隧道工程第5章隧道支护结构设计.pdf
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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
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- 关 键 词:
- 隧道 工程 支护 结构设计