第五章隧道支护结构计算.ppt

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1、『第五章▎隧道支护结构计算5『5.1▎隧道施工过程的力学特性『5.2▎隧道衬砌受力计算『5.3▎半衬砌结构计算隧道工程SUIDAOGONGCHENG『5.4▎直墙式衬砌结构计算『5.5▎曲墙式衬砌结构计算『5.6▎隧道洞门计算『5.7▎衬砌截面强度验算初期支护和衬砌结构型式是否合理，对于结构的承载能力和经济效果都有很大的影响。其中围岩的稳定性对于结构型式的选择起决定的作用。隧道支护体系岩体支护结构通常情况下是主要承载单元初期支护二次衬砌一方面承受围岩压力、结构自重以及其它荷载的作用；另一方面可以防止围岩风化、崩塌、防水。隧道洞室开挖后，围岩的初

2、始应力状态遭到破坏，围岩应力在洞室周围一定范围内的重新调整，这种应力状态称为二次应力状态或洞室的应力状态。『5.1▎隧道施工过程的力学特性『5.1.1▎隧道洞室开挖后的应力状态影响洞室围岩二次应力状态的因素是很多的，如围岩的初始应力状态，岩体地质因素、洞室开挖的形状和尺寸、埋深以及洞室开挖的施工技术等。但目前对洞室二次应力状态的力学分析多以下述假定为前提：1．基本假定1）视围岩为均质的，各向同性的连续介质。2）只考虑自重产生的初始应力场。3）隧道形状是规则的圆形为主。4）隧道位于地表下一定的深度处，可简化为无限体中的孔洞问题(图5-1)。图5-

3、1无限体中的孔洞问题隧道开挖后，围岩中的应力与位移视围岩强度可能会出现两种情况：一种是围岩仍处于弹性状态；另一种是开挖后应力达到或超过围岩的屈服条件，使部分围岩处于塑性状态。xhAyσσσ=σ=ghlghxyxy为了更清晰的说明问题，还可以认为对位于自重应力场中的深埋隧道，它形成的初始应力为常量场，也就是可以假定围岩的初始应力到处都是一样的，如图5-2所示，并取其等于隧道中心点的自重应力，即2．隧道开挖后的弹性二次应力状态(5-1)图5-2围岩的初始应力θrσσσσσσxyyxxyrc0θr对于在围岩中开挖半径为的圆形隧道，弹性力学中有现成答案

4、，即基尔西(G.Kirsch)公式。在洞室周边上且轴对称的情况，即r=r0处，当l=1，有：(5-2)上面各式中正应力又称法向应力，以压为正，剪应力以作用面外法线与坐标轴一致而应力方向与坐标轴指向相反为正。径向位移向隧道内为正，切向位移顺时针为正。将式5-2所表示的围岩二次应力场与位移场绘成图5-3，由该曲线可看出，在洞室周边上，主应力sr和sq的差值最大(2p0)，由此衍生的剪应力最大，所以洞室周边是最容易破坏的，实践也证明，洞室的破坏总是从周边开始，并逐步向深处发展的。从图中还可看出，随着r/r0的增大，sr和sq均迅速接近围岩的初始应力，

5、当r/r0超过5时，相差都在5%之内。图5-3围岩二次应力场与位移场2p00p=ghrσθσ0rσr/r0123456对于非圆形隧道的围岩二次应力场和位移场的确定，要用到复变函数担负映射理论，公式比较繁杂，这里不详述。对于浅埋圆形隧道，围岩的二次应力场和位移场就不能按以上各式确定了，应采用弹性力学中的R.D.Mindilin公式，更进一步的方法是采用有限元法等。3．隧道开挖后的弹塑性二次应力状态自然界的岩体很少是线弹性的，因此，开挖隧道可能使局部区域的围岩进入塑性状态或受拉而破坏。对于承受任意应力状态作用的连续、均质、各向同性的岩土类材料，常采

6、用莫尔—库仑(Mohr—Coulomb)条件作为塑性判据，亦称为屈服准则(图5-4)。对于在洞室周边上且轴对称的情况，l=1时，距隧道中心某一距离的各点，其应力值是相同的，因此围岩中的塑性区必然是个圆形区域，如图5-5。令这个圆形塑性区的半径为R0，那么在塑性区与弹性区的交界面上(即在r=R0处)，塑性区的应力sp与弹性区的应力se一定保持平衡，同时，交界面上的应力既要满足弹性条件，又要满足塑性条件，可得到在r=R0处：图5-4材料的屈服准则图Ccotφppθσ1σrσσ3bR/2φCστ(5-3)对于l≠1的情况，围岩弹塑性二次应力场和位移场

7、比较复杂，这里不再详述。图5-5围岩弹塑性区0Rrθrσσ0塑性区弹性区『5.1.2▎隧道围岩定性判据隧道围岩丧失稳定是围岩二次应力与围体强度特征的矛盾过程的发展结果。围岩的二次应力场能否造成隧道围岩的失稳破坏，要具有一定的转化条件和转化过程。从工程设计的角度来看，这个转化条件就是所谓判据。1．围岩的二次应力状态与岩体强度的关系实验证明，只有围岩的应力状态超过岩体的强度条件，才能造成岩体的塑性变形、剪切破坏、坍塌、滑动、弯曲变形等失稳的前兆。所以，满足岩体的强度条件是围岩失稳和破坏的必要条件。2．围岩的位移状态他岩体变形能力的关系工程实践证明，

8、隧道是高次超静定结构，围岩局部区域进入塑性状态或受拉破坏，都不一定意味着隧道围岩就将丧失整体的稳定性。除非渐进的强度损失引起岩体变形无法控制，使围岩极