隧道工程課件：隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法（三）

隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法（三）本章內(nèi)容提要本章教學(xué)目標(biāo)：熟悉隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本理念、特征和方法；熟悉隧道開挖前后圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改變掌握隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載-結(jié)構(gòu)模型、地層-結(jié)構(gòu)模型；了解圍巖及支護特征曲線的意義，熟悉隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法；熟悉隧道支護結(jié)構(gòu)修正設(shè)計的基本流程和方法。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載-結(jié)構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法隧道施工力學(xué)原理本章內(nèi)容提要隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法2345隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的信息反饋法6本章小結(jié)7隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法4隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四·荷載-結(jié)構(gòu)法回顧◆基本原理是什么？◆優(yōu)缺點是什么？◆考慮的圍巖壓力是什么類型？隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四隧道工程的受力特點（1）荷載的模糊性（2）圍巖物理力學(xué)參數(shù)難以準(zhǔn)確獲得（3）圍巖壓力承載體系不確定◆圍巖不僅是荷載，同時又是承載體；

◆地層壓力由圍巖和支護結(jié)構(gòu)共同承受；

◆充分發(fā)揮圍巖自身承載力的重要性。（4）設(shè)計受施工方法和施作時機的影響很大（5）與地面結(jié)構(gòu)受力的不同—圍巖抗力的存在荷載-結(jié)構(gòu)法對于以上問題的適用性如何？隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四4.1分析方法與流程1.分析思路地層-結(jié)構(gòu)法是以巖體力學(xué)為原理的一種隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析方法，對應(yīng)所采用的計算模型為地層-結(jié)構(gòu)模型，目前可以用解析法和數(shù)值法進行求解?！ぶёo結(jié)構(gòu)和地層被視為整體共同受力·滿足變形協(xié)調(diào)條件隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四數(shù)值解法是上世紀(jì)70年代中期，隨著計算機的廣泛應(yīng)用和計算技術(shù)的不斷成熟而逐漸發(fā)展起來的一種地下結(jié)構(gòu)計算方法。其中尤以有限元在地下工程中應(yīng)用更為廣泛。2.分析方法·初始地應(yīng)力參數(shù)·隧道開挖的應(yīng)力釋放率·地層物理及力學(xué)參數(shù)·支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四初始（一次）應(yīng)力狀態(tài)分析開挖洞室后二次應(yīng)力狀態(tài)和位移場分析圍巖穩(wěn)定性判斷設(shè)置支護結(jié)構(gòu)后圍巖的三次應(yīng)力狀態(tài)和位移場分析、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移分析判斷支護結(jié)構(gòu)的安全狀況3.分析流程隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四采用有限元分析軟件對隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)建模的主要步驟如下：①計算范圍的確定及幾何模型建立隧道結(jié)構(gòu)分析三維有限元模型a）深埋隧道b）淺埋隧道計算域單元劃分示意圖4.2地層-結(jié)構(gòu)法應(yīng)用流程隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四②結(jié)構(gòu)體系離散化將巖體與支護結(jié)構(gòu)離散為僅在節(jié)點處鉸接的單元體的組合，是有限單元法的基礎(chǔ)。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四單元類型的選擇噴射混凝土:采用實體單元或直梁單元線式支護構(gòu)件（如錨桿）：采用二力桿單元二次襯砌在平面應(yīng)變問題分析時，用2D實體單元和線單元對于空間問題，用3D實體單元模擬圍巖在平面應(yīng)變模型中用2D實體單元模擬，在三維模型中采用3D實體單元模擬。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四③邊界條件和初始應(yīng)力計算模型的邊界條件：位移邊界條件和應(yīng)力邊界條件內(nèi)部加載方式位移邊界條件混合邊界條件初始應(yīng)力場按照成因可以分為自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四④圍巖材料的本構(gòu)模型與屈服準(zhǔn)則線性彈性模型非線性彈性模型理想彈塑性模型線彈性本構(gòu)關(guān)系即按一般的彈性力學(xué)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從廣義胡克定律；非線性彈性本構(gòu)關(guān)系是彈性理論中廣義胡克定律的推廣。材料進入塑性狀態(tài)的判斷，使用較為廣泛的為Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則和Druker-Prager屈服準(zhǔn)則。如何分析“四次應(yīng)力狀態(tài)”？隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四⑤隧道開挖及支護過程模擬地應(yīng)力自動釋放法原理地應(yīng)力自釋放法空單元隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四施加虛擬支撐力逐步釋放法原理虛擬支撐力釋放荷載開挖洞室施作初支施作二襯撤去虛擬支撐力f+f1i+f2i+f3i荷載釋放系數(shù)α：模擬隧道開挖平面應(yīng)變問題中圍巖的逐步卸載（時間與空間效應(yīng)）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四根據(jù)《公路隧道設(shè)計細則》JTG/TD70—20109.2.5條：圍巖的松弛與蠕變特性（時間效應(yīng)）隧道開挖及支護過程（空間效應(yīng)）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四⑥隧道開挖的空間與時間效應(yīng)分析隧道洞周位移隨施工步的變化規(guī)律隧道結(jié)構(gòu)分析三維有限元模型在三維計算中，可在一定程度上反映隧道開挖的空間效應(yīng)，但是時間效應(yīng)仍然還需要通過設(shè)置荷載釋放系數(shù)進行一定程度的模擬（根據(jù)圍巖條件、施工方法、支護時間等因素，由工程經(jīng)驗或現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)確定）約30%隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四根據(jù)《公路隧道設(shè)計細則》JTG/TD70—20109.2.6條：確定釋放荷載分擔(dān)比時，應(yīng)符合以下規(guī)定：圍巖、初期支護及二次襯砌的釋放荷載分擔(dān)比之和不應(yīng)小于100%；I～III級圍巖地段，圍巖形成的荷載應(yīng)100%由圍巖與初期支護承擔(dān)，二次襯砌的荷載分擔(dān)比理論上可以為0。為保證工程的可靠度，其承擔(dān)比例宜達到5～10%；IV～V級圍巖地段，圍巖及初期支護的釋放荷載分擔(dān)比應(yīng)能確保工程施工的安全，二次襯砌的分擔(dān)比應(yīng)能保證支護結(jié)構(gòu)的永久安全性；雙車道隧道，釋放荷載分擔(dān)比可采用表9.2.6的規(guī)定。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四⑦計算結(jié)果評價指標(biāo)及方法圍巖穩(wěn)定性二襯截面強度安全系數(shù)支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力位移允許值：2%D基準(zhǔn)值：1.5%D彈性區(qū)：0.2%D塑性區(qū)：是否連通、超過隧道直徑的20%允許值：鋼材、混凝土等強度設(shè)計值承載能力驗算：破損階段法、安全系數(shù)注意：此時二襯承受的是形變壓力，原因？隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四4.3地層-結(jié)構(gòu)法應(yīng)用實例（平面應(yīng)變問題）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四①建立計算模型·建模范圍的確定·幾何模型的建立（兩臺階法）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四·初始應(yīng)力場確定豎向應(yīng)力：水平應(yīng)力：隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四·結(jié)構(gòu)體系的離散化初期支護二襯圍巖隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四·邊界條件的確定隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四②力學(xué)模型及破壞準(zhǔn)則理想彈塑性模型隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四③隧道施工過程模擬·施工流程模擬（兩臺階法）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四·時間與空間效應(yīng)模擬（荷載釋放系數(shù)）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的地層-結(jié)構(gòu)法四④計算結(jié)果的評價分析位移圍巖穩(wěn)定性支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力（破損階段法驗算）注意：與荷載-結(jié)構(gòu)法計算結(jié)果相比，地層-結(jié)構(gòu)法的計算結(jié)果偏安全，原因？隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法5隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法五5.1收斂-約束法的基本原理收斂-約束法認為：（1）隧道支護體系由支護結(jié)構(gòu)和圍巖構(gòu)成，且圍巖作為主要承載單元與支護構(gòu)成共同承載體（2）支護結(jié)構(gòu)與圍巖互相依存、協(xié)調(diào)變形利用圍巖特征曲線和支護結(jié)構(gòu)特征曲線交會的辦法來決定支護體系的最佳平衡條件隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法五1.圍巖特征曲線pi——支護抗力（與地層壓力是作用力與反作用力關(guān)系）uro——洞周的徑向位移彈性階段：洞室開挖初始階段塑性階段：洞周圍出現(xiàn)塑性區(qū)松動階段：洞周一定范圍出現(xiàn)松弛現(xiàn)象隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法五曲線1：彈性圍巖曲線2：能達到自穩(wěn)狀態(tài)的彈塑性圍巖曲線3：不能自穩(wěn)的彈塑性圍巖影響因素：·圍巖性質(zhì)·圍巖構(gòu)造·施工技術(shù)（開挖方法、支護時機等）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法五2.支護特征曲線pi——支護抗力ui——支護結(jié)構(gòu)的變形類型1：大剛度（線彈性區(qū)工作）支護類型2：增阻可縮性支護類型3：恒阻可縮性支護類型4：非線性可縮性支護隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法五3.圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用原理基本原理：利用圍巖特征曲線和支護結(jié)構(gòu)特征曲線交會的辦法來決定支護體系的最佳平衡條件，即決定在圍巖初始位移u0達到何值時施設(shè)支護結(jié)構(gòu)曲線2（較為合理的支護設(shè)計）：支護結(jié)構(gòu)剛度不必很大，需要既能與巖體一起產(chǎn)生少量位移，又能控制巖體位移隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法五圍巖特征曲線示例支護結(jié)構(gòu)特征曲線與圍巖特征曲線交點處的橫坐標(biāo)為形成平衡體系時洞周發(fā)生的位移。交點縱坐標(biāo)以下的部分為支護結(jié)構(gòu)上承受的荷載，以上部分由圍巖來承擔(dān)。剛度大的支護結(jié)構(gòu)承受較大的圍巖作用力（壓力）；反之，柔性較好的支護結(jié)構(gòu)所承受的圍巖壓力要小得多。所以，在工程中強調(diào)采用柔性支護以節(jié)約成本，但它也應(yīng)有必要的剛度，以便有效地控制圍巖變形，而達到穩(wěn)定。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法五5.2組合結(jié)構(gòu)的支護特征曲線1.組合結(jié)構(gòu)支護特征曲線確定原理假定組合支護體系的剛度等于每個組成部分剛度的總和繪制步驟：繪出第1個系統(tǒng)的特征曲線2.繪出第2個系統(tǒng)的特征曲線3.繪出聯(lián)合支護的特征曲線隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法五2.不同類型組合結(jié)構(gòu)的支護特征曲線隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法五隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的收斂-約束法五3.組合結(jié)構(gòu)的特征曲線實例支護步驟：噴射混凝土5cm打3m錨桿噴射混凝土5cm注意：施設(shè)時間間隔及對應(yīng)的位移特征曲線法（收斂-約束法）對于認識隧道支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性有什么作用？隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的信息反饋法6隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的信息反饋法六6.1修正設(shè)計法基本流程預(yù)設(shè)計施工采用觀察、量測方法確定圍巖條件和支護狀態(tài)設(shè)計核查設(shè)計修正變更支護設(shè)計追加輔助工法變更開挖分部變更斷面早期封閉等妥當(dāng)過大或過小設(shè)計修正（動態(tài)設(shè)計）采用什么信息進行修正，采用什么方法進行修正。預(yù)設(shè)計隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的信息反饋法六6.2變異信息觀察掌子面觀察已施工區(qū)段的支護結(jié)構(gòu)觀察洞外觀察定性定量評點法多變量解析法RMR法Q系統(tǒng)法加權(quán)平均法開裂、屈服、底鼓等隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的信息反饋法六6.3量測信息反饋位移信息隧道周邊位移圍巖體內(nèi)位移地表下沉地中位移等應(yīng)力信息圍巖與支護結(jié)構(gòu)接觸壓力圍巖和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力錨桿軸力鋼支撐應(yīng)力等以通過量測得到的信息來對隧道支護結(jié)構(gòu)、圍巖的動態(tài)以及出現(xiàn)的各種變異現(xiàn)象做出分析與評價，并以此修正設(shè)計，量測信息主要分為兩大類：位移信息和應(yīng)力信息。位移、應(yīng)力隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的信息反饋法六6.4支護參數(shù)修正現(xiàn)象

研究事項修正方法支護減弱場合位移值??；錨桿軸力??；掌子面穩(wěn)定不連續(xù)面的間隔狀態(tài)；涌水的多少；圍巖強度比大減輕支護結(jié)構(gòu)；增加一次掘進長度；減小變形富裕值支護增強場合位移大；噴混凝土發(fā)生變異；錨桿產(chǎn)生過大的軸力；鋼支撐發(fā)生變異；初期位移速度；位移的收斂性；圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)；松弛區(qū)域的大??；圍巖強度比小；掌子面的自穩(wěn)性；增加支護結(jié)構(gòu)；補強掌子面附近；斷面早期閉合；變更斷面分部；變更開挖斷面；増加變形富裕值本章小結(jié)7本章小結(jié)七1地層-結(jié)構(gòu)法的原理是以巖體力學(xué)為原理的一種隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析方法，對應(yīng)所采用的計算模型為地層-結(jié)構(gòu)模型，目前可以用解析法和數(shù)值法進行求解·支護結(jié)構(gòu)和地層被視為整體共同受力·滿足變形協(xié)調(diào)條件2地層-結(jié)構(gòu)法的分析思路注：與荷載結(jié)構(gòu)法的區(qū)別？本章小結(jié)七3地層-結(jié)構(gòu)法分析流程本章小結(jié)七4地層-結(jié)構(gòu)法應(yīng)用流程及要點計算范圍的確定及幾何模型建立結(jié)構(gòu)體系離散化邊界條件和初始應(yīng)力圍巖材料的本構(gòu)模型與屈服準(zhǔn)則隧道開挖及支護過程模擬隧道開挖的空間與時間效應(yīng)分析計算結(jié)果評價指標(biāo)及方法3~5B平面應(yīng)變問題、三維問題單元類型選擇位移和應(yīng)力邊界條件自重應(yīng)力場彈塑性模型M-C準(zhǔn)則、D-P準(zhǔn)則地應(yīng)力釋放原理荷載釋放系數(shù)釋放荷載分擔(dān)比位移圍巖支護結(jié)構(gòu)本章小結(jié)七5收斂-約束法基本原理：利用圍巖