第6章-隧道结构计算

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1、《隧道工程》第六章隧道结构计算6.4隧道洞门计算第6章隧道结构计算6.3岩体力学方法6.1隧道结构体系的计算模型-重点/掌握6.2结构力学方法6.5衬砌截面强度检算6.1.1隧道工程的受力特点1.荷载的模糊性2.围岩物理力学参数难以准确获得3.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.设计参数受施工方法和施作时机的影响很大5.隧道与地面结构受力的不同点—围岩抗力的存在6.1隧道结构体系的计算模型6.1.2隧道结构体系的计算模型1.结构力学模型特点：◆以支护结构作为承载主体；◆围岩

2、对支护结构的作用间接地体现为两点：①围岩压力；②围岩弹性抗力。◆采用结构力学方法计算。适用于：模筑砼衬砌分为结构力学模型（荷载-结构模式）和岩体力学模型（地层模式）。★6.1隧道结构体系的计算模型§荷载结构法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。方法：关键是荷载的确定方法。6图4-2荷载—结构模型2.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6.1隧道结构体系的计算模型§地层结构法将地层与结构视为一整体来进行

3、分析，考虑地层-结构的共同作用。求解方法：解析法数值法83.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6.2.1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

4、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6.2结构力学方法2主动荷载+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。6.2结构力学方法3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。6.2结构力学方法6.2.2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。6.2结构力学方法6.2.3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

5、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6.2结构力学方法共同变形理论：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：地基为一均质、连续、弹性的半无限体。优点：①反映了地基的连续整体性；②从几何上、物理上对地基进行了简化，因而可以把弹性力学中有关半无限弹性体的经典问答已知结论作为计算的基础。2.半无限体弹性地基模型缺点：①弹性假设没有反映土体的非弹性性质；②均质假设没有反映土体的不均匀性；③半无限体假设有反

6、映地基的分层特点；④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。局部变形理论★：以温克尔（E.Winkler）假定为基础的。该理论认为围岩的弹性抗力与围岩在该点的变形成正比。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弹簧。当地基表面上某一点受压力p时，由于弹簧是彼此独立的，故只在该点局部产生沉陷y，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。优点：可以考虑梁本身的实际弹性变形，消除了反力直线分布假设中的缺点。局部弹性地基模型的计算较为简单，在实际应用较为方便。缺点：没有反映地基的变形连续性，当地基表面在某一点

7、承受压力时，实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况，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。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。隧道衬砌结构计算的矩阵位移法基本原理矩阵位移法又叫直接刚度法，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）；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

8、平衡条件）。隧道衬砌结构计算的矩阵位移法①三种单刚◆衬砌单刚：梁单元◆抗力单刚：