隧道支护结构设计计算方法的基本原理课件.ppt

1、 隧中线隧中线线中线线中线内轨顶面内轨顶面O2O2r3O1r1458027BO3O3Hh1h1d172808592801124951172808592801124951拱顶坍塌、冒落拱顶坍塌、冒落水平岩层水平岩层倾斜岩层倾斜岩层水平岩层冒落倾斜岩层掉块、塌落高边墙坍塌裂隙岩体顶部掉块软岩巷道严重底鼓变形 软岩巷道变形、支撑断裂(c)(d)(a)(b)变形阶段变形阶段松动阶段松动阶段塌落阶段塌落阶段成拱阶段成拱阶段自然拱qphH5 . 22 pHqh围岩压力 l影响因素：影响因素：深埋石质隧道：围岩的松动压力可按深埋石质隧道：围岩的松动压力可按铁铁路隧道设计规范路隧道设计规范所建议的公式进行计算

2、。所建议的公式进行计算。工程地质、水文地质、埋深、结构形状、工程地质、水文地质、埋深、结构形状、工作条件、施工方法、相邻隧道间距等。工作条件、施工方法、相邻隧道间距等。土质隧道：土质隧道：hqkhq0tan01hbbqetg;aiaicqe2pipicqe2)245(tan2a)245(tan2p 在计算总压力时可不计临界深度在计算总压力时可不计临界深度 = 以上的以上的负压力。负压力。0hac2土质隧道：土质隧道：hqkhq0tan01hbbqetg;aiaicqe2pipicqe2)245(tan2a)245(tan2p 在计算总压力时可不计临界深度在计算总压力时可不计临界深度 = 以上的

3、以上的负压力。负压力。0hac2 whqSq1245. 0Sqhq79. 141. 0第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理2.普氏公式普氏公式提出岩体坚固性系数提出岩体坚固性系数f 的概念。的概念。岩体被节理、裂隙所切割，视为岩体被节理、裂隙所切割，视为散粒体散粒体。但岩体又不同于一般的散粒体，其结构面上存但岩体又不同于一般的散粒体，其结构面上存在着不同程度的在着不同程度的粘结力粘结力，所以要保证其，所以要保证其抗剪强抗剪强度不变度不变。第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理ctg0tgctgctgf式中

4、式中0岩体的内摩擦角和似摩擦角；岩体的内摩擦角和似摩擦角； 岩体的抗剪强度：岩体的抗剪强度：岩体坚固性系数：岩体坚固性系数： 坚固性系数坚固性系数 f 是一个说明岩体特性（强度、抗是一个说明岩体特性（强度、抗钻性、抗爆性、构造、地下水）的综合指标。钻性、抗爆性、构造、地下水）的综合指标。0tgf第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理 在具有一定粘结力的松散介质中开挖坑道后，其在具有一定粘结力的松散介质中开挖坑道后，其上方会形成一个抛物线形的自然拱，作用在支护结上方会形成一个抛物线形的自然拱，作用在支护结构上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重量。构上的

5、围岩压力就是自然拱内松散岩体的重量。fbhtk式中式中 hk自然拱高度；自然拱高度； bt自然拱的半跨度。自然拱的半跨度。 提出基于提出基于“自然拱自然拱”概念的计算理论概念的计算理论 自然拱的自然拱的形状和尺寸形状和尺寸(即它的高度即它的高度hk和跨度和跨度Bt)与与岩体的坚固性系数岩体的坚固性系数f 有关。具体表达式为：有关。具体表达式为：第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理在松散和破碎岩体中，坑道的侧壁受到扰动在松散和破碎岩体中，坑道的侧壁受到扰动而产生滑移，自然拱的跨度也相应加大而产生滑移，自然拱的跨度也相应加大 。坚硬岩石坚硬岩石松软岩石

6、松软岩石BtBbt第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理围岩垂直均布松动压力：围岩垂直均布松动压力：khq围岩水平均布松动压力可按朗金公式计算：围岩水平均布松动压力可按朗金公式计算：2452102tgHqet注意：注意： 作用在任何水平面上的竖向压应力作用在任何水平面上的竖向压应力 是均布的，是均布的，相应的水平力相应的水平力 第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理v为侧压力系数。为侧压力系数。 H=v3.泰沙基理论泰沙基理论 也视为散粒体，隧道上方的岩体因隧道的变也视为散粒体，隧道上方的岩体因隧道的变形而

7、下沉。形而下沉。假定：假定：破裂面为折线破裂面为折线OAB第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理方法：方法：研究微分条带研究微分条带dh的的平衡。平衡。步骤步骤1.V=0，建立微分方程，建立微分方程2.边界条件：边界条件：h h=0,=0,0v第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理022220dhbdhtgbdbVVVV 在地面深度为在地面深度为h处取出一厚度为处取出一厚度为dh的水平条带单的水平条带单元体，考虑其平衡条件元体，考虑其平衡条件 V0 ，得出，得出 00dhbtgdVV 展开后，得展开后，得第

8、五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理bhtgVetgb010随着埋深加大随着埋深加大, 趋近于零，则趋近于零，则 bhtge03.解微分方程，得解微分方程，得4.讨论：讨论： (1)当埋深当埋深h 达到一定程度时，达到一定程度时，v为常数为常数0tgbV第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理(2)侧压力系数取侧压力系数取 1，则，则式中，式中，b、0 意义同上。意义同上。0tgbV如以如以 f 代入，得代入，得0tgfbV2452102tgHetv侧向均布压力则仍按朗金公式计算：侧向均布压力则仍按朗金公式计

9、算： (3)与普氏法对照，能发现什么？与普氏法对照，能发现什么？泰沙基认为：泰沙基认为：H5b 为深埋隧道为深埋隧道第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理 当隧道埋深不大时，开挖的影响将波及到地表当隧道埋深不大时，开挖的影响将波及到地表而不能形成而不能形成“自然拱自然拱”。隧道开挖后如不及时支撑，。隧道开挖后如不及时支撑，岩体即会大量坍落移动，会影响到地表并形成坍陷岩体即会大量坍落移动，会影响到地表并形成坍陷区域，此时岩体将会出现两个滑动面。区域，此时岩体将会出现两个滑动面。 浅埋隧道浅埋隧道围岩压围岩压力力滑动面滑动面滑动土体滑动土体未扰动土未扰动

10、土体体支护结构反力支护结构反力 可采用可采用松散介质极限松散介质极限平衡理论平衡理论进行分析。进行分析。第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理围岩压力围岩压力滑动面滑动面滑动土体滑动土体未扰动土体未扰动土体支护结构反力支护结构反力滑面上的摩擦阻力滑面上的摩擦阻力受力的极限平衡条件：受力的极限平衡条件：滑动岩体滑动岩体重量滑面上的阻力重量滑面上的阻力+支护结构的反作用支护结构的反作用力力(围岩松动压力围岩松动压力)围岩松动压力滑动岩体重量围岩松动压力滑动岩体重量滑面上的阻力滑面上的阻力第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算

11、方法的基本原理 隧道埋深隧道埋深h hq时时hq式中式中 围岩容重，以围岩容重，以kN/m3计；计； h 隧道埋置深度，以隧道埋置深度，以m计。计。忽略滑动面上的摩擦力：忽略滑动面上的摩擦力：全土柱公式全土柱公式围岩水平均布压力围岩水平均布压力e按朗金公式计算按朗金公式计算 2452102tgHqet第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理 h hq时：时：(谢家烋理论谢家烋理论 ) 隧道随着埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，隧道随着埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力滑面的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必

12、须考虑时，必须考虑滑面上阻力滑面上阻力的影响。的影响。第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理施工中，上覆岩体的下沉和位移与许多因素有关，施工中，上覆岩体的下沉和位移与许多因素有关，如支护是否及时，岩体的性质、坑道的尺寸及埋置如支护是否及时，岩体的性质、坑道的尺寸及埋置深度的大小，施工方接是否合理等等。为方便计算，深度的大小，施工方接是否合理等等。为方便计算，根据实践经验作如下简化假定。根据实践经验作如下简化假定。W2W2T1NA0CDFBNEPW1hHBT1T2T2第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理1.

13、破裂面破裂面AC、BD 斜直面斜直面 2.矩形矩形EFHG下沉下沉 带动三棱体带动三棱体ACE和和BDF下滑下滑 整个岩体整个岩体ABDHGC下滑下滑 受阻于未扰动岩体受阻于未扰动岩体 作用力作用力矩形矩形EFHGW1； 三棱体三棱体ACE,BDFW2； 三棱体与岩体三棱体与岩体EFDC之之间的摩阻力间的摩阻力T=T1+T2； 阻力阻力N。 假定假定0W2W2PW1NNT1T1T2T2BACDFBEhHHG第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理按力的平衡条件，支护结构上的垂直压力为：按力的平衡条件，支护结构上的垂直压力为：sin211TWQcos21

14、21hT 求求即可求出作用在隧道支护结构上的围岩松动压力值。即可求出作用在隧道支护结构上的围岩松动压力值。 思路思路第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理hKBtghhBQq1tgtgtgtgtgtgtgtg0001求求 tg求求求求 qtgtgtgtgtgtg00020) 1( 具体方法具体方法5-2-225-2-175-2-20第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理围岩水平均布松动压力围岩水平均布松动压力 Hehe212121eee均布均布梯形分布梯形分布第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理

15、隧道支护结构设计计算方法的基本原理(a)第五章第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理隧道支护结构设计计算方法的基本原理计算实例计算实例1某铁路隧道穿经某铁路隧道穿经级围岩，埋深级围岩，埋深20.0m，开挖净宽，开挖净宽14.8m ，净高，净高8.80m，围岩天然容重，围岩天然容重21.0kN/m3，试，试按隧道设计规范推荐公式确定其松动压力。按隧道设计规范推荐公式确定其松动压力。BHth解：解：(11245. 0Sqh98. 1)0 . 58 .14(1 . 01)5(1Bi128. 798. 1245. 0245. 0141Sqhmhmhq82.1726.14)5 . 22(20故判断为

16、深埋隧道故判断为深埋隧道7 . 159. 08 .148 . 8BHt满足规范公式适用条件。满足规范公式适用条件。69.14998. 121245. 0245. 0141SqhqkPa e=(0.150.30)q=(0.150.30)149.69=22.4544.91kPa (3(2 某单线某单线铁路隧道：铁路隧道：级围岩，开挖宽度级围岩，开挖宽度7.4m，开挖高度，开挖高度 8.8m，隧道埋深，隧道埋深100m，围，围岩重度为岩重度为21kN/m3，似摩擦角，似摩擦角0为为49，试，试采用普氏方法计算围岩松动压力采用普氏方法计算围岩松动压力(竖向压力和竖向压力和水平压力水平压力)。例题例题2

17、)245(210tgHBbtt490tgtgfmfbht076. 6kPa61.127 hq)245()21(02tgHqet)24945(8 . 84 . 721tgmm99. 6)24945()8 . 821216 .127(2tgkPa75.30重点、难点内容重点、难点内容不同情况下围岩松动压力的确定不同情况下围岩松动压力的确定( (铁路隧道铁路隧道) )。收敛收敛约束法约束法图16 计算初选模型作用反作用模型连续介质模型连续介质模型 c图16 计算初选模型计算模型qeei-1i+1iq1111()()22iiiiiqqabs xxqabs xx 弯矩轴力RcckkscbhfN/表5-3

18、-1 混凝土衬砌构件抗压检算各分项系数分项系数单线深埋隧道衬砌单线偏压隧道衬砌单线明洞混凝土衬砌作用效应分项系数sc3.951.602.67抗力分项系数Rc1.851.831.35RtctkkstfbhheN2075. 1)6(表5-3-2 混凝土衬砌构件抗裂检算各分项系数分项系数单线深埋隧道衬砌单线偏压隧道衬砌单线明洞混凝土衬砌作用效应分项系数st3.101.401.52抗力分项系数Rt1.452.512.70注：当e0/h1/6时可不进行抗裂检算。sb02axh2scd0sssd0s(1 0.5 )(a )Nef bhAAfh当时，钢筋截面面积按式(1)计算，(1)s2ax ssssd0s

19、(a )NeAAfh当时，钢筋截面面积可式(2)计算， (2)eqskmaxste2.1(1.90.08)fdWcE对于偏心受压构件裂缝计算宽度如式(3) (3)bhRKNa1/675. 10hebhRKNl表5-3-3 混凝土和砌体结构的强度安全系数圬工种类混凝土砌体荷载组合主要荷载主要荷载加附加荷载主要荷载主要荷载加附加荷载破坏原因混凝土或砌体达到抗压极限强度2.42.02.72.3混凝土达到抗拉极限强度3.63.0当当e00.2h时，系抗压强度控制承载能力，不必检算抗时，系抗压强度控制承载能力，不必检算抗裂；当裂；当e00.2h时，系抗拉强度控制承载能力，不必时，系抗拉强度控制承载能力，

20、不必检算抗压。检算抗压。 融化圈为0m时围岩屈服区 融化圈为4.79m时围岩屈服区2sin) 1()1 (42cos) 1()1 ()1 (42sin321)1 (22cos31)1 (1)1 (22cos341)1 (1)1 (22202022020440220440220440220220rrKGrrHvrrKGrrHurrrrHrrrrHrrrrrrHcccrccr切向位移径向位移剪应力切向应力径向应力43)1 (2/KEG0201120220220vGrrHurrHrrHcrccr 融化圈为0m时围岩屈服区 融化圈为4.79m时围岩屈服区 cee cpe cpcee)tan(2njcrlR、cn1 1 12 2 23 3 3三维数值计算模型典型施工步完成后地表沉降槽曲线拱项下沉与施工步关系围岩及结构最终的最大主应力4321PPPPP5-4-38cossin21ssbdsP 5-4-39cossin22ttsbFP 5-4-40)cos(coscos1)cos(coscos10303teSPteFP或5-4-43bSbSPnncos2cos245-4-4422dtud22dtud22dtud