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1、隧道支护结构设计 主讲人冯冀蒙博士 0 荷载结构模式计算方法地层结构模式计算方法复合式衬砌结构设计单层衬砌结构设计TBM管片衬砌结构设计衬砌结构耐久性设计概要 主要内容 第一节荷载结构模式计算方法 围岩压力 1 围岩压力的基本概念 广义地讲 我们将围岩二次应力状态的全部作用称为围岩压力 对于无支护的毛洞 使围岩承载圈受力变形的 洞室开挖后的二次应力状态就可称为围岩压力 当然 对于有支护结构的洞室 自然把作用在支护结构上的作用或荷载称为围岩压力 围岩压力按其作用方向 可分为垂直压力 水平侧向压力和底部压力 一 围岩压力 2 围岩压力的种类目前 根据形成围岩压力的成因不同 将围岩压力分为四类 即形
2、变压力 松动压力 冲击压力和膨胀压力 一 围岩压力 应力集中 形成塑性区 发生向坑道内位移 塑性区进一步扩大 坑道围岩松弛 崩塌 破坏等几个过程 定义 变形岩体引起的挤压力或支护抑制变形引起的挤压力 形变压力 弹性变形压力塑性变形压力流变压力影响因素 原始应力 岩体力学性质 支护结构刚度和支护时间 定义 开挖而松动或塌落的岩体 以重力形式直接作用在支护上的压力 松动压力 自然平衡拱 洞室的开挖 若不进行任何支护 周围岩体会经过应力重分布 变形 开裂 松动 逐渐塌落的过程 在坑道的上方形成近似拱形的空间后停止塌落 定义 由于围岩膨胀崩解而引起的压力 膨胀压力 下面讲述形变压力和松动压力的计算 定
3、义 又称岩爆 它是在积聚了大量的弹性变形能的围岩 开挖突然释放出来时所产生的压力 冲击压力 形变压力的计算 作用在支护上的形变压力 在工程中采用的主要是塑性变形压力 塑性变形压力的计算 形变压力的计算 最小围岩 形变 压力的计算一般情况要求 只有知道才能确定最佳支护结构或最佳支护时间 最小围岩压力和围岩允许位移是等价的 目前对于两者都没有较好的计算方法 对于的情况 我们提出一种估算方法 形变压力的计算 最小围岩 形变 压力的计算 分析过程 实际作用在支护上的压力应该是重力和形变压力的叠加 故 按三角形面积计 松动压力的计算 深埋隧道松动压力计算 统计法 我国 铁路隧道设计规范 推荐方法 普氏理
4、论 太沙基理论 松动压力的计算 深埋隧道松动压力计算 统计法 我国 铁路隧道设计规范 推荐方法 松动压力的计算 深埋隧道松动压力计算 统计法 我国 铁路隧道设计规范 推荐方法 松动压力的计算 深埋隧道松动压力计算 普氏理论 松动压力的计算 深埋隧道松动压力计算 普氏理论 坚硬岩体中 坑道侧壁稳定 天然拱跨度就是隧道宽度 松散和破碎岩体中 坑道侧壁受扰动而滑移 天然拱跨度也相应加大 b bt bt为隧道的净宽度的一半 松动压力的计算 深埋隧道松动压力计算 普氏理论 天然拱高度的计算 围岩竖向的匀布松动压力 则为 围岩水平的匀布松动压力按朗肯公式计算 松动压力的计算 深埋隧道松动压力计算 太沙基理
5、论 取 1 则与普氏理论的公式一致 松动压力的计算 浅埋隧道松动压力计算 先来说说深 浅埋的判别 由埋深经验判定 由埋深与天然拱高度关系确定 松动压力的计算 浅埋隧道松动压力计算 考虑两侧岩体挟持作用时的计算方法 滑动岩体的重力 滑面上的阻力 支护反作用力 围岩松动压力 围岩松动压力 滑动岩体重力 滑面上的阻力 松动压力的计算 浅埋隧道松动压力计算 考虑两侧岩体挟持作用时的计算方法 松动压力的计算 浅埋隧道松动压力计算 考虑两侧岩体挟持作用时的计算方法 松动压力的计算 浅埋隧道松动压力计算 全自重型的计算方法 松动压力的计算 有地下水时土压力的计算 竖向压力 侧向压力 对于砂性土可采用水压力与
6、土压力分开计算 式中的 i为各层围岩的重度 地下水位以上的土体采用天然重度 及对应的侧压力系数 水位以下的土体采用有效重度 及对应的侧压力系数 计算土压力 对于砂性土可采用水压力与土压力合算 松动压力的计算 有地下水时土压力的计算 地基反力 一般位于地下水位中的结构要做成闭合的 因此 要承受地基反力 地层反力沿衬砌宽度呈竖向均匀分布 其数值与各种竖向压力的总和相平衡 包括结构自重 上部围岩压力 土压力及水压力 及附加的路面荷载等 第二节荷载结构模式计算方法 结构力学计算方法 一 荷载结构模型计算原理 它将支护结构和围岩分开来考虑 1 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
7、2 隧道支护与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的 3 围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑 二 常用的计算模型和计算方法 主动荷载模型 假定弹性反力模型 计算弹性反力模型 常用计算模型 主动荷载模型 适用于围岩与支护结构 刚度比 较小 或饱和含水或用于初步设计 二 常用的计算模型和计算方法 主动荷载模型 假定弹性反力模型 计算弹性反力模型 常用计算模型 假定弹性反力模型 几乎能适用于所有围岩类型 只不过抗力的大小和范围不同而已 二 常用的计算模型和计算方法 主动荷载模型 假定弹性反力模型 计算弹性反力模型 常用计算模型 计算弹性反力模型 如弹性地基
8、上的闭合框架 弹性支承法等 1矩形框架结构2装配式衬砌 圆形结构 3拱形结构重点讲述 与结构形式相适应的计算方法 二 常用的计算模型和计算方法 拱形结构 与结构形式相适应的计算方法 二 常用的计算模型和计算方法 半拱结构 不考虑弹性反力曲墙式衬砌 假定弹性反力直墙式衬砌 假定弹性反力 弹性地基梁 计算模型 荷载 结构模型 只有竖向荷载的作用 无侧向荷载的作用 半拱形结构计算 适用条件 地质条件好 不需修边墙的山岭隧道 大型落地拱结构 如飞机库 半拱形结构的适用条件及计算模型 用结构轴线代替原衬砌的横断面 纵向长度取1m 拱脚弹性固定在围岩上 相当于弹性固定的无铰拱 因拱脚截面的剪力很小 而与围
9、岩间摩擦较大 故径向位移为0 用径向刚性连杆表示 半拱形结构计算 计算图式 基本结构及典型方程的建立 半拱形结构计算 由于半拱圈的拱矢和跨度的比值不大 在竖向荷载的作用下 结构为自由变形 无弹性抗力 脱离区 因此 半拱形结构为拱脚弹性固定的无铰拱 考虑底部地基变形 为三次超静定结构 计算图式 基本结构及典型方程的建立 半拱形结构计算 典型方程的建立 正对称的结构 作用有正对称的荷载 利用对称性 从拱顶切开 取基本结构如右图 半拱形结构计算 计算关键 拱顶单位位移和荷载位移的计算 拱脚位移的计算 1 拱顶单位位移和荷载位移的计算 根据结构力学中位移计算方法 可求的某一点在单位力作用下 沿k方向的
10、位移 忽略剪力作用 为 1 拱顶单位位移和荷载位移的计算 将X1 弯矩 X2 轴力 X3 剪力 取零 以及外荷载作用下结构各截面内力代入可得 1 拱顶单位位移和荷载位移的计算 单位位移和荷载位移的计算分两种情况 1 当半拱为一段规则圆弧时 可直接积分计算 2 当半拱为多段圆弧时 将圆弧衬砌分块 采用辛普生求和公式 典型方程 半拱形结构计算 2 拱脚位移的计算 基本思路 求出拱脚支承面在单位力 力矩 竖直力 水平力 作用下位移 转角 水平位移 求出赘余力及外荷载作用下的拱脚反力 由拱脚反力与各单位力位移计算拱脚位移 2 拱脚位移的计算 a 单位力作用下 拱脚支承面的位移计算 2 拱脚位移的计算
11、2 拱脚位移的计算 2 拱脚位移的计算 2 拱脚位移的计算 b 拱脚支承反力的计算 2 拱脚位移的计算 c 拱脚位移计算 3 衬砌截面内力的计算 3 衬砌截面内力的计算 曲墙拱形结构计算 计算图示的建立用结构的轴线代替原衬砌断面 在计算中将拱圈和边墙作为一个整体 把它看成是一个支承在弹性围岩上的高拱结构 因底部摩擦力很大 无水平位移 衬砌在以竖向压力为主的主动荷载作用下 拱圈的顶部发生向坑道内的变形不受围岩的约束 形成 脱离区 衬砌结构的侧面部分则压向围岩 形成 弹性反力区 引起相应的弹性反力 计算原理 曲墙拱形结构计算 计算原理 弹性反力按苏联布加耶娃法假定分布图形为月牙形分布 分布图形用3
12、个特征点控制上零点b 即脱离区的边界 与对称轴线间的夹角一般采用 下零点a取在墙底 因该处无水平位移 最大弹性反力点h可假定在衬砌最大跨度处 曲墙拱形结构计算 计算原理 最大弹性反力点以下 围岩弹性反力对于衬砌的变形还会在围岩与衬砌间产生相应的摩擦力 分布规律最大弹性反力点以上 曲墙拱形结构计算 计算原理 弹性地基上的高拱荷载 围岩压力弹性反力基底位移 约束 衬砌与围岩的摩擦力 曲墙拱形结构计算 计算思路 在结构与荷载均为对称的条件下 可以从拱顶切开 以一对悬臂曲梁作为基本结构 切开处赘余力为X1 X2 剪力X3 0 在主动荷载和弹性反力作用下 根据拱顶相对转角及相对水平位移为零的条件 可以得
13、到2个典型方程式 利用h点变形协调条件来增加1个方程式 根据叠加原理 h点的最终位移即为 而h点的位移与该点的弹性反力存在下述关系 由以上可以推导出 因此 综上两点可得 计算关键 拱顶单位位移和荷载位移的计算 墙脚位移的计算 最大跨度处荷载位移的计算 曲墙拱形结构计算 1 求主动荷载作用下的衬砌内力 曲墙拱形结构计算 1 求主动荷载作用下的衬砌内力 曲墙拱形结构计算 2 求单位弹性反力作用下的衬砌内力 曲墙拱形结构计算 3 位移及最大弹性反力值的计算 主动荷载作用下最大抗力点h点位移的计算 外荷载h点的位移 基底转动引起的h点的位移 受力引起的h点的位移 基底转动引起的h点的位移 3 位移及最大弹性反力值的计算 受力引起的h点的位移 则外荷载作用下 h点的位移为 3 位移及最大弹性反力值的计算 单位反力作用下最大抗力点位移的计算 h点的位移 基底转动引起的h点的位移 受力引起的h点的位移 基底转动引起的h点的位移 受力引起的h点的位移 单位弹性反力作用下h点的位移 3 位移及最大弹性反力值的计算 最大弹性反力的计算 4 衬砌内力计算及校核计算结果的正确性 利用叠加原理可以求出任意截面最终的内力值 曲墙拱形结构计算 拱脚截面最终转角 4 衬砌内力计算及校核计算结果的正确性 曲墙拱形结构计算 按变形协调条件 校核整个计算过程 谢谢 70
