞室设计50隧洞设计标准（稳定标准）的确定隧洞设计标准（稳定标准）的确定(1)(1)对初期支护：围岩应力释放对初期支护：围岩应力释放50%50%后，后，施加初期支护施加初期支护,要求围岩具有要求围岩具有1.151.151.201.20的的安全系数，初衬建议安全系数安全系数，初衬建议安全系数1.301.30左右左右,确保施工安全确保施工安全.(2)(2)对二次支护：在初期支护以后施加二对二次支护：在初期支护以后施加二衬，要求围岩安全系数高于衬，要求围岩安全系数高于1.151.151.201.20。对于衬砌按现行规范的规定安全系数大于对于衬砌按现行规范的规定安全系数大于2.02.02.42.4，确保长期安全，确保长期安全 隧洞设计标准（稳定标准）的确定(1)对初期支护：围岩应力释51n n（1 1）不做初期支护时的设计）不做初期支护时的设计黄土洞室毛跨黄土洞室毛跨7 7米，高米，高6.56.5米，矢跨比米，矢跨比1/21/2，埋深埋深4040米，衬砌厚度米，衬砌厚度25cm25cm，表表 土体力学物理参数土体力学物理参数变形变形变形变形模量模量模量模量泊泊泊泊松松松松比比比比容重容重容重容重粘聚力粘聚力粘聚力粘聚力内摩内摩内摩内摩擦角擦角擦角擦角抗拉抗拉抗拉抗拉强度强度强度强度400.35170.05250.02（1）不做初期支护时的设计表 土体力学物理参数变形 52图图 开挖后围岩塑性区开挖后围岩塑性区支支护围岩安全系数岩安全系数未支未支护时0.840.84采用强度折减法求围岩安全系数采用强度折减法求围岩安全系数图 开挖后围岩塑性区支护围岩安全系数未支护时0.84采用强53n n无论深埋或浅埋，无论深埋或浅埋，衬砌承受形变压衬砌承受形变压力，但不需求结构上形变压力，可直接求力，但不需求结构上形变压力，可直接求出衬砌内力，由此可得衬砌安全系数。根出衬砌内力，由此可得衬砌安全系数。根据规范公式计算：据规范公式计算：n n一般情况下，只考虑抗压安全系一般情况下，只考虑抗压安全系数，由材料抗压强度控制结构承载能力数，由材料抗压强度控制结构承载能力n nKNKN RabhRabh（规范要求（规范要求K2.4K2.4或或2.02.0）n n特殊情况下，按抗裂要求计算：特殊情况下，按抗裂要求计算：n n当轴向力偏心矩当轴向力偏心矩e e0 00.200.20h h时，由材料的抗时，由材料的抗拉强度控制结构承载力拉强度控制结构承载力n nKN1.75Rabh/(6e0/h-1)无论深埋或浅埋，衬砌承受形变压力，但不需求结54弯矩图 轴力图衬砌安全系数弯矩图 轴力图衬砌安全系数55无初期支护时无初期支护时,衬砌结构安全系数表衬砌结构安全系数表衬衬砌厚砌厚度度h/m开挖开挖后应后应力释力释放率放率最不最不利利位置位置弯距弯距/(KNm轴轴力力/MN偏心偏心距距e0/m衬砌衬砌安全安全系数系数围岩围岩安全安全系数系数0.25 50%拱脚拱脚4282.74 0.151.621.22无初期支护时,衬砌结构安全系数表衬砌厚度开挖后应力释放率最不56初期支护：初期支护：锚喷支护，喷层厚度锚喷支护，喷层厚度15cm15cm计算时，锚杆支护以增加计算时，锚杆支护以增加10%10%粘聚力代替粘聚力代替二次支护：厚二次支护：厚25cmC3025cmC30混凝土混凝土设计安全系数要求：设计安全系数要求：初期支护围岩安全系数大于初期支护围岩安全系数大于1.151.201.151.20衬砌安全系数大于衬砌安全系数大于1.301.30二次支护衬砌安全系数，大于二次支护衬砌安全系数，大于22.422.4（2 2）有初期与二次支护时的设计）有初期与二次支护时的设计初期支护：锚喷支护，喷层厚度15cm（2）有初期与二次支护时57表表 衬砌以及围岩安全系数表衬砌以及围岩安全系数表初期支初期支初期支初期支护应力护应力护应力护应力释放率释放率释放率释放率二次衬二次衬二次衬二次衬砌应力砌应力砌应力砌应力释放率释放率释放率释放率最不最不最不最不利利利利位置位置位置位置弯距弯距弯距弯距/(KN/(KNm)m)轴力轴力轴力轴力/MN/MN偏心偏心偏心偏心距距距距衬砌衬砌安全安全安全安全系数系数系数系数围岩围岩安全安全安全安全系数系数系数系数初期初期 50%1.32 1.21二次二次50%0拱脚拱脚5191.620.3203.21 1.42表 衬砌以及围岩安全系数表初期支护应力释放率二次衬砌应力58洞跨洞跨12m12m初衬厚度初衬厚度为为30cm30cm二衬厚度二衬厚度60cm60cm老黄土老黄土,C=0.05 =25,C=0.05 =25新黄土新黄土,C=0.022 =20,C=0.022 =20（3 3）铁路双线隧道双模筑复合式衬砌计算）铁路双线隧道双模筑复合式衬砌计算洞跨12m老黄土,C=0.05 =25（3）59 老黄土衬砌以及围岩安全系数表老黄土衬砌以及围岩安全系数表初期支护初期支护初期支护初期支护应力释放应力释放应力释放应力释放率率率率二次衬砌二次衬砌二次衬砌二次衬砌应力释放应力释放应力释放应力释放率率率率弯弯弯弯距距距距/(K/(KNm)Nm)轴力轴力轴力轴力/MN/MN偏偏偏偏心距心距心距心距e e0 0/m/m衬砌衬砌衬砌衬砌安全安全安全安全系数系数系数系数围岩围岩围岩围岩安全安全安全安全系数系数系数系数0 0（未支护）（未支护）（未支护）（未支护）0.750 0（只加锚杆）（只加锚杆）（只加锚杆）（只加锚杆）0.8350%50%（加锚（加锚（加锚（加锚杆）杆）杆）杆）0 0（不做（不做（不做（不做二衬）二衬）二衬）二衬）470.470.9039034.464.460.100.106 61.951.18初期支护安全系数初期支护安全系数 老黄土衬砌以及围岩安全系数表初期支护应力释放率二次衬砌应6050%50%（加锚（加锚（加锚（加锚杆）杆）杆）杆）二衬二衬二衬二衬厚厚厚厚4040cmcm0 0163016303.063.060.5330.5333.15 1.3150%50%（加锚（加锚（加锚（加锚杆）杆）杆）杆）二衬二衬二衬二衬厚厚厚厚6060cmcm0 0236023603.433.430.6880.6883.60 1.37初期支初期支初期支初期支护应力护应力护应力护应力释放率释放率释放率释放率二次衬砌二次衬砌二次衬砌二次衬砌应力释放应力释放应力释放应力释放率率率率弯距弯距弯距弯距/(KN/(KNm)m)轴力轴力轴力轴力/MN/MN偏心偏心偏心偏心距距距距e e0 0/m/m衬砌衬砌衬砌衬砌安全安全安全安全系数系数系数系数围岩围岩围岩围岩安全安全安全安全系数系数系数系数二次支护安全系数二次支护安全系数50%二衬016303.060.5333.151.3150%61新黄土衬砌以及围岩安全系数表新黄土衬砌以及围岩安全系数表初期支护初期支护初期支护初期支护应力释应力释应力释应力释放率放率放率放率二次衬砌二次衬砌二次衬砌二次衬砌应力释应力释应力释应力释放率放率放率放率弯距弯距弯距弯距/(KN/(KNm)m)轴力轴力轴力轴力/MN/MN偏心偏心偏心偏心距距距距e e0 0/m/m衬砌安衬砌安衬砌安衬砌安全系全系全系全系数数数数围岩安围岩安围岩安围岩安全系全系全系全系数数数数0 0（未支护）（未支护）（未支护）（未支护）0.510 0（只加锚杆）（只加锚杆）（只加锚杆）（只加锚杆）0.7250%50%（加（加（加（加锚杆）锚杆）锚杆）锚杆）0 0（未做二（未做二（未做二（未做二衬）衬）衬）衬）8878876.726.720.1310.1311.361.1550%50%（加（加（加（加锚杆）锚杆）锚杆）锚杆）0 0（二衬后（二衬后（二衬后（二衬后60cm60cm）371037108.308.300.4360.4362.691.33新黄土衬砌以及围岩安全系数表初期支护应力释放率二次衬砌应力62计算结论计算结论n n1 1、老黄土隧洞、老黄土隧洞安全系数安全系数n n初期支护初期支护厚度厚度30cm30cm围岩围岩1.181.18衬衬砌砌1.951.95n n二次支护二次支护厚度厚度40cm40cm围岩围岩1.311.31衬衬砌砌3.153.15n n2 2、新黄土隧洞、新黄土隧洞n n初期支护初期支护厚度厚度30cm30cm围岩围岩1.151.15衬衬砌砌1.361.36 n n二次支护二次支护厚度厚度60cm60cm围岩围岩1.331.33衬衬砌砌2.692.69计算结论1、老黄土隧洞 63结结语语n n一、隧洞破坏机理，深埋与浅埋不同；一、隧洞破坏机理，深埋与浅埋不同；n n二、隧洞有剪切破坏与拉破坏，一般情况二、隧洞有剪切破坏与拉破坏，一般情况 下只考虑剪切破坏；下只考虑剪切破坏；n n三、围岩的剪切安全系数可采用有限元强三、围岩的剪切安全系数可采用有限元强度折减法计算；度折减法计算；n n四、初衬与二衬的安全系数可按结构安全四、初衬与二衬的安全系数可按结构安全系数计算，可由有限元法自动求系数计算，可由有限元法自动求得；得；n n五、隧洞设计既要保证围岩安全，又要保五、隧洞设计既要保证围岩安全，又要保证衬砌安全；既要保证施工安全，又要保证衬砌安全；既要保证施工安全，又要保证运行安全。证运行安全。结 语一、隧洞破坏机理，深埋与浅埋不同；64