隧道工程第5章隧道支护结构设计.pptx

1、5.1 隧道结构的设计模型一、计算理论（力学模型）发展历史1.刚性结构阶段2.弹性结构阶段3.连续介质阶段1.1.刚性结构阶段将地下结构视为刚性结构的压力线理论将地下结构视为刚性结构的压力线理论。支护结构上支护结构上 的压力是其上覆岩层的重力，没的压力是其上覆岩层的重力，没有考虑围岩自身的承有考虑围岩自身的承 载能力。载能力。2.2.弹性结构阶段地下结构开始按弹性连续拱形框架用超地下结构开始按弹性连续拱形框架用超静定结构力学方法静定结构力学方法 计算结构内力。计算结构内力。作用在结构上的压力：围岩坍落体积内松动岩体的重作用在结构上的压力：围岩坍落体积内松动岩体的重 力力松动压力。并考虑了地层对

2、结构产生的弹性反松动压力。并考虑了地层对结构产生的弹性反 力的约束作用。力的约束作用。20世纪初期，假定弹性反力世纪初期，假定弹性反力的分布的分布 图形位置线为三角形或梯形图形位置线为三角形或梯形1934年，按结构年，按结构的变形曲线假定地的变形曲线假定地 层弹性反力的分布图形为月牙形层弹性反力的分布图形为月牙形局部变形弹性地基梁局部变形弹性地基梁理论理论共同变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论对于围岩自身承载能力的认识有又分为两个阶段：对于围岩自身承载能力的认识有又分为两个阶段：（1）假定弹性反力阶段）假定弹性反力阶段（2）弹性地基梁阶段）弹性地基梁阶段坑道开挖坑道开挖 向洞室内变形而释

3、放的围岩向洞室内变形而释放的围岩压力压力支护结构与围岩组成的地支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。下结构体系共同承受。这种反作用力和围岩的松动这种反作用力和围岩的松动压力极不相同，它是支压力极不相同，它是支护结构与围岩共同变形过护结构与围岩共同变形过程中对支护结构施加的压力，程中对支护结构施加的压力，称为称为形变压力。形变压力。3.3.连续介质阶段二、国际隧道协会归纳的四种二、国际隧道协会归纳的四种设计模型设计模型以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法；经验设计法；以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，例如以以现场量测和实验

4、室试验为主的实用设计方法，例如以洞周位量洞周位量 测值为根据的收敛约束法；测值为根据的收敛约束法；作用与反作用模型，即荷载作用与反作用模型，即荷载结构模型，例如弹性地结构模型，例如弹性地基圆环计算和基圆环计算和 弹性地基框架计算等计算弹性地基框架计算等计算法；（结构力学模型）法；（结构力学模型）连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是目前主要是 有限单元法。（岩体力学模型有限单元法。（岩体力学模型）图5-23 隧道计算模型1、结构力学模型 2、岩体力学模型常用计算模型松弛（动）荷载理论松弛（动）荷载理论它将支护结构和围岩分开来考虑，支护

5、结构是承载主体它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷，围岩作为荷 载的来源和支护结构的弹性支承。在这类模型中隧道支载的来源和支护结构的弹性支承。在这类模型中隧道支护结构与围岩护结构与围岩 的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的，而围岩的的，而围岩的 承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。围接地考虑。围 岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支承约束支护支承约束支护 结构变形的抗力越大，相对

6、来说，支护结构结构变形的抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。所起的作用就变小了。主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承 担围岩担围岩“松动松动”压力的情况。压力的情况。关键问题关键问题 如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的弹性抗力弹性抗力（荷载（荷载结构模型、作用结构模型、作用反作用模型）反作用模型）是围岩所产生的松动压力、以及是围岩所产生的松动压力、以及弹性支承给支护结构的弹性支承给支护结构的1 1、结构力学模型它是将支护结构与围岩视它是将支护结构

7、与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系。为一体，作为共同承载的隧道结构体系。在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和用来约束和 限制围岩的变形限制围岩的变形，在围岩在围岩结构模型中可以考虑各种几何形状，围结构模型中可以考虑各种几何形状，围岩和支护材料的岩和支护材料的 非线性特性，开挖面空间效应所形成的三维状态非线性特性，开挖面空间效应所形成的三维状态，以及地质中不，以及地质中不 连续面等等。连续面等等。可以用解析法求解，或用收敛可以用解析法求解，或用收敛约束法图解，但约束法图解，但绝大部分问题，因绝大部分问题，因 数学上的困难必

8、须依赖数值方法，尤其是有限单元法。数学上的困难必须依赖数值方法，尤其是有限单元法。如何确定围岩的初始应力场，以及表示材料非线性如何确定围岩的初始应力场，以及表示材料非线性 特性的各种参数及其变化情况特性的各种参数及其变化情况。1（围岩（围岩结构模型、复合结构模型、复合整体模型、整体模型、收敛收敛约束模型）约束模型）现代围岩共同承载理论现代围岩共同承载理论2 2、岩体力学模型关键问题关键问题第2节 矿山法隧道的设计与计算一一、结结构构选选型型 初支 锚喷结构I/II/III/VI 经验确定 IV/V计算确定 二衬I/II/III构造设计IV/V/VI计算设计第2节 矿山法隧道的设计与计算二二、荷

9、、荷载载确定确定荷载结构法 松动压力地层结构法 释放荷载（形变压力）隧道模筑衬砌所受的围岩压力，是衬砌为了阻止岩块松 弛或岩块移动下塌等形成的荷载。2017/12/301、围岩松动压力的形成“成拱作用成拱作用”坑道开挖后围岩由形变到坍塌成拱的整个变形过程：（1）变形阶段（）变形阶段（a）（2）松动阶段（）松动阶段（b）（3）塌落阶段（）塌落阶段（c）（4）成拱阶段（）成拱阶段（d）2017/12/30自然拱范围影响因素自然拱范围影响因素围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩 的接触状态等因素外，还有以下诸因素：（1）隧道的形状和尺寸）隧道的形状和尺寸.隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然

10、拱越高，围岩的 松动压力也越大。（2）隧道的埋深）隧道的埋深只有当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然 拱，习惯上，将这种隧道称为深埋隧道，否则称为浅埋 隧道。（3）施工因素）施工因素2017/12/30（一）深埋隧道围岩松动压力的确定方法深埋隧道松动压力仅是隧道周边某一破坏范围（自然拱）内岩体的重量，而与隧道埋置深度无关。*1、铁/公路隧道设计规范（隧规）推荐方法2、普氏理论3、泰沙基理论2017/12/301、我国铁路隧道设计规范（隧规）推荐方法垂直压力垂直压力q q=Y 根hq =0.41根1.79s 根Yq=Y 根hq =0.45 根 2S-1 根Y负水平分布松动压力水平分布松动

11、压力e单线、双线及多线铁路单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段按破坏阶段设计时 及公路隧道公路隧道单线单线铁路隧道按概率按概率极限状态极限状态设计时2017/12/30B坑道宽度，以坑道宽度，以m计，计，i每增加每增加lm时，围岩压力的增减率（以时，围岩压力的增减率（以B=5m为为基基 准准），），当当B5m时取时取i=0.2,B 5m时，取时，取i=0.1。公式适用条件公式适用条件H/B1.7(H为坑道的高度为坑道的高度）；）；深埋隧道；深埋隧道；不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；采用钻爆法施工的隧道采用钻爆法施工的隧道.2017/12/30q=Y

12、 会hq =0.41会1.79s 会Y hq =0.41会1.79s式中式中hq等效荷载高度值；等效荷载高度值；q=Y 会hq =0.45 会 2S一1 会Y 负 hq =0.45会 2S一1 会负 围岩的容重；围岩的容重；宽度影响系数，宽度影响系数，s 围岩级别，如围岩级别，如级围岩级围岩s=3；负=1+i(B 一 5)用等效荷载，即非均布压力的总和应用等效荷载，即非均布压力的总和应与均布压力的总和相等与均布压力的总和相等 的方法来确定各荷载图形的高度值。的方法来确定各荷载图形的高度值。垂直松动压力的分布图垂直松动压力的分布图2017/12/30（二）浅埋隧道围岩松动压力的确定方法1、深、浅

13、埋隧道的判定原则2、浅埋隧道围岩松动压力的确定方法2017/12/301、深、浅埋隧道的判定原则H =(2 2.5)hq式中，式中，Hp深浅埋隧道分界的深度；深浅埋隧道分界的深度；hq等效荷载高度等效荷载高度值。值。hq =0.41 1.79s hq =0.45 2S 1 负其系数在松软的围岩中取高限，而在较其系数在松软的围岩中取高限，而在较坚硬围岩中取低限，坚硬围岩中取低限，如矿山法施工条件下如矿山法施工条件下，、级围岩取级围岩取2，、围岩取围岩取2.5。对于某些情况，则应作具体分析后确定。对于某些情况，则应作具体分析后确定。当隧道覆盖层厚度当隧道覆盖层厚度hHp时为深埋，时为深埋，hHp时

14、为浅埋时为浅埋2017/12/30p滑动岩体重量滑面上的阻力滑动岩体重量滑面上的阻力支护结构的反作用力支护结构的反作用力 支护结构的反作用力支护结构的反作用力=围岩松动压力围岩松动压力则则 围岩松动压力滑动岩体重量一滑面上的阻力围岩松动压力滑动岩体重量一滑面上的阻力2017/12/30当隧道埋深不大时，不当隧道埋深不大时，不能形能形 成成“自然拱自然拱”。采用松散介。采用松散介 质极限平衡理论进行分析。质极限平衡理论进行分析。2、浅埋隧道围岩松动压力的确定方法围岩水平均布压力围岩水平均布压力e按朗金公式计算按朗金公式计算e=(q+YHt)tg 2(45。-)隧道埋深隧道埋深h小于或等于等效小于

15、或等于等效荷载高度荷载高度hq（hhq）忽略滑面上的摩擦阻力，则忽略滑面上的摩擦阻力，则围岩垂直匀布压力围岩垂直匀布压力：围岩容重；围岩容重；h 隧道埋置深度隧道埋置深度q=Yh2017/12/30隧道埋深隧道埋深h大于等效荷载高度大于等效荷载高度hq（即（即hhq）2017/12/30 1）岩体中所形成的破裂面是一个与水平面成角的斜 直面；如图5-2-6中的AC,BD 2）当洞顶上覆盖岩体FEGH下沉时受到两侧岩体的挟持，应当强调它反过来又带动了两侧三棱岩体ACE和BDF的下 滑，而当整个下滑岩体ABDHGC下滑时，又受阻于未扰动 岩体。3)斜直面AC,BD是一个假定破裂滑面，该滑面的抗剪强

16、 度决定于滑面的摩擦角及粘结力c，为简化计算采用 岩体的似摩擦角0。2017/12/30求作用在隧道支护结构上的围岩松求作用在隧道支护结构上的围岩松动压力值，其步骤如下：动压力值，其步骤如下：Q=W1 一 2T1 sin 2式中，式中，W1W1为已知的为已知的EFHGEFHG的土体重，的土体重，T T1 1sinsin22为为EFHGEFHG土体土体下滑时受两侧土体挟制下滑时受两侧土体挟制的摩擦力的摩擦力a.a.求两侧三棱体对洞顶土体的挟制力求两侧三棱体对洞顶土体的挟制力T1T1 T 1=yh 2侧压力系数侧压力系数=tg1+tg(一 t )+tg0 tgtgg00tgtg=0tg=tg0 +

17、(tg 20 +1)tg0 tg0 一 tgq=yh1 一 )=yhKb.b.求破裂面求破裂面BDBD的倾角的倾角c.c.求围岩总的垂直压力求围岩总的垂直压力Q Qd d求围岩垂直均布松动压求围岩垂直均布松动压力力q q2017/12/30Q=yh(B 一 htg)dd式中式中K K压力缩减系数，压力缩减系数，其值为其值为B B隧道开挖宽度；隧道开挖宽度；h h洞顶岩体覆盖层厚度洞顶岩体覆盖层厚度e e求围岩水平均布求围岩水平均布松动压力松动压力e1 =Yh e2 =YHe=(e1 +e2)K=1 一 .tg水平压力按梯形分布水平压力按梯形分布若为均布时若为均布时2017/12/30（三）围岩

18、压力计算实例如图所示单线铁路隧道，处在如图所示单线铁路隧道，处在IV级围岩中级围岩中.如埋深如埋深h=20m则则 围岩容重查得围岩容重查得=21.5kN/m3,计算时取纵向单位宽度的一环计算时取纵向单位宽度的一环。B=7.4m,Ht=8.8m。hq=0.41X1.79S 0.41X1.794 4 21m,q=21 5X4 21=90 5kN/m,水平压力水平压力e=（0.150.3）q=13.527.15kN/m检算检算h 20m（22.5）hq，属深，属深埋条件，正确。埋条件，正确。2017/12/30如果如果h=8m，h2hq应为浅埋。应为浅埋。按浅埋公式计算：按浅埋公式计算：查得查得 0

19、 =55o,=23otg0 =1.428,tg=0.425tg=tg0 +(t +一 =1.428+1.一4 8 1)=3.508=tg一 tg0 =0.116q=yh(1 一 )=162.84kN/me1 =yh=19.95kN/me2 =y(h+Ht)=41.90(kN/m)2017/12/30 4252 +028114g0g)tt1g020tgtg1+tg(tg0 一 tg)+tg0 tg例例2：某公路隧道通过级围岩，开挖尺寸如图所示，埋深 7.6m。矿山法施工，围岩天然容重=22kN/m3 ，试确定围岩 压力值。解：坑道高度与跨度之比为：Ht/Bt=7.6/9.9=0.77 5m 故i

20、=0.1则 负=1+0.1会(9.9 一 5)=1.49所以 q=0.45 会 2S一1 会 22 会1.49=118kPa水平均布围岩压力e=(0.15 0.3)q=(0.15 0.3)会118=17.7 35.4kPa2017/12/30三、结构力学计算模型将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构作为承载主将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构作为承载主体，体，围岩作为荷载主要来源，围岩作为荷载主要来源，同时考虑其对支护结构的变形同时考虑其对支护结构的变形 起约束作用，计算衬砌在荷载作用下的内力和变形。起约束作用，计算衬砌在荷载作用下的内力和变形。也称为也称为荷载荷载结构法结构法 结构力结构力学

21、模型学模型隧道衬砌结构受力变形特点围岩与支护结构相互作用的处理方法：围岩与支护结构相互作用的处理方法：主动荷载模式主动荷载模式主动荷载加被动荷载（围岩弹性约束、弹性主动荷载加被动荷载（围岩弹性约束、弹性抗力）的模式抗力）的模式实际荷载模式实际荷载模式e0=M/N（一）按极限状态法设计 的隧道结构截面检算（二）按破损阶段法及 允许应力法设计检算四、衬砌结构强度检算（一）按极限状态法设计的隧道结构截面检算按极限状态法设计检算规定：按极限状态法设计检算规定：（1）承载力及稳定：）承载力及稳定：结构构件均应进行承载能力结构构件均应进行承载能力（包括压屈（包括压屈 失稳）的计算，必要时尚应进行结构整体稳

22、定性计算。失稳）的计算，必要时尚应进行结构整体稳定性计算。（2）变形：）变形：对使用上需要控制变形值的结构构件，应进行变形验算对使用上需要控制变形值的结构构件，应进行变形验算。（3）抗裂及裂缝宽）抗裂及裂缝宽度：度：对使用上要求不出现裂缝的混凝土构件，对使用上要求不出现裂缝的混凝土构件，应进行混凝土抗裂验算；对应进行混凝土抗裂验算；对钢筋混凝土构件，应验算其裂缝宽度钢筋混凝土构件，应验算其裂缝宽度。隧道和明洞衬砌的混凝土偏心受压隧道和明洞衬砌的混凝土偏心受压构件，除应按承载能力及正常使构件，除应按承载能力及正常使 用极限状态验算外，其轴向力用极限状态验算外，其轴向力的偏心距不宜大于截面厚度的的

23、偏心距不宜大于截面厚度的0.45倍。倍。1、承载能力极限状态验算2、正常使用极限状态验算式中：式中：Nk轴力标准值，由轴力标准值，由各种作用标准值计算得到；各种作用标准值计算得到；sc混凝土衬砌构件抗压检算时作用效应分项混凝土衬砌构件抗压检算时作用效应分项系数系数；b、h截面宽度、厚度；截面宽度、厚度；fck混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度标准值标准值；轴向力偏心系数，可由轴向力偏心系数，可由e0/h值查得值查得Q构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌、明洞拱圈及回填紧密的构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌、明洞拱圈及回填紧密的边墙，可取边墙，可取 Q=1.0 ；对于其他构件，应根据其长细比查得；对于

24、其他构件，应根据其长细比查得；Rc混凝土衬砌构件抗压检算时抗力分项系数；混凝土衬砌构件抗压检算时抗力分项系数；考虑各种因素的概率影响之后的作用效应下，构件将出现的轴力设计值截面极限抗压能力1、承载能力极限状态验算Y N Qabhf /Ysc k ck RcYst Nk(6e 0 一 h)1.75Q.bh 2 fctk /YRtNk轴力标准值，由各种作用标准值计算得到；轴力标准值，由各种作用标准值计算得到；st混凝土衬砌构件抗裂检算时作用效应分项系数；混凝土衬砌构件抗裂检算时作用效应分项系数；Rt混凝土衬砌构件抗裂检混凝土衬砌构件抗裂检算时抗力分项系数；算时抗力分项系数；e0检算截面偏心距；检算

25、截面偏心距；fctk混凝土轴心抗拉强度标准混凝土轴心抗拉强度标准值（值（MPa）；）；2、正常使用极限状态验算式中：式中：K 安全系数；安全系数；N轴向力轴向力；Ra混凝土或砌体的抗压极限强度；混凝土或砌体的抗压极限强度；抗拉强度检算：KN 1.75Q.Rl bh 2/(6e 0 一 h)式中式中：Rl混凝土的抗拉极限强度；混凝土的抗拉极限强度；（二）按破损阶段法及允许应力法设计检算KN QCR a bh抗压强度检算：对混凝土矩形构件对混凝土矩形构件当当e00.2h时，抗压强度控制承载能力，不必检算抗时，抗压强度控制承载能力，不必检算抗裂；裂；当当e00.2h时，抗拉强度控制承载能力，不必检算

26、抗压。时，抗拉强度控制承载能力，不必检算抗压。五、地层结构法计算模型假设：假设：（1）围岩为均质、各向同性的连续介质）围岩为均质、各向同性的连续介质（2）只考虑自重形成的）只考虑自重形成的初始应力场初始应力场（3）隧道形状以规则的圆形为主）隧道形状以规则的圆形为主（4）隧道埋设于相当深度，看）隧道埋设于相当深度，看作无作无限平面中的孔洞问题限平面中的孔洞问题基尔西基尔西(G.Kirsch)公式：公式：（1）随着深向岩体内部，应力变化幅度减小，回复到初）随着深向岩体内部，应力变化幅度减小，回复到初 始应力状态。始应力状态。（2）孔壁部位变化最大，）孔壁部位变化最大，而且呈单向受压状态。当该值大于

27、而且呈单向受压状态。当该值大于岩体的单轴抗压强度岩体的单轴抗压强度Rc，就可能出现破坏。，就可能出现破坏。u|r=r0 =(YHc sin+Ccos)(1-sin)c+由此可见，在形成塑性区后，隧道壁径向位移不仅与岩 体的物理参数C、Y坑道尺寸r0和隧道埋深Hc有关，而且 还取决于支护阻力Pa 的大小。nin2si1-stotcoCcCpaYH2Gr0r塑性区围岩应力分布状态1、2塑性区；3、4弹性区；1松动区；2塑性强化区；3弹性承载区；4原岩应力区深埋深埋圆形圆形洞室洞室弹塑性弹塑性围岩围岩二次应力分布状态二次应力分布状态rR21塑性区弹性区 r r rr1-sinQR=r0|(1-sin

28、Q)|2sinQpi =(p0+ccotQ)(1-sinQ)()1-sinQ-ccotQp0 +ccotQ 2sinQLpi +ccotQ 隧道衬砌结构有两个最隧道衬砌结构有两个最基本的使用要求：基本的使用要求：一是满足结构强度，刚度的要一是满足结构强度，刚度的要求，以承受诸如水、求，以承受诸如水、上压力以及一些特殊使用要求的外荷载。上压力以及一些特殊使用要求的外荷载。二是提供一个能满足使二是提供一个能满足使用要求的工作环境，保持用要求的工作环境，保持 隧道内部的干燥和洁净。隧道内部的干燥和洁净。上述两个要求不是相互矛盾而是密上述两个要求不是相互矛盾而是密切相关连切相关连 的。特别是在饱和含水

29、软的。特别是在饱和含水软土地层中采用装配式钢土地层中采用装配式钢 筋混凝土管片结构，尤以筋混凝土管片结构，尤以衬砌防水的这个矛盾更衬砌防水的这个矛盾更 为突出，与工程成功与否为突出，与工程成功与否关系程度较大，必须予关系程度较大，必须予 以注意。以注意。3.盾构隧道设计与计算盾构隧道设计与计算钢筋混凝土管片的设计要求和方法（一）按造强度、变形、裂缝限制等需要分别 进行验算。（二）确定衬砌结构的几个工作阶段施工 荷载阶段，基本使用荷载阶段和特殊荷载阶段，提出各个工作阶段的荷载和安全质量指标要求（衬砌裂缝宽度，接缝变形和直径变形的允许量，隧道抗渗防漏指标，结构安全度，衬砌内表面平 整度要求等）进行

30、各个工作阶段和组合工作阶段 的结构验算.3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 结构计算方法的选择目前装配式圆形隧道衬砌结构的计算方法大 都把衬砌环看作一按自由变形的匀质（等刚度）圆环计算，而接缝上的刚度不足往往采用衬砌环 的错缝拼装予以弥补。这种加强接缝刚度的处理 和匀质（等刚度）圆环计算方法在饱和含水地层 中的隧道衬砌计算用得较为普遍。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 荷载的确定衬砌的设计不仅应满足隧道使用阶段的承载及功能要求，还要满足施工过程中的安全性要求。基本荷载在设计时所必须考虑的荷载；附加荷载在施工中或竣工后作用的荷载；是根据隧道的使用目的，施工条件以及周

31、围环 境进行考虑的荷载。特殊荷载根据围岩条件、隧道的使用条件 所必须特殊考虑的荷载。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 基本荷载1.地层压力2.水压力3.自重4.上覆荷载的影响5.地基抗力附加荷载6.内部荷载7.施工荷载8.地震的影响特殊荷载9.平行配置隧道的影响接近施工的影响荷载的分类计算工况荷载种类荷载组合 系数第一组合 施工阶段第二组合 运行阶段第三组合 地震验算地面超载1.4结构自重1.2地层垂直水土 压力1.2水平水土压力1.2外水压力1.2道路设计荷载1.4盾构千斤顶顶 力1.2不均匀注浆压 力1.2地震荷载1.3荷载的分类3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与

32、计算 （一）基本使用阶段（衬砌环宽按lm考虑）3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 1.自重g=yh .3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 2.竖向土压q=yi .hi3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算.3.拱背土压G=2(|1-)|R .Y=0.43R YH2H2（4)3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算.3.拱背土压G=2(|1-)|R .Y=0.43R YH2H2（4)3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 4.地面超载20KN/m2，可累加到竖向土压项中。5.侧向均匀土压p1 =q.tan 2(|（4 5。-2c.tan(|

33、（45。-3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 6.侧向三角形主动p2 =2RH .Y.tan 2(|45。-Q)|（2)7.侧向土抗力侧向土抗力按温克尔局部变形理论计算，抗力图形呈一等腰三按温克尔局部变形理论计算，抗力图形呈一等腰三 角形，抗力范围按与水平直径上下呈角形，抗力范围按与水平直径上下呈45考虑。考虑。Pk =k.y3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算(2q 一 p1 一 p2 +q)Ry=24(EJ+0.045kR )H4H43.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 8.水压水压按静水压力考虑。按静水

34、压力考虑。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 9.拱底反力PR =q+g+0.2146RHY 一 RH .Y w用目前土力学理论和有关公式计算隧道外围的用目前土力学理论和有关公式计算隧道外围的 荷载情况，计算结果往荷载情况，计算结果往往是较为粗糙，有时甚至往是较为粗糙，有时甚至会出现与实际外荷情祝截然相反的情况。较为可会出现与实际外荷情祝截然相反的情况。较为可 行的办法是先作一般的理论计算，再进行实地的行的办法是先作一般的理论计算，再进行实地的 现场量测，根据试验结果对原来设计进行必要的现场量测，根据试验结果对原来设计进行必要的 修改。修改。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的

35、设计与计算（二）施工阶段：隧道衬砌结构在到达基本使用阶段前，已经历 了一系列的施工阶段荷载的考验。衬砌结构在施工 阶段有可能碰到比基本使用阶段更为不利的工作条 件，产生了极为不利的内力状态。导致出现了衬砌 结构的开裂、破碎、变形、沉陷和漏水等严重情况。这种情况尤以在盾构推进过程为甚，必须进行现场进行现场 观测和相应的附加验算，并提出改观测和相应的附加验算，并提出改进措施进措施。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 1 管片拼装钢筋混凝土管片拼装成环时，对纵向接缝拧紧 螺栓，由于管片制作精度不高，环面接触不平，住 往在拧紧螺栓时，使管片局部出现较大的集中应力，导致管片开裂和存在着局部

36、内应力。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 2 盾构推进由于制作和拼装的误差管片的环缝面往往是参 差不平的。当盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是 千斤顶顶力存在偏心状态情况下，极易使管片开裂 和顶碎。这种现象在目前往往被看作为衬砌设计的个重要的控制因素。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 3 衬砌背后压注衬砌背后压注为了改善衬砌结构的工作条件和防止地面出现为了改善衬砌结构的工作条件和防止地面出现 大量的沉降量，在衬砌背后的建筑空隙内注以水大量的沉降量，在衬砌背后的建筑空隙内注以水 泥浆或水泥砂浆等材科。在软土地层中注浆材料泥浆或水泥砂浆等材科。在软土地层中注浆材料 常

37、不是均匀分布在衬砌四周，而仅是局部聚集在常不是均匀分布在衬砌四周，而仅是局部聚集在 注浆孔的定范围内，过高的注浆压力常引起圆注浆孔的定范围内，过高的注浆压力常引起圆 环变形和出现局部的集中应力，封顶楔形块管片环变形和出现局部的集中应力，封顶楔形块管片 也会向内滑移，为了控制这种不利工作条件的出也会向内滑移，为了控制这种不利工作条件的出 现，必须对注浆压力进行一定的控制。现，必须对注浆压力进行一定的控制。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 4 衬砌环刚出清尾的初期衬砌环刚出清尾的初期衬砌顶部土压即迅速作用到衬砌上，而侧压却衬砌顶部土压即迅速作用到衬砌上，而侧压却 因某种原因未能及时

38、作用，这时衬砌可能处于比因某种原因未能及时作用，这时衬砌可能处于比 基本使用阶段更为不利的工作条件。基本使用阶段更为不利的工作条件。衬砌结构在施工阶段引起的不利工作条件的因衬砌结构在施工阶段引起的不利工作条件的因 素很多，难以事先估计。目前一般的处理方法是素很多，难以事先估计。目前一般的处理方法是 从实地观测和提出相应改进措施外，通常采用一从实地观测和提出相应改进措施外，通常采用一 个笼统的附加安全系数，以保证衬砌结构的一定个笼统的附加安全系数，以保证衬砌结构的一定 安全度。安全度。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算（三）特殊荷载阶段（三）特殊荷载阶段衬砌结构除对上述两个工作阶段

39、进行结构验算衬砌结构除对上述两个工作阶段进行结构验算 外，根据使用需要还得进行特殊荷载阶段的验外，根据使用需要还得进行特殊荷载阶段的验算，算，这种特殊荷重往往属于这种特殊荷重往往属于瞬时性的荷载，且荷载作瞬时性的荷载，且荷载作用时间又短用时间又短，但这个工作阶段的验算往往是控，但这个工作阶段的验算往往是控制制 衬砌结构设计的关键。在此阶段进行结构验算衬砌结构设计的关键。在此阶段进行结构验算时，时，可可妥善合理选择结构的附加安全系数和适当提高妥善合理选择结构的附加安全系数和适当提高 建筑材料的物理力学性能指标。建筑材料的物理力学性能指标。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 四、衬砌

40、内力计算：（一）按自由变形均质圆环内力计算在饱和含水软土地层中，主要由于工程上的防 水要求对由装配式衬砌组成的衬砌圆环，其接缝必 须具有一定的刚度，以减小接缝变形量。由于相邻 环间按错缝拼装，并设置一定数量的纵向螺栓或在 环缝上设有凹凸榫槽，使纵缝刚度有了一定的提高。因此，圆环可近似地认为一均质刚性圆环。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算（二）考虑土壤介质侧向弹性抗力的圆环内力计算仍按匀质刚度圆环计算。土壤抗力图形分布在水平直径上下备45的范 围内，在水平直径处：Pk =ky(1-2 cosa)圆环水平直径处受荷后最终半径变形值为

41、：(2q-p1 -p2 +q)Ry=24(EJ+0.045kR )将由Pk引起的圆环内力和其他衬砌外荷引起的 圆环内力叠加，即最终的圆环内力(表10-8)。H4H43.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算(三）日本修正惯用法事实上拼装管片接头上弯矩的传递主要由环间 剪切来完成，目前考虑接头的影响主要通过假定弯 矩传递的比例来实现。国际隧道协会推荐两种估算 方法。（自看）3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算（四）按多铰圆环计算圆环内力：在衬砌外围土壤介质能明确地提供土壤的弹性 抗力条件下，装配式衬砌圆环可按多铰圆环计算。多铰圆环的接缝构造，可分为设置防水螺栓、设置 拼装施工要

42、求用的螺栓，或不设置螺栓而代以各种 几何形状的样槽的几种形式。日本山本栓法3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 计算中的几个假定1）适用于圆形结构。2）衬砌环在转动时，管片或砌块视作刚体处理。3）衬砌环外围土抗力接均变形式分布，土抗力的 计算要满足衬砌环稳定性的要求，土抗力作用方向全部朝向圆心。4）计算中不计及圆环与土壤介质间的摩擦力，这 对于满足结构稳定性是偏于安全的。5）土抗力和变位间关系按文克列尔公式计算。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算 3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算(qi -qi-1)Ci i-i-1qCi =qi-1 +衬砌各个截面处地

43、层抗力方程式：衬砌结构在各个工作阶段的内力计算完成后，就可分别或组合几个工作阶段的内力情况进行断面 选择。断面选择在各个不同工作阶段具有不同的内 容和要求。在基本使用荷载阶段，需进行抗裂或裂缝限制，强度和变形等验算，而在组合基本荷载阶段和特殊 荷载阶的肪衬砌内力时，一般仅进行强度的检验变形和裂缝开展可不予以考虑。3 衬砌断面设计衬砌断面设计3.1 抗裂及裂缝限制的计算对一些使用要求较高的隧道工程，衬砌必须进 行抗裂或裂缝宽度限制的计算，以防止钢筋锈蚀面 影响工程使用寿命。（一）抗裂计算当衬砌不允许出现裂缝时，需进行抗裂计算。偏压构件断面上的内力分别为弯矩M、轴向力N。3 衬砌断面设计衬砌断面设计为偏于安全计，常接Ke0验算。（可由拉、压区的钢筋面积联调整Ke0）。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算3.2、衬砌断面强度计算衬砌结构根据不同工作阶段的最不利内力，分 别进行正负弯矩的偏压构件强度计算和截面选择。基本使用荷载阶段隧道衬砌构件的强度计算，可接钢筋混凝土结构设计规范（GB50010-2002）中表11、12规定的强度安全系数进行。偏 压构件可取强度安全系数K1.55。基本使用荷载和特殊荷载组合阶段的强度安全 系数可按特殊规定进行。3 衬砌断面设计衬砌断面设计