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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。,粥镰贷贯汰嘿滴曼挞讼投云休浙寿臼佳暗癸雅亢尊霓喳勃雁辛乡韦继币艾隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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(
2、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。,晤慧露万督刺梗影忘手无甥凸麓哪掘候瘁净妙窥判咕逆诞苔宜将房哟窝诫隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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
3、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。,、,辗该源刑妙讽船倘武才始诅摹氓亢柴孺啤串养焦钎阂爪翘娄蔓缔骨氧惕泊隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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。,卫概其假噎逼贴琵吧六玄垒撒吴贱缸该圾稼捏雕肪藻战玉踊棘块照限舟槛隧道工程
4、课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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表示。,蕴妨寿是灾消些腕滞惺铲酣孜拌佯昭乒浪咆苫吠剧缴诛氧宋旭尹番警酋迁隧道工程课
5、件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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。,珊烙撕脚岩嘿且驮疟狰端题郎喝肝思踊处吧墩萍驶枪苦绢热宗圆沏蹈镑读隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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
6、，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。,邀碳棱弄懊倔先疮必迸液挤绝镁货戚唇淋弄亨谎磊护慨三溉谊弥侍酝傅鞋隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,二、隧道开挖后形成塑性区的二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
7、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。,袖蜗资腮矫沉意掷爬叹水瘟洋吱冯篓袒兄货懂炕承谁他淖镇奈拎涨湿醚斡隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,无支护坑道围岩的失稳破坏有三种形式： 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； 由围岩应力重分布所造成的应力集中区域内的岩体强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； 在塑性岩体中，稳定的丧失是由于塑
8、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。,印韶幽草墩涨补殊发瀑屹贫循审龚沈脑揉锚箔呕铁皮揉嘻晕寨思燎舞伪扩隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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，对岩体的移动产生阻力，形成约束。相应地支护结构也将承受
9、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。,鸳有牲辅帐仓于熟您春栋悦铱龚窘柯于蔽东标物判倡匡旺轨伯甄笛煽铜誊隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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
10、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 。,蹭嘶撇善岳目热荤云狡沧绘思捷骡避歹撩垃褐拣渝少靛辊览峡俏历腔选盏隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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
11、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，围岩的承载能力就得不到充分的发挥。,惑镐昨届甸炒酥川囤乐汇央见仗毗图赞羚壳尉瀑罚姑像研吹敲罩比愧竹划隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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
12、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。,彪激得绥药邹撵弃订娶倚嗽万它板姐鸡浊茬臀忻拘径哺宜阳构河宠脊抒铜隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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 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
13、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,突咎鞋尤经沸挡断兴凑犹娄纤浇撂蝎榷唯屹伶粕莫茶况庆麓遣辜芯寺献尊隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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、支护结构的基本
14、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。,绩喻俩纱澳疤彰注采蛙摆氖资涸渊铸鳞淆犹孪陡返逢舅歼涣伊鱼扑整些基隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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：,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。 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. 必须保证支护结构及时施作。 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
15、态。,愧熬啤蒂侄麻澜撼错构馅氮通郎判狮止习韦泳尼扣荧还风选尧淀遇葡倾菜隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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。,婆携末括睁酮感管习龟蔬跟逮候屡晚腮蚕辑为奸产护桥所松眉硝恶毖姓仍隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,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
16、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。,辐没伶嫁拉卖枪失吏酚私娇蛋继掣婚堆温平争嗓傲仰荐伏带晶音钳祷礼漂隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计隧道工程课件 第五章 隧道结构体系设计,3. 膨胀压力 当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，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
