《隧道工程》课件第9讲隧道支护结构设计计算方法的基本原理1.ppt

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1、 隧道设计计算理论的发展隧道设计计算理论的发展 围岩压力围岩压力 结构力学方法结构力学方法 岩体力学方法岩体力学方法 信息反馈方法及经验方法信息反馈方法及经验方法 衬砌结构耐久性设计概要衬砌结构耐久性设计概要 第五章隧道支护结构设计计第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理算方法的基本原理第一节第一节 隧道设计计算理论的发展隧道设计计算理论的发展第五章第五章 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地下结构的力学模型必须符合下述条件：地下结构的力学模型必须符合下述条件：地下结构的力学模型必须符合下述条件：地下结构的力学模型必须符合下述条件：与实际工作状态一致，能反映

2、围岩的实际状态与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态以及与支护结构的接触状态；以及与支护结构的接触状态；以及与支护结构的接触状态；以及与支护结构的接触状态；荷载假定应与在修建洞室过程荷载假定应与在修建洞室过程荷载假定应与在修建洞室过程荷载假定应与在修建洞室过程(各作业阶段各作业阶段各作业阶段各作业阶段)中中中中荷载发生的情况一致；荷载发生的情况一致；荷载发生的情况一致；荷载发生的情况一致；算出的应力状态要与经过长时间使用的结构算出的应力状态要与经过长时间使用的结构算出的应力状态要与经过长时间使用的结构算出的应力状

3、态要与经过长时间使用的结构所发生的应力变化和破坏现象一致；所发生的应力变化和破坏现象一致；所发生的应力变化和破坏现象一致；所发生的应力变化和破坏现象一致；材料性质和数学表达要等价。材料性质和数学表达要等价。材料性质和数学表达要等价。材料性质和数学表达要等价。只要符合上述条件，任何计算方法都会获得合只要符合上述条件，任何计算方法都会获得合只要符合上述条件，任何计算方法都会获得合只要符合上述条件，任何计算方法都会获得合理的结果。理的结果。理的结果。理的结果。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 地下工程支护结构理论的一个重要问题是如何地下工程支护结构理

4、论的一个重要问题是如何地下工程支护结构理论的一个重要问题是如何地下工程支护结构理论的一个重要问题是如何确定作用在地下结构的荷载以及如何考虑围岩的确定作用在地下结构的荷载以及如何考虑围岩的确定作用在地下结构的荷载以及如何考虑围岩的确定作用在地下结构的荷载以及如何考虑围岩的承载能力。从这方面讲，支护结构计算理论的发承载能力。从这方面讲，支护结构计算理论的发承载能力。从这方面讲，支护结构计算理论的发承载能力。从这方面讲，支护结构计算理论的发展大概可分为展大概可分为展大概可分为展大概可分为3 3个阶段。个阶段。个阶段。个阶段。一、刚性结构阶段一、刚性结构阶段将将将将地地地地下下下下结结结结构构构构视视

5、视视为为为为刚刚刚刚性性性性结结结结构构构构的的的的压压压压力力力力线线线线理理理理论论论论。压压压压力力力力线线线线理理理理论论论论认认认认为为为为，地地地地下下下下结结结结构构构构是是是是由由由由一一一一些些些些刚刚刚刚性性性性块块块块组组组组成成成成的的的的拱拱拱拱形形形形结结结结构构构构，所所所所受受受受的的的的主主主主动动动动荷荷荷荷载载载载是是是是地地地地层层层层压压压压力力力力，当当当当地地地地下下下下结结结结构构构构处处处处于于于于极极极极限限限限平平平平衡衡衡衡状状状状态态态态时时时时，它它它它是是是是由由由由绝绝绝绝对对对对刚刚刚刚体体体体组组组组成成成成的的的的三三三三铰

6、铰铰铰拱拱拱拱静静静静定定定定体体体体系系系系，铰铰铰铰的的的的位位位位置置置置分分分分别别别别假假假假设设设设在在在在墙墙墙墙底底底底和和和和拱拱拱拱顶顶顶顶，其内力可按静力学原理进行计算。其内力可按静力学原理进行计算。其内力可按静力学原理进行计算。其内力可按静力学原理进行计算。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 二、弹性结构阶段二、弹性结构阶段按按按按弹弹弹弹性性性性连连连连续续续续拱拱拱拱形形形形框框框框架架架架用用用用超超超超静静静静定定定定结结结结构构构构力力力力学学学学方方方方法法法法计计计计算算算算结结结结构构构构内内内内力力力力。

7、作作作作用用用用在在在在结结结结构构构构上上上上的的的的荷荷荷荷载载载载是是是是主主主主动动动动的的的的地地地地层层层层压压压压力力力力，并并并并考考考考虑虑虑虑了了了了地地地地层层层层对对对对结结结结构构构构产产产产生生生生的的的的弹弹弹弹性性性性反反反反力力力力的的的的约约约约束束束束作用。作用。作用。作用。这这这这类类类类计计计计算算算算理理理理论论论论认认认认为为为为，当当当当地地地地下下下下结结结结构构构构埋埋埋埋置置置置深深深深度度度度较较较较大大大大时时时时，作作作作用用用用在在在在结结结结构构构构上上上上的的的的压压压压力力力力不不不不是是是是上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层的

8、的的的重重重重力力力力而而而而只只只只是是是是围岩坍落体积内松动岩体的重力围岩坍落体积内松动岩体的重力围岩坍落体积内松动岩体的重力围岩坍落体积内松动岩体的重力松动压力松动压力松动压力松动压力。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1.1.1.1.假定弹性反力阶段假定弹性反力阶段假定弹性反力阶段假定弹性反力阶段 衬衬衬衬砌砌砌砌在在在在承承承承受受受受岩岩岩岩体体体体所所所所给给给给的的的的主主主主动动动动压压压压力力力力作作作作用用用用产产产产生生生生弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形的的的的同同同同时时时时，将将将将受受受受到到到到地地地地层层层层对

9、对对对其其其其变变变变形形形形的的的的约约约约束束束束作作作作用用用用。地地地地层对衬砌变形的约束作用力就称之为层对衬砌变形的约束作用力就称之为层对衬砌变形的约束作用力就称之为层对衬砌变形的约束作用力就称之为弹性反力弹性反力弹性反力弹性反力。假定弹性反力假定弹性反力假定弹性反力假定弹性反力 弹弹弹弹性性性性反反反反力力力力的的的的分分分分布布布布图图图图形形形形为为为为直直直直线线线线(三三三三角形或梯形角形或梯形角形或梯形角形或梯形)对对对对拱拱拱拱形形形形结结结结构构构构按按按按变变变变形形形形曲曲曲曲线线线线假假假假定定定定了月牙形的弹性反力图形了月牙形的弹性反力图形了月牙形的弹性反力图

10、形了月牙形的弹性反力图形第五章第五章 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2.2.2.2.弹性地基梁阶段弹性地基梁阶段弹性地基梁阶段弹性地基梁阶段将隧道边墙视为支承在侧面和基底地层上的双向将隧道边墙视为支承在侧面和基底地层上的双向将隧道边墙视为支承在侧面和基底地层上的双向将隧道边墙视为支承在侧面和基底地层上的双向弹性地基梁弹性地基梁弹性地基梁弹性地基梁，计算在主动荷载作用下拱圈和边墙，计算在主动荷载作用下拱圈和边墙，计算在主动荷载作用下拱圈和边墙，计算在主动荷载作用下拱圈和边墙的内力。的内力。的内力。的内力。局部变形弹性地基梁理论局部变形弹性地基梁理论局部变形弹

11、性地基梁理论局部变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论第五章第五章 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三、连续介质阶段三、连续介质阶段用连续介质力学理论计算地下结构内力用连续介质力学理论计算地下结构内力用连续介质力学理论计算地下结构内力用连续介质力学理论计算地下结构内力这这这这种种种种计计计计算算算算方方方方法法法法以以以以岩岩岩岩体体体体力力力力学学学学原原原原理理理理为为为为基基基基础础础础，认认认认为为为为坑坑坑坑道道道道开开开开挖挖挖挖后后后后向向向向洞洞洞洞室室室室内内内内变变变变形

12、形形形而而而而释释释释放放放放的的的的围围围围岩岩岩岩压压压压力力力力将将将将由由由由支支支支护护护护结结结结构构构构与与与与围围围围岩岩岩岩组组组组成成成成的的的的地地地地下下下下结结结结构构构构体体体体系系系系共共共共同同同同承承承承受受受受。一一一一方方方方面面面面围围围围岩岩岩岩本本本本身身身身由由由由于于于于支支支支护护护护结结结结构构构构提提提提供供供供了了了了一一一一定定定定的的的的支支支支护护护护阻阻阻阻力力力力，从从从从而而而而引引引引起起起起它它它它的的的的应应应应力力力力调调调调整整整整达达达达到到到到新新新新的的的的平平平平衡衡衡衡；另另另另一一一一方方方方面面面面，由

13、由由由于于于于支支支支护护护护结结结结构构构构阻阻阻阻止止止止围围围围岩岩岩岩变变变变形形形形，它它它它必必必必然然然然要要要要受受受受到到到到围围围围岩岩岩岩给给给给予予予予的的的的反反反反作作作作用用用用力力力力而而而而发发发发生生生生变变变变形形形形。这这这这种种种种反反反反作作作作用用用用力力力力和和和和围围围围岩岩岩岩的的的的松松松松动动动动压压压压力力力力极极极极不不不不相相相相同同同同，它它它它是是是是支支支支护护护护结结结结构构构构与与与与围围围围岩岩岩岩共共共共同同同同变变变变形形形形过过过过程程程程中中中中对对对对支支支支护护护护结结结结构构构构施施施施加加加加的的的的压压

14、压压力力力力，称称称称为为为为形形形形变变变变压压压压力。力。力。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第二节第二节 围岩压力围岩压力 本节内容本节内容围岩压力概念，分类；围岩压力概念，分类；围岩松动压力的确定方法。围岩松动压力的确定方法。本节重点本节重点围岩压力的概念；围岩压力的概念；我国铁路隧道围岩压力的计算方法。我国铁路隧道围岩压力的计算方法。一、围岩压力及分类一、围岩压力及分类第五章第五章 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(一一一一)围岩压力概念围岩压力概念围岩压力概念围岩压力概念 广广广广义义义义概概

15、概概念念念念：围围围围岩岩岩岩压压压压力力力力是是是是指指指指引引引引起起起起地地地地下下下下开开开开挖挖挖挖空空空空间间间间周周周周围围围围岩岩岩岩体体体体和和和和支支支支护护护护变变变变形形形形或或或或破破破破坏坏坏坏的的的的作作作作用用用用力力力力。它它它它包包包包括括括括由由由由地地地地应应应应力力力力引引引引起起起起的的的的围围围围岩岩岩岩应应应应力力力力以以以以及及及及围围围围岩岩岩岩变变变变形形形形受受受受阻阻阻阻而而而而作作作作用用用用在在在在支支支支护护护护结构上的作用力。结构上的作用力。结构上的作用力。结构上的作用力。狭狭狭狭义义义义概概概概念念念念：指指指指围围围围岩岩岩

16、岩变变变变形形形形受受受受阻阻阻阻而而而而作作作作用用用用在在在在支支支支护护护护结结结结构构构构上的作用力。上的作用力。上的作用力。上的作用力。(二二二二)围岩压力分类围岩压力分类围岩压力分类围岩压力分类 松动压力松动压力 形变压力形变压力 膨胀压力膨胀压力 冲击压力冲击压力第五章第五章 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 由由由由于于于于开开开开挖挖挖挖而而而而松松松松动动动动或或或或坍坍坍坍塌塌塌塌的的的的岩岩岩岩体体体体以以以以重重重重力力力力形形形形式式式式直直直直接接

17、接接作作作作用在支护结构上的压力称为松动压力。用在支护结构上的压力称为松动压力。用在支护结构上的压力称为松动压力。用在支护结构上的压力称为松动压力。松动压力常通过下列三种情况发生：松动压力常通过下列三种情况发生：松动压力常通过下列三种情况发生：松动压力常通过下列三种情况发生：在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；石；石；石；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；

18、在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。1.1.1.1.松动压力松动压力松动压力松动压力 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

19、方法的基本原理水平岩层冒落倾斜岩层掉块、塌落高边墙坍塌第五章第五章 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裂隙岩体顶部掉块第五章第五章 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2.2.2.2.形变压力形变压力形变压力形变压力 形形形形变变变变压压压压力力力力是是是是由由由由于于于于围围围围岩岩岩岩变变变变形形形形受受受受到到到到与与与与之之之之密密密密贴贴贴贴的的的的支支支支护护护护如如如如锚锚锚锚喷喷喷喷支支支支护护护护等等等等的的的的抑抑抑抑制制制制，而而而而使使使使围围围围岩岩岩岩与与与与支支支支护护护护结结结结构构构构共共共共同

20、同同同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。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软岩巷道严重底鼓变形 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软岩巷道变形、支撑断裂第五章第五章 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3.3.3.3.膨胀压力膨胀压力膨胀压力膨胀压力 当当当当岩岩岩岩体体体体具具具具有有有有吸吸吸吸水水水水膨膨膨膨胀胀胀胀崩崩崩崩解解解

21、解的的的的特特特特征征征征时时时时，由由由由于于于于围围围围岩岩岩岩吸吸吸吸水水水水而而而而膨膨膨膨胀胀胀胀崩崩崩崩解解解解所所所所引引引引起起起起的的的的压压压压力力力力称称称称为为为为膨膨膨膨胀胀胀胀压压压压力力力力。它它它它与与与与形形形形变变变变压压压压力力力力的的的的基基基基本本本本区区区区别别别别在在在在于于于于它它它它是是是是由由由由吸吸吸吸水水水水膨膨膨膨胀胀胀胀引引引引起起起起的。的。的。的。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4.4.4.4.冲击压力冲击压力冲击压力冲击压力 冲冲冲冲击击击击压压压压力力力力是是是是在在在在围围围

22、围岩岩岩岩中中中中积积积积累累累累了了了了大大大大量量量量的的的的弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形能能能能以以以以后后后后，由由由由于于于于隧隧隧隧道道道道的的的的开开开开挖挖挖挖，围围围围岩岩岩岩的的的的约约约约束束束束被被被被解解解解除除除除，能能能能量量量量突然释放所产生的压力。突然释放所产生的压力。突然释放所产生的压力。突然释放所产生的压力。上上上上述述述述松松松松动动动动压压压压力力力力、形形形形变变变变压压压压力力力力往往往往往往往往同同同同时时时时存存存存在在在在，难难难难以以以以严格区分。严格区分。严格区分。严格区分。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

23、设计计算方法的基本原理二、影响围岩压力的因素二、影响围岩压力的因素 影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。地地地地质质质质因因因因素素素素：它它它它包包包包括括括括初初初初始始始始应应应应力力力力状状状状态态态态、岩岩岩岩石石石石力力力力学学学学性性性性质、岩体结构面等；质、岩体结构面等；质、岩体结构面等；质、岩体结构面等；工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护工程因素：它包括断面大小

24、、施工方法、支护设置时间、支护刚度、坑道形状等。设置时间、支护刚度、坑道形状等。设置时间、支护刚度、坑道形状等。设置时间、支护刚度、坑道形状等。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三、围岩松动压力的形成和确定方法三、围岩松动压力的形成和确定方法(一一一一)围岩松动压力的形成围岩松动压力的形成围岩松动压力的形成围岩松动压力的形成 深深深深埋埋埋埋坑坑坑坑道道道道开开开开挖挖挖挖后后后后围围围围岩岩岩岩由由由由变变变变形形形形到到到到坍坍坍坍塌塌塌塌成成成成拱拱拱拱的的的的整整整整个个个个变变变变形形形形过过过过程程程程，称称称称为为为为围围围围岩岩岩

25、岩的的的的成成成成拱拱拱拱作作作作用用用用。在在在在成成成成拱拱拱拱过过过过程程程程中中中中形形形形成成成成的的的的相相相相对对对对稳稳稳稳定定定定的的的的拱拱拱拱形形形形坍坍坍坍腔腔腔腔结结结结构构构构，成成成成为为为为自自自自然然然然拱拱拱拱或或或或坍坍坍坍落落落落拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。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(c)(d)(a)(b)变形阶段变形阶段松动阶段松动阶段塌落阶段

26、塌落阶段成拱阶段成拱阶段自然拱第五章第五章 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 自自自自然然然然拱拱拱拱范范范范围围围围的的的的大大大大小小小小除除除除了了了了受受受受上上上上述述述述的的的的围围围围岩岩岩岩地地地地质质质质条条条条件件件件、支支支支护护护护结结结结构构构构架架架架设设设设时时时时间间间间、刚刚刚刚度度度度以以以以及及及及它它它它与与与与围围围围岩岩岩岩的的的的接接接接触触触触状状状状态态态态等因素影响外，还取决于以下诸因素：等因素影响外，还取决于以下诸因素：等因素影响外，还取决于以下诸因素：等因素影响外，还取决于以下诸因素：PP隧道的形状和尺

27、寸；隧道的形状和尺寸；隧道的形状和尺寸；隧道的形状和尺寸；PP隧道的埋深；隧道的埋深；隧道的埋深；隧道的埋深；PP施工因素。施工因素。施工因素。施工因素。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深、浅埋隧道的判定原则深、浅埋隧道的判定原则深、浅埋隧道的判定原则深、浅埋隧道的判定原则式中式中 深浅埋隧道分界的深度；深浅埋隧道分界的深度；等效荷载高度值，即坍落拱高度。等效荷载高度值，即坍落拱高度。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(二二二二)确定围岩松动压力的方法确定围岩松动压力的方法确定围岩松动压力的方法确

28、定围岩松动压力的方法现现场场实实地地量量测测：按按按按目目目目前前前前的的的的量量量量测测测测手手手手段段段段和和和和技技技技术术术术水水水水平平平平来看量测的结果尚不能充分反映真实情况。来看量测的结果尚不能充分反映真实情况。来看量测的结果尚不能充分反映真实情况。来看量测的结果尚不能充分反映真实情况。理理论论公公式式计计算算：由由由由于于于于围围围围岩岩岩岩地地地地质质质质条条条条件件件件的的的的千千千千变变变变万万万万化化化化，所所所所用用用用计计计计算算算算参参参参数数数数难难难难以以以以确确确确切切切切取取取取值值值值，目目目目前前前前还还还还没没没没有有有有一一一一种种种种能能能能适合

29、于各种客观实际情况的统一理论。适合于各种客观实际情况的统一理论。适合于各种客观实际情况的统一理论。适合于各种客观实际情况的统一理论。统统计计的的方方法法：在在在在大大大大量量量量施施施施工工工工坍坍坍坍方方方方事事事事件件件件的的的的统统统统计计计计基基基基础础础础上上上上建建建建立立立立起起起起来来来来的的的的统统统统计计计计方方方方法法法法，在在在在一一一一定定定定程程程程度度度度上上上上能能能能反反反反映映映映围围围围岩压力的真实情况。岩压力的真实情况。岩压力的真实情况。岩压力的真实情况。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1.1.1.1.普

30、氏理论普氏理论普氏理论普氏理论 提出岩体坚固性系数提出岩体坚固性系数提出岩体坚固性系数提出岩体坚固性系数f f 的概念。的概念。的概念。的概念。视视视视岩岩岩岩体体体体为为为为散散散散粒粒粒粒体体体体。但但但但岩岩岩岩体体体体又又又又不不不不同同同同于于于于一一一一般般般般的的的的散散散散粒粒粒粒体体体体，其其其其结结结结构构构构面面面面上上上上存存存存在在在在着着着着不不不不同同同同程程程程度度度度的的的的粘粘粘粘结结结结力力力力，又又又又要要要要保保保保证证证证其其其其抗剪强度不变。抗剪强度不变。抗剪强度不变。抗剪强度不变。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

31、算方法的基本原理式中式中式中式中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：岩体坚固性系数：岩体坚固性系数：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 在在在在具具具具有有有有一一一一定定定定粘粘粘粘结结结结力力力力的的的的松松松松散散散散介介介介质质质质中中中中开开开开挖挖挖挖坑坑坑坑道道道道后后后后，其其其其上上上上方方方方会会会会形形形形成成成成一一一一个个个个抛抛抛抛物物物物线线线线形形形形的

32、的的的自自自自然然然然拱拱拱拱，作作作作用用用用在在在在支支支支护护护护结结结结构构构构上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重量。上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重量。上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重量。上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重量。而而而而自自自自然然然然拱拱拱拱的的的的形形形形状状状状和和和和尺尺尺尺寸寸寸寸(即即即即它它它它的的的的高高高高度度度度h hk k和和和和跨跨跨跨度度度度B Bt t)与与与与岩体的坚固性系数岩体的坚固性系数岩体的坚固性系数岩体的坚固性系数f f 有关。具体表达式为：有关。具体表达式为：有关。具体表达式为：有关。具体表达式为：式中式中式中式中 h

33、 hk k自然拱高度；自然拱高度；自然拱高度；自然拱高度；b bt t自然拱的半跨度。自然拱的半跨度。自然拱的半跨度。自然拱的半跨度。提出基于提出基于提出基于提出基于“自然拱自然拱自然拱自然拱”概念的计算理论概念的计算理论概念的计算理论概念的计算理论第五章第五章 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在在在松松松松散散散散和和和和破破破破碎碎碎碎岩岩岩岩体体体体中中中中，坑坑坑坑道道道道的的的的侧侧侧侧壁壁壁壁受受受受到到到到扰扰扰扰动动动动而而而而产生滑移，自然拱的跨度也相应加大

34、产生滑移，自然拱的跨度也相应加大产生滑移，自然拱的跨度也相应加大产生滑移，自然拱的跨度也相应加大 。式中式中式中式中 b b坑道的净跨之半；坑道的净跨之半；坑道的净跨之半；坑道的净跨之半；HHt t坑道的净高；坑道的净高；坑道的净高；坑道的净高；岩体的似摩擦角，岩体的似摩擦角，岩体的似摩擦角，岩体的似摩擦角，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：围岩垂直均布松动压力：围岩垂直均布松动压力：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：围岩水平均布松动压力可按朗金公式计算：围岩水

35、平均布松动压力可按朗金公式计算：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 在在在在地地地地面面面面深深深深度度度度为为为为h h处处处处取取取取出出出出一一一一厚厚厚厚度度度度为为为为dhdh的的的的水水水水平平平平条条条条带带带带单单单单元体，考虑其平衡条件元体，考虑其平衡条件元体，考虑其平衡条件元体，考虑其平衡条件 V V0 0，得出得出得出得出 假假假假定定定定作作作作用用用用在在在在任任任任何何何何水水水水平平平平面面面面上上上上的的的的竖竖竖竖向向向向压压压压应应应应力力力力 是是是是匀匀匀匀布布布布的，相应的水平力的，相应的水平力的，相应的

36、水平力的，相应的水平力 k k为侧压力系数。为侧压力系数。为侧压力系数。为侧压力系数。HH=kkv v2.2.2.2.泰沙基理论泰沙基理论泰沙基理论泰沙基理论 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 展开后，得展开后，得展开后，得展开后，得 解解解解上上上上述述述述微微微微分分分分方方方方程程程程，并并并并引引引引进进进进边边边边界界界界条条条条件件件件，得得得得洞洞洞洞顶顶顶顶岩岩岩岩层中任意点的垂直压力为层中任意点的垂直压力为层中任意点的垂直压力为层中任意点的垂直压

37、力为随着坑道埋深随着坑道埋深随着坑道埋深随着坑道埋深h h的加大的加大的加大的加大,趋近于零，则趋近于零，则趋近于零，则趋近于零，则 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 泰泰泰泰沙沙沙沙基基基基根根根根据据据据实实实实验验验验结结结结果果果果，得得得得出出出出K K11.511.5，取取取取K K1 1，则则则则式中，式中，式中，式中，b b、0 0 意义同上。意义同上。意义同上。意义同上。如以如以如以如以 f f 代入，得代入，得代入，得代入，得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算：侧向均布压力则仍按朗金公式计算：侧向

38、均布压力则仍按朗金公式计算：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式中式中式中式中 宽度影响系数，宽度影响系数，宽度影响系数，宽度影响系数，=1+=1+i i(B B-5)-5)B B坑道宽度，以坑道宽度，以坑道宽度，以坑道宽度，以mm计；计；计；计；i iB B每每每每增增增增加加加加1m1m时时时时，围围围围岩岩岩岩压压压压力力力力的的的的增增增增减减减减率率率率(以以以以B B5m5m为为为为基基基基准准准准)，当当当当B B5m5m时时时时取取取取i i=0.2=0.2，B B5m5m时时时时，取取取取i i0.10.1。对于单线、双线及多线

39、隧道，按破坏阶段设计时：对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设计时：对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设计时：对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设计时：3.3.3.3.我国我国我国我国隧规隧规隧规隧规所推荐的方法（所推荐的方法（所推荐的方法（所推荐的方法（q q q q、e e e e）(1)(1)深埋隧道深埋隧道深埋隧道深埋隧道 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式中式中式中式中 h hq q等效荷载高度值；等效荷载高度值；等效荷载高度值；等效荷载高度值；S S围岩级别，如围岩级别，如围岩级别，如围岩级别，如级围岩级围岩级围岩级围岩S S=

40、3=3；围岩的容重；围岩的容重；围岩的容重；围岩的容重；对于单线隧道、按概率极限状态设计时：对于单线隧道、按概率极限状态设计时：对于单线隧道、按概率极限状态设计时：对于单线隧道、按概率极限状态设计时：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水平压力水平压力水平压力水平压力e e可用下表中的经验范围取值。可用下表中的经验范围取值。可用下表中的经验范围取值。可用下表中的经验范围取值。水平压力水平压力水平压力水平压力e e推荐范围推荐范围推荐范围推荐范围 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上述计算表达式的适用条

41、件上述计算表达式的适用条件上述计算表达式的适用条件上述计算表达式的适用条件HH/B B1.7(1.7(HH为坑道的高度为坑道的高度为坑道的高度为坑道的高度)；深埋隧道；深埋隧道；深埋隧道；深埋隧道；不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；采用钻爆法施工的隧道。采用钻爆法施工的隧道。采用钻爆法施工的隧道。采用钻爆法施工的隧道。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垂直松动压力的分布图垂直松动压力的分布图垂直松动压力的分布图垂直松动压力

42、的分布图水平压力分部一般为均布形式，在高地应力、浅水平压力分部一般为均布形式，在高地应力、浅水平压力分部一般为均布形式，在高地应力、浅水平压力分部一般为均布形式，在高地应力、浅埋时，还应考虑水平压力非均匀分布的情况。埋时，还应考虑水平压力非均匀分布的情况。埋时，还应考虑水平压力非均匀分布的情况。埋时，还应考虑水平压力非均匀分布的情况。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)(2)浅埋隧道浅埋隧道浅埋隧道浅埋隧道 当当当当隧隧隧隧道道道道埋埋埋埋深深深深不不不不大大大大时时时时，开开开开挖挖挖挖的的的的影影影影响响响响将将将将波波波波及及及及到到到

43、到地地地地表表表表而而而而不不不不能能能能形形形形成成成成“自自自自然然然然拱拱拱拱”。从从从从施施施施工工工工过过过过程程程程中中中中岩岩岩岩体体体体(包包包包括括括括土土土土体体体体)的的的的运运运运动动动动情情情情况况况况可可可可以以以以看看看看到到到到，隧隧隧隧道道道道开开开开挖挖挖挖后后后后如如如如不不不不及及及及时时时时支支支支撑撑撑撑，岩岩岩岩体体体体即即即即会会会会大大大大量量量量坍坍坍坍落落落落移移移移动动动动，这这这这种种种种移移移移动动动动会会会会影影影影响响响响到到到到地地地地表表表表并并并并形形形形成成成成一一一一个个个个坍坍坍坍陷陷陷陷区区区区域域域域，此此此此时时

44、时时岩岩岩岩体体体体将将将将会会会会出出出出现现现现两两两两个个个个滑动面。滑动面。滑动面。滑动面。对对对对于于于于这这这这样样样样的的的的情情情情况况况况，可可可可以以以以采采采采用用用用松松松松散散散散介介介介质质质质极极极极限限限限平平平平衡衡衡衡理论进行分析。理论进行分析。理论进行分析。理论进行分析。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 当当当当滑滑滑滑动动动动岩岩岩岩体体体体下下下下滑滑滑滑时时时时，受受受受到到到到两两两两种种种种阻阻阻阻力力力力作作作作用用用用：一一一一是是是是滑滑滑滑面面面面上上上上阻阻阻阻止止止止滑滑滑滑动动动动岩

45、岩岩岩体体体体下下下下滑滑滑滑的的的的摩摩摩摩擦擦擦擦阻阻阻阻力力力力；二二二二是是是是支支支支护护护护结结结结构构构构的的的的反反反反作作作作用用用用力力力力，这这这这种种种种反反反反作作作作用用用用力力力力的的的的数数数数值值值值应应应应等等等等于于于于滑滑滑滑动动动动岩岩岩岩体体体体对对对对支支支支护护护护结结结结构构构构施施施施加加加加的的的的压压压压力力力力，也也也也就就就就是是是是我我我我们们们们所所所所要要要要确确确确定定定定的的的的围岩松动压力。围岩松动压力。围岩松动压力。围岩松动压力。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第五

46、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 受力的极限平衡条件：受力的极限平衡条件：受力的极限平衡条件：受力的极限平衡条件：滑动岩体重量滑面上的阻力滑动岩体重量滑面上的阻力滑动岩体重量滑面上的阻力滑动岩体重量滑面上的阻力+支护结构的反作用支护结构的反作用支护结构的反作用支护结构的反作用力力力力(围岩松动压力围岩松动压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滑面上的阻力滑面上的阻力 隧道埋深隧道埋深隧道埋深隧道埋深h h小于或等于等效荷载高度小于或等于等

47、效荷载高度小于或等于等效荷载高度小于或等于等效荷载高度h hq q(即即即即h h h hq q)时，忽略滑动面上的摩擦力：时，忽略滑动面上的摩擦力：时，忽略滑动面上的摩擦力：时，忽略滑动面上的摩擦力：式中式中式中式中 围岩容重，以围岩容重，以围岩容重，以围岩容重，以kN/mkN/m3 3计；计；计；计；h h 隧道埋置深度，以隧道埋置深度，以隧道埋置深度，以隧道埋置深度，以mm计。计。计。计。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压力围岩水平均布压力围岩水平均布压力围岩水平均布压力e e按朗金公式计算按朗金公式计算按朗金公式计算按朗金公

48、式计算 隧道埋深隧道埋深隧道埋深隧道埋深h h大于等效荷载高度大于等效荷载高度大于等效荷载高度大于等效荷载高度h hq q(即即即即h h h hq q)时：时：时：时：隧道随着埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面隧道随着埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面隧道随着埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面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，在计算围岩压力时，必的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必须考虑滑面上阻力的影响。须考虑滑面上阻力的影响。须考虑滑面上阻力的影响。须考虑

49、滑面上阻力的影响。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，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，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

50、，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。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a.a.岩体中所形成的破裂面是一个与水平面成岩体中所形成的破裂面是一个与水平面成岩体中所形成的破裂面是一个与水平面成岩体中所形成的破裂面是一个与水平面成 角的斜角的斜角的斜角的斜直面；直面；直面；直面；b.b.当洞顶上覆盖岩体当洞顶上覆盖岩体当洞顶上覆盖岩体当洞顶上覆盖岩体FEGHFEGH下沉时受到两侧岩体的下沉时