隧道衬砌设计与计算ppt课件.ppt

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1、第5章隧道衬砌结构计算5.1概述一、简况1.隧道结构设计理论的发展历史（1）最初的隧道衬砌使用砖石材料，其结构型式通常为拱形。采用的截面厚度常常很大，所以结构变形很小，可以忽略不计。因为构件的刚度很大，故将其视为刚性体，计算时按静力学原理确定其承载时压力线位置，检算结构强度。（2）在十九世纪末，混凝土已经是广泛使用的建筑材料，它具有整体性好，可以在现场根据需要进行模注等特点。这时，隧道衬砌结构是作为超静定弹性拱计算的，但仅考虑作用在衬砌上的围岩压力，而未将围岩的弹性抗力计算在内，忽视了围岩对衬砌的约束作用。其计算原理和地面结构一样。由于把衬砌视为自由变形的弹性结构，因

2、而，通过计算得到的衬砌结构厚度很大，过于安全。（3）考虑弹性抗力的计算模型，进入本世纪后，通过长期观测，发现围岩不仅对衬砌施加压力，同时还约束着衬砌的变形。围岩对衬砌变形的约束，对改善衬砌结构的受力状态有利，不容忽视。2、弹性抗力的确定衬砌在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩形成“脱离区”的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓“抗力区’(如图5-1所示)。在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩，相应地产生被动抵抗力，即“弹性抗力”弹性抗力因围岩性质、围岩压力大小和结构变形的不同而异。但是对这个问题有不同的见解，即局部变形理论和共同变形理论。图5-1局部变形理论图5-2独立的弹

3、簧共同变形理论共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻岩柱之间变形的相互影响，即考虑独立岩柱之间的联系。它用纵向变形系数E和横向变形系数μ表示地层特征，并考虑粘结力C和内摩擦角φ的影响。但这种方法所需围岩物理力学参数较多，计算相对复杂。5-3联合的弹簧国际隧道协会(ITA)在1987年成立了隧道结构设计模型研究组，收集和汇总了各会员国采用的地下结构设计方法。经过总结，国际隧道协会认为，目前采用的地下结构设计方法可以纳为以下4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;以现场量测和试验为主的实用设计方法;荷载一结构模型。将围岩对结构的作用简化

4、为荷载作用于结构上进行计算;连续介质模型，将围岩和结构作为整体进行计算。包括解析法和数值法，数值计算法前主要是有限单元法，也可利用各种有限元软件来计算。从各国的地下结构设计实践看，主要采用上述后两类计算模型，荷载-结构计算模型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。利用这类模型进行隧道支护结构设计的关键问题，是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。一旦这两个问题解决了，剩下的就只是运用普通结构力学方法求出超静定结构的内力和位移了。属于这一类模型的计算方法有:弹

5、性连续框架(含拱形)法、假定抗力法和弹性地基梁(含曲梁和圆环)法等都可属于荷载-结构法。3.隧道衬砌荷载及其类型（1）荷载类型作用在衬砌上的荷载，按其性质可以区分为主动荷载与被动荷载两大类。主动荷载是主动作用于结构、并引起结构变形的荷载；主动荷载包括主要荷载(指长期及经常作用的荷载，有围岩压力、回填士荷载、衬砌自重、地下静水压力等)和附加荷载(指非经常作用的荷载，有灌浆压力、冻胀压力、混凝士收缩应力、温差应力以及地震力等)，计算时应根据这两类荷载同时存在的可能性进行组合。在一般情况下可仅按主要荷载进行计算。特殊情况下才进行必要的组合，并选用相应的安全系数检算结构强度。

6、被动荷载主要指围岩的弹性抗力，它只产生在被衬砌压缩的那部分周边上。其分布范围和图式一般可按工程类比法假定，通常可作简化处被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起限制作用。《公路隧道设计规范》JTGD70-2004中在对隧道结构进行计算时，《列出了荷载类型，（如表5-1所示）并按其可能出现的最不利组合考虑。表5-1作用在隧道结构上的荷载（2）荷载组合：结构自重＋围岩压力＋附加恒载（基本）结构自重＋土压力＋公路荷载＋附加恒载结构自重＋土压力＋附加恒载＋施工荷载＋温度作用力结构自重＋土压力＋附加恒载＋地震作用附加恒载：伴随隧道运营的各种

7、设备设施的荷载等。4.衬砌计算的有关规定（1）深埋隧道中的整体衬砌、浅埋隧道中的整体或复合式衬砌及明洞衬砌等应采用荷载结构法计算。深埋隧道中复合式衬砌的二次衬砌也可采用荷载结构法计算。荷载结构法的设计原理认为，隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌内力，并进行结构截面设计。表5-2各级围岩弹性抗力系数表注：（1）采用荷载结构法计算隧道衬砌的内力和变形时，应通过考虑弹性抗力等体现围岩对衬砌变形的约束作用。弹性抗力