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1、UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程城市地下空城市地下空间工程系工程系2021年年2月月UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程本章学本章学习要求：要求：1 1熟熟习公路隧道的荷公路隧道的荷载类型及其隧道型及其隧道构造的构造的计算模型算模型简化方法；化方法；2 2掌握半掌握半衬砌和曲砌和曲墙式式衬砌构造内力砌构造内力计算方法；算方法；3 3了解公路隧道的数了解公路隧道的数值分析方法。分析方法。UNIVERSI
2、TY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程第第6 6章章 隧道构造隧道构造计算算6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 隧道隧道衬衬砌上的荷砌上的荷载类载类型及其型及其组组合合6.3 6.3 半半衬衬砌的砌的计计算算6.4 6.4 曲曲墙墙式式衬衬砌砌计计算算6.5 6.5 直直墙墙式式衬衬砌砌计计算算6.6 6.6 衬衬砌截面砌截面强强度度验验算算6.7 6.7 单单元元刚刚度矩度矩阵阵6.8 6.8 构造构造刚刚度方程度方程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CH
3、INA南华大学隧道工程南华大学隧道工程6.1 6.1 概述概述1 1、隧道构造、隧道构造环环境及其境及其简简化化2 2、隧道构造体系的、隧道构造体系的计计算模型算模型UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程1、隧道构造、隧道构造环环境及其境及其简简化化 隧道构造与地面构造的区隧道构造与地面构造的区别别 隧道构造工程特性、隧道构造工程特性、设计设计原那么原那么和方法与地面构造完全不同和方法与地面构造完全不同UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA
4、南华大学隧道工程南华大学隧道工程 隧道构造与地面构造的区隧道构造与地面构造的区别别 隧道构造是由周边围岩和支护构造两者组成共同的并相互作用的构造体系 周边围岩在很大程度上是隧道构造承载的主体UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 隧道衬砌的设计和计算应结合围岩自承才干进展，保证运用寿限内的平安度 隧道构造与地面构造的区隧道构造与地面构造的区别别UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 隧道构造隧道构造计计算的算
5、的简简化化问题问题根据根据实践践环境和境和边境条件境条件如何如何简化化对计算算结果影响非果影响非常重要常重要UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程根据根据实践践环境和境和边境条件境条件UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程根据根据实践践环境和境和边境条件境条件UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程根据根据实践践环境和
6、境和边境条件境条件UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 隧道构造隧道构造计计算的算的简简化化问题问题UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 隧道构造隧道构造计计算的算的简简化化问题问题 在十九世在十九世纪纪末，隧道末，隧道衬衬砌构造是砌构造是作作为为超静定超静定弹弹性拱性拱计计算的，但算的，但仅仅思索思索作用在作用在衬衬砌上的砌上的围围岩岩压压力，忽力，忽视视了了围围岩岩对衬对衬砌的砌的约约束作用束作用UN
7、IVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 弹弹性抗力：性抗力：衬衬砌在受力砌在受力过过程中的程中的变变形，一部分构造有分开形，一部分构造有分开围围岩构成岩构成“脱离区的脱离区的趋势趋势，另一部分，另一部分压紧围压紧围岩岩构成所构成所谓谓“抗力区，在抗力区内，抗力区，在抗力区内，约约束着束着衬衬砌砌变变形的形的围围岩相岩相应应地地产产生被生被动动抵抗力抵抗力 隧道构造隧道构造计计算的算的简简化化问题问题UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学
8、隧道工程南华大学隧道工程 进进入本世入本世纪纪后，后，经过长经过长期期观测观测，发现围发现围岩不岩不仅对衬仅对衬砌施加砌施加压压力，同力，同时还约时还约束着束着衬衬砌的砌的变变形。形。围围岩岩对衬对衬砌砌变变形的形的约约束，束，对对改善改善衬衬砌构造的砌构造的受力形状有利，不容忽受力形状有利，不容忽视视 隧道构造隧道构造计计算的算的简简化化问题问题UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 部分部分变变形形实际实际和共同和共同变变形形实际实际 部分部分变变形形实际实际：是以温克：是以温克尔尔 E.Wink
9、lerE.Winkler 假定假定为为根底的。它以根底的。它以为应为应力和力和变变形之形之间间呈呈线线性关系，即性关系，即为围为围岩岩弹弹性抗力系数性抗力系数UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 共同共同变变形形实际实际把把围围岩岩视为弹视为弹性半性半无限体，思索相无限体，思索相邻质邻质点之点之间变间变形的相形的相互影响。互影响。 部分部分变变形形实际实际和共同和共同变变形形实际实际UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南
10、华大学隧道工程人人工工放放射射混混凝凝土土的的场场景景UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程2 2、隧道构造体系的、隧道构造体系的计计算模型算模型 计计算模型的如何建立？算模型的如何建立？ 隧道构造隧道构造计计算如何算如何简简化？化？ 不同不同简简化化计计算算结结果差果差别别大！大！ UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程2 2、隧道构造体系的、隧道构造体系的计计算模型算模型 国国际际隧道隧道协协会会(ITA
11、) (ITA) 以以为为，目前采用的地下构造目前采用的地下构造设计设计方法可以方法可以归归纳为纳为以下以下4 4种种设计设计模型：模型：UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 以工程以工程类类比比为为主的主的阅历设计阅历设计法；法； 以以现场现场量量测测和和实验为实验为主的适用主的适用设计设计法法 荷荷载载构造模型方法构造模型方法 岩膂力学模型方法，包括解析法和数岩膂力学模型方法，包括解析法和数值值法。法。2 2、隧道构造体系的、隧道构造体系的计计算模型算模型UNIVERSITY OF SOUTH C
12、HINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 从各国的地下构造从各国的地下构造设计实际设计实际看，目前主要看，目前主要采用两采用两类计类计算模型：算模型： 一一类类是以支是以支护护构造作构造作为为承承载载主体，构造力学主体，构造力学模型，又称模型，又称为为荷荷载载构造模型构造模型 ； 另一另一类类那么相反，那么相反，视围视围岩岩为为承承载载主体，支主体，支护护构造那么构造那么为约为约束束围围岩岩变变形的模型形的模型 ，即岩膂力学，即岩膂力学模型或称模型或称为围为围岩岩构造模型。构造模型。 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVE
13、RSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程6.2 6.2 隧道隧道衬衬砌上的荷砌上的荷载类载类型型1 1、隧道构造上的根本荷、隧道构造上的根本荷载载2 2、隧道构造上的荷、隧道构造上的荷载载及其及其类类型型UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程1 1、根本荷、根本荷载载 1 1 围围岩岩压压力力 2 2 构造自重力构造自重力UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程2 2、隧道构造上
14、的荷、隧道构造上的荷载载及其及其类类型型 按其性按其性质质可以区分可以区分为为两大两大类类: : 自自动动荷荷载载是自是自动动作用于构造、并引作用于构造、并引起构造起构造变变形的荷形的荷载载； 被被动动荷荷载载是因构造是因构造变变形形紧缩围紧缩围岩而岩而引起的引起的围围岩被岩被动动抵抗力，即抵抗力，即弹弹性抗力，性抗力，它它对对构造构造变变形起限制造用。形起限制造用。UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程2 2、隧道构造上的荷、隧道构造上的荷载载及其及其类类型型 JTG D70-2004JTG D70
15、-2004将隧道将隧道构造上荷构造上荷载载仿照仿照桥规桥规分分为为： 永久荷永久荷载载 可可变变荷荷载载 偶偶尔尔荷荷载载UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程编号号荷荷载类型型荷荷载名名称称1永久荷永久荷载载 恒恒载载 围岩岩压力力2构造自重力构造自重力3填土填土压力力水水压力力4混凝土收混凝土收缩和徐和徐变影响力影响力5可可变荷荷载根本根本可可变荷荷载公路公路车辆荷荷载，人群荷，人群荷载6立交公路立交公路车辆荷荷载及其所及其所产生的冲生的冲击力和土力和土压力力7 立交立交铁铁路列路列车车活活载载及
16、其所及其所产产生的冲生的冲击击力和土力和土压压力力8其它其它可可变荷荷载立交渡槽流水立交渡槽流水压力力9温度温度变化的影响力化的影响力10冻胀力力施工荷施工荷载11偶偶尔尔荷荷载载落石冲落石冲击力力12地震力地震力隧隧规P28P28：表：表6.1.1 6.1.1 作用在隧道构造上的荷作用在隧道构造上的荷载 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程荷荷载组合：合： 构造自重构造自重围岩岩压力附加恒力附加恒载根根本本 构造自重土构造自重土压力公路荷力公路荷载附加附加恒恒载 构造自重土构造自重土压力附加恒力附
17、加恒载施工施工荷荷载 温度作用力温度作用力 构造自重土构造自重土压力附加恒力附加恒载地震地震作用作用附加恒附加恒载：伴随隧道运：伴随隧道运营的各种的各种设备设备的荷的荷载等。等。UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程6.3 6.3 半半衬衬砌的砌的计计算算 拱圈直接拱圈直接支承在隧道支承在隧道围围岩岩侧侧壁上壁上时时，称称为为半半衬衬砌砌UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 适宜于巩固适宜于巩固和和较较完好
18、的完好的围围岩岩(、级级) )；6.3 6.3 半半衬衬砌的砌的计计算算UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 在垂直荷在垂直荷载载作用下拱圈向隧道内作用下拱圈向隧道内变变形形为为自自在在变变形，不形，不产产生生弹弹性抗力性抗力 ； 1 1、根本假定、根本假定 拱脚拱脚产产生角位移和生角位移和线线位移，并使拱圈内力位移，并使拱圈内力发发生改生改动动，计计算中除按固端无算中除按固端无铰铰拱思索外，拱思索外，还还必必需思索拱脚位移的影响需思索拱脚位移的影响 UNIVERSITY OF SOUTH CHIN
19、AUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 拱脚没有径向位移，只需切向位移；拱脚没有径向位移，只需切向位移； 对对称的垂直分位移称的垂直分位移对对拱圈内力不拱圈内力不产产生影响；生影响； 拱脚的拱脚的转转角角 和切向位移的程度分位移和切向位移的程度分位移 是必需思索的是必需思索的1 1、根本假定、根本假定 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程2 2、根本构造、根本构造 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH
20、CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程式中：式中： 是单位变位，即在根本构造上，是单位变位，即在根本构造上，因作用时，在因作用时，在 方向上所产生的变位；方向上所产生的变位； 为荷为荷载变位，即根本构造因外荷载作用，在载变位，即根本构造因外荷载作用，在 方向方向的变位；的变位；f f为拱圈的矢高；为拱圈的矢高；3 3、正那么方、正那么方程程 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程2 2、单位变位及荷载变位的计算、单位变位及荷载变位的计算 由构造力学求变位的方法轴向力与由构造力学求变位的方法轴向力与
21、剪力影响忽略不计知道：剪力影响忽略不计知道：UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程2 2、单位变位及荷载变位的计算、单位变位及荷载变位的计算 在很多情况下，衬砌厚度是改动的，给积分带来不便，在很多情况下，衬砌厚度是改动的，给积分带来不便，这时可将拱圈分成偶数段，用抛物线近似积分法替代。这时可将拱圈分成偶数段，用抛物线近似积分法替代。 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程3 3、拱脚位移、拱脚位移计计算算 单
22、单位力矩作用位力矩作用时时UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 单单位程度力作用位程度力作用时时 单单位程度力可以分解位程度力可以分解为轴为轴向分力向分力 和切向分力和切向分力 ，计计算算时时只需思索只需思索轴轴向分力的影响，作用在向分力的影响，作用在围围岩外表的均岩外表的均布布应应力力 和拱脚和拱脚产产生的均匀沉陷生的均匀沉陷 为为： 的程度投影即为点a的程度位移 ，均匀沉陷时拱脚截面不发生转动，那么有： UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH C
23、HINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程3 3 外荷载作用时外荷载作用时 在外荷载作用下，根本构造中拱脚点处在外荷载作用下，根本构造中拱脚点处产生弯矩产生弯矩 和轴向力和轴向力 ，如下图，拱脚，如下图，拱脚截面的转角截面的转角 和程度位移和程度位移 为：为： UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程(4) (4) 拱脚位移拱脚位移 拱脚的最终转角拱脚的最终转角 和程度位移和程度位移 可分别思可分别思索索 和外荷载的影响，按叠加原理求得，和外荷载的影响，按叠加原理求得，可表示为：可表示为： UNIVERS
24、ITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程4 4 拱圈截面内力拱圈截面内力 将以上两将以上两组组方程代入正那么方程可得：方程代入正那么方程可得：UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程令UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程那么恣意截面那么恣意截面处的内力的内力为UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY O
25、F SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程6.4 6.4 曲墙式衬砌计算曲墙式衬砌计算 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA
26、南华大学隧道工程南华大学隧道工程6.4 6.4 曲曲墙墙式式衬衬砌砌计计算算 常用于常用于级围级围岩；岩； 拱圈和曲拱圈和曲边墙边墙作作为为一个整体按无一个整体按无铰铰拱拱计计算算 ； 施工施工时时仰拱是在无仰拱是在无铰铰拱拱业业已受力已受力之后建筑的，不思索仰拱之后建筑的，不思索仰拱对衬对衬砌内力砌内力的影响的影响 ；UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程1 1 计计算假算假设设 在自在自动动荷荷载载作用下，作用下，顶顶部部衬衬砌向隧砌向隧道内道内变变形而构成脱离区，两形而构成脱离区，两侧衬侧衬砌向
27、砌向围围岩岩方向方向变变形，引起形，引起围围岩岩对衬对衬砌的被砌的被动弹动弹性抗性抗力力 上零点上零点b b 即脱离区与抗力区的分界点即脱离区与抗力区的分界点 与与衬衬砌垂直砌垂直对对称中称中线线的的夹夹角假定角假定为为 下零点下零点a a在在墙墙脚脚 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 最大抗力点最大抗力点h h假定假定发发生生在最大跨度在最大跨度处处附近，附近，计计算算时时普通取普通取 为简为简化化计计算可假定在分段的接算可假定在分段的接缝缝上。上。 抗力抗力图图形的分布假定形的分布假定为为二
28、次抛物二次抛物线线 bhbh段：段：haha段：段：UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 忽略忽略衬衬砌与砌与围围岩之岩之间间的摩擦力的摩擦力 墙墙脚支承在脚支承在弹弹性岩体上，可性岩体上，可发发生生转动转动和垂直位移和垂直位移( (无程度位移无程度位移) )UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程2 2 、自动荷载作用下的力法方程和衬砌内力、自动荷载作用下的力法方程和衬砌内力式中式中 为墙底位移。为墙底位移
29、。分别计算分别计算 和外荷和外荷载的影响，然后按照叠加原载的影响，然后按照叠加原理相加得到理相加得到UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程2 2 、自动荷载作用下的力法方程和衬砌内力、自动荷载作用下的力法方程和衬砌内力由于墙底无程度位移，故由于墙底无程度位移，故 式中：式中： 是根本构造的单位位移和自动荷载位移；是根本构造的单位位移和自动荷载位移； 是墙底单位转角；是墙底单位转角； 为根本构造墙底的荷载转角；为根本构造墙底的荷载转角；f f 为衬砌的矢高。为衬砌的矢高。UNIVERSITY OF SO
30、UTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程求得求得 后，在自动荷载作后，在自动荷载作用下，衬砌内力即可计算：用下，衬砌内力即可计算：UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 在详细进展计算时，还需进一步确定被动在详细进展计算时，还需进一步确定被动抗力抗力 的大小，这需求利用最大抗力点的大小，这需求利用最大抗力点h h处的处的变形协调条件。变形协调条件。 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CH
31、INA南华大学隧道工程南华大学隧道工程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程3 3、最大抗力、最大抗力值值的的计计算算先求出先求出 和和 变变位由两部分位由两部分组组成，即构造在荷成，即构造在荷载载作用下的作用下的变变位和因位和因墙墙底底变变位位 转转角角 而而产产生的生的变变位之和位之和 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SO
32、UTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 h h点所点所对应对应的的 ，那么，那么该该点的径向位移点的径向位移约约等于程度位移等于程度位移 拱拱顶顶截面的垂直位移截面的垂直位移对对h h点径向位移的影响点径向位移的影响可以忽略不可以忽略不计计按照构造力学方法，在按照构造力学方法，在h h点加一点加一单单位力位力 ，可，可以求得以求得 和和 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程
33、南华大学隧道工程4 4、在单位抗力作用下的内力、在单位抗力作用下的内力 将抗力图将抗力图 视为外荷载单独作用时，未知视为外荷载单独作用时，未知力力 及及 可以参照可以参照 及及 的求法得出的求法得出 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程4 4、在单位抗力作用下的内力、在单位抗力作用下的内力 解出解出 及及 后，即可求出衬砌在单位抗力图后，即可求出衬砌在单位抗力图为荷载单独作用下任一截面内力：为荷载单独作用下任一截面内力：UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF S
34、OUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程5 5、衬砌最终内力计算及校核计算结、衬砌最终内力计算及校核计算结果的正确性果的正确性 衬砌任一截面最终内力值可利用衬砌任一截面最终内力值可利用叠加原理求得：叠加原理求得：UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 校核计算结果正确性时，可以利用拱顶截面转角和程度位移为零条件和最大抗力点a的位移条件： 式中式中 是墙底截面最终转角，是墙底截面最终转角， UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南
35、华大学隧道工程南华大学隧道工程6.5 6.5 直墙式衬砌计算直墙式衬砌计算 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程6.56.5直直墙墙式式衬衬砌砌计计算算 1 1、计计算原理算原理 拱圈按拱圈按弹弹性无性无铰铰拱拱计计算，算，边墙边墙按按弹弹性地基上的直梁性地基上的直梁计计算，并思索算，并思索边墙边墙与与拱圈之拱圈之间间的相互影响；的相互影响； 边墙边墙支承拱圈并接受支承拱圈并接受围围岩岩压压力；力； 拱脚区段的拱脚区段的弹弹性抗力性抗力为为二次抛物二次抛物线线分布分布UNIVERSITY OF SO
36、UTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 位于位于45o45o55 o55 o之间之间 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 Winkler Winkler假定成立，即假定成立，即 拱脚位移思索拱脚位移思索边墙顶变边墙顶变位的影响位的影响UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程2 2、边墙边墙的的计计算算 弹弹性地基上的直梁性地基上的直梁 直直边墙计
37、边墙计算分算分类类： 刚刚性性边墙边墙 短短边墙边墙 长边墙长边墙UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 边墙为边墙为短梁的短梁的计计算：算： 短梁的一端受力及短梁的一端受力及变变形形对对另一端有影响，另一端有影响，计计算算墙顶变墙顶变位位时时，要思索到，要思索到墙墙脚的受力和脚的受力和变变形形的影响。的影响。UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 墙顶墙顶在在单单位弯矩位弯矩 单单独作用下，独作用下，墙顶墙
38、顶的的转转角角 和程度位移和程度位移 为为 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 墙顶墙顶在在单单位程度力位程度力 =1 =1单单独作独作用下，用下，墙顶墙顶位移位移为为 和和 为为 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程在自在自动侧压动侧压力力 梯形荷梯形荷载载 作用下，作用下，墙顶墙顶位移位移 为为： UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南
39、华大学隧道工程南华大学隧道工程其中其中 为基底弹性抗力系数；为基底弹性抗力系数；k k是侧向弹性抗是侧向弹性抗力系数；力系数； 是基底作用有单位力是基底作用有单位力矩时所产生的转角；矩时所产生的转角；h h为边墙的侧面高度；为边墙的侧面高度；最后结果为：最后结果为： UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 长边墙计长边墙计算算弹弹性地基上的半无限性地基上的半无限长长梁，梁
40、，墙顶墙顶受力与受力与墙墙底无关，上述公式可得到一定的底无关，上述公式可得到一定的简简化。化。墙项单墙项单位位移可以位位移可以简简化化为为： UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 边墙为刚边墙为刚性梁性梁 近似作近似作为弹为弹性地基上性地基上的的绝对刚绝对刚性梁，近似以性梁，近似以为为 即即 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 边墙边墙本身不本身不产产生生弹弹性性变变形，形，在外力作用下只在外力作用下只
41、产产生生刚刚体位移，体位移，墙顶处为墙顶处为最大最大值为值为： 称为称为 刚性墙的综合转动惯量，因此刚性墙的综合转动惯量，因此墙侧面的转角为：墙侧面的转角为： UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程6.6 6.6 衬砌截面强度验算衬砌截面强度验算1 1、衬砌构造检算、衬砌构造检算 目前我国公路隧道设计规范规目前我国公路隧道设计规范规定，隧道衬砌和明洞应按破损阶段检定，隧道衬砌和明洞应按破损阶段检算构件截面强度。构造抗裂有要求时，算构件截面强度。构造抗裂有要求时，对混凝土构件进展抗裂验算。对混凝土构件进
42、展抗裂验算。UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程2 2、偏心受压构件的极限承载才干，计算截面、偏心受压构件的极限承载才干，计算截面的抗压或抗拉强度平安系数的抗压或抗拉强度平安系数K K。检查能否。检查能否满足规范所要求的数值，即：满足规范所
43、要求的数值，即： 式中：式中： 是截面的极限承载才干；是截面的极限承载才干； 为截面的为截面的实践内力实践内力( (轴向力轴向力) ; ) ; 是规范所规定是规范所规定的强度平安系数，见下表的强度平安系数，见下表 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程混凝土和砌体构造的强度平安系数混凝土和砌体构造的强度平安系数 圬工种圬工种类混混凝凝土土砌砌体体荷荷载组合合永久荷永久荷载+ +根本可根本可变荷荷载永久荷永久荷载+ +根本可根本可变荷荷载+ +其它其它可可变荷荷载永久荷永久荷载+ +根本根本可可变荷荷载
44、永久荷永久荷载+ +根本可根本可变荷荷载+ +其它其它可可变荷荷载混凝土或砌体到达混凝土或砌体到达抗抗压极限极限强度度2.42.02.72.3混凝土到达抗拉极混凝土到达抗拉极限限强度度3.63.0钢筋混凝土构造的强度平安系数钢筋混凝土构造的强度平安系数 荷荷载组合合 永久荷永久荷载+ +根本根本可可变荷荷载 永久荷永久荷载+ +根本可根本可变荷荷载+ +其它可其它可变荷荷载钢筋到达筋到达设计强度或混凝土到达度或混凝土到达抗抗压或抗剪极限或抗剪极限强度度 2.01.7混凝土到达抗拉混凝土到达抗拉极限极限强度度 2.42.0UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY O
45、F SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程3 3、抗裂要求：、抗裂要求： 当当 时时，按抗拉，按抗拉强强度控制承度控制承载载才干，并用下式才干，并用下式计计算：算： UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 对对隧道隧道衬衬砌和明洞的混凝土偏心受砌和明洞的混凝土偏心受压压构件的构件的轴轴向力偏心距限制向力偏心距限制为为：不宜大于：不宜大于0.450.45倍截面厚度；倍截面厚度； 石料砌体偏心受石料砌体偏心受压压构件不宜大于构件不宜大于0.30.3倍倍截面厚度；截面厚度； 基底偏心距的限制
46、基底偏心距的限制为为：岩石地基不：岩石地基不应应大于大于0.250.25墙墙底厚度；土底厚度；土质质地基不地基不应应大于大于1/61/6墙墙底厚度。底厚度。UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程4 4、地基允许承载力、地基允许承载力 隧道衬砌地基允许承载力可根据隧道衬砌地基允许承载力可根据围岩类别用工程类比和阅历估算的方法围岩类别用工程类比和阅历估算的方法加以确定，有条件的可进展现场实验。加以确定，有条件的可进展现场实验。 UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF
47、SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程第第6 6章章 隧道构造计算隧道构造计算6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 隧道衬砌上的荷载类型及其组合隧道衬砌上的荷载类型及其组合6.3 6.3
48、 半衬砌的计算半衬砌的计算6.4 6.4 曲墙式衬砌计算曲墙式衬砌计算6.5 6.5 直墙式衬砌计算直墙式衬砌计算6.6 6.6 衬砌截面强度验算衬砌截面强度验算6.7 6.7 单元刚度矩阵单元刚度矩阵6.8 6.8 构造刚度方程构造刚度方程UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程采用有限元法计算隧道构造采用有限元法计算隧道构造1 1了解有限元根底了解有限元根底2 2通用软件计算隧道构造通用软件计算隧道构造3 3公用软件计算隧道构造公用软件计算隧道构造UNIVERSITY OF SOUTH CHINAU
49、NIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程曲墙式衬砌计算的根本构造图式曲墙式衬砌计算的根本构造图式UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程计算模型计算模型UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程 二次衬砌-Z方向位移UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程二次衬砌-第一主应力UNIVE
50、RSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程二次衬砌-第二主应力UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程二次衬砌-第三主应力UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程二次衬砌-最大剪应力UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程二次衬砌-锚杆受力图UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程左导洞开挖-Y方向位移UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程左导洞开挖后初喷-锚杆受力UNIVERSITY OF SOUTH CHINAUNIVERSITY OF SOUTH CHINA南华大学隧道工程南华大学隧道工程第第6 6章章 隧道构造计算隧道构造计算习题：习题：教材第教材第130130页的思索题页的思索题: :5 5、6 6、7 7、1010
