隧道工程课件：隧道结构设计理论与方法（三）.pptx

隧道结构设计理论与方法（三）

本章内容提要本章教学目标：熟悉隧道支护结构设计的基本理念、特征和方法；熟悉隧道开挖前后围岩应力状态的改变掌握隧道支护结构设计的荷载-结构模型、地层-结构模型；了解围岩及支护特征曲线的意义，熟悉隧道支护结构设计的收敛-约束法；熟悉隧道支护结构修正设计的基本流程和方法。

隧道结构设计理论与方法的发展1隧道结构设计的荷载-结构法隧道结构设计的地层-结构法隧道施工力学原理本章内容提要隧道结构设计的收敛-约束法2345隧道结构设计的信息反馈法6本章小结7

隧道结构设计的地层-结构法4

隧道结构设计的地层-结构法四·荷载-结构法回顾◆基本原理是什么？◆优缺点是什么？◆考虑的围岩压力是什么类型？

隧道结构设计的地层-结构法四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）围岩压力承载体系不确定◆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）设计受施工方法和施作时机的影响很大（5）与地面结构受力的不同—围岩抗力的存在荷载-结构法对于以上问题的适用性如何？

隧道结构设计的地层-结构法四4.1分析方法与流程1.分析思路地层-结构法是以岩体力学为原理的一种隧道结构设计和分析方法，对应所采用的计算模型为地层-结构模型，目前可以用解析法和数值法进行求解。·支护结构和地层被视为整体共同受力·满足变形协调条件

隧道结构设计的地层-结构法四数值解法是上世纪70年代中期，随着计算机的广泛应用和计算技术的不断成熟而逐渐发展起来的一种地下结构计算方法。其中尤以有限元在地下工程中应用更为广泛。2.分析方法·初始地应力参数·隧道开挖的应力释放率·地层物理及力学参数·支护结构的力学参数

隧道结构设计的地层-结构法四初始（一次）应力状态分析开挖洞室后二次应力状态和位移场分析围岩稳定性判断设置支护结构后围岩的三次应力状态和位移场分析、支护结构内力和位移分析判断支护结构的安全状况3.分析流程

隧道结构设计的地层-结构法四采用有限元分析软件对隧道围岩及支护结构建模的主要步骤如下：①计算范围的确定及几何模型建立隧道结构分析三维有限元模型a）深埋隧道b）浅埋隧道计算域单元划分示意图4.2地层-结构法应用流程

隧道结构设计的地层-结构法四②结构体系离散化将岩体与支护结构离散为仅在节点处铰接的单元体的组合，是有限单元法的基础。

隧道结构设计的地层-结构法四单元类型的选择喷射混凝土:采用实体单元或直梁单元线式支护构件（如锚杆）：采用二力杆单元二次衬砌在平面应变问题分析时，用2D实体单元和线单元对于空间问题，用3D实体单元模拟围岩在平面应变模型中用2D实体单元模拟，在三维模型中采用3D实体单元模拟。

隧道结构设计的地层-结构法四③边界条件和初始应力计算模型的边界条件：位移边界条件和应力边界条件内部加载方式位移边界条件混合边界条件初始应力场按照成因可以分为自重应力场和构造应力场。

隧道结构设计的地层-结构法四④围岩材料的本构模型与屈服准则线性弹性模型非线性弹性模型理想弹塑性模型线弹性本构关系即按一般的弹性力学，应力应变关系服从广义胡克定律；非线性弹性本构关系是弹性理论中广义胡克定律的推广。材料进入塑性状态的判断，使用较为广泛的为Mohr-Coulomb屈服准则和Druker-Prager屈服准则。如何分析“四次应力状态”？

隧道结构设计的地层-结构法四⑤隧道开挖及支护过程模拟地应力自动释放法原理地应力自释放法空单元

隧道结构设计的地层-结构法四施加虚拟支撑力逐步释放法原理虚拟支撑力释放荷载开挖洞室施作初支施作二衬撤去虚拟支撑力f+f1i+f2i+f3i荷载释放系数α：模拟隧道开挖平面应变问题中围岩的逐步卸载（时间与空间效应）

隧道结构设计的地层-结构法四根据《公路隧道设计细则》JTG/TD70—20109.2.5条：围岩的松弛与蠕变特性（时间效应）隧道开挖及支护过程（空间效应）

隧道结构设计的地层-结构法四⑥隧道开挖的空间与时间效应分析隧道洞周位移随施工步的变化规律隧道结构分析三维有限元模型在三维计算中，可在一定程度上反映隧道开挖的空间效应，但是时间效应仍然还需要通过设置荷载释放系数进行一定程度的模拟（根据围岩条件、施工方法、支护时间等因素，由工程经验或现场实测数据确定）约30%

隧道结构设计的地层-结构法四根据《公路隧道设计细则》JTG/TD70—20109.2.6条：确定释放荷载分担比时，应符合以下规定：围岩、初期支护及二次衬砌的释放荷载分担比之和不应小于100%；I～III级围岩地段，围岩形成的荷载应100%由围岩