05-隧道支护结构的计算

第一章绪论1. 隧道:构筑在离地面一定深度的岩层或土层中用作通到底建筑物2. 隧道分类:按周围介质分：岩石隧道和土层隧道;按用途不同分：交通隧道和市政工程隧道3. 公路隧道：穿越公路路线障碍物的交通隧道4. 公路隧道的主要特点:(1)断面形状复杂：宽而扁，高：宽<=1.; 常有特殊构造：岔洞，紧急停车带回车区，以及双连拱隧道，小间距隧道，双层隧道;(2) 荷载形式单一：主要是围岩压力，方向不会改变;(3)附属设施多：通风,照明,交通信号,消防,监控设施5. 断面几何形状:考虑功能和经济的两方面:马蹄形,圆形(盾构开挖),拱形(山岭隧道),双连拱(浅埋土层,地形受限),矩形(沉管法,城市隧道)6.. 衬砌的结构类型分为四类:整体式砼衬砌;装配式衬砌;锚喷支护衬砌;复合式衬砌7.. 整体式砼衬砌又可分为:半衬砌;厚拱薄墙衬砌;直墙拱形衬砌;曲墙拱形衬砌(1)半衬砌:适用于岩石较坚硬并且整体稳定或基本稳定的围岩; 对于侧压力很大的较软岩层或土层,为避免直墙承受较大压力,采用落地拱(2)厚拱薄衬砌:适用于水平压力很小的情况,拱脚较厚,边墙较薄(3) 直墙拱形衬砌:铁路隧道常用,竖向压力较大,水平侧压力不大(4)曲墙拱形衬砌:地质条件差,岩石破碎松散和易于坍塌地段8. 装配式衬砌:用于盾构法施工,深埋法施工,TBM 法施工9. 锚喷支护衬砌:喷混凝土和加锚杆两方法的统称。

常用方法：喷混凝土，钢筋网喷混凝土，锚杆喷混凝土，钢筋网锚杆混凝土，钢纤维喷混凝土;特点：有很强时效性，新奥法和挪威法10. 复合式衬砌：主要应用于含水量较多的地段，外层为锚喷支护，中间有一层防水层，内层多为整体式衬砌，新奥法多采用11. 初始地应力场由两种力系组成:自重应力分量;构造应力分量影响因素：一类是和地壳的运动，地下水的变化以及人类活动等因素有关12. 构造应力场：区域性明显，测试方法：解析反演法，原位测试法(1)地质的构造过程不公改变了地质的重力应力场，而且还有一总分残余在岩体内(2) 构造应力场在一定深度内普遍存在且多为水平分量(3)构造应力具有明显的区域性和时间性13. 作用在隧道结构上的荷载分为三类:主要荷载(就是长期作用的荷载,包括地层压力,围岩弹性抗力,结构自重力,回填岩土重力，地下静水压力及使用荷载); 附加荷载(指非经常作用的荷载，包括施工荷载，灌浆压力，局部落石以及有温度变化或砼收缩引起的温度应力和收缩用力) ;特殊荷载(一些偶然发生的荷载，如炮弹冲击力和爆炸时产生激波压力，地震力，车祸时冲撞力)14. 形变压力: 由岩体变形所产生的挤压力;15. 松散压力: 岩体坠落、滑移、坍塌所产生的重力16. 围岩压力：形变压力和松散压力统称为围岩压力17. 影响围岩压力的因素：a岩土的重力b岩体的结构c.地下水的分布d.隧道洞室的形状和尺寸e. 初始地应力18•确定围岩压力的方法：a•现场量测b•理论估算c工程类比法19•常用的围岩分类方法：a岩石坚固系数分类法b•太沙基理论c•铁路围岩分类法d•人工岩石洞室围岩分类法e.水工隧道围岩分类法20. 隧道结构计算的任务：就是采用数学力学的方法，计算分析在隧道修筑的整个过程中 (包括竣工，运营)a.隧道围岩及衬砌的强度 b.刚度和稳定性，为隧道的设计及施工提供具体设计参数21. 隧道的计算方法可分为三大部分： a.刚体力学法b.结构力学法(荷载位移法)c.连续介质力学法(地层结构法)22. 附：19 世纪后期，砼材料与钢材料的出现，地下结构的建造于计算进入地下连续拱形框架结构阶段，而计算的理论基础为线弹性结构力学；地下连续拱形框架结构式一种超静定弹性结构系统，荷载为地层压力，优点：以结构力学原理为计算理论基础缺点：没有考虑地层对衬砌结构变形所产生的弹性抵抗力23. 如果人工考虑隧道衬砌和地层的相互作用，地下结构的计算方法仅分为结构力学方法和连续介质力学方法24. 造成隧道结构计算结果不能直接应用的主要原因:(1) 围岩的物理力学参数无法准确确定(2)隧道的荷载量级很大,无法准确给出(3) 围岩自承能力除受围岩自身条件影响外,还受施工方法、时间、支护形式、洞室几何尺寸等的影响( 4)围岩本构关系复杂和屈服性准则不完善性，使围岩自承能力无法发挥第二章隧道结构计算的结构力学法1. 在分析过程中首先要确定地层压力，然后计算衬砌在地层压力和其他荷载作用下的内力分布，最后根据内力分布对衬砌结构断面进行验算2. 荷载结构法和计算地表结构所采用的结构力学方法基本相同，主要差别是衬砌结构在变形过程中要受到周围介质的限制，分为力法与位移法3. 拱形半衬砌隧道的结构计算： ( 1)半衬砌结构可简化为弹性固定平面无铰拱(计算模型) (2)拱顶截面建立位移协调方程，由拱顶截面的位移协调方程得拱脚处的位移和转角( 3) 将拱脚位移和转角方程代入拱顶截面位移协调方程，得关于未知力X1 ，X2 的线性代数方程组，可得拱顶截面未知力( 4)各截面强度校核4. 拱形曲墙隧道的结构计算： (1)假定弹性抗力为镰刀形分布，拱形曲墙式衬砌的计算模型为墙角弹性固定而两侧受周围约束的无铰拱( 2)通过h点的变形协调条件计算弹性抗力bh(3)计算主动荷载作用下衬砌的内力(4) b h=1时衬砌的内力⑸求出最大抗力值b h(6)用叠加的方法求出衬砌内任一点的内力5. 拱形曲墙隧道的结构计算模型：竖向荷载所引起的侧墙部分的变形，将受到侧面围岩的约束，形成一个抗力区，这里假定弹性抗力为镰刀形，其量值用 3 个特征值控制：抗力上零点对一般与对称中线夹角为40°-60°；抗力下零点在拱脚处；最大抗力点h 在衬砌最大跨度处，一般在抗力区2/3 处6. 拱形直墙隧道的局部变形法:在分析拱形直墙式隧道结构时,需将拱圈与直墙分开考虑,拱圈是一个拱脚弹性固定的无铰拱,弹性抗力假定为二次抛物线分布,边墙视为弹性地基梁,全部抗力有文克勒假设确定,墙顶和拱脚弹性固结,墙脚与基岩间有较大的摩擦力,无水平位移发生,他在基岩的作用视为刚性体7•外荷载产生的位移卩hp和直墙拱的结构计算:(1)由弹性地基梁公式，计算系数卩1, 3 1,卩2, 3 2(墙顶位移)(2)由主动荷载及单位弹性抗力所产生的h点位移计算单位弹性抗力所产生的位移h b (3)由口hp和口h b求得弹性抗力b h (4)根据任一截面i处的内力表达式得拱的截面内力( 5)求出直梁的内力( 6)校核8•隧道衬砌结构计算的矩阵力法计算步骤：(1)计算［F0］(2)计算［丫SX］并将其转化为［丫SX］'⑶计算［丫SP］并将其转化为［丫SP］' (4)计算［Fxx］,［Fxp］(5)计算赘余力{x} (6)计算衬砌单元节点{s} ( 7)计算衬砌节点位移{ S }9•隧道衬砌结结构计算的矩阵位移法计算步骤：(1)计算衬砌单元刚度位移矩阵( 2)计算链杆刚度( 3)计算墙底支座的刚度矩阵( 4)集成总体刚度矩阵,并计算各元素值( 5)消去已知位移( 6)计算节点位移( 7)计算单元节点力10•拱形直墙计算模型：拱圈是一个拱脚弹性固定的无铰拱，拱圈弹性抗力假定为二次抛物线分布,边墙视为弹性地基梁,全部抗力由文壳勒假设确定。

隧道⼯程思考题第⼀讲1. 什么是隧道？隧道：修建在地下，两端有出⼊⼝，供车辆、⾏⼈、⽔流及管线等通⾏的⼯程建筑物。

2. 隧道⼯程包含哪两⽅⾯的含义？(1)是指从事研究和建造各种隧道及地下构筑物的规划,勘测,设计,施⼯和养护的⼀门应⽤科学和⼯程技术;(2)是指在岩体或⼟层中修建的通道和各种类型的地下建筑物3. 隧道有哪⼏种分类⽅法？隧道分类:（1）按地层：⼟质隧道，岩⽯隧道（2）按埋深：浅埋隧道，深埋隧道（3）按断⾯：圆形、马蹄形、矩形（4）按⽤途：交通隧道, 市政隧道, 隧道⽔⼯,矿⼭隧道（5）按⼤⼩：特⼤、⼤、中、⼩、极⼩（6）按长度：特长隧道：L>3000 m;长隧道：3000 m ≥L>1000 m;中长隧道：1000 m ≥L>500 m;短隧道：L≤500 m;(7)按断⾯⾯积分类:特⼤断⾯隧道：断⾯积在100m2 以上;⼤断⾯隧道：断⾯积在50~100m2 之间;中等断⾯隧道：断⾯积在10~50m2 之间;⼩断⾯隧道：断⾯积在3~10m2 之间;极⼩断⾯隧道：断⾯积在3 m2 以下;4. 交通、市政隧道包含哪些种类？（1）给⽔隧道：城市⾃来⽔管⽹系统⽤隧道（2）污⽔隧道：⼯业与⽣活废⽔排放隧道（3）管线隧道：煤、暖、热⽔、通信、输电⽤（4）⼈防隧道：⽤于防空，地下安全庇护所第⼆讲1．不良地质段隧道选址主要应考虑哪些问题？*（1）崩塌；（2）滑坡；（3）泥⽯流；（4）流沙；（5）溶洞、⼟洞；（6）⽡斯；（7）围岩、落⽯…2 ．隧道施⼯中涌⽔的危害性？（1）岩质软化，软岩⼭体松弛，强度降低；（2）岩层层间阻⼒减⼩，导致岩体滑动；（3）某些岩类溶解和膨胀，⼭体出现附加压⼒；（4）⼤量涌⽔，产⽣动⽔压⼒；（5）腐蚀性⽔对钢筋混凝⼟结构产⽣侵蚀（6）隧道塌⽅与围岩失稳的罪魁祸⾸之⼀（7）集中涌⽔与稳定涌⽔3．隧道平⾯设计应注意哪些问题？*（1）⼩半径曲线问题（2）超⾼问题(3)最⼩间距问题4．隧道纵断⾯设计应注意哪些问题？*关键问题（1）纵坡坡度设计：排⽔0.3%，通风2%（2）纵坡形式设计：单下坡，⼈字坡5．什么是隧道建筑限界？指为保证隧道内各种交通的正常运⾏与安全，⽽规定在⼀定宽度和⾼度范围内不得有任何障碍物的空间限界.6．隧道接线的平⾯及纵断⾯线形有何要求？* （1）保证有⾜够的视距和⾏驶安全（2）注视点和注视时间：当隧道净宽⼤于所在公路的路基宽度时,应有加宽段，并设计过渡段加以衔接。

隧道断面计算公式隧道断面计算是确定隧道横截面积和形状的过程。

隧道断面的形状和尺寸对隧道的稳定性和使用条件有重要影响。

在进行隧道设计时，需要依据工程要求和地质条件来确定合适的断面形状和尺寸。

以下是常见的隧道断面计算公式和相关参考内容。

1. 地质勘探和地质参数：在进行隧道断面计算之前，需要进行地质勘探，获取地质参数，包括地质岩性、地应力、地下水等。

这些地质参数对隧道断面计算具有重要影响。

地质参数的获取可依据国家规范或工程师的经验进行判断。

2. 地层压力计算公式：根据地层压力的计算公式可估算隧道断面所受的地层压力。

常用的地层压力计算公式包括：- Terzaghi地压公式：P = k_h * γ_h * h- 吉环地压公式：P = k_n * γ_v * h其中，P为地层压力，k_h和k_n为地压系数，γ_h和γ_v为地层重度，h为覆土深度。

地压系数可根据地质条件和经验取值。

3. 支护结构计算公式：隧道施工过程中需要进行支护，支护结构的设计也需要进行断面计算。

常用的支护结构计算公式包括：- 钢支撑计算公式：N = (σ_1 + σ_3)/2- 混凝土衬砌计算公式：h = N * m其中，N为地层压力，σ_1和σ_3为地应力，h为衬砌厚度，m为混凝土抗压强度。

这些公式可依据设计要求和工程经验进行合理取值。

4. 断面形状计算：隧道断面的形状决定了隧道的稳定性和使用条件。

常见的隧道断面形状有圆形、马蹄形、矩形等。

断面形状计算的主要目标是确定隧道拱顶高度、宽度和截面积。

常用的断面形状计算公式包括：- 圆形断面计算：A = π * r^2, P = 2 * π * r + h- 马蹄形断面计算：A = (b1 + b2) * h/2, P = b1 + b2 + 2 * h其中，A为断面面积，P为断面周长，r为拱顶半径，h为拱高。

b1和b2为马蹄形断面的底宽和顶宽。

参考内容：- 《公路隧道设计规范》（JTJ 042-96）- 《铁路隧道设计规范》（TB 10002.1-2005）- 《城市轨道交通隧道设计规范》（GB 50486-2010）- 相关学术论文和专业书籍。

公路隧道波纹钢整体式支护结构设计计算方法发布时间：2022-04-25T07:50:14.659Z 来源：《工程管理前沿》2022年第1期作者：肖文豪1 祁兴远1 许浩东2,3 陈保祥1 郭灯1 [导读] 目前公路隧道支护的结构形式中采用的工字钢和格栅钢架等存在结构尺寸大，需要扩挖隧道断面肖文豪1 祁兴远1 许浩东2,3 陈保祥1 郭灯11 中交一公局集团有限公司贵州沿印松高速公路总承包项目部, 贵州松桃 554100;2 同济大学地下建筑与工程系, 上海 200092;3 岩土及地下工程教育部重点參验室, 上海 200092摘要：目前公路隧道支护的结构形式中采用的工字钢和格栅钢架等存在结构尺寸大，需要扩挖隧道断面，安装工艺复杂，施工周期长等问题。

而波纹钢整体式支护结构具有方便加工，强度高，施工快速等特点，是一种新型公路隧道支护结构。

为验证波纹钢支护结构的安全性和有效性，本文基于上马山隧道主洞衬砌结构采用荷载-结构法计算了波纹钢整体式支护结构的内力和变形，并与原设计衬砌方案进行对比分析。

计算结果表明，波纹钢整体式支护结构的拱顶下沉量和收敛值达到原支护结构的近3倍，但仍在工程安全要求范围内；在相同工况下，波纹钢整体式支护结构强度显著高于原设计衬砌方案。

关键词：公路隧道；波纹钢结构；数值模拟；衬砌变形；强度验算中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：作者简介：肖文豪(– )，男，。

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引言工程实践表明，在破碎围岩中开挖地下洞室，开挖前采取的预支护措施合理，若采取的初期支护和二次衬砌措施不当，开挖后易造成隧道围岩的大变形、坍塌等严重后果，严重影响隧道工程建设的顺利进行和经济效益，甚至造成安全事故。

所以在实际工程中，在隧道开挖前预支护措施的基础上，应对开挖后的锚喷初期支护和钢筋混凝土二次衬砌支护措施足够重视。

目前初期支护的结构形式主要由喷射混凝土、锚杆、工字钢或格栅钢架等组合而成。

该结构形式存在以下主要问题：（1）由于工字钢和格栅钢架结构尺寸较大，为满足安装条件，需扩大隧道的开挖断面；（2）由于工字钢与混凝土的热膨胀系数的不同，温度变化时，经常沿着钢拱架产生环向收缩裂缝。

隧道支护结构计算计算模型及方法隧道工程中，隧道支护结构的设计是一个至关重要的环节。

为了保证施工安全和隧道工程的长期稳定运行，需要使用科学的计算模型和方法对隧道支护结构进行设计和分析。

本文就隧道支护结构的计算计算模型及方法进行探讨。

一、计算模型的选择在隧道支护结构设计中，常用的计算模型有数值模型和解析模型两种。

数值模型是利用数值计算方法对隧道支护结构进行力学计算和分析，是一种较为常见和精确的计算方法。

数值模型可以根据隧道的具体条件和支护结构的特点，选取适当的有限元模型或离散元模型进行计算。

该模型考虑了材料的非线性和复杂的力学特性，可以较为真实地模拟隧道的受力情况。

解析模型是利用解析方法对隧道支护结构进行力学计算和分析，是一种简化和推导的计算方法。

解析模型常用的方法有弹性理论、弹塑性理论和弹性刚度法等。

解析模型适用于支护结构形状规则和材料较为简单的情况，计算速度快、结果相对准确。

根据具体情况，可以综合考虑数值模型和解析模型的特点，选择合适的计算模型进行隧道支护结构的设计和分析。

二、计算方法的应用1.强度计算方法隧道支护结构在受到地压和地震力等外载荷作用下，需要具备足够的强度来保证工程的稳定安全。

强度计算方法是根据支护材料的承载能力和结构的变形特点，对支护结构的强度进行计算和分析。

常用的强度计算方法有等效应力法、荷载传递法和有限元法等。

2.变形计算方法隧道支护结构在受到外力作用时会产生一定的变形，为了掌握支护结构的变形特点和变形范围，需要进行相应的变形计算和分析。

变形计算方法可以通过数值模型或解析模型进行，主要考虑隧道支护结构的刚度、材料的变形特性和支护结构与周围土层的相互作用。

3.稳定性计算方法稳定性是指隧道支护结构在受到外力作用时不发生破坏或失稳的能力。

稳定性计算方法是通过对支护结构的受力特点和受力平衡条件进行计算和分析，判断支护结构的稳定性。

常用的稳定性计算方法有平衡条件法、位移平衡法和有限元分析法等。

隧道⼯程考点答案第⼀章绪论1.隧道的概念：隧道是埋置于地层中的⼯程建筑物，是⼈类利⽤地下空间的⼀种形式。

是“以某种⽤途，在地⾯下⽤任何⽅法按规定形状和尺⼨修筑的断⾯积⼤于2平⽅⽶的洞室。

”2.隧道按位置分类：⼭岭隧道、⽔底隧道和城市隧道。

3.隧道按⽤途分类：交通隧道、⽔⼯隧道和市政隧道和矿⼭隧道。

第⼆章隧道⼯程地质环境及围岩分级1.⼯程地质调查测绘主要内容：隧道通过地段的地质调查测绘是隧道⼯程地质勘测的核⼼⼯作。

①铁路⼯程地质技术规范的总要求②地形地貌调查③地层、岩性调查④地质构造调查⑤⽔⽂地质调查⑥滑坡、落⽯、岩堆、泥⽯流和岩溶地质调查⑦地温测定2.如何引起岩体的初始应⼒：由于岩体的⾃重和地质构造作⽤和地质地温作⽤引起3.RQD法的定义及公式：所谓岩⽯质量指标RQD是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率。

岩芯复原率即单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的⽐例,可写为4.围岩分级的基本因素：①岩⽯坚硬程度②岩体的完整程度5.围岩的基本分级：P25表格6.隧道级别的修正：①地下⽔影响的修正②围岩初始地应⼒状态修正③风化作⽤的影响第三章隧道线路及断⾯设计1.越岭线上隧道位置选择考虑因素：主要以选择垭⼝和确定隧道⾼程两⼤因素为依据。

2.隧道洞⼝位置选择（“早进晚出”+9原则）：①“早进晚出”的原则②洞⼝不宜设在垭⼝沟⾕的中⼼或沟底低洼处③洞⼝应避开不良地质地段④当隧道线路通过岩壁陡⽴，基岩裸露处时，最好不刷动或少刷动原⽣地表，以保持⼭体的天然平衡。

⑤减少洞⼝路埑段长度，延长隧道，提前进洞。

⑥洞⼝线路宜与等⾼线正交。

⑦当线路位于有可能被⽔淹没的河滩或⽔库回⽔影响范围以内时，隧道洞⼝标⾼应⾼出洪⽔位加波浪⾼度，以防洪⽔灌⼊隧道。

⑧为了确保洞⼝的稳定和安全，边坡及仰坡均不宜开挖过⾼。

⑨当洞⼝附近遇有⽔沟或⽔渠横跨线路时，可设置拉槽开沟的桥梁或涵洞，以排泄⽔流。

⑩当洞⼝地势开阔，有利于施⼯场地地布置时，可利⽤弃渣有计划、有⽬的地改造洞⼝场地，以便布置运输便道、材料堆放场、⽣产设施⽤地及⽣产、⽣活⽤房等。