第5章隧道结构体系设计原理与方法.ppt

第五章 隧道结构体系设计 原理与方法 第一节 概 述 第六节 隧道结构体系的计算模型 一、计算模型的建立原则 一个理想的隧道工程的数学力学模型应能反映下列的因素： 必须能描述有裂隙和破坏带的，以及开挖面形状变化所形成的三维几何形状。 对围岩的地质状况和初始应力场不仅要能说明当时的，而且还要包括将来可能出现的状态。 应包括对围岩应力重分布有影响的岩石和支护材料非线性特性，而且还要能准确地测定出反映这些特性的参数。 如果要知道所设计的支护结构和开挖方法能否获得成功，即想评估其安全度，则必须将围岩、锚杆和混凝土等材料的局部破坏和整体失稳的判断条件纳入模型中。当然，条件必须满足现行设计规范的有关规定。 要经得起实际的检验，这种检验不能只是偶然巧合，而是需要保证系统的一致性。 二、常用的计算模型 从各国的地下结构设计实践看，目前在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算模型：第一类模型是以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；第二类模型则相反，是以围岩为承载主体，支护结构则约束和限制围岩向隧道内变形。 第一类模型又称为传统的结构力学模型。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，故又可称为荷载—结构模型(图5-23a)。 这一类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。 属于这一类模型的计算方法有：弹性连续框架(含拱形)法，假定抗力法和弹性地基梁(含曲梁和圆环)法等。 图5-23 隧道计算模型 第二类模型又称为现代的岩体力学模型。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，故又称为围岩—结构模型或复合整体模型(图5-23b)。 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。 利用这个模型进行隧道结构体系设计的关键问题，是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。一旦这些问题解决了，原则上任何场合都可用有限单元法求出围岩与支护结构的应力、位移状态。 第七节 隧道结构体系设计计算方法 一、结构力学方法 (一)荷载—结构模型的建立 ①主动荷载模型(图5-24a) 不考虑围岩与支护结构的相互作用，因此，支护结构在主动荷载作用下可以自由变形，其计算原理和地面结构一样。 ②主动荷载加围岩弹性约束模型（图5-24b）。 认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构的相互作用，围岩还对支护结构施加被动的弹性抗力。 图5-24 荷载—结构模型 (二) 作用(荷载)组成 采用荷载—结构模型分析支护结构内力时，其中最重要的是围岩的松动压力，支护结构自重可按预先拟定的结构尺寸和材料容重计算确定。 * * 隧道的结构体系是由围岩和支护结构共同组成的。其中围岩是主要的承载元素，支护结构是辅助性的，但通常也是必不可少的，在某些情况下，支护结构主要起承载作用。这就是按现代岩石力学原则设计支护结构的基本出发点。 隧道开挖前岩体处于初始应力状态，谓之一次应力状态；开挖隧道后引起了围岩应力的重分布，同时围岩将产生向隧道内的位移，形成了新的应力场，称之为围岩的二次应力状态，这种状态受到开挖方式(爆破、非爆破)和方法(全断面开挖、分部开挖等)的强烈影响。如果隧道围岩不能保持长期稳定，就必须设置支护结构，从隧道内部对围岩施加约束，控制围岩变形，改善围岩的应力状态，促使其稳定，这就是三次应力状态。显然这种状态与支护结构类型、方法以及施设时间等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构，这样，这个力学过程才告结束。 要进行支护结构设计，就必须充分认识和了解以下五方面的问题： 围岩的初始应力状态，或称一次应力状态 , 这部分内容已在第四章中作了介绍； 开挖隧道后围岩的二次应力状态 和位移场 ； 判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件即围岩稳定性准则。一般可表示为： (5-1) 式中的 、 是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标。 、