《隧道工程》课程教学资源（PPT课件）第五章 隧道结构体系设计原理与方法

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

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

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(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。 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

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(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

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G},这部分内 容已在第四章中作了介绍; 开挖隧道后围岩的二次应力状态GP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: /({}2,R1) ({x}2,R2) Oo 式中的R1、R2是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特 定指标

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。   0    2    2 u (  ) (  )     = = , 0 , 0 2 2 1 2 F u R f  R 、 R1 R2

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G和位移场以及支护结构的内力M和位移{)} 判断支护结构安全度的准则,一般可写成 f(MK1)=0 F2({}K2)=0 式中的K,、K是支护结构材料的物理力学参数

▪ 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。   3    3 u M   (  ) (  )    = = , 0 , 0 2 2 1 1 F K f M K  K1 K2

第二节围岩的二次应力场和位移场 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G,以及与之相适应的位移场{x°。 隧道开挖后,因其周边上的径向应力on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厢位移}。而真实 的围岩二次应力场及位移场为: }={oy+{} }2={ 模拟隧道开挖所经历的力学过程可以用图5-1表示

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：   0    0    0 u  n    1    1 u               = = + 2 1 2 0 1 u u    模拟隧道开挖所经历的力学过程可以用图5-1表示

水 o, fuo {o}={o}+{o 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 样。并取其等于隧道中心点的自重应力,即 式中H为隧道中心点的埋深,以m计,4是围岩的侧压力 系数,无量纲

A B  0  0 (a) B A 0 x 0 {},{u} 0 0 n 1  1 {},{u} 1 1  2 {}={}+{} 2 0 1 {u}={u} 2 1 r 2 (b) (c) (d) z n 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。    = = x z z Hc     Hc 

根据弹性力学原理,这个 11111111m1 入H 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 +11+ 式来代替,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

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，如图5-2所示。 Z  r0 r A X   HC HC 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

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 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

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 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

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

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

第三节隧道围岩与支护结构的共同作用 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。若岩体强度髙,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

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