隧道结构设计课件

2024/7/42024/7/4中国矿业大学（北京）地下工程系中国矿业大学（北京）地下工程系中国矿业大学（北京）地下工程系中国矿业大学（北京）地下工程系1 1第五章第五章 隧道结构设计隧道结构设计5.6隧道洞门计算隧道洞门计算5.5岩体力学方法岩体力学方法5.3计算模型计算模型5.4结构力学方法结构力学方法5.7衬砌截面强度检算衬砌截面强度检算5.2荷载类型荷载类型5.1概述概述5.10直墙衬砌计算直墙衬砌计算5.9曲墙衬砌计算曲墙衬砌计算5.8半衬砌计算半衬砌计算2023/8/12中国矿业大学（北京）地下工程系中国矿业大学（北京）地下工程系1第五章第五章5.1 概述概述1 1、隧道结构环境及其简化、隧道结构环境及其简化2 2、隧道结构体系的计算模型、隧道结构体系的计算模型5.1概述概述1、隧道结构环境及其简化、隧道结构环境及其简化1、隧道结构环境及其简化、隧道结构环境及其简化 隧道结构与地面结构的区别隧道结构与地面结构的区别 隧道结构工程特性、设计原则和隧道结构工程特性、设计原则和方法与地面结构完全不同方法与地面结构完全不同1、隧道结构环境及其简化、隧道结构环境及其简化隧道结构与地面结构的区别隧道结构与地面结构的区别 隧道结构与地面结构的区别隧道结构与地面结构的区别 隧道结构是由隧道结构是由周边围岩周边围岩和支护和支护结构两者组成共同的并相互作用的结构两者组成共同的并相互作用的结构体系结构体系 周边围岩在很大程度上是隧道周边围岩在很大程度上是隧道结构结构承载的主体承载的主体隧道结构与地面结构的区别隧道结构与地面结构的区别隧道结构是由周边围岩和支护隧道结构是由周边围岩和支护 隧道衬砌的设计和计算应结合隧道衬砌的设计和计算应结合围围岩自承能力岩自承能力进行，保证使用寿限内的进行，保证使用寿限内的安全度安全度 隧道结构与地面结构的区别隧道结构与地面结构的区别隧道衬砌的设计和计算应结合围岩自承能力进行，保证使用寿隧道衬砌的设计和计算应结合围岩自承能力进行，保证使用寿 隧道结构计算的简化问题隧道结构计算的简化问题l根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件l如何简化对计算结果影响非常重如何简化对计算结果影响非常重要要隧道结构计算的简化问题根据实际环境和边界条件隧道结构计算的简化问题根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件 隧道结构计算的简化问题隧道结构计算的简化问题隧道结构计算的简化问题隧道结构计算的简化问题 隧道结构计算的简化问题隧道结构计算的简化问题 在十九世纪末，隧道衬砌结构是在十九世纪末，隧道衬砌结构是作为作为超静定弹性拱超静定弹性拱计算的，但仅考虑计算的，但仅考虑作用在衬砌上的围岩压力，忽视了围作用在衬砌上的围岩压力，忽视了围岩对衬砌的约束作用岩对衬砌的约束作用隧道结构计算的简化问题隧道结构计算的简化问题在十九世纪末，隧道衬砌结构是在十九世纪末，隧道衬砌结构是 弹性抗力弹性抗力：衬砌在受力过程中的：衬砌在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩形成变形，一部分结构有离开围岩形成“脱离区脱离区”的趋势，另一部分压紧围岩的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓形成所谓“抗力区抗力区”，在抗力区内，在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩相应地产生被约束着衬砌变形的围岩相应地产生被动抵抗力动抵抗力 隧道结构计算的简化问题隧道结构计算的简化问题弹性抗力：衬砌在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩弹性抗力：衬砌在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩 进入本世纪后，通过长期观测，进入本世纪后，通过长期观测，发现围岩不仅对衬砌施加压力，同发现围岩不仅对衬砌施加压力，同时还时还约束着衬砌的变形约束着衬砌的变形。围岩对衬。围岩对衬砌变形的约束，砌变形的约束，对改善衬砌结构的对改善衬砌结构的受力状态有利受力状态有利，不容忽视，不容忽视 隧道结构计算的简化问题隧道结构计算的简化问题进入本世纪后，通过长期观测，发现围岩不仅对衬砌施加压力，进入本世纪后，通过长期观测，发现围岩不仅对衬砌施加压力，局部变形理论和共同变形理论局部变形理论和共同变形理论 局部变形理论：是以温克尔局部变形理论：是以温克尔（E.Winkler）假定为基础的。它认假定为基础的。它认为应力和变形之间呈为应力和变形之间呈线性关系线性关系，即为，即为围岩弹性抗力系数围岩弹性抗力系数局部变形理论和共同变形理论局部变形理论和共同变形理论局部变形理论：是以温克尔局部变形理论：是以温克尔 共同变形理论把围岩视为弹性半共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，无限体，考虑相邻质点之间变形的相考虑相邻质点之间变形的相互影响互影响。局部变形理论和共同变形理论局部变形理论和共同变形理论共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间变形共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间变形2 2、隧道结构体系的计算模型、隧道结构体系的计算模型 计算模型的如何建立？计算模型的如何建立？隧道结构计算如何简化？隧道结构计算如何简化？不同简化计算结果差异大！不同简化计算结果差异大！2、隧道结构体系的计算模型、隧道结构体系的计算模型计算模型的如何建立？计算模型的如何建立？2 2、隧道结构体系的计算模型、隧道结构体系的计算模型 国际隧道协会国际隧道协会(ITA)(ITA)认为，认为，目前采用的地下结构设计方法可以归目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下纳为以下4 4种设计模型种设计模型：2、隧道结构体系的计算模型、隧道结构体系的计算模型国际隧道协会国际隧道协会(ITA 以工程类比为主的以工程类比为主的经验设计法经验设计法；以现场量测和试验为主的以现场量测和试验为主的实用设计法实用设计法 荷载荷载结构模型结构模型方法方法 岩体力学模型岩体力学模型方法，包括解析法和数方法，包括解析法和数值法。值法。2 2、隧道结构体系的计算模型、隧道结构体系的计算模型以工程类比为主的经验设计法；以工程类比为主的经验设计法；2、隧道结构体系的计算模型、隧道结构体系的计算模型 从各国的地下结构设计实践看，目前主要从各国的地下结构设计实践看，目前主要采用两类计算模型：采用两类计算模型：一类是一类是以支护结构作为承载主体以支护结构作为承载主体，结构力学，结构力学模型，又称为荷载结构模型模型，又称为荷载结构模型 ；另一类则相反，视另一类则相反，视围岩为承载主体围岩为承载主体，支护结，支护结构则为约束围岩变形的模型构则为约束围岩变形的模型 ，即岩体力学模型，即岩体力学模型或称为围岩或称为围岩结构模型。结构模型。从各国的地下结构设计实践看，目前主要采用两类计算模型从各国的地下结构设计实践看，目前主要采用两类计算模型5.2 隧道衬砌上的荷载类型隧道衬砌上的荷载类型1 1、隧道结构上的、隧道结构上的基本荷载基本荷载2 2、隧道结构上的荷载及其类型、隧道结构上的荷载及其类型5.2隧道衬砌上的荷载类型隧道衬砌上的荷载类型1、隧道结构上的基本荷载、隧道结构上的基本荷载1 1、基本荷载、基本荷载 （1 1）围岩压力）围岩压力 （2 2）结构自重力）结构自重力1、基本荷载、基本荷载2 2、隧道结构上的荷载及其类型、隧道结构上的荷载及其类型 按其性质可以区分为两大类按其性质可以区分为两大类:主动荷载主动荷载是主动作用于结构、并引起是主动作用于结构、并引起结构变形的荷载；结构变形的荷载；被动荷载被动荷载是因结构变形压缩围岩而引是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起限制作用。结构变形起限制作用。2、隧道结构上的荷载及其类型、隧道结构上的荷载及其类型2 2、隧道结构上的荷载及其类型、隧道结构上的荷载及其类型公路隧道设计规范公路隧道设计规范JTG D70-2004JTG D70-2004将隧将隧道结构上荷载仿照桥规分为：道结构上荷载仿照桥规分为：永久荷载永久荷载 可变荷载可变荷载 偶然荷载偶然荷载2、隧道结构上的荷载及其类型、隧道结构上的荷载及其类型公路隧道设计规范公路隧道设计规范JTGD编号编号荷载类型荷载类型荷荷 载载 名名 称称1 1永久荷载永久荷载（恒载）（恒载）围岩压力围岩压力2 2结构自重力结构自重力3 3填土压力填土压力 水压力水压力4 4混凝土收缩和徐变影响力混凝土收缩和徐变影响力5 5可可变变荷荷载载基本基本可变可变荷载荷载公路车辆荷载，人群荷载公路车辆荷载，人群荷载6 6立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力和土压力立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力和土压力7 7 立交铁路列车活载及其所产生的冲击力和土压力立交铁路列车活载及其所产生的冲击力和土压力8 8其它其它可变可变荷载荷载立交渡槽流水压力立交渡槽流水压力9 9温度变化的影响力温度变化的影响力1010冻胀力冻胀力 施工荷载施工荷载1111偶然偶然荷载荷载落石冲击力落石冲击力1212地震力地震力隧规隧规P28P28：表：表6.1.1 6.1.1 作用在隧道结构上的荷载作用在隧道结构上的荷载编号荷载类型荷编号荷载类型荷载载名名称称1围岩压力围岩压力2结构自重力结构自重力荷载组合：荷载组合：结构自重围岩压力附加恒载结构自重围岩压力附加恒载（基本）（基本）结构自重土压力公路荷载附加恒载结构自重土压力公路荷载附加恒载 结构自重土压力附加恒载施工荷载结构自重土压力附加恒载施工荷载 温度作用力温度作用力 结构自重土压力附加恒载地震作用结构自重土压力附加恒载地震作用附加恒载：伴随隧道运营的各种设备设施的荷载等。附加恒载：伴随隧道运营的各种设备设施的荷载等。荷载组合：荷载组合：5.3.15.3.1隧道工程的受力特点隧道工程的受力特点1.1.荷载的模糊性荷载的模糊性2.2.围岩物理力学参数难以准确获得围岩物理力学参数难以准确获得3.3.围岩压力承载体系围岩压力承载体系 围岩不仅是荷载，同时又是承载体 地层压力由围岩和支护结构共同承受 充分发挥围岩自身承载力的重要性4.4.设计参数受施工方法和施作时机的影响很大设计参数受施工方法和施作时机的影响很大5.5.隧道与地面结构受力的不同点隧道与地面结构受力的不同点围岩抗力的存在围岩抗力的存在5.3 隧道结构体系的计算模型隧道结构体系的计算模型5.3.1隧道工程的受力特点隧道工程的受力特点1.荷载的模糊性荷载的模糊性2.围岩物理力围岩物理力隧道结构设计课件隧道结构设计课件5.3.2 5.3.2 隧道结构体系的计算模型隧道结构体系的计算模型 1.1.结构力学模型结构力学模型 特点：以支护结构作为承载主体；围岩对支护结构的作用间接地体现为两点：围岩压力；围岩弹性抗力。采用结构力学方法计算。适用于：模筑砼衬砌 分为分为结构力学模型（结构力学模型（荷载荷载-结构模式结构模式）和和岩体力学模型岩体力学模型（地层模式地层模式）。）。5.3 隧道结构体系的计算模型隧道结构体系的计算模型5.3.2隧道结构体系的计算模型隧道结构体系的计算模型1.结构力学模型结构力学模型特特荷载结构法荷载结构法先给出地层对结构的荷载（土、水压力），再按先给出地层对结构的荷载（土、水压力），再按先给出地层对结构的荷载（土、水压力），再按先给出地层对结构的荷载（土、水压力），再按结构力学方法计算。结构力学方法计算。结构力学方法计算。结构力学方法计算。方法：方法：关键是荷载的确定方法。关键是荷载的确定方法。关键是荷载的确定方法。关键是荷载的确定方法。29图图4-2 荷载荷载结构模型结构模型荷载结构法荷载结构法先给出地层对结构的荷载（土、水压力），再按结先给出地层对结构的荷载（土、水压力），再按结 2.2.岩体力学模型岩体力学模型 特点：支护结构与围岩视为一体，共同承受荷载，且以 围岩作为承载主体；支护结构约束围岩的变形；采用岩体力学方法计算；围岩体现为形变压力。适用于：锚喷支护5.3 隧道结构体系的计算模型隧道结构体系的计算模型2.岩体力学模型岩体力学模型特点：特点：5.3隧道结构体系的计算模型隧道结构体系的计算模型地层结构法地层结构法 将地层与结构视为一整体来进行分析，考虑地将地层与结构视为一整体来进行分析，考虑地将地层与结构视为一整体来进行分析，考虑地将地层与结构视为一整体来进行分析，考虑地层层层层-结构的共同作用。结构的共同作用。结构的共同作用。结构的共同作用。求解方法：求解方法：求解方法：求解方法：解析法解析法解析法解析法数值法数值法数值法数值法 31地层结构法地层结构法将地层与结构视为一整体来进行分析，考虑地将地层与结构视为一整体来进行分析，考虑地 3.3.计算模型详细比较计算模型详细比较结构力学模型岩体力学模型认识视围岩为荷载的来源三位一体特性力学原理“荷载结构”力学体系，以最不利荷载组合作为结构设计荷载建立的是“围岩支护”力学体系，以实际的应力应变状态作为支护的设计状态支护阻力围岩变形过大，松动坍塌所产生的松动压力支护与围岩共同作用，共同变形所产生的接触形变压力支护临时支撑+整体式厚衬砌初期支护+二次衬砌开挖分部开挖，钻爆法+中小型机械大断面开挖，钻爆法+大中型机械掘进3.计算模型详细比较结构力学模型岩体力学模型认识视围岩为荷计算模型详细比较结构力学模型岩体力学模型认识视围岩为荷5.4.1 基本原理 支护和围岩分开考虑，支护是承载的主体，视围岩为荷载来源和支护的弹性支承，荷载处理有三种模式:主动荷载，主动荷载+被动抗力，实际荷载。1 主动荷载模式适于软弱岩层，如：明挖地铁明洞工程5.4 结构力学方法结构力学方法5.4.1基本原理基本原理支护和围岩分开考虑，支护是承载支护和围岩分开考虑，支护是承载2 2 主动荷载主动荷载+弹性抗力模式弹性抗力模式 适于各类围岩在实际应用中，该模式基本能反映出支护结构的实际受力状况。5.4 结构力学方法结构力学方法2主动荷载主动荷载+弹性抗力模式弹性抗力模式适于各类围岩在实际应用适于各类围岩在实际应用3 3 实际荷载模式实际荷载模式 它采用量测仪器实地量测作用在衬砌上的荷载值，某种实测荷载只能适用于类似情况。5.4 结构力学方法结构力学方法3实际荷载模式实际荷载模式它采用量测仪器实地量测作用在衬砌它采用量测仪器实地量测作用在衬砌5.4.2 隧道衬砌受力变形的特点 设围岩垂直压力大于侧向压力，则存在拱顶脱离区，两侧 抗力区。5.4 结构力学方法结构力学方法5.4.2隧道衬砌受力变形的特点隧道衬砌受力变形的特点设围岩垂直压力设围岩垂直压力5.4.3 隧道衬砌荷载分类(1)主动荷载 主要荷载：围岩压力、支护结构自重、回填土荷载、地下静水压力及车辆活载等。附加荷载：冻胀压力、地震力等。被动荷载是指围岩的弹性抗力，计算有共同变形理论和局部变形理论。(2)被动荷载 5.4 结构力学方法结构力学方法5.4.3隧道衬砌荷载分类隧道衬砌荷载分类(1)主动荷载主动荷载主要荷载：围主要荷载：围共同变形理论：把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间的相互影响。其所需围岩物理力学参数较多，而且计算颇为繁杂，因而我国很少采用。假设假设：地基为一均质、连：地基为一均质、连续、弹性的半无限体。续、弹性的半无限体。优点：优点：反映了地基的连续整体反映了地基的连续整体性；性；从几何上、物理上对地从几何上、物理上对地基进行了简化，因而可以基进行了简化，因而可以把弹性力学中有关半无限把弹性力学中有关半无限弹性体的经典问答已知结弹性体的经典问答已知结论作为计算的基础。论作为计算的基础。共同变形理论：把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间的相互共同变形理论：把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间的相互2.半无限体弹性地基模型缺点：缺点：弹性假设没有反映土体的非弹性性质；弹性假设没有反映土体的非弹性性质；均质假设没有反映土体的不均匀性；均质假设没有反映土体的不均匀性；半无限体假设有反映地基的分层特点；半无限体假设有反映地基的分层特点；本模型在数学处理上比较复杂，因而在应用上也受到一定的限制。本模型在数学处理上比较复杂，因而在应用上也受到一定的限制。2.半无限体弹性地基模型半无限体弹性地基模型缺点：缺点：局部变形理论：以以温克尔温克尔（E.Winkler）假定为基础的。该）假定为基础的。该理论认为围岩的理论认为围岩的弹性抗力与围岩在该点的变形成正比。弹性抗力与围岩在该点的变形成正比。这个假设这个假设实际上是把地基模拟为刚性支座上一系列独立的实际上是把地基模拟为刚性支座上一系列独立的弹簧弹簧。当地基表面上某一点受压力。当地基表面上某一点受压力p p时，由于时，由于弹簧是彼此独立弹簧是彼此独立的的，故只在该点局部产生沉陷，故只在该点局部产生沉陷y y，而在其他地方不产生任何沉，而在其他地方不产生任何沉陷。因此，这种地基模型称作局部弹性地基模型。陷。因此，这种地基模型称作局部弹性地基模型。局部变形理论局部变形理论：以温克尔（：以温克尔（E.Winkler）假定为基础的）假定为基础的优点：优点：可以考虑梁本身的实际弹性变形，消除了可以考虑梁本身的实际弹性变形，消除了反力直线分反力直线分布假设布假设中的缺点。中的缺点。局部弹性地基模型的计算较为简单，局部弹性地基模型的计算较为简单，在实际应用较为方便。在实际应用较为方便。优点：优点：可以考虑梁本身的实际弹性变形，消除可以考虑梁本身的实际弹性变形，消除缺点：缺点：没有反映地基的变形连续性没有反映地基的变形连续性，当，当地基表面在某一点承受压力时，实地基表面在某一点承受压力时，实际上不仅在该点局部产生沉陷，而际上不仅在该点局部产生沉陷，而且也在邻近区域产生沉陷。由于没且也在邻近区域产生沉陷。由于没有考虑地基的连续性，故温克尔假有考虑地基的连续性，故温克尔假设不能全面地反映地基梁的实际情设不能全面地反映地基梁的实际情况，况，特别对于密实厚土层地基和整特别对于密实厚土层地基和整体岩石地基，将会引起较大的误差。体岩石地基，将会引起较大的误差。但是，如果地基的上部为较薄的但是，如果地基的上部为较薄的土层，下部为坚硬岩石，则地基情土层，下部为坚硬岩石，则地基情况与图中的弹簧模型比较相近，这况与图中的弹簧模型比较相近，这时将得出比较满意的结果。时将得出比较满意的结果。缺点：缺点：没有反映地基的变形连续性，当地基表面在某一点承受压力没有反映地基的变形连续性，当地基表面在某一点承受压力隧道衬砌结构计算的矩阵位移法 基本原理基本原理 矩阵位移法又叫直接刚度法直接刚度法，它是以结构节点位移为基本未知量，联接在同一节点各单元的节点位移应该相等，并等于该点的结构节点位移（变形协调条件变形协调条件）；同时作用于某一结构节点的荷载必须与该节点上作用的各个单元的节点力相平衡（静力平衡条件静力平衡条件）。隧道衬砌结构计算的矩阵位移法隧道衬砌结构计算的矩阵位移法基本原理基本原理矩阵位移法又叫矩阵位移法又叫隧道衬砌结构计算的矩阵位移法 三种单刚 衬砌单刚：梁单元 抗力单刚：二力杆单元 基础单刚：支座单元 拼总刚(结构刚度矩阵)边界条件墙基础水平位移为0 求解以节点位移为未知量的方程组高斯消去法等 由节点位移求出单元节点力内力计算特点计算特点隧道衬砌结构计算的矩阵位移法隧道衬砌结构计算的矩阵位移法三种单刚三种单刚衬衬直刚法计算图式 隧道衬砌结构计算的矩阵位移法 直刚法计算图式直刚法计算图式隧道衬砌结构计算的矩阵位移法隧道衬砌结构计算的矩阵位移法直刚法计算流程 直刚法计算流程直刚法计算流程隧道结构设计课件隧道结构设计课件5.5.15.5.1解析法解析法 5.5 5.5 岩体力学方法岩体力学方法仅对很简单的问题才可求出解析仅对很简单的问题才可求出解析解，如解，如均质半无限体中的单孔圆形隧道均质半无限体中的单孔圆形隧道、双孔等直径圆形隧道双孔等直径圆形隧道，以及，以及椭圆形、方椭圆形、方形和直墙拱形洞室等形和直墙拱形洞室等问题。但仅对第一问题。但仅对第一种问题得出了精确的解析计算式，对其种问题得出了精确的解析计算式，对其他情况虽已用复变函数建立了计算式，他情况虽已用复变函数建立了计算式，但最终结果的计算仍需借助于数值逼近。但最终结果的计算仍需借助于数值逼近。考虑塑性时也仅对圆形洞室的部分课题考虑塑性时也仅对圆形洞室的部分课题才有解析解。才有解析解。5.5.1解析法解析法5.5岩体力学方法岩体力学方法仅对很简单的问题才仅对很简单的问题才5.5.25.5.2数值分析法数值分析法 1.1.概述概述 边界元法、无限元法、有限元法、有限元法耦合方法等，仅介绍有限元法。2.2.有限元法处理特点 隧道计算范围及网格划分（1）单元类型的选择和网格划分5.5 5.5 岩体力学方法岩体力学方法5.5.2数值分析法数值分析法1.概述概述边界元法、无限元法、边界元法、无限元法、（2）计算范围的选取 隧道开挖影响范围距开挖面中心点35倍洞跨的范围；边界上位移为零。5.5 岩体力学方法（2）计算范围的选取）计算范围的选取隧道开挖影响范围距开挖面中心点隧道开挖影响范围距开挖面中心点3（3）边界条件和初始应力（4）卸荷释放荷载及卸荷过程模拟 （5）开挖施工步骤的模拟 （6）求单元应力 （7）围岩与支护结构稳定性判断 （8）有限元法计算的可信度5.5 岩体力学方法（3）边界条件和初始应力）边界条件和初始应力（4）卸荷释放荷载及卸荷过程模拟）卸荷释放荷载及卸荷过程模拟有限元法：有限元法：有限元法：有限元法：适用性强（各种地层、洞室，非线性，施适用性强（各种地层、洞室，非线性，施工过程等）；缺点：本构关系难以准确给出。工过程等）；缺点：本构关系难以准确给出。输输输输入参数不正确，则给出错误结果。入参数不正确，则给出错误结果。入参数不正确，则给出错误结果。入参数不正确，则给出错误结果。525.5 5.5 岩体力学方法岩体力学方法有限元法：有限元法：适用性强（各种地层、洞室，非线性，施工过程等）适用性强（各种地层、洞室，非线性，施工过程等）5.5 岩体力学方法5.5岩体力学方法岩体力学方法隧道结构设计课件隧道结构设计课件隧道结构设计课件隧道结构设计课件隧道结构设计课件隧道结构设计课件洞门视作挡土墙进行计算设计：主动土压力按库仑理论进行计算；无论墙背仰斜或直立，土压力的作用方向均假定为水平；不考虑被动土压力。取最不利位置的墙体条带计算，称为“检算条带”。条带宽度一般为1m，最不利位置墙体最高点。5.6.1 计算原理5.6 隧道洞门计算洞门视作挡土墙进行计算设计：洞门视作挡土墙进行计算设计：主动土压力按库仑理论进行计算主动土压力按库仑理论进行计算5.6.2 计算部位（检算条带）的选取及计算要点1 1柱式、端墙式洞门柱式、端墙式洞门 取、作为“检算条带”。检算墙身截面偏心、强度，以及基底偏心、应力及沿基底的滑动和绕墙趾倾覆稳定性5.6 5.6 隧道洞门计算隧道洞门计算5.6.2计算部位（检算条带）的选取及计算要点计算部位（检算条带）的选取及计算要点1柱式、柱式、2 2有挡、翼墙的洞门有挡、翼墙的洞门 检算翼墙时取洞门端墙墙趾前之翼墙宽1m的条带“”，按挡土墙检算偏心、强度及稳定性；检算端墙时取最不利部分“”作为“检算条带”，检算其截面偏心和强度；检算端墙与翼墙共同作用部分“”的滑动稳定性。2有挡、翼墙的洞门有挡、翼墙的洞门检算翼墙时取洞门端墙墙趾前之翼墙检算翼墙时取洞门端墙墙趾前之翼墙5.6.3 洞门计算内容墙身偏心及强度；绕墙趾的抗倾覆性(墙趾:墙身外表面与基底面的交点)；沿基底滑动的稳定性；基底应力检算。5.6 5.6 隧道洞门计算隧道洞门计算 1.计算内容5.6.3洞门计算内容洞门计算内容墙身偏心及强度；墙身偏心及强度；2.洞门端墙及挡（翼）墙检算规定墙身截面压应力容许应力墙身截面偏心距e0.3倍截面厚度基底应力地基容许承载力基底偏心距e岩石地基B/4，土质地基B/6（B为墙底厚度）滑动稳定系数K01.3倾覆稳定系数K01.55.6 5.6 隧道洞门计算隧道洞门计算5.6.3 洞门计算内容2.洞门端墙及挡（翼）墙检算规定洞门端墙及挡（翼）墙检算规定墙身截面压应墙身截面压应5.6.4 洞门计算的概率极限状态法 铁路隧道设计规范规定隧道洞门除按破损阶段法进行检算外，还可采用极限状态法进行设计计算。基本方法仍同破损阶段法，如取计算条带，具体公式不同，按可靠度理论得出.5.6 5.6 隧道洞门计算隧道洞门计算5.6.4洞门计算的概率极限状态法洞门计算的概率极限状态法铁路隧道设铁路隧道设 1.洞门墙墙身抗压承载能力抗压承载能力计算(承载能力极限状态)2.洞门墙墙身抗裂承载能力抗裂承载能力计算(正常使用极限状态)5.6 5.6 隧道洞门计算隧道洞门计算1.洞门墙墙身抗压承载能力计算洞门墙墙身抗压承载能力计算(承载能力极限状态承载能力极限状态)2.3.洞门墙地基承载能力地基承载能力计算 4.抗倾覆抗倾覆计算 5.抗滑动抗滑动计算5.6 5.6 隧道洞门计算隧道洞门计算3.洞门墙地基承载能力计算洞门墙地基承载能力计算4.抗倾覆计算抗倾覆计算5.抗滑动计抗滑动计5.7.1 5.7.1 检算内容检算内容（1）安全系数检算（2）偏心检算铁路隧道拼装式衬砌、复合式衬砌双线隧道整体式衬砌公路隧道衬砌结构5.7.2 5.7.2 适用范围适用范围5.7 5.7 衬砌截面强度验算衬砌截面强度验算5.7.1检算内容（检算内容（1）安全系数检算（）安全系数检算（2）偏心检算铁路隧道）偏心检算铁路隧道圬工种类及荷载组合破坏原因混凝土石砌体钢筋混凝土主要荷载主要、附加荷载主要荷载主要、附加荷载主要荷载主要、附加荷载（钢筋）混凝土或石砌体受压破坏2.42.02.72.32.01.7混凝土达到抗拉极限强度（主拉应力）3.63.02.42.0混凝土和石砌结构的强度安全系数（1）允许安全系数5.7.3 5.7.3 安全系数检算安全系数检算圬工种类及混凝土石砌体钢筋混凝土主要荷载主要、主要荷圬工种类及混凝土石砌体钢筋混凝土主要荷载主要、主要荷式中：e0 轴向力偏心距，e0=M/N；K 混凝土和石砌结构安全系数，M,N 轴向力；Ra 混凝土或砌体的抗压极限强度；b,h 截面的宽度和厚度（通常取1m）；构件的纵向弯曲系数，对隧道衬砌拱圈及墙背紧密回填的边墙可取1；轴向力偏心影响系数。抗压控制检算小偏心判断准则：此时承载能力由抗压强度控制：（2）抗压与抗拉控制分界式中：式中：e0轴向力偏心距，轴向力偏心距，e0=M/N；抗压控制检算；抗压控制检算式中：混凝土的抗拉极限强度，其它符号意义同前。抗拉控制检算大偏心判断准则：此时承载能力由抗拉强度控制：式中：式中：混凝土的抗拉极限强度，抗拉控制检算大混凝土的抗拉极限强度，抗拉控制检算大 混凝土衬砌的偏心距不宜大于0.45倍截面厚度；石砌体偏心距不应大于0.3倍截面厚度；基底偏心距，对岩石地基不大于1/4倍墙底厚度，对土质地基不大于1/6倍墙底厚度。5.7.4 5.7.4 偏心距限制偏心距限制5.7 衬砌截面强度验算混凝土衬砌的偏心距不宜大于混凝土衬砌的偏心距不宜大于0.45倍截面厚度；倍截面厚度；5.7.隧道结构设计课件隧道结构设计课件隧道结构设计课件隧道结构设计课件5.8 5.8 半衬砌的计算半衬砌的计算 拱圈直接拱圈直接支承在隧道围支承在隧道围岩侧壁上时，岩侧壁上时，称为半衬砌称为半衬砌5.8半衬砌的计算半衬砌的计算拱圈直接支承在隧道围岩侧壁上时，称拱圈直接支承在隧道围岩侧壁上时，称 适合于坚硬适合于坚硬和较完整的围和较完整的围岩岩(、级级)；5.8 5.8 半衬砌的计算半衬砌的计算适合于坚硬和较完整的围岩适合于坚硬和较完整的围岩(、级级)；5.8半衬砌的计半衬砌的计 在垂直荷载作用下拱圈向隧道内变形为在垂直荷载作用下拱圈向隧道内变形为自自由变形由变形，不产生弹性抗力，不产生弹性抗力 ；1 1、基本假定、基本假定 拱脚产生拱脚产生角位移和线位移角位移和线位移，并使拱圈内力发，并使拱圈内力发生改变，计算中除按固端无铰拱考虑外，还必生改变，计算中除按固端无铰拱考虑外，还必须考虑拱脚位移的影响须考虑拱脚位移的影响 在垂直荷载作用下拱圈向隧道内变形为自由变形，不产生弹在垂直荷载作用下拱圈向隧道内变形为自由变形，不产生弹 拱脚拱脚没有径向位移没有径向位移，只有切向位移；，只有切向位移；对称的垂直分位移对拱圈内力不产生影响；对称的垂直分位移对拱圈内力不产生影响；拱脚的转角拱脚的转角 和切向位移的水平分位移和切向位移的水平分位移 是必须考虑的是必须考虑的1 1、基本假定、基本假定 拱脚没有径向位移，只有切向位移；拱脚没有径向位移，只有切向位移；对称的垂直分位移对称的垂直分位移2 2、基本结构、基本结构 2、基本结构、基本结构式中：式中：是单位变位，即在基本结构上，是单位变位，即在基本结构上，因作用时，在因作用时，在 方向上所产生的变位；方向上所产生的变位；为荷为荷载变位，即基本结构因外荷载作用，在载变位，即基本结构因外荷载作用，在 方向方向的变位；的变位；f f为拱圈的矢高；为拱圈的矢高；3 3、正则方程、正则方程 式中：式中：是单位变位，即在基本结构上，因作用时，在是单位变位，即在基本结构上，因作用时，在2 2、单位变位及荷载变位的计算、单位变位及荷载变位的计算 由结构力学求变位的方法（轴向力与剪力由结构力学求变位的方法（轴向力与剪力影响忽略不计）知道：影响忽略不计）知道：2、单位变位及荷载变位的计算、单位变位及荷载变位的计算2 2、单位变位及荷载变位的计算、单位变位及荷载变位的计算 在很多情况下，衬砌厚度是改变的，在很多情况下，衬砌厚度是改变的，给积分带来不便，这时可将拱圈分成偶数给积分带来不便，这时可将拱圈分成偶数段，用抛物线近似积分法代替。段，用抛物线近似积分法代替。2、单位变位及荷载变位的计算、单位变位及荷载变位的计算在很多情况下，衬砌在很多情况下，衬砌3 3、拱脚位移计算、拱脚位移计算 单位力矩作用时单位力矩作用时3、拱脚位移计算、拱脚位移计算 单位水平力作用时单位水平力作用时 单位水平力可以分解为轴向分力单位水平力可以分解为轴向分力 和切和切向分力向分力 ，计算时只需考虑轴向分力的影，计算时只需考虑轴向分力的影响，作用在围岩表面的均布应力响，作用在围岩表面的均布应力 和拱脚产生的均匀和拱脚产生的均匀沉陷沉陷 为：为：的水平投影即为点的水平投影即为点a a的水平位移的水平位移 ，均匀沉陷时拱脚截面不发生转动，则有：均匀沉陷时拱脚截面不发生转动，则有：单位水平力作用时单位水平力作用时的水平投影即为点的水平投影即为点a的水平位移的水平位移（3 3）外荷载作用时外荷载作用时 在外荷载作用下，基本结构中拱脚点处在外荷载作用下，基本结构中拱脚点处产生弯矩产生弯矩 和轴向力和轴向力 ，如图所示，拱，如图所示，拱脚截面的转角脚截面的转角 和水平位移和水平位移 为：为：（3）外荷载作用时外荷载作用时(4)(4)拱脚位移拱脚位移 拱脚的最终转角拱脚的最终转角 和水平位移和水平位移 可分别考可分别考虑虑 和外荷载的影响，按叠加原理求得，和外荷载的影响，按叠加原理求得，可表示为：可表示为：(4)拱脚位移拱脚位移4 4、拱圈截面内力、拱圈截面内力 将以上两组方程代入正则方程可得：将以上两组方程代入正则方程可得：4、拱圈截面内力、拱圈截面内力令令令令则任意截面处的内力为则任意截面处的内力为则任意截面处的内力为则任意截面处的内力为 常用于常用于级围岩；级围岩；拱圈和曲边墙作为一个整体按无铰拱计算拱圈和曲边墙作为一个整体按无铰拱计算 ；施工时仰拱是在无铰拱业已受力之后修建的，施工时仰拱是在无铰拱业已受力之后修建的，不考虑仰拱对衬砌内力的影响不考虑仰拱对衬砌内力的影响 。5.9 5.9 曲墙式衬砌计算曲墙式衬砌计算 常用于常用于级围岩；级围岩；5.9曲墙式衬砌计算曲墙式衬砌计算1 1 计算假设计算假设 在主动荷载作用下，顶部衬砌向隧在主动荷载作用下，顶部衬砌向隧道内变形而形成脱离区，两侧衬砌向围岩道内变形而形成脱离区，两侧衬砌向围岩方向变形，引起围岩对衬砌的被动弹性抗方向变形，引起围岩对衬砌的被动弹性抗力力 上零点上零点b b（即脱离区与抗力区的分界（即脱离区与抗力区的分界点）与衬砌垂直对称中线的夹角假定为点）与衬砌垂直对称中线的夹角假定为 下零点下零点a a在墙脚在墙脚 1计算假设计算假设 最大抗力点最大抗力点h h假定发生假定发生在最大跨度处附近，计算在最大跨度处附近，计算时一般取时一般取 为为简化计算可假定在分段的简化计算可假定在分段的接缝上。接缝上。抗力图形的分布假定抗力图形的分布假定为二次抛物线为二次抛物线 bhbh段段：haha段段：最大抗力点最大抗力点h假定发生在最大跨度处附近，计算时一般取假定发生在最大跨度处附近，计算时一般取 忽略衬砌与围岩之间的摩擦力忽略衬砌与围岩之间的摩擦力 墙脚支承在弹性岩体上，可发生转动墙脚支承在弹性岩体上，可发生转动和垂直位移和垂直位移(无水平位移无水平位移)忽略衬砌与围岩之间的摩擦力忽略衬砌与围岩之间的摩擦力2 2、主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力、主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力式中式中 为墙底位移。为墙底位移。分别计算分别计算 和外荷和外荷载的影响，然后按照叠加原载的影响，然后按照叠加原理相加得到理相加得到2、主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力式中、主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力式中2 2、主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力、主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力由于墙底无水平位移，故由于墙底无水平位移，故 式中：式中：是基本结构的单位位移和主动荷载位移；是基本结构的单位位移和主动荷载位移；是墙底单位转角；是墙底单位转角；为基本结构墙底的荷载转角；为基本结构墙底的荷载转角；f f 为衬砌的矢高。为衬砌的矢高。2、主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力由于墙底无水平位移，、主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力由于墙底无水平位移，求得求得 后，在主动荷载作后，在主动荷载作用下，衬砌内力即可计算：用下，衬砌内力即可计算：求得求得后，在主动荷载作用下，衬砌内力后，在主动荷载作用下，衬砌内力 在具体进行计算时，还需进一步确定被动在具体进行计算时，还需进一步确定被动抗力抗力 的大小，这需要利用最大抗力点的大小，这需要利用最大抗力点h h处的处的变形协调条件。变形协调条件。在具体进行计算时，还需进一步确定被动抗力在具体进行计算时，还需进一步确定被动抗力的的隧道结构设计课件隧道结构设计课件3 3、最大抗力值的计算、最大抗力值的计算先求出先求出 和和 变位由两部分组成，即结构在荷载作用下的变变位由两部分组成，即结构在荷载作用下的变位和因墙底变位（转角）而产生的变位之和位和因墙底变位（转角）而产生的变位之和 3、最大抗力值的计算、最大抗力值的计算隧道结构设计课件隧道结构设计课件 h h点所对应的点所对应的 ，则该点的径，则该点的径向位移约等于水平位移向位移约等于水平位移 拱顶截面的垂直位移对拱顶截面的垂直位移对h h点径向位移的影响点径向位移的影响可以忽略不计可以忽略不计按照结构力学方法，在按照结构力学方法，在h h点加一单位力点加一单位力 ，可以求得，可以求得 和和 h点所对应的点所对应的，则该点的径向位，则该点的径向位隧道结构设计课件隧道结构设计课件4 4、在单位抗力作用下的内力、在单位抗力作用下的内力 将抗力图将抗力图 视为外荷载单独作用时，未知力视为外荷载单独作用时，未知力 及及 可以参照可以参照 及及 的求法得出的求法得出 4、在单位抗力作用下的内力、在单位抗力作用下的内力4 4、在单位抗力作用下的内力、在单位抗力作用下的内力 解出解出 及及 后，即可求出衬砌在单位抗力图后，即可求出衬砌在单位抗力图为荷载单独作用下任一截面内力：为荷载单独作用下任一截面内力：4、在单位抗力作用下的内力、在单位抗力作用下的内力解出解出及及后，即后，即5 5、衬砌最终内力计算及校核计算结、衬砌最终内力计算及校核计算结果的正确性果的正确性 衬砌任一截面最终内力值可利用衬砌任一截面最终内力值可利用叠加原理求得：叠加原理求得：5、衬砌最终内力计算及校核计算结果的正确性、衬砌最终内力计算及校核计算结果的正确性 校核计算结果正确性时，可以利用拱校核计算结果正确性时，可以利用拱顶截面转角和水平位移为零条件和最大抗力点顶截面转角和水平位移为零条件和最大抗力点a a的位移条件的位移条件：式中式中 是墙底截面最终转角是墙底截面最终转角，校核计算结果正确性时，可以利用拱顶截面转角和水校核计算结果正确性时，可以利用拱顶截面转角和水5.10 5.10 直墙式衬砌计算直墙式衬砌计算 5.10直墙式衬砌计算直墙式衬砌计算1 1、计算原理、计算原理 拱圈按拱圈按弹性无铰拱弹性无铰拱计算，边墙按计算，边墙按弹性地弹性地基上的直梁基上的直梁计算，并考虑边墙与拱圈之间计算，并考虑边墙与拱圈之间的相互影响；的相互影响；边墙支承拱圈并承受围岩压力；边墙支承拱圈并承受围岩压力；拱脚区段的弹性抗力为二次抛物线分布拱脚区段的弹性抗力为二次抛物线分布5.10 5.10 直墙式衬砌计算直墙式衬砌计算 1、计算原理、计算原理5.10直墙式衬砌计算直墙式衬砌计算 位于位于4545o o55 55 o o之间之间 位于位于45o55o之间之间 Winkler Winkler假定成立，即假定成立，即 拱脚位移考虑边墙顶变位的影响拱脚位移考虑边墙顶变位的影响Winkler假定成立，即假定成立，即2 2、边墙的计算、边墙的计算 弹性地基上的直梁弹性地基上的直梁 直边墙计算分类：直边墙计算分类：刚性边墙刚性边墙 短边墙短边墙 长边墙长边墙2、边墙的计算、边墙的计算弹性地基上的直梁弹性地基上的直梁 边墙为短梁的计算：边墙为短梁的计算：短梁的一端受力及变形对另一端有影响，短梁的一端受力及变形对另一端有影响，计算墙顶变位时，要考虑到墙脚的受力和变形计算墙顶变位时，要考虑到墙脚的受力和变形的影响。的影响。边墙为短梁的计算：边墙为短梁的计算：墙顶在单位弯矩墙顶在单位弯矩 单独作用下，墙单独作用下，墙顶的转角顶的转角 和水平位移和水平位移 为为 墙顶在单位弯矩墙顶在单位弯矩单独作用下，墙顶的转角单独作用下，墙顶的转角 墙顶在单位水平力墙顶在单位水平力 =1=1单独单独作用下，墙顶位移为作用下，墙顶位移为 和和 为为墙顶在单位水平力墙顶在单位水平力=1单独作用下，墙顶位移为单独作用下，墙顶位移为在主动侧压力（梯形荷载）作在主动侧压力（梯形荷载）作用下，墙顶位移用下，墙顶位移 为为：在主动侧压力（梯形荷载）作用下，墙顶位移在主动侧压力（梯形荷载）作用下，墙顶位移为：为：其中其中 为基底弹性抗力系数；为基底弹性抗力系数；k k是侧向弹性抗是侧向弹性抗力系数；力系数；是基底作用有单位力是基底作用有单位力矩时所产生的转角；矩时所产生的转角；h h为边墙的侧面高度；为边墙的侧面高度；最后结果为：最后结果为：其中其中隧道结构设计课件隧道结构设计课件 长边墙计算长边墙计算弹性地基上的半无限长梁，弹性地基上的半无限长梁，墙顶受力与墙底无关，上述公式可得到一定的墙顶受力与墙底无关，上述公式可得到一定的简化。简化。墙项单位位移可以简化为：墙项单位位移可以简化为：长边墙计算长边墙计算弹性地基上的半无限长梁，墙顶受力与墙底无关弹性地基上的半无限长梁，墙顶受力与墙底无关 边墙为刚性梁边墙为刚性梁 近似作为弹性地基上近似作为弹性地基上的绝对刚性梁，近似认的绝对刚性梁，近似认为为 （即（即 ）边墙为刚性梁边墙为刚性梁 边墙本身不产生弹性变形，边墙本身不产生弹性变形，在外力作用下只产生刚体位移，在外力作用下只产生刚体位移，墙顶处为最大值为：墙顶处为最大值为：称为称为 刚性墙的综合转动惯量，因而刚性墙的综合转动惯量，因而墙侧面的转角为：墙侧面的转角为：边墙本身不产生弹性变形，在外力作用下只产生刚体位移，墙顶边墙本身不产生弹性变形，在外力作用下只产生刚体位移，墙顶思考题1.什么是荷载结构模型？什么是岩体力学模型？2.什么是围岩弹性抗力？计算模型中有几种处理方式？3.洞门是如何检算的？第第5 5章章 隧道结构计算隧道结构计算思考题思考题1.什么是荷载什么是荷载结构模型？什么是岩体力学模型？结构模型？什么是岩体力学模型？