隧道工程第5章隧道支护结构设计.pdf

1、5.1隧道结构的设计模型1.刚性结构阶段2.弹性结构阶段3.连续介质阶段一、计算理论（力学模型）发展历史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。支护结构上的压力是其上覆岩层的重力，没有考虑围岩自身的承载能力。将地下结构视为刚性结构的压力线理论。支护结构上的压力是其上覆岩层的重力，没有考虑围岩自身的承载能力。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静定结构力学方法计算结构内力。作用在结构上的压力：围岩坍落体积内松动岩体的重力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力松动压力。并考虑了地层对结构产生

2、的弹性反力的约束作用。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。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20世纪初期，假定弹性反力的分布图形位置线为三角形或梯形世纪初期，假定弹性反力的分布图形位置线为三角形或梯形1934年，按结构的变形曲线假定地层弹性反力的分布图形为月牙形局部变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论年，按结构的变形曲线假定地层弹性反力的分布图形为月牙形局部变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论3.3.连续介质阶段坑道开挖坑道开挖向洞室内

3、变形而释放的围岩压力向洞室内变形而释放的围岩压力支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。这种反作用力和围岩的松动压力极不相同，它是支护结构与围岩共同变形过程中对支护结构施加的压力，称为这种反作用力和围岩的松动压力极不相同，它是支护结构与围岩共同变形过程中对支护结构施加的压力，称为形变压力。形变压力。二、国际隧道协会归纳的四种设计模型二、国际隧道协会归纳的四种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，例如以洞周位量测值为根据的收敛约束法；作用与反作用模型，即荷载以参照过去隧道工程实践经验进

4、行工程类比为主的经验设计法；以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，例如以洞周位量测值为根据的收敛约束法；作用与反作用模型，即荷载结构模型，例如弹性地基圆环计算和弹性地基框架计算等计算法；（结构力学模型）连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。（岩体力学模型）结构模型，例如弹性地基圆环计算和弹性地基框架计算等计算法；（结构力学模型）连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。（岩体力学模型）常用计算模型图5-23 隧道计算模型1、结构力学模型2、岩体力学模型1 1、结构力学模型松弛（动）荷载理论松弛（动）荷载理论主要适用于围岩因过分变形而发生松

5、弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。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。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“松动”压力的情况。它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承。在这类模型中隧道支护

6、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，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，弹性支承约束支护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。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抗力如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的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）2 2、岩体力学模型现代围岩共同承载理论现代围岩共同承载理论它是

7、将支护结构与围岩视为一体，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，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形它是将支护结构与围岩视为一体，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，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，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，以及地质中不连续面等等。可以用解析法求解，或用收敛结构模型中可以考虑各种几何形状，围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，以及地质中不连续面等等。可以用解析法求解，或用收敛约束法图解，但绝大部分问题，因数学上的困难必须依赖

8、数值方法，尤其是有限单元法。约束法图解，但绝大部分问题，因数学上的困难必须依赖数值方法，尤其是有限单元法。关键问题关键问题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。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。（围岩（围岩结构模型、复合整体模型、收敛结构模型、复合整体模型、收敛约束模型）约束模型）一、结构选型 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、荷载确定荷载结构法 松动压力地层结构法 释放荷载（形变压力）第2节 矿山法隧道的设

9、计与计算1、围岩松动压力的形成2017/12/30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。2017/12/30（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）“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：2017/12/30（3）施工因素）施工因素围岩地质条件、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（2）隧道的埋深）隧道的埋深隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩的

10、松动压力也越大。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。自然拱范围影响因素自然拱范围影响因素（一）深埋隧道围岩松动压力的确定方法2017/12/30*1、铁/公路隧道设计规范（隧规）推荐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。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）推荐方法单线单线铁路隧道按概率极限状态按概率极限状态设计时sq79.141.0hq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1Sq245.

11、0hq垂直压力垂直压力q水平分布松动压力水平分布松动压力e2017/12/30式中式中hq等效荷载高度值；等效荷载高度值；s围岩级别，如围岩级别，如级围岩级围岩s=3；围岩的容重；围岩的容重；宽度影响系数，宽度影响系数，B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为基准），当为基准），当B5m时取时取i=0.2,B 5m时，取时，取i=0.1。H/B1.7(H为坑道的高度）；深埋隧道；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为坑道的高度）；深埋隧道；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

12、公式适用条件公式适用条件)5B(i1sq79.141.0hq1Sq245.0hqsq79.141.0h1Sq245.0h2017/12/30垂直松动压力的分布图垂直松动压力的分布图用等效荷载，即非均布压力的总和应与均布压力的总和相等的方法来确定各荷载图形的高度值。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的方法来确定各荷载图形的高度值。（二）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qp2.5)h2(H 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

13、荷载高度值。等效荷载高度值。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时为浅埋时为浅埋sq79.141.0h1Sq245.0h其系数在松软的围岩中取高限，而在较坚硬围岩中取低限，如矿山法施工条件下，其系数在松软的围岩中取高限，而在较坚硬围岩中取低限，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。2017/12/302、浅埋隧道围岩松动压力的确定方法当隧道埋深不大时，不能形成“自然拱”。采用松散介质极限平衡理论进行分析。当隧道埋深不大时，不能形成“自然拱”。采用松散介质极限平衡理论进行

14、分析。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=围岩松动压力则围岩松动压力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hq)245(tg)H21q(e02t2017/12/30隧道埋深隧道埋深h小于或等于等效荷载高度小于或等于等效荷载高度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2017/12/30隧道埋深隧道埋深h大于等

15、效荷载高度大于等效荷载高度hq（即（即hhq）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,BD2）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。2017/12/302017/12/302sin211TWQtgtgtgtgtgtg00020)1(cosh21T21)tghB(hQhKBtgh1hBQq）求作用在隧道支护结构上的围岩松

16、动压力值，其步骤如下：求作用在隧道支护结构上的围岩松动压力值，其步骤如下：式中，W1为已知的EFHG的土体重，T式中，W1为已知的EFHG的土体重，T1 1sin2为EFHG土体下滑时受两侧土体挟制的摩擦力a.求两侧三棱体对洞顶土体的挟制力T1b.求破裂面BD的倾角c.求围岩总的垂直压力Qd求围岩垂直均布松动压力q sin2为EFHG土体下滑时受两侧土体挟制的摩擦力a.求两侧三棱体对洞顶土体的挟制力T1b.求破裂面BD的倾角c.求围岩总的垂直压力Qd求围岩垂直均布松动压力q)(1 000tgtgtgtgtgtgtgtg侧压力系数侧压力系数0dd2017/12/30he 1He 2)(2121e

17、ee式中K式中K压力缩减系数，其值为压力缩减系数，其值为tgBh1KB B隧道开挖宽度；h隧道开挖宽度；h洞顶岩体覆盖层厚度e求围岩水平均布松动压力水平压力按梯形分布若为均布时洞顶岩体覆盖层厚度e求围岩水平均布松动压力水平压力按梯形分布若为均布时（三）围岩压力计算实例2017/12/30hq=0.41X1.79S0.41X1.794421m,如埋深如埋深h=20m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.则围岩容重查得则围岩容重查得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。q=215X421=905k

18、N/m,水平压力水平压力e=（0.150.3）q=13.527.15kN/m检算检算h20m（22.5）hq，属深埋条件，正确。，属深埋条件，正确。2017/12/30查得查得425.0tg,428.1tg23,5500508.3425.0428.1)1428.1(428.1428.1)1(200020tgtgtgtgtgtg116.0)(1 000tgtgtgtgtgtgtgtgm/84kN.162Btgh1(hq）m/95kN.191he)m/kN(90.41)Hh(t2e如果如果h=8m，h2hq应为浅埋。按浅埋公式计算：应为浅埋。按浅埋公式计算：2017/12/30例例2：某公路隧道通

19、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=0.771.71Sq245.0hq因为5m9m.9Bt故i=0.1则49.1)59.9(1.01所以118kPa49.122245.0q1S垂直均布围岩压力水平均布围岩压力4kPa.357.17118)3.015.0(q)3.015.0(e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体，围岩作为荷载主要来源，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。将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构作为

20、承载主体，围岩作为荷载主要来源，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。也称为也称为荷载荷载结构法 结构力学模型结构法 结构力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：主动荷载模式主动荷载加被动荷载（围岩弹性约束、弹性抗力）的模式实际荷载模式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加被动荷载（围岩弹性约束、弹性抗力）的模式实际荷载模式四、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（二）按破损阶段法及允许应力法设计检算e0=M/N（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

21、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（包括压屈失稳）的计算，必要时尚应进行结构整体稳定性计算。结构构件均应进行承载能力（包括压屈失稳）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）抗裂及裂缝宽度：）抗裂及裂缝宽度：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；对钢筋混凝土构件，应验算其裂缝宽度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构件，除应按承载能

22、力及正常使用极限状态验算外，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1、承载能力极限状态验算式中：式中：Nk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；Rcckksc/bhfNsc混凝土衬砌构件抗压检算时作用效应分项系数混凝土衬砌构件抗压检算时作用效应分项系数；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；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，

23、可取；对于其他构件，应根据其长细比查得；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；对于其他构件，应根据其长细比查得；0.1fck混凝土轴心抗压强度标准值混凝土轴心抗压强度标准值；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b、h截面宽度、厚度；截面宽度、厚度；2、正常使用极限状态验算Rtctk20kst/fbh75.1)h6e(N式中：式中：Nk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

24、抗裂检算时作用效应分项系数；Rt混凝土衬砌构件抗裂检算时抗力分项系数；混凝土衬砌构件抗裂检算时抗力分项系数；e0检算截面偏心距；检算截面偏心距；fctk混凝土轴心抗拉强度标准值（混凝土轴心抗拉强度标准值（MPa）；）；（二）按破损阶段法及允许应力法设计检算bhRKNaK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：)h/(6ebhR75.1KN02l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；抗压强度检算：对混凝土矩形构件当对混凝土矩形构件当e00.2h时，抗压强度控制承载能力，不必检算抗裂；当时，抗压强度控制承载能

25、力，不必检算抗裂；当e00.2h时，抗拉强度控制承载能力，不必检算抗压。时，抗拉强度控制承载能力，不必检算抗压。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）只考虑自重形成的初始应力场（）只考虑自重形成的初始应力场（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，看作无限平面中的孔洞问题）隧道埋设于相当深度，看作无限平面中的孔洞问题五、地层结构法计算模型基尔西基尔西(G.Kirsch)公式：公式：（1）随着深向岩体内部，应力变化幅度减小，回复到初始应力状态。（）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。（

26、2）孔壁部位变化最大，而且呈单向受压状态。当该值大于岩体的单轴抗压强度）孔壁部位变化最大，而且呈单向受压状态。当该值大于岩体的单轴抗压强度Rc，就可能出现破坏。，就可能出现破坏。rcotcot)sin1)(cossin(2|sin2sin100CpCHCHGruaccrr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、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。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围岩弹塑性围岩二次应力分布状态二次应力分布状态rr12Rrrr塑性区弹

27、性区cot)(sin1)(cot()sin1(cotcotsin1sin200sin2sin100cRrcppcpcprRii隧道衬砌结构有两个最基本的使用要求：一是满足结构强度，刚度的要求，以承受诸如水隧道衬砌结构有两个最基本的使用要求：一是满足结构强度，刚度的要求，以承受诸如水、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用要求的工作环境，保持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切相关连的。特别是在饱和含水软土地层中采用装配式钢筋混凝土管片结构，尤以衬砌防水的这个矛盾更为突出，与工程成功与否关系程度较大，必须予以注意。上压力以及一些特殊使用要求的外荷载。二是提供

28、一个能满足使用要求的工作环境，保持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切相关连的。特别是在饱和含水软土地层中采用装配式钢筋混凝土管片结构，尤以衬砌防水的这个矛盾更为突出，与工程成功与否关系程度较大，必须予以注意。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）进行各个工作阶段和组合工作阶段的结构

29、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，施工条件以及周围环境进行考虑的荷载。特殊荷载根据围岩条件、隧道

30、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荷载的分类基本荷载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（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3.盾构法隧道的

31、设计与计算盾构法隧道的设计与计算hg2.竖向土压3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算iniihq13.拱背土压3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算2243.0412HHRRG3.拱背土压3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算2243.0412HHRRG4.地面超载20KN/m2，可累加到竖向土压项中。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算5.侧向均匀土压3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算245tan2245tan21cqp6.侧向三角形主动3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算245tan222HRp7.侧向土抗力按温克尔局部

32、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角形，抗力范围按与水平直径上下呈45考虑。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ykPk4421045.0242HHkREJRqppqy8.水压按静水压力考虑。水压按静水压力考虑。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3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算wHHRRRgqP22146.0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。较为可行的办法是先作一般的理

33、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修改。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修改。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算（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

34、进行现场观测和相应的附加验算，并提出改进措施进行现场观测和相应的附加验算，并提出改进措施。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

35、与计算3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现，必须对注浆压力进行一定的控制。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环变形和出现局部的集中应力，封顶楔形块

36、管片也会向内滑移，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。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。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安全度。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。衬砌结构在施工阶段引起的不利

37、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算，这种特殊荷重往往属于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算，这种特殊荷重往往属于瞬时性的荷载，且荷载作用时间又短瞬时性的荷载，且荷载作用时间又短，但这个工作阶段的验算往往是控制衬砌结构设计的关键。在此阶段进行结构验算时，可，但这个工作阶段的验

38、算往往是控制衬砌结构设计的关键。在此阶段进行结构验算时，可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。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。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（二

39、）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。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与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：圆环水平直径处受荷后最终半径变形值为：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)。3.盾构法隧道的设计与计算盾构法隧道的设计与计算cos21 kyPk4H421045.0242kREJRqppqyH(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

40、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

41、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衬砌各个截面处地层抗力方程式：111)(iiiiiiiqqqq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

42、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