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1、岩石地下结构,一、岩石地下结构的型式 二、岩石地下结构的设计模型 三、荷载结构模型 四、地层结构模型 五、监控设计模型,一、 岩石地下结构的型式,岩石地下结构常称为衬砌，或称为被覆。常 用的衬砌型式有下列九种： 半衬砌：只做拱圈，不做边墙 ;计算半衬砌时，需要考虑拱支座的弹性地基作用，施工时应保证拱脚岩层的稳定性 厚拱薄墙衬砌:扩大拱脚式 直墙式衬砌 曲墙式衬砌 离壁式衬砌:拱圈和边墙与岩壁相隔离，其间空隙不做回填，仅拱脚处局部扩大延伸与岩壁顶紧的衬砌。 喷锚支护 装配式衬砌 复合式衬砌 地下空间结构：交岔接头 穹顶直墙结构：地下立式油罐 岔洞结构：坑道的交岔接头,二、岩石地下结构的设计模型,
2、 经验类比模型 荷载结构模型 按地层（围岩）分类法或由适用公式确定地层压力，按弹性地基上的结构物的计算方法计算衬砌内力，并进行结构截面设计。 地层结构模型 将衬砌和地层视为整体共同受力的统一体系，按变形协调条件分别计算衬砌与地层内力，并据以验算地层的稳定性和进行截面设计。,二、岩石地下结构的设计模型, 监控设计模型 原理：通过现场监测获得围岩力学动态和支护结构工作状态的信息（数据），再通过必要的力学分析，以修改和确定支护结构系统的设计参数和施工对策。 监控设计分两个阶段： 施工前预设计阶段 修正设计阶段 主要环节： 现场监测数据处理信息反馈,三、荷载结构模型,1.岩石地下结构的荷载 1.1主动
3、荷载 1.2被动荷载 1.3作用组合 2.计算方法 2.1假定抗力图形法 2.2弹性地基梁法 2.3链杆法 3.衬砌设计检算 4.方法评价,1.1主动荷载,施加在结构上的集中或分布力，或引起结构外加变形或约束变形的原因。前者称直接作用也可称为荷载，后者称间接作用。作用效应：由于作用引起的结构或构件的 内力和变形等。 隧道结构上的作用可分为三类： 永久作用 可变作用 偶然作用,1.1主动荷载永久荷载, 结构自重 附加恒载 围岩压力：深埋 （适用于单线） 浅埋 土压力：计算明洞和洞门 混凝土收缩和徐变的作用：刚架和截面厚度大的超静定结构 有水时考虑水压力,为垂直分布作用的挟持系数,1.1主动荷载-
4、可变作用, 列车活载 列车活载所产生的土压力 制动力 公路活载 冲击力 渡槽流水（设计立交渡槽明洞时） 冻胀力 温度变化的作用 灌浆作用 施工荷载,1.1主动荷载-偶然作用, 地震作用 落石冲击力,1.2 被动荷载,弹性抗力：由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起围岩对支护结构的约 束反力。 采用文克尔假定确定：认为围岩的弹性抗力 与围岩在该点的变形成正比。 即 ： 相当于把围岩简化为一系列彼此独立的弹簧，某一弹簧受到压缩时所产生的反作用力只与该弹簧有关，而与其它弹簧无关。,1.3 作用组合,作用组合标准值：结构或构件设计时，采用的各种作用的主要代表值。其值可根据设计基准期内极大值概率分布的某
5、一分位值确定。 承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的较大变形的极限状态。 正常使用极限状态：结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。 作用组合：结构或构件设计时,预计可有同时出现的几种不同作用的集合。 作用的设计值：,承载能力极限状态的作用组合, 一般按作用基本组合进行设计，基本组合为：结构 自重+围岩压力或土压力 基本组合中各作用的组合系数取1.0。 组合二（b）:结构自重+附加恒载+土压力+ 公路活载 组合二（c）:结构自重+附加荷载+土压力+渡槽流水 组合三: 结构自重+附加荷载+土压力+施工荷载+温度作用 作用偶然组合 组合四：结构自重+附加荷载
6、+围岩压力或土压力+地震作用或落石冲击力,正常使用极限状态的作用组合, 作用长期效应组合 a. 结构自重+附加恒载+围岩压力+混凝土收缩和徐变作用。 b. 结构自重+附加恒载+土压力+公路荷载或渡槽流水。 作用短期效应组合 a. 结构自重+附加恒载+围岩压力+混凝土收缩和徐变作用+（温度作用）+冻胀力b. 结构自重+附加恒载+土压力+混凝土收缩和徐变作用+（温度作用）+冻胀力,假定抗力图形法,a,b,h,弹性地基梁法,a,b,d,l,弹性链杆法,弹性链杆法,杆系有限元分析,3.衬砌设计检算,概率极限状态法、破损阶段法及容许应力法 一、承载能力极限状态 1. 抗压检算： 二、正常使用极限状态 受
7、弯构件的允许挠度：查规范 抗裂检算 钢筋混凝土构件、裂缝宽度的检算 三、破损阶段法及容许应力法设计 抗压检算 抗裂检算,4.荷载-结构模式评价,与土层地下结构的计算方法相近。 荷载-结构模式将支护结构与围岩“分割”开来，即把围岩视为产生荷载，而支护结构（衬砌）则承受围岩产生的荷载，这是不尽合理的。 例如，在无支护坑道中，坑道围岩本身就是承载结构，其工作状态接近于半无限或无限介质中的孔洞。,四、地层结构模式,又称为岩体力学方法 主要用于锚喷支护进行设计 结构处于无限或半无限介质中，支护结构镶嵌在围岩空洞上（相当于加劲环）所组成的复合模式。此模式中，支护结构与围岩相互作用，组成一个共同承载体系，其
8、中围岩为主要的承载结构。 将衬砌结构，回填层及围岩视为一个在外荷载作用下互相制约的受力变形体系地层+结构-整体分析模式。 “新奥法”的根本点就是充分调动围岩自身承受荷载的积极性，或者说充分利用围岩自身承受荷载的能力。,支护结构与围岩的相互作用,岩体的初始应力状态 岩体的特性 支护结构的特性 支护结构与围岩的接触条件 支护结构参与工作的时间 施工技术 此模式的求解方法主要有数值法、剪切滑移破坏法和特征曲线法。,1.数值法,有限单元法，取610倍洞径范围进行分析。 可简化为平面应变问题，各向同性的均质弹性 体。 单元类型：三角形、四变形、回填的弹簧单 元、毛感的梁单元、防水层的节理单元、衬砌 梁单
9、元各种体单元。,2.剪切滑移破坏法,60年代初，奥地利的拉布塞维奇教授，首先提出了剪切滑移破坏理论，指出锚喷柔性支护破坏形态主要是剪切破坏而不是挠曲破坏，且在剪切破坏前没有出现挠曲开裂。 锚喷支护所提供的支护抗力必须与剪切滑移体的滑移力相平衡 分别计算喷砼、 钢支撑、 锚杆、 围岩本身提供的支护抗力值,3.特征曲线法,又叫收敛约束法、收敛限制法，或变形法。 收敛：围岩产生挤向隧道内的变形。 约束：支护对围岩向坑道内变形的阻止。 基本思想来源于新奥法（NATMNew Austrian Tunneling Method），1960年前后由Rabcewicz等提出。 认为地层有一定的自承能力，支护的
10、目的是将地层加强，二者共同作用。主张适时支护。 在施工过程中量测洞室收敛位移，以判断洞室稳定性及支护结构的加固效果，并据此对设计进行必要的修改。 思想合理，但实际应用上尚待进一步发展,收敛线概念：,据地层及洞室情况可有弹性、塑性、松动等三段。,限制线概念：,支护时间和结构刚度的合理选择：（图 ）,3.特征曲线法,五、监控设计法,通过现场监测获得围岩力学动态和支护结构工作状态的信息（数据），再通过必要的力学分析，以修改和确定支护结构系统的设计和施工对策。 监控设计通常包括两个阶段： 施工前的预设计，是在认真研究勘测资料和地质调查成果的基础上，应用工程类比法进行。 修正设计：根据现场监控量测所得到的信息进行理论解析与数值分析，对围岩与支护结构稳定性做出综合判断，得出最终合理的设计参数与施工对策。,监控设计的主要环节,现场监测数据处理信息反馈三个方面。 现场监测: 制定监测方案 确定测试内容 选择测试手段 实施监测计划 数据处理： 原始数据的整理 明确数据处理的目的 选择处理方法 提出处理结果 信息反馈： 反馈方法：理论反馈和经验反馈 反馈作用：修正设计和指导施工,冻结法凿井监测设计流程,土与岩的差异,承载力：地层结构法 荷载 破坏形态 支护方式：锚喷 设计理念：新奥法，反馈设计,
