隧道工程第6章 隧道结构计算

第6章 隧道结构计算6.1 概 述6.1.1 引 言隧道结构工程特性、设计原则和方法与地面结构完全不同，隧道结构是由周边围岩和支护结构两者组成共同的并相互作用的结构体系。

各种围岩都是具有不同程度自稳能力的介质，即周边围岩在很大程度上是隧道结构承载的主体，其承载能力必须加以充分利用。

隧道衬砌的设计计算必须结合围岩自承能力进行，隧道衬砌除必须保证有足够的净空外，还要求有足够的强度，以保证在使用寿限内结构物有可靠的安全度。

显然，对不同型式的衬砌结构物应该用不同的方法进行强度计算。

隧道建筑虽然是一门古老的建筑结构，但其结构计算理论的形成却较晚。

从现有资料看，最初的计算理论形成于十九世纪。

其后随着建筑材料、施工技术、量测技术的发展，促进了计算理论的逐步前进。

最初的隧道衬砌使用砖石材料，其结构型式通常为拱形。

由于砖石以及砂浆材料的抗拉强度远低于抗压强度，采用的截面厚度常常很大，所以结构变形很小，可以忽略不计。

因为构件的刚度很大，故将其视为刚性体。

计算时按静力学原理确定其承载时压力线位置，检算结构强度。

在十九世纪末，混凝土已经是广泛使用的建筑材料，它具有整体性好，可以在现场根据需要进行模注等特点。

这时，隧道衬砌结构是作为超静定弹性拱计算的，但仅考虑作用在衬砌上的围岩压力，而未将围岩的弹性抗力计算在内，忽视了围岩对衬砌的约束作用。

由于把衬砌视为自由变形的弹性结构，因而，通过计算得到的衬砌结构厚度很大，过于安全。

大量的隧道工程实践表明，衬砌厚度可以减小，所以，后来上述两种计算方法已经不再使用了。

进入本世纪后，通过长期观测，发现围岩不仅对衬砌施加压力，同时还约束着衬砌的变形。

围岩对衬砌变形的约束，对改善衬砌结构的受力状态有利，不容忽视。

衬砌在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩形成“脱离区”的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓“抗力区”，如图6-1所示。

在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩，相应地产生被动抵抗力，即“弹性抗力”。

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。

第1章隧道工程勘测设计1.隧道选址与线路选线有什么关系？2.确定洞口位置的原则是什么？请解释其工程含义。

3.在按地质条件选择隧道位置时，所需要的地质资料有哪些？如何考虑地形条件对隧道位置的影响？第2章隧道主体建筑结构1.某新建铁路非电化曲线隧道，已知圆曲线半径R＝1200m，缓和曲线长l=50m,远期行车速度V=160km/h，隧道里程为：进口DK150+310；出口DK150+810；ZH点DK150+320；YH点DK151+000。

试求：各段加宽值与隧道中线偏移值。

要求按教材P32图2-7所示，表示清楚，并注明不同加宽的分段里程。

( 注：超高值以0.5cm取整，最大采用15cm；加宽值取为10cm的整数倍；偏移值取至小数点后2位）2. 为什么说台阶式洞门能降低边仰坡开挖高度？第3章隧道附属建筑1.什么是避车洞？避车洞的设置间距是多少？在布置避车洞时应该避开哪些地方？2.营运隧道的通风方式有哪些？什么是风流中性点？它与通风方式的关系怎样？3.为什么公路隧道要设置不同的照明亮度段？它们各自的作用是什么？第4章隧道围岩分类与围岩压力1.影响围岩稳定性的主要因素有哪些？围岩分级主要考虑什么因素？围岩分级的基本要素是哪几种？我国铁路隧道围岩分级主要考虑哪些因素？已知某隧道所处围岩节理发育，Rb＝26MPa，试问这是属于哪一级围岩？2. 某隧道内空净宽6.4m，净高8m，Ⅳ级围岩。

已知：围岩容重γ＝20KN/m3，围岩似摩擦角φ＝530，摩擦角θ＝300，试求埋深为3m、7m，15m处的围岩压力。

第5章隧道衬砌结构计算1.已知作用在衬砌基底面上的轴力N=870KN，弯矩M=43.5KN.m,墙底厚度h=0.6m，围岩抗力系数为150MPa/m。

试求墙底中心的下沉量及墙底发生的转角。

2. 什么情况下将围岩抗力弹簧径向设置？试推导径向设置的围岩抗力单元刚度矩阵。

(注：抗力方向以挤压围岩为正)3.一对称等厚平拱，衬砌厚度为50 cm，已知内力如图示，墙底抗力系数Kd=350 MPa/m,请求出墙底中心水平位移、垂直位移以及墙底截面转角(注：图中1、2、3为截面编号)。

隧道工程复习思考题第一章绪论1什么是隧道？通常指用作地下通道的工程建筑物。

隧道在我国交通建设中的地位和作用是什么？重要性：隧道是交通线上的重要组成部分，是国家重要的基础设施；必要性：快速畅通的交通网是经济发展的前提，低等级公路已不适应高速经济发展的需要；紧迫性：目前我国高速公路相对较少，与我国人口、经济发展相比，太少。

社会经济发展，交通必先行。

2隧道工程的发展前景和需要解决的难题有哪些方面？发展：今后的隧道技术研究方向为非爆破的机械化施工，合理规划与环境保护，设计可靠合理，使用安全等方面。

问题：数量大，难度大，造价高。

对围岩的性质还只能从定性的角度去衡量，工程应用中偏离较大，计算模型的选用和计算理论不完全符合实际，施工技术水平和管理方法还比较落后。

3隧道按照用途分为哪些类型？(1)交通隧道：提供运输的孔道和通道（铁路隧道、公路隧道、水底隧道、地下铁道、人行地道。

）(2)水工隧道：是水利工程和水利发电枢纽的一个重要组成部分。

（引水隧道，尾水隧道，导流隧道（泄洪隧道），排沙隧道。

）(3)市政隧道：是城市中为安置各种不同市政设施的地下孔道。

（给水隧道、污水隧道、管路隧道、线路隧道、人防隧道。

）(4)矿山隧道：其作用主要是为采矿服务的。

（运输巷道、给水隧道、通风隧道。

）4在我国《隧规》中隧道按照长度分为哪些类型？(1)特长隧道： L>3000 m(2)长隧道：3000 m ≥L>1000 m(3)中长隧道：1000 m ≥L>500 m(4)短隧道： L≤500 m 第二章隧道勘察1隧道勘察的目的和意义是什么？隧道勘察的目的：1. 查明隧道所处位置的工程地质条件和水文地质条件2. 为规划、设计、施工提供资料3. 对存在的岩土工程问题、环境问题进行分析评价提出合理的设计和施工建议4. 隧道施工和运营对环境保护的影响提出意见2初步勘察和详细勘察有何异同？初勘步骤：收集资料，工程地质选定隧道线位，初步勘察资料整理详细勘察：1.目的：为线位布设和编制施工图设计提供完整的工程地质资料2.任务：在初勘基础上，进一步查明隧道沿线地质特征和不良地质规模、大小范围3.步骤：(1)前期的准备工作(2)沿线地质勘察(3)试验(4)资料整理(5)编写详勘报告3隧道勘察方法除了收集资料、调查测绘、勘探外，据你所知还有哪些高科技手段和方法可用于隧道勘察？电法勘探；电磁法勘探（地质雷达）；地震勘探；声波探测；重力勘探；磁力勘探；放射性勘探第三章隧道总体设计1名词解释：垭口：当线路必须跨越分水岭时，分水岭的山脊线上总会有高程较低处。

学校隧道工程课程设计课程名称：隧道工程课程设计设计题目：公路隧道结构设计与计算专业层次：城市地下空间工程班级：姓名：学号：指导老师：×年×月目录1. 设计说明 (3)1.1 设计题目 (3)1.2 设计内容总览 (3)1.2.1 计算书部分 (3)1.2.2 图纸部分 (3)2. 隧道断面尺寸 (3)2.1 隧道建筑限界 (3)2.2 隧道的衬砌断面 (4)3. 隧道衬砌结构计算 (5)3.1 基本资料 (5)3.2 荷载确定 (5)3.2.1 围岩竖向均布压力 (5)3.2.2 围岩水平均布压力 (5)3.3 衬砌几何要素 (6)3.3.1.衬砌几何尺寸 (6)3.3.2 半拱线长度S及分段轴长△S (6)3.3.3 各分块接缝中心几何要素 (6)3.4 位移计算 (8)3.4.1 单位位移 (8)3.4.2 载位移—主动荷载在基本结构中引起的位移 (9)3.4.3 载位移—单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移 (13)3.4.4 墙底（弹性地基上的刚性梁）位移 (16)4. 解力法方程 (16)5. 计算主动荷载和被动荷载（σh=1）分别产生的衬砌内力 (17)6. 最大抗力值的求解 (18)7. 计算衬砌总内力 (19)8. 衬砌截面强度验算 (20)9. 内力图 (20)10. 隧道施工方案 (21)10.1 施工方法介绍 (21)10.2 施工方案及施工工艺流程 (22)10.2.1 施工工艺流程 (22)10.2.2 施工方案 (23)10.3 台阶法法注意事项 (23)1. 设计说明1.1 设计题目某一级公路隧道（双向四车道、隧道长700m）通过IV类围岩，埋深H=20m，隧道围岩天然容重γ=26 kN/m3，计算摩擦角ф=35°，变形模量E=10GPa，采用矿山法施工。

要求按高速公路设计速度80km/h。

(衬砌材料采用C25喷射混凝土，材料容重γh=22 kN/m3，变形模量Eh=25GPa)1.2 设计内容总览1.2.1 计算书部分（1）确定公路建筑界限；（2）根据公路等级及围岩类别用工程类比法确定支护方法及衬砌材料；（3）拟定隧道结构的截面尺寸(包括轮廓线半径及厚度等)；（4）隧道围岩压力计算（包括竖向压力及水平压力）；（5）隧道结构内力计算，并画出弯矩图和轴力图。

第一章绪论一隧道分类0 隧道：以任何方式修建，最终使用于地表下面的条形建筑物，空洞内部净空断面在2m⒉以上者均为隧道。

1 按岩层分为：岩石隧道（软岩，硬岩）、土质隧道。

2 按隧道长度分为：特长隧3000；长隧道1000-3000; 中长隧道500-1000；短隧道500；3 按断面面积分为：特大断面隧道100大断面50-100中等断面10-50小断面3-10极小3 第二章隧道的勘察1 隧道勘察的方法，主要有：收集与研究既有资料、调查与测绘、勘探、实验与长期观察。

2 调查与测绘是工程地质勘察的主要方法3 勘探按岩石的物理性质可采用挖探、钻探、地球物理勘探。

挖探主要为：坑探和槽探。

4 工程地质调查主要有：直接观察和访问当地群众第三章隧道总体设计1 越岭隧道平面位置的选择：平面位置选择是指隧道穿越分水岭的不同高程及不同方向的垭口选择，着重考虑以下因素 :A 路线总方向上的垭口B 地质条件C 隧道长度D 两侧展线难易程度E 工程量大小以及路桥隧总体线形2 哑口位置选择应考虑：A 优先考虑在路线总方向上或其附近的低垭口，此时垭口在两侧具有良好展线的横坡时，一般越岭隧道最短。

B 虽远离路线总方向，但垭口两侧具有良好的展线条件，又不损失越岭高程的垭口。

C 隧道一般选在分水岭垭口两边河谷标高差不多，并且两边河谷平面位置接近处。

D 工程地质和水文地质条件良好的垭口。

3、越岭隧道高程的选择：考虑运营条件的改善和通航能力的提高，宜采用低高程方案，但必须进行地形、地质、施工、运营、经济技术等多种因素综合比较来确定最优隧道高程。

3不良地质条件主要：有滑坡，崩坍，松散堆积，泥石流，岩溶及含盐，含煤，地下水发育不良地质隧道的施工注意事项：1）施工前对工程地质和水文地质资料详细分析，深入调查，制定相应施工方案和措施，备注材料，组织设计，使工程优质、安全、高效。

2）特殊地质地段隧道施工，以先治水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤检查、稳步前进为指导原则。

（教材：覃仁辉、王成主编《隧道工程》重庆大学出版社2001）隧道工程是一门专业性很强的课程，学习过程中注意理论联系实际，建议学习过程中抽时间到已建或在建隧道现场观看，了解隧道结构构造、施工环节和建造过程。

本提纲是以思考题的形式进行复习，同学们只要回答出这些思考题即可达到复习的目的。

学生在学习完各章后，对下列每章的思考题进行解答或思考。

第一章绪论1.什么是隧道？2.隧道在我国交通建设中的地位和作用是什么？3.隧道工程的发展前景和需要解决的难题有哪些方面？ P34.隧道按照用途分为哪些类型？ P55.在我国《隧规》中隧道按照长度分为哪些类型？ P5第二章隧道勘察 (不考？)1.隧道勘察的目的和意义是什么？ P92.初步勘察和详细勘察有何异同？ P153.隧道勘察方法除了收集资料、调查测绘、勘探外，据你所知还有哪些高科技手段和方法可用于隧道勘察？ P94.地下涌水和枯水调查的意义是什么？ P195.隧道建筑环境评价的目的是什么？对生态环境有何意义？ P21第三章隧道总体设计1.名词解释：分水岭(p27)、鸡爪地形、越岭隧道(p27)、傍山隧道(p28)、隧道净空(p34)、隧道建筑限界(p34)、隧道行车限界、墙效应、仰拱、隧道衬砌p39、隧道内轮廓线p39、隧道外轮廓线p39、隧道实际开挖线 p392.越岭隧道选址要考虑哪些原则p28？傍山隧道选址要考虑哪些原则？ P283.隧道主体建筑物和附属建筑物各包括哪些项目？ P324.隧道平面设计的原则是什么？ P325.曲线隧道有哪些不利因素？p326.隧道纵坡有哪些类型？p33控制隧道纵坡大小的主要因素是什么？ P337.隧道接线要注意什么问题？ P388.如何拟定圆形p40、直墙式、曲墙式隧道衬砌内轮廓线？9.在什么情况下需要设置仰拱？p4010.圆形衬砌、直墙式衬砌、曲墙式衬砌各适用于何种围岩类型？p41第四章隧道结构构造1.隧道洞身衬砌有哪些类型？p78各适用于何种场合围岩？p782.初期支护和二次支护的作用是什么？p80在其间设置隔离层有何作用？ (隔水层)3.不宜采用锚喷衬砌的情况有哪些？p804.隧道洞门有哪些类型、适用条件？ P825.在什么情况下设置明洞？ P876.拱式明洞和棚式明洞各有哪些类型？ P877.你设计施工明洞基础p89和填土p90需重视哪些问题？8.在什么情况下需设置竖井或斜井？ P859.设置竖井或斜井需要考虑哪些问题？ P8410.隧道内装要努力考虑哪些问题？ P9511.隧道内装材料需具备哪些性能？ P9512.隧道路面应具备哪些功能？p96路面材料如何选择和改进？P9613.水对隧道结构有哪些危害？ P9014.隧道综合治水的原则是什么？ P9115.截水、排水和堵水的措施有哪些？ P91第五章隧道围岩分类与围岩压力1.隧道围岩分类的意义是什么？ P532.围岩单一性指标有哪些？P543.围岩综合性指标有哪些？ P554.围岩分类岩性指标选择的原则是什么？ P575.我国公路隧道围岩分类特点是什么？ P596.我国公路隧道围岩分类主要考虑哪些指标因素？7.施工围岩分类有何特点？其分类的评定指标有哪些？8.什么是围岩？什么是围岩压力？9.什么是初始应力场、构造应力场和重力应力场？10.隧道开挖后初始应力场将如何变化？11.确定围岩压力有哪些方法？12.深埋隧道围岩压力如何确定？13.《隧规》深埋围岩压力计算公式的适用条件是什么？14.深埋隧道和浅埋隧道的分界如何确定？15.围岩应力现场量测有哪些方法？16.影响隧道围岩稳定性的自然因素和人为因素有哪些？17.在隧道工程中，如何综合考虑人为因素使功能造价最优？第六章隧道结构计算1.名词解释：共同变形理论、局部变形理论、围岩弹性抗力2.隧道结构计算模型有哪些？3.隧道结构上的主要荷载有哪些？附加荷载有哪些？4.对半衬砌的隧道结构计算作了哪些简化假定？5.写出隧道半衬砌计算的力法正则方程式。