隧道工程课件__第五章__隧道结构体系设计教程

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1、第五章 隧道结构体系设计 原理与方法 第一节 概 述 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

2、，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。 、 设置支护结构后围岩的应力状态，亦称围岩的三次应 力状态 和

3、位移场 ，以及支护结构的内力 和位移 。 判断支护结构安全度的准则，一般可写成： (5-2) 式中的 、 是支护结构材料的物理力学参数。 第二节 围岩的二次应力场和位移场 一、隧道开挖后的弹性二次应力状态及位移状态 计算围岩的二次应力场和位移场，首先推算隧道开挖 前围岩的初始应力状态 ，以及与之相适应的位移场 。 隧道开挖后，因其周边上的径向应力 和剪应力 都为零 ，故可向具有初始应力的围岩，在隧道周边上反方向施加 与初始应力相等的释放应力。用弹性力学方法计算带有孔 洞的无限平面在释放应力作用下的应力 和位移 。而真 实的围岩二次应力场及位移场为： 模拟隧道开挖所经历的力学过程可以用图5-1表

4、示。 图5-1 隧道开挖所经历的力学过程模拟 对于自重应力场中的深埋隧道，常常将它的围岩初始应力 场简化为常量场，也就是假定围岩的初始应力到处都是一 样。并取其等于隧道中心点的自重应力，即 式中 为隧道中心点的埋深，以m计， 是围岩的侧压 力系数，无量纲。 根据弹性力学原理，这个 问题的求解还可以简化为 不考虑体积力的形式，而 用在有孔无限平面(无重的) 无穷远边 界上作用有垂直 均布荷载和水平荷载的形 式来代替，如图5-2所示。 图5-2 力学模型 由此而引起的计算误差在洞周上是不大的，并随着隧道埋深 的增加而减少。当埋深超过10倍洞径时，其误差可以忽略不 计。 二、隧道开挖后形成塑性区的二

5、次应力状态及位移状 态 塑性应力区域是由于多数围岩具有塑性这一性质而造成 的。塑性就是指围岩在应力超过一定值后产生塑性变形的性 质。此时，应力即使不增加，变形仍继续。当围岩内应力超 过围岩的抗压强度后，围岩发生塑性变形并迫使塑性变形的 围岩向隧道内滑移。塑性区的围岩因变得松弛，其物理力学 性质也发生变化。 三、无支护坑道的稳定性及其破坏 坑道稳定性是指隧道围岩在开挖过程中，在不设任何 支护情况下所具有的稳定程度。 无支护坑道围岩的失稳破坏有三种形式： v 由于破碎岩体的自重作用，超过了它们脱离岩体的阻力而多 在顶部、较少在侧壁处造成局部崩塌； v 由围岩应力重分布所造成的应力集中区域内的岩体强

6、度破坏 而形成的崩塌。一般发生在脆性岩体中，且在多数情况下，岩 体破坏从坑道侧壁开始，同时岩体的破坏和位移也可能发生在 顶部和底部； v 在塑性岩体中，稳定的丧失是由于塑性变形的结果，岩体产 生了过度的位移，但无明显的破坏迹象。 第三节 隧道围岩与支护结构的共同作用 一、收敛和约束的概念 开挖隧道时，由于临空面的形成，围岩开始向洞内产生 位移，这种位移我们称之为收敛。若岩体强度高，整体性好 、断面形状有利，岩体的变形到一定程度，就将自行停止， 围岩是稳定的。反之，岩体的变形将自由地发展下去，最终 导致隧道围岩整体失稳而破坏。在这种情况下，应在开挖后 适时地沿隧道周边设置支护结构，对岩体的移动产

7、生阻力， 形成约束。相应地支护结构也将承受围岩所给予的反力，并 产生变形。如果支护结构有一定的强度和刚度，这种隧道围 岩和支护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与 围岩应力之间达到平衡为止，从而形成一个力学上稳定的隧 道结构体系。这时的隧道围岩应力状态称为三次应力状态。 二、坑道支护后的围岩应力状态及位移状态 隧道开挖后，围岩应力状态出现两种情况： 一种是开挖后的二次应力状态仍然是弹性的，隧道围岩除 因爆破、地质状态、施工方法等原因可能引起稍许松弛掉块外 ，是稳定的，在这种情况下，坑道是稳定的，原则上无需支护 ，即使支护也是防护性的，支护方法一般可采用喷浆或者喷射 混凝土； 另一种是开

8、挖后隧道围岩产生一定范围的塑性区，此时应 采用承载型的支护结构，以维护坑道的稳定。 坑道支护后，相当于在坑道周边施加了一个阻止隧道围岩 变形的支护阻力(抗力)，从而也改变了围岩的二次应力状态。 支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有着很大的影响 。 三、围岩特性曲线(支护需求曲线) 支护阻力 与隧道洞壁位移 的关系曲线如图5-12所示。 图5-12 围岩特性曲线 这条曲线形象的表达 了支护结构与隧道围 岩之间的相互作用： 在极限位移范围内， 围岩允许的位移大了 ，所需的支护阻力就 小，而应力重分布所 引起的后果大部分由 围岩所承担；围岩允 许的位移小了，所需 的支护阻力就大，围 岩的承载能力就

9、得不 到充分的发挥。 四、支护特性曲线(支护补给曲线) 以圆形隧道为研究对象，并假定围岩给支护结构的反力也是径 向匀布的。因此，这还是一个轴对称问题。相对于围岩的力学 特性而言，混凝土或钢支护结构的力学特性可以认为是线弹性 的，也就是说作用在支护结构上的径向均布压力 是和它的径 向位移 成线性关系，即 式中的 定义为支护结构的刚度 。 图5-13 支护特性曲线 对于几种支护结构型式，其支 护特性曲线如图5-13所示。 五、围岩与支护结构准静力平衡状态的建立(三次 应力场) 如果支护结构有足够的强度和刚度，则围岩的支护需求曲线 和支护结构的支护补给曲线会相交一点，而达到平衡，这个 交点都应在 或

10、 之前。随着时间的推移，地下水位逐渐 恢复，围岩物性指标恶化，锚杆锈蚀等等，这个平衡状态还 将调整。 图5-14说明： 1. 不同刚度的支护结构与围 岩达成平衡时的 和 是 不同的。 2. 同样刚度的支护结构，由 于架设的时间不同，最后达 成平衡的状态也是不同的。 图5-14 围岩和支护结构的相互作用 第四节 支护结构的设计原则 支护结构的基本作用在于：与围岩一起组成一个有足够 安全度的隧道结构体系，能承受可能出现的各种荷载；保持 隧道断面的使用净空；防止围岩质量的进一步恶化；提供空 气流通的光滑表面。因此，任何一种类型的支护结构都应具 有与上述作用相适应的构造、力学特性和施工的可能性。 一、

11、支护结构的基本要求 1. 必须能与围岩大面积地牢固接触，即保证支护结构与围岩 作为一个整体进行工作。 根据不同的开挖和支护方法，两者的接触状态可作如下 分类： 2. 重视早期支护的作用，并使早期支护与永久支护相互配 合，协调一致地工作。 3. 要允许隧道围岩能产生有限制的变形，以充分发挥围岩 的承载能力而减少对支护结构的不利作用，使两者更加 协调的工作。 4. 4. 必须保证支护结构及时施作。 5. 5. 作为支护结构要能根据隧道围岩的动态(位移、应力等) ，及时地进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态 。 二、支护结构类型的选择和设计 根据其使用目的，支护结构可分为： 防护型支护 构造型支

12、护 承载型支护 在设计支护结构时应注意： 支护结构最好设计成封闭式的，一般都应有仰拱 。 对于抗拉性能较差的混凝土类支护结构，应尽量 避免受弯矩作用。 第五节 围岩压力 围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护结构变形 或破坏的作用力。 一、围岩压力分类 围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为如下几种类型 ： 1. 松动压力 由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力的形式直接作用在支 护结构上压力称为松动压力。 2. 形变压力 形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护结构(如锚 喷支护等)的抑制，而使围岩与支护结构共同变形的过程中， 围岩对支护结构施加的接触压力。 3. 膨胀压力 当岩体具有吸水膨胀

13、崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀 崩解所引起的压力称为膨胀压力。 4. 冲击压力 冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能之后，由于 隧道的开挖，围岩约束被解除，能量突然释放所产生的压力。 二、围岩松动压力的形成和确定的方法 作用在支护结构上的围岩松动压力总是远远小于其上 覆盖地层自重所造成的压力。这可以用围岩的“成拱作用” 来解释。 拿一个在水平成层的围岩中开挖隧道的例子，来说明隧 道开挖后围岩又变形到坍塌成拱的整个变化过程(图5-16)。 (a) 变形阶段； (b) 松动阶段； (c) 塌落阶段； (d) 成拱阶段。 图5-16 围岩松动压力的形成 将隧道所形成的相对稳定的拱称为“天然拱”

14、或“塌落拱 ”。它如同一个承载环一样承受着上覆地层的全部重量，并 且将荷载向两侧传递 下去。这就是围岩的“成拱作用”。而 天然拱范围内破坏了的岩体的重量，就是作用在支护结构 上的围岩松动压力的来源。 实践证明，天然拱范围的大小除了受上述的围岩地质条件 、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态等因 素影响外。还取决于以下诸因素： 隧道的形状和尺寸。 隧道的埋深。 施工因素 (一)深埋隧道围岩松动压力的确定方法 当隧道的埋置深度超过一定限值后，围岩的松动压力仅 是隧道周边某一破坏范围（天然拱）内岩体的重量，而与埋 深无直接关系。 1、统计法我国隧规所推荐的方法 现在我国隧规中隧推荐的计算围岩

15、竖向匀布松动压 力的公式，就是根据357个铁路隧道的塌方资料统计分析而拟 定的： 式中的 为围岩容重； s 为围岩级别； 为宽度影响系数 ，由 w=1+i（B-5）计算，B 为坑道宽度，i 为B每增减1m时 的围岩压力增减率，当 B5m时，取 i =0.2，当 B5m时 ，取i =0.1。 公式的适用条件为： H/B1.7，H为坑道的高度； 深埋隧道； 不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩； 采用矿山法施工。 围岩水平匀布的松动压力，按表5-3中的经验公式计算，其适 用条件同上。 围岩级 别 水平均 布压力 0 0.15q (0.15 0.3)q (0.3 0.5)q (0.5 1.0)q 表5

16、-3 围岩水平均布压力 作用在支护结构上的荷载是很不均匀的，这是因为在级及 级围岩中，局部塌方是主要的，而在其它类别的围岩中， 岩体破坏范围的形状和大小，受岩体结构、施工方法等因素 的控制，也是极不规则的。根据统计资 料，围岩竖向松动压 力的分布图形大致可以概括为以下六种，如图5-17所示。 图5-17 围岩竖向松动压力的分布图形 2、普氏理论 普洛托李雅克诺夫认为：所有的岩体都不同程度地被节 理、裂隙所切割，因此可以视为散粒体。基于这些认识，普 氏提出了岩体的坚固性系数(又叫似摩擦系数)的概念。 式中 、 为岩体的似摩擦角和内摩擦角； 、 为岩体的抗剪强度和剪切破坏时的正应力 ； 为岩体的粘结力。 岩体的坚固性系