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1、第五章 隧道結構體系設計 原理與方法 第一節 概 述 隧道的結構體系是由 圍巖 和 支護結構 共同組成的。其 中圍巖是主要的承載元素，支護結構是輔助性的，但通常也 是必不可少的，在某些情況下，支護結構主要起承載作用。 這就是按現代巖石力學原則設計支護結構的基本出發點。 隧道開挖前巖體處于初始應力狀態 ， 謂之 一次應力 狀態 ；開挖隧道后引起了圍巖應力的重分布 ， 同時圍巖 將產生向隧道內的位移 ， 形成了新的應力場 ， 稱之為圍 巖的 二次應力狀態 ， 這種狀態受到開挖方式 爆破 、 非爆 破 和方法 全斷面開挖 、 分部開挖等 的強烈影響 。 如果 隧道圍巖不能保持長期穩定 ， 就必須設置。

2、支護結構 ， 從 隧道內部對圍巖施加約束 ， 控制圍巖變形 ， 改善圍巖的 應力狀態 ， 促使其穩定 ， 這就是 三次應力狀態 。 顯然這 種狀態與支護結構類型 、 方法以及施設時間等有關 。 三 次應力狀態滿足穩定要求后就會形成一個穩定的洞室結 構 ， 這樣 ， 這個力學過程才告結束 。 要進行支護結構設計 ， 就必須充分認識和了解以下五方面的 問題 圍巖的初始應力狀態 ， 或稱一次應力狀態 , 這部分內 容已在第四章中作了介紹； 開挖隧道后圍巖的二次應力狀態 和位移場 ； 判斷圍巖二次應力狀態和位移場是否符合穩定性條件即圍 巖穩定性準則 。 一般可表示為 5-1 式中的 、 是根據圍巖的物。

3、理力學特性所確定的某些特 定指標 。 0 2 2u 0, 0, 2 2 1 2 RuF Rf 、 1R 2R 設置支護結構后圍巖的應力狀態 ， 亦稱圍巖的三次應 力狀態 和位移場 ， 以及支護結構的內力 和位移 。 判斷支護結構安全度的準則 ， 一般可寫成 5-2 式中的 、 是支護結構材料的物理力學參數 。 3 3u M 0, 0, 22 11 KF KMf 1K 2K 第二節 圍巖的二次應力場和位移場 一 、 隧道開挖后的彈性二次應力狀態及位移狀態 計算圍巖的二次應力場和位移場 ， 首先推算隧道開挖 前圍巖的初始應力狀態 ， 以及與之相適應的位移場 。 隧道開挖后 ， 因其周邊上的徑向應力。

4、 和剪應力 都為零 ， 故可向具有初始應力的圍巖 ， 在隧道周邊上反方向施加與 初始應力相等的釋放應力 。 用彈性力學方法計算帶有孔洞 的無限平面在釋放應力作用下的應力 和位移 。 而真實 的圍巖二次應力場及位移場為 0 0 0u n 1 1u 12 102 uu 模擬隧道開挖所經歷的力學過程可以用圖 5-1表示 。 A B 0 0 a B A 0 x0 , u 0 0 n 1 1 , u 1 1 2 2 0 1 u u 2 1 r 2 b c d z n 圖 5-1 隧道開挖所經歷的力學過程模擬 對于自重應力場中的深埋隧道 ， 常常將它的圍巖初始應力 場簡化為常量場 ， 也就是假定圍巖。

5、的初始應力到處都是一 樣 。 并取其等于隧道中心點的自重應力 ， 即 式中 為隧道中心點的埋深，以 m計， 是圍巖的側壓力 系數，無量綱。 zx cz H cH 根據彈性力學原理，這個 問題的求解還可以簡化為 不考慮體積力的形式，而 用在有孔無限平面 無重的 無窮遠邊界上作用有垂直 均布荷載和水平荷載的形 式來代替，如圖 5-2所示。 Z r 0 r A X C H H C 圖 5-2 力學模型 由此而引起的計算誤差在洞周上是不大的，并隨著隧道埋深 的增加而減少。當埋深超過 10倍洞徑時，其誤差可以忽略不 計。 二 、 隧道開挖后形成塑性區的二次應力狀態及位移狀 態 塑性應力區域是由于多數圍。

6、巖具有塑性這一性質而造成 的 。 塑性 就是指圍巖在應力超過一定值后產生塑性變形的性 質 。 此時 ， 應力即使不增加 ， 變形仍繼續 。 當圍巖內應力超 過圍巖的抗壓強度后 ， 圍巖發生塑性變形并迫使塑性變形的 圍巖向隧道內滑移 。 塑性區的圍巖因變得松弛 ， 其物理力學 性質也發生變化 。 三 、 無支護坑道的穩定性及其破壞 坑道穩定性 是指隧道圍巖在開挖過程中 ， 在不設任何 支護情況下所具有的穩定程度 。 無支護坑道圍巖的失穩破壞有 三種形式 由于破碎巖體的自重作用 ， 超過了它們脫離巖體的阻力而多 在頂部 、 較少在側壁處造成局部崩塌； 由圍巖應力重分布所造成的應力集中區域內的巖體。

7、強度破壞 而形成的崩塌 。 一般發生在脆性巖體中 ， 且在多數情況下 ， 巖 體破壞從坑道側壁開始 ， 同時巖體的破壞和位移也可能發生在 頂部和底部； 在塑性巖體中 ， 穩定的喪失是由于塑性變形的結果 ， 巖體產 生了過度的位移 ， 但無明顯的破壞跡象 。 第三節 隧道圍巖與支護結構的共同作用 一 、 收斂和約束的概念 開挖隧道時 ， 由于臨空面的形成 ， 圍巖開始向洞內產生 位移 ， 這種位移我們稱之為 收斂 。 若巖體強度高 ， 整體性好 、 斷面形狀有利 ， 巖體的變形到一定程度 ， 就將自行停止 ， 圍 巖是穩定的 。 反之 ， 巖體的變形將自由地發展下去 ， 最終導 致隧道圍巖整體失。

8、穩而破壞 。 在這種情況下 ， 應在開挖后適 時地沿隧道周邊設置支護結構 ， 對巖體的移動產生阻力 ， 形 成 約束 。 相應地支護結構也將承受圍巖所給予的反力 ， 并產 生變形 。 如果支護結構有一定的強度和剛度 ， 這種隧道圍巖 和支護結構的相互作用會一直延續到支護所提供的阻力與圍 巖應力之間達到平衡為止 ， 從而形成一個力學上穩定的隧道 結構體系 。 這時的隧道圍巖應力狀態稱為 三次應力狀態 。 二 、 坑道支護后的圍巖應力狀態及位移狀態 隧道開挖后，圍巖應力狀態出現兩種情況 一種是開挖后的二次應力狀態仍然是彈性的，隧道圍巖除 因爆破、地質狀態、施工方法等原因可能引起稍許松弛掉塊外， 是。

9、穩定的，在這種情況下，坑道是穩定的，原則上無需支護，即 使支護也是防護性的，支護方法一般可采用噴漿或者噴射混凝土； 另一種是開挖后隧道圍巖產生一定范圍的塑性區，此時應采 用承載型的支護結構，以維護坑道的穩定。 坑道支護后，相當于在坑道周邊施加了一個阻止隧道圍巖變 形的支護阻力 抗力 ，從而也改變了圍巖的二次應力狀態。支護 阻力的大小和方向對圍巖的應力狀態有著很大的影響 。 三 、 圍巖特性曲線 支護需求曲線 支護阻力 與隧道洞壁位移 的關系曲線如圖 5-12所示。 aP au 形變壓力 松散壓力 a 彈塑性分界 P P a,max u lim u a a,minP a,maxu 圖 5-12。

10、 圍巖特性曲線 這條曲線形象的表達 了支護結構與隧道圍 巖之間的相互作用 在極限位移范圍內， 圍巖允許的位移大了， 所需的支護阻力就小， 而應力重分布所引起 的后果大部分由圍巖 所承擔；圍巖允許的 位移小了，所需的支 護阻力就大，圍巖的 承載能力就得不到充 分的發揮。 四 、 支護特性曲線 支護補給曲線 以圓形隧道為研究對象 ， 并假定圍巖給支護結構的反力也是徑 向勻布的 。 因此 ， 這還是一個軸對稱問題 。 相對于圍巖的力學 特性而言 ， 混凝土或鋼支護結構的力學特性可以認為是線彈性 的 ， 也就是說作用在支護結構上的徑向均布壓力 是和它的徑 向位移 成線性關系 ， 即 式中的 定義為支。

11、護結構的剛度 。 aP 0uua 0uuKP asa sK aP u a 錨噴聯合支護 噴混凝土支護 錨桿支護 圖 5-13 支護特性曲線 對于幾種支護結構型式 ， 其支 護特性曲線如圖 5-13所示 。 五 、 圍巖與支護結構準靜力平衡狀態的建立 三次 應力場 如果支護結構有足夠的強度和剛度 ， 則圍巖的支護需求曲線 和支護結構的支護補給曲線會相交一點 ， 而達到平衡 ， 這個 交點都應在 或 之前 。 隨著時間的推移 ， 地下水位逐漸 恢復 ， 圍巖物性指標惡化 ， 錨桿銹蝕等等 ， 這個平衡狀態還 將調整 。 limu maxu a 彈塑性分界 P u a 圖 5-14說明 1. 不同。

12、剛度的支護結構與圍 巖達成平衡時的 和 是 不同的。 2. 同樣剛度的支護結構，由 于架設的時間不同，最后達 成平衡的狀態也是不同的。 aP au 圖 5-14 圍巖和支護結構的相互作用 第四節 支護結構的設計原則 支護結構的 基本作用 在于與圍巖一起組成一個有足夠 安全度的隧道結構體系 ， 能承受可能出現的各種荷載；保持 隧道斷面的使用凈空；防止圍巖質量的進一步惡化；提供空 氣流通的光滑表面 。 因此 ， 任何一種類型的支護結構都應具 有與上述作用相適應的構造 、 力學特性和施工的可能性 。 一 、 支護結構的基本要求 1. 必須能與圍巖大面積地牢固接觸 ， 即保證支護結構與圍巖 作為一個整。

13、體進行工作 。 根據不同的開挖和支護方法 ， 兩者的接觸狀態可作如下 分類 的接觸狀態 圍巖與支護結構 襯砌噴混凝土、泵送混凝土牢固的 土質隧道有回填層松散的 面接觸 鋼支撐確定的 撐模筑混凝土襯砌、木支任意的 點接觸 2. 重視早期支護的作用 ， 并使早期支護與永久支護相互配 合 ， 協調一致地工作 。 3. 要允許隧道圍巖能產生有限制的變形 ， 以充分發揮圍巖 的承載能力而減少對支護結構的不利作用 ， 使兩者更加 協調的工作 。 4. 必須保證支護結構及時施作 。 5. 作為支護結構要能根據隧道圍巖的動態 位移 、 應力等 ， 及時地進行調整和修改 ， 以適應不斷變化的圍巖狀態 。 二 、。

14、 支護結構類型的選擇和設計 根據其使用目的 ， 支護結構可分為 防護型支護 構造型支護 承載型支護 在設計支護結構時應注意 支護結構最好設計成封閉式的，一般都應有仰拱。 對于抗拉性能較差的混凝土類支護結構，應盡量 避免受彎矩作用。 第五節 圍巖壓力 圍巖壓力 是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護結構變形或 破壞的作用力。 一 、 圍巖壓力分類 圍巖壓力按作用力發生的形態 ， 一般可分為如下幾種類型 1. 松動壓力 由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力的形式直接作用在支 護結構上壓力稱為松動壓力。 2. 形變壓力 形變壓力是由于圍巖變形受到與之密貼的支護結構 如錨噴 支護等 的抑制，而使圍巖與支護結構。

15、共同變形的過程中，圍巖 對支護結構施加的接觸壓力。 3. 膨脹壓力 當巖體具有吸水膨脹崩解的特征時，由于圍巖吸水而膨脹 崩解所引起的壓力稱為膨脹壓力。 4. 沖擊壓力 沖擊壓力是在圍巖中積累了大量的彈性變形能之后 ， 由于 隧道的開挖 ， 圍巖約束被解除 ， 能量突然釋放所產生的壓力 。 二 、 圍巖松動壓力的形成和確定的方法 作用在支護結構上的圍巖松動壓力總是遠遠小于其上覆 蓋地層自重所造成的壓力。這可以用圍巖的 “ 成拱作用 ” 來 解釋。 拿一個在水平成層的圍巖中開挖隧道的例子 ， 來說明隧 道開挖后圍巖又變形到坍塌成拱的整個變化過程 圖 5-16。 a 變形階段； b 松動階段； c 。

16、塌落階段； d 成拱階段 。 圖 5-16 圍巖松動壓力的形成 將隧道所形成的相對穩定的拱稱為 “ 天然 拱 ” 或 “ 塌 落拱 ” 。它如同一個承載環一樣承受著上覆地層的全部重 量，并且將荷載向兩側傳遞下去。這就是圍巖的 “ 成拱作 用 ” 。而天然拱范圍內破壞了的巖體的重量，就是作用在 支護結構上的圍巖松動壓力的來源。 實踐證明 ， 天然拱范圍的大小除了受上述的圍巖地質條件 、 支護結構架設時間 、 剛度以及它與圍巖的接觸狀態等因素 影響外 。 還取決于以下諸因素 隧道的形狀和尺寸。 隧道的埋深。 施工因素 一 深埋隧道圍巖松動壓力的確定方法 當隧道的埋置深度超過一定限值后，圍巖的松動壓。

17、力僅 是隧道周邊某一破壞范圍(天然拱)內巖體的重量，而與埋深 無直接關系。 1、 統計法 我國 隧規 所推薦的方法 現在我國 隧規 中隧推薦的計算圍巖豎向勻布松動壓 力的公式 ， 就是根據 357個鐵路隧道的塌方資料統計分析而擬 定的 wh hq s 1245.0 式中的 為圍巖容重； s 為圍巖級別； 為寬度影響系數， 由 w1i( B-5) 計算， B 為坑道寬度， i 為 B每增減 1m時的 圍巖壓力增減率，當 B 5m時，取 i 0.2，當 B 5m時，取 i 0.1。 s w 公式的適用條件為 H/B 1.7， H為坑道的高度； 深埋隧道； 不產生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖； 采用。

18、礦山法施工 。 圍巖水平勻布的松動壓力 ， 按表 5-3中的經驗公式計算 ， 其適 用條件同上 。 圍巖級 別 水平均 布壓力 0 0.15q 0.15 0.3q 0.3 0.5q 0.5 1.0q 表 5-3 圍巖水平均布壓力 作用在支護結構上的荷載是很不均勻的，這是因為在 級及 級圍巖中，局部塌方是主要的，而在其它類別的圍巖中，巖體 破壞范圍的形狀和大小，受巖體結構、施工方法等因素的控制， 也是極不規則的。根據統計資料，圍巖豎向松動壓力的分布圖 形大致可以概括為以下六種，如圖 5-17所示。 圖 5-17 圍巖豎向松動壓力的分布圖形 2、 普氏理論 普洛托李雅克諾夫認為所有的巖體都不同程度。

19、地被節 理、裂隙所切割，因此可以視為散粒體。 基于這些認識，普 氏提出了 巖體的堅固性系數 又叫似摩擦系數 的概念。 0t a n t a n cf 式中 、 為 巖體的似摩擦角和內摩擦角 ； 、 為 巖體的抗剪強度和剪切破壞時的正應力； 為 巖體的粘結力。 0 c 巖體的堅固性系數值，是一個說明巖體各種性質 如強度、 抗鉆性、抗爆性、構造、地下水等 的籠統的指標 。 在確定巖 體的值時，除了考慮其強度指標外，還需根據巖體的構造特 征等因素，并結合以往的工程實踐經驗加以修正。 為了確定圍巖的松動壓力，普氏還提出了基于天然拱概念的 計算理論，作用在支護結構上的圍巖壓力就是天然拱以內的 松動巖體的。

20、重量。而天然拱的尺寸，即它的高度和跨度則與 反映巖體特征的值和所開挖的隧道寬度有關， 其具體表達式 為 f bh k 式中 為天然拱高度； b為天然拱半跨度 。 kh 在堅硬巖體中，坑道側壁較穩定，天然拱的跨度就是隧道 的寬度，即 為隧道的凈寬度的一半 ，如圖 5- 18a所示， 在松散和破碎巖體中，坑道的側壁也受擾動而 滑移，天然拱的跨度也相應加大為 圖 5-18b tbb tb 245t a n 0tt Hbb 式中 為隧道凈跨度的一半； 為隧道凈高度；其余符號 含義同前 。 tb tH 一般來說 ， 普氏理論比較適用于松散 、 破碎的圍巖中 。 圖 5-18 隧道圍巖塌落拱 3、 泰沙。

21、基理論 泰沙基 K.Terzaghi也將巖體視為散粒體 。 他認為坑道開 挖后 ， 其上方的巖體將因坑道變形而下沉 ， 并產生如圖 5- 19所示的錯動面 OAB。 圖 5-19 泰沙基理論 一般情況下，深埋隧道與 淺埋隧道界限的確定應以隧道 頂部覆蓋層能否形成 “ 天然拱 ” 為原則，但要準確定出其界限 值是困難的，因為它與許多因 素有關，因此一般只能根據經 驗判斷。通常，當地面與隧道 頂部之間的巖層厚度超過塌方 平均高度的 2 2.5倍以上時， 一般可作為深埋隧道處理。對 于特殊情況應作具體分析。 二 淺埋隧道圍巖松動壓力的確定方法 隧道工程實踐表明，當隧道埋深不大時，開挖的影響將 波及到。

22、地表，無法形成 “ 天然拱 ” 。因此，上述估其深埋隧 道圍巖松動壓力的公式對淺埋隧道是不適用的， 如圖 5-20，從松散介質極限平衡的角度，對施工過程中 巖體運動的情況進行分析若不及時支護，或施工時支護下 沉，會引起洞頂上覆蓋巖體 EFHG的下沉與移動，而且它的移 動受到兩側其它巖體的挾持，反過來又帶動了兩側三棱體 ACE和 BDF的下滑，形成兩個破裂面 為了簡化，假定它們都 是與水平面成角的斜直面，如圖 5-20a中的 AC和 BD。研究洞 項上覆蓋巖體 EFHG的平衡條件，即可求出作用在支護結構上 的圍巖松動壓力。 圖 5-20 淺埋隧道圍巖松動壓力的確定 第六節 隧道結構體系的計算模型。

23、 一 、 計算模型的建立原則 一個理想的隧道工程的數學力學模型應能反映下列的因素 必須能描述有裂隙和破壞帶的 ， 以及開挖面形狀變化所 形成的三維幾何形狀 。 對圍巖的地質狀況和初始應力場不僅要能說明當時的 ， 而且還要包括將來可能出現的狀態 。 應包括對圍巖應力重分布有影響的巖石和支護材料非線 性特性 ， 而且還要能準確地測定出反映這些特性的參數 。 如果要知道所設計的支護結構和開挖方法能否獲得成功 ， 即想評估其安全度 ， 則必須將圍巖 、 錨桿和混凝土等材料的局 部破壞和整體失穩的判斷條件納入模型中 。 當然 ， 條件必須滿 足現行設計規范的有關規定 。 要經得起實際的檢驗 ， 這種檢驗。

24、不能只是偶然巧合 ， 而是 需要保證系統的一致性 。 二 、 常用的計算模型 從各國的地下結構設計實踐看 ， 目前在設計隧道的結構 體系時 ， 主要采用兩類計算模型第一類模型是以支護結構作 為承載主體 ， 圍巖作為荷載主要來源 ， 同時考慮其對支護結構 的變形起約束作用；第二類模型則相反 ， 是以圍巖為承載主體 ， 支護結構則約束和限制圍巖向隧道內變形 。 第一類模型又稱為傳統的 結構力學模型 。它將支護結構 和圍巖分開來考慮，支護結構是承載主體，圍巖作為荷載的 來源和支護結構的彈性支承，故又可稱為 荷載 結構模型 圖 5-23a。 這一類計算模型主要適用于圍巖因過分變形而發生松弛 和崩塌，支。

25、護結構主動承擔圍巖 “ 松動 ” 壓力的情況。 屬于這一類模型的計算方法有彈性連續框架 含拱形 法，假定抗力法和彈性地基梁 含曲梁和圓環 法等。 圖 5-23 隧道計算模型 第二類模型又稱為現代的巖體力學模型。它是將支護結 構與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結構體系，故又稱 為 圍巖 結構模型 或 復合整體模型 圖 5-23b。 在圍巖 結構模型中可以考慮各種幾何形狀、圍巖和支 護材料的非線性特性、開挖面空間效應所形成的三維狀態以 及地質中不連續面等等。 利用這個模型進行隧道結構體系設計的關鍵問題 ， 是如 何確定圍巖的初始應力場以及表示材料非線性特性的各種參 數及其變化情況 。 一旦這些。

26、問題解決了 ， 原則上任何場合都 可用有限單元法求出圍巖與支護結構的應力 、 位移狀態 。 第七節 隧道結構體系設計計算方法 一 、 結構力學方法 一 荷載 結構模型的建立 主動荷載模型 圖 5-24a 不考慮圍巖與支護結構的相互作用，因此，支護結構 在主動荷載作用下可以自由變形，其計算原理和地面結構 一樣。 主動荷載加圍巖彈性約束模型 (圖 5-24b)。 認為圍巖不僅對支護結構施加主動荷載，而且由于圍 巖與支護結構的相互作用，圍巖還對支護結構施加被動的 彈性抗力。 圖 5-24 荷載 結構模型 二 作用 荷載 組成 采用荷載 結構模型分析支護結構內力時，其中最重 要的是圍巖的松動壓力，支。

27、護結構自重可按預先擬定的結 構尺寸和材料容重計算確定。 三 隧道襯砌結構受力變形 特點 隧道襯砌在圍巖壓力作 用下要產生變形 如圖 5-25 所示 。 在隧道拱頂 ， 其變形背 向圍巖 ， 不受圍巖的約束而 自由地變形 ， 這個區域稱為 “ 脫離區 ” ；而在隧道的兩 側及底部 ， 結構產生朝向圍 巖的變形 ， 受到圍巖的約束 作用 ， 因而圍巖對隧道襯砌 結構產生了約束反力 彈性 抗力 ， 這個區域稱為 “ 抗 力區 ” 。 圖 5-25 隧道襯砌結構受力變形特點 四 支護結構的幾種計算方法 1、 主動荷載模式 1 彈性固定的無鉸拱 適用于這類計算模式的 常有半襯砌 。 半襯砌拱圈的 拱。

28、矢和跨度比值一般是不大 的 ， 當豎向荷載作用時 ， 大 部分情況下 ， 拱圈都是向坑 道內變形 ， 不產生彈性抗力 。 其結構模型可以簡化成圖 5- 26所示的彈性固定無鉸拱 ， 拱腳產生變位 ， 對結構內力 有影響 。 圖 5-26 彈性固定無鉸拱計算圖式 2 圓形襯砌 修建在軟土地 層中的圓形襯砌 ， 也常常按主動荷載 模式進行結構計算 。 承受的荷載主要有 土壓力 、 水壓力 、 結構自重和與之相 平衡的地基反力 。 結構計算圖式示于 圖 5-27。 圖 5-27 圓形襯砌計算圖式 2、 主動荷載加被動荷載模式 1 假定抗力圖形 該法的計算特點是假定抗 力的分布范圍的分布規律 ， 如上。

29、 、 下零點和最大值的 位置 。 該法計算拱形襯砌 馬蹄形襯砌 的內力的計 算簡圖如圖 5-28所示 。 圖 中假定拱部正中為脫離區 ， 以下為抗力區 。 圖 5-28 假定抗力圖形法 計算簡圖 2局部變形地基梁法 局部變形地基梁法 由 納烏莫夫 首創 ， 一般 用于計算直墻拱形初砌 的內力 ， 計算簡圖如圖 5-29所示 。 該法計算拱形直墻 襯砌內力的特點，是將 拱圈和邊墻分為兩個單 元分別進行計算，而在 各自的計算中考慮相互 影響。 圖 5-29 局部變形地基梁法計算簡圖 3彈性支承法 利用彈性支承法計算隧道襯砌結構內力的基本思想是 采用符合 “ 局部變形原理 ” 的彈簧來模擬隧道圍巖 。

30、， 而將 襯砌與圍巖所組成的隧道結構體系離散化成有限個襯砌單 元和彈簧單元所組成的組合體 。 采用結構力學方法求解該 體系即可求得襯砌內力 。 五 隧道襯砌截面強度檢算 1、 按破損階段法或容許應力法 算出襯砌內力后 ， 還須進行隧道襯砌截面強度檢算 。 根 據 隧規 規定 ， 隧道襯砌和明洞按按破損階段檢算構件截面 強度時 ， 根據結構所受的不同荷載組合 ， 在計算中應選用不同 的安全系數 ， 安全系數可根據表 5-7及表 5-8選用 。 圬工種類 混凝土 砌 體 荷載組合 主要荷 載 主要荷 載 附 加荷載 主要荷 載 主要荷 載 附 加荷載 破 壞 原 因 混凝土或砌體達到 抗壓強度極。

31、限 2.4 2.0 2.7 2.3 混凝土達到抗拉強 度極限 3.6 3.0 - - 表 5-7 混凝土和砌體結構的強度安全系數 2、 按概率極限狀態法 根據極限狀態法計算出地下結構上作用的荷載組合 ， 計 算出的結構內力要以可靠指標度量結構構件的可靠度 。 采用 以分項系數的設計表達式進行設計 。 該方法規定整個結構或 結構的一部分超過某一特定狀態就不能滿足設計規定的某一 功能要求 ， 此特定狀態稱為該功能的極限狀態 ， 極限狀態可 以分為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態 。 承載能力極限狀態 是指結構或構件達到最大承載能力 或達到不適于繼續承載的較大變形的極限狀態； 正常使用極限狀態 是。

32、指結構或構件達到使用功能上允 許的某一限值的極限狀態 。 二 、 巖體力學方法 在隧道結構體系中，一方面圍巖本身由于支護結構提供了 一定的支護抗力，而引起它的應力調整，從而達到新的穩定； 另一方面由于支護結構阻止圍巖變形，也必然要受到圍巖給予 的反作用力而發生變形。這種反作用力和圍巖的松動壓力極不 相同，它是支護結構和圍巖共同變形過程中對支護施加的壓力， 故可稱為 “ 形變壓力 ” 。 目前對于這種模型求解方法有 解析法 、 數值法 、 特征曲線法 三 種 。 1、 解析法 該方法根據所給定的邊界條件，對問題的平衡方程、幾何 方程和物理方程直接求解。 2、 數值方法 對于幾何形狀和圍巖初始應力。

33、狀態都比較復雜的隧道 ， 一般 需要采取數值方法 ， 尤其是需要考慮圍巖的各種非線性特性時 。 該方法主要是指有限單元法 ， 它是把圍巖和支護結構都劃分為單 元 ， 然后根據能量原理建立起整個系統的虛功方程 ， 也稱 剛度方 程 ， 從而求出系統上各節點的位移以及單元的應力 。 1計算范圍的選取 無論是深埋或淺埋隧道都屬于半無限空間問題 ， 簡化為平面 應變問題時 ， 則為半無限平面問題 。 實踐證明 ， 隧道開挖僅僅對 一定的有限范圍內才有明顯的影響 ， 在距開挖部位稍遠一些的地 方 ， 其應力變化是微不足道的 。 平面有限元分析時的計算范圍可 取為 6 10倍的隧道寬度 。 此外 ， 根據。

34、對稱性的特點 ， 分析區域 可以取一半 一個對稱軸 或 1/4兩個對稱軸 。 2單元類型的選擇 圍巖和混凝土為勻質 、 各向同性的粘彈塑性材料 ， 一般采用 四邊形等參單元 和 退化的三角形單元 模擬；對噴射混凝土層和錨 桿可采用 桿單元 模擬 ， 并用特殊粘結單元模擬錨桿與圍巖之間相 互聯結 ， 錨桿與圍巖之間的聯系狀態是剛塑性的；對防水層可采 用有厚度的 夾層單元 模擬 。 3分部開挖的力學模擬 隧道開挖在力學上可以認為是一個應力釋放和回彈變形問題 。 當隧道開挖后 ， 圍巖中的部分初始地應力得到釋放 ， 產生了向隧 道內的回彈變形 ， 并使圍巖中的應力狀態發生重分布隧道周邊 成為自由表面。

35、 ， 應力為零 。 為了模擬開挖效應 ， 求得開挖隧道后 圍巖中的應力狀態 ， 可以將開挖釋放掉的應力作為等效荷載加在 開挖后坑道的周邊上 。 3、特征曲線法 特征曲線法也稱為“ 收斂 約束 ”法，是用圍巖的支 護需求曲線和支護結構的補給曲線以求得達到穩定狀態時 支護結構的內力。 特征曲線法的基本原理是隧道開挖后，如無支護， 圍巖必然產生向隧道內的變形 收斂 。施加支護以后，支 護結構約束了圍巖的變形 約束 ，此時圍巖與支護結構一 起共同承受圍巖擠向隧道的變形壓力。 4支護結構強度校核 三 、 以圍巖分級為基礎的經驗設計方法 在大多數情況下，隧道支護體系還是依賴 “ 經驗設計 ” 的， 并在實。

36、施過程中，依據量測信息加以修改和驗證。 我們大致上可以發現在進行支護結構經驗設計時 ， 需要注 意的幾點的原則是 首先對隧道圍巖要有一個正確的分級 在各類巖體中 ， 支護結構參數大體是按下述原則選用的 在施工中應盡量少損害圍巖 ， 使其盡量保持原有巖體的強度 ， 因此 ， 應采用控制爆破技術 。 預計有大變形和松弛的情況下 ， 開挖面要全面防護 包括正 面 ， 使之有充分的約束效應 ， 在分臺階開挖時 ， 上半斷面進深 不宜過長 ， 以免影響整個斷面的閉合時間 。 二次襯砌通常是模筑的 ， 在修二次襯砌之前要設防水 層 ， 形成具有防水性能的組合襯砌 。 允許甚至希望巖石出現一定的變形 ， 以。

37、減少為完成支 護作用所需的防護措施 ， 制定詳細周密的量測計劃 。 通過量測 ， 確定所建立的 支護阻力是否和圍巖類型相適應以及還需要什么樣的加 強措施等 。 支護結構的施工順序與正確地掌握巖體的時間效應 很有關系 。 四 、 監控設計方法 由于地下結構的受力特點極其復雜 ， 自 50年代以來 ， 國際 上就開始通過對鐵路隧道的量測來監視圍巖和支護結構的狀態 ， 并應用現場監測結果修改設計 、 指導施工 。 監控設計通常包括兩個階段施工前預設計階段和修正設 計階段 。 監控設計的 主要環節 包括現場監測 、 數據處理 、 信息反 饋三個方面 。 現場監測包括制定監測方案 、 確定測試內容 、 選擇測試手段 、 實施監測計劃 。 數據處理包括原始數據的整 理 、 明確數據處理的目的 、 選擇處理方法 、 提出處理結果 。 信 息反饋包括反饋方法 理論反饋與經驗反饋 和反饋的作用 修 改設計與指導施工 。 。

總結

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