隧道力学的特殊问题.pptx

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1、第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题本讲主要内容：1、概述2、隧道衬砌水压力的计算问题3、隧道力学的特殊问题第1页/共31页土木工程学院隧道工程系一、概述 随着我国工程建设的发展，隧道越建越多，隧道所处的地随着我国工程建设的发展，隧道越建越多，隧道所处的地随着我国工程建设的发展，隧道越建越多，隧道所处的地随着我国工程建设的发展，隧道越建越多，隧道所处的地质环境也越来越复杂，出现了越来越多的特殊问题。质环境也越来越复杂，出现了越来越多的特殊问题。质环境也越来越复杂，出现了越来越多的特殊问题。质环境也越来越复杂，出现了越来越多的特殊问题。（1 1 1 1）富水隧道的水压力计算问题）

2、富水隧道的水压力计算问题）富水隧道的水压力计算问题）富水隧道的水压力计算问题;（2 2 2 2）隧道施工的时空效应问题）隧道施工的时空效应问题）隧道施工的时空效应问题）隧道施工的时空效应问题;（3 3 3 3）流固耦合计算问题；）流固耦合计算问题；）流固耦合计算问题；）流固耦合计算问题；（4 4 4 4）温度场和应力场的耦合计算问题；）温度场和应力场的耦合计算问题；）温度场和应力场的耦合计算问题；）温度场和应力场的耦合计算问题；（5 5 5 5）软弱围岩大变形的力学分析；）软弱围岩大变形的力学分析；）软弱围岩大变形的力学分析；）软弱围岩大变形的力学分析；（6 6 6 6）复杂空间隧道结构的计算

3、问题）复杂空间隧道结构的计算问题）复杂空间隧道结构的计算问题）复杂空间隧道结构的计算问题;第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题概述概述第2页/共31页土木工程学院隧道工程系一、概述（7 7 7 7）隧道围岩的本构关系和屈服准则）隧道围岩的本构关系和屈服准则）隧道围岩的本构关系和屈服准则）隧道围岩的本构关系和屈服准则;（8 8 8 8）隧道围岩结构面的力学特性问题；）隧道围岩结构面的力学特性问题；）隧道围岩结构面的力学特性问题；）隧道围岩结构面的力学特性问题；（9 9 9 9）多层支护的力学分析问题；）多层支护的力学分析问题；）多层支护的力学分析问题；）多层支护的力学分析问题；（

4、10101010）隧道拆撑过程的力学分析问题；）隧道拆撑过程的力学分析问题；）隧道拆撑过程的力学分析问题；）隧道拆撑过程的力学分析问题；（11111111）高地应力隧道的岩爆问题；）高地应力隧道的岩爆问题；）高地应力隧道的岩爆问题；）高地应力隧道的岩爆问题；（12121212）隧道结构动力学问题）隧道结构动力学问题）隧道结构动力学问题）隧道结构动力学问题（13131313）隧道工程问题的反演分析理论与方法）隧道工程问题的反演分析理论与方法）隧道工程问题的反演分析理论与方法）隧道工程问题的反演分析理论与方法（14141414）岩溶隧道的施工安全问题）岩溶隧道的施工安全问题）岩溶隧道的施工安全问题

5、）岩溶隧道的施工安全问题第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题概述概述第3页/共31页土木工程学院隧道工程系二、隧道衬砌水压力计算理论 目前，国内外隧道工程对地下水的处理方式基本上可分：目前，国内外隧道工程对地下水的处理方式基本上可分：目前，国内外隧道工程对地下水的处理方式基本上可分：目前，国内外隧道工程对地下水的处理方式基本上可分：全封堵方式，堵水限排方式和排导方式三种。全封堵方式，堵水限排方式和排导方式三种。全封堵方式，堵水限排方式和排导方式三种。全封堵方式，堵水限排方式和排导方式三种。全封堵方式全封堵方式全封堵方式全封堵方式为不设置衬砌背后的地下水排导系统，衬砌为不设置衬砌

6、背后的地下水排导系统，衬砌为不设置衬砌背后的地下水排导系统，衬砌为不设置衬砌背后的地下水排导系统，衬砌结构承受同地下水头相当的水压力；结构承受同地下水头相当的水压力；结构承受同地下水头相当的水压力；结构承受同地下水头相当的水压力；排导方式排导方式排导方式排导方式为在衬砌后设置包括盲沟等地下水排导系统，为在衬砌后设置包括盲沟等地下水排导系统，为在衬砌后设置包括盲沟等地下水排导系统，为在衬砌后设置包括盲沟等地下水排导系统，衬砌不考虑水荷载的作用；衬砌不考虑水荷载的作用；衬砌不考虑水荷载的作用；衬砌不考虑水荷载的作用；堵水限排方式堵水限排方式堵水限排方式堵水限排方式是采取地层注浆等方式减少进入隧道内

7、地是采取地层注浆等方式减少进入隧道内地是采取地层注浆等方式减少进入隧道内地是采取地层注浆等方式减少进入隧道内地下水排量，同时在衬砌背后设置排导系统，将进入隧道内的下水排量，同时在衬砌背后设置排导系统，将进入隧道内的下水排量，同时在衬砌背后设置排导系统，将进入隧道内的下水排量，同时在衬砌背后设置排导系统，将进入隧道内的地下水排走，衬砌结构承受部分水压力。地下水排走，衬砌结构承受部分水压力。地下水排走，衬砌结构承受部分水压力。地下水排走，衬砌结构承受部分水压力。第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题第4页/共31页土木工程学院隧道工程系二、隧道衬砌水压

8、力计算理论 在在在在全封堵全封堵全封堵全封堵情况下，地下水静水压力并不因为岩土介质的情况下，地下水静水压力并不因为岩土介质的情况下，地下水静水压力并不因为岩土介质的情况下，地下水静水压力并不因为岩土介质的渗透性有所降低而改变其传递规律，渗透性有所降低而改变其传递规律，渗透性有所降低而改变其传递规律，渗透性有所降低而改变其传递规律，衬砌要承受同地下水水衬砌要承受同地下水水衬砌要承受同地下水水衬砌要承受同地下水水头基本相当的水压力头基本相当的水压力头基本相当的水压力头基本相当的水压力，当隧道埋置较深，地下水水头较高时，当隧道埋置较深，地下水水头较高时，当隧道埋置较深，地下水水头较高时，当隧道埋置较

9、深，地下水水头较高时，隧道结构设计非常困难，并且不合理；隧道结构设计非常困难，并且不合理；隧道结构设计非常困难，并且不合理；隧道结构设计非常困难，并且不合理；排导方式下排导方式下排导方式下排导方式下隧道衬砌结构设计可基本上隧道衬砌结构设计可基本上隧道衬砌结构设计可基本上隧道衬砌结构设计可基本上不考虑衬砌的水不考虑衬砌的水不考虑衬砌的水不考虑衬砌的水压力荷载压力荷载压力荷载压力荷载，从而可使隧道衬砌设计得比较经济合理；，从而可使隧道衬砌设计得比较经济合理；，从而可使隧道衬砌设计得比较经济合理；，从而可使隧道衬砌设计得比较经济合理；第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问

10、题水压力的计算问题第5页/共31页土木工程学院隧道工程系二、隧道衬砌水压力计算理论 在在在在堵水限排方式堵水限排方式堵水限排方式堵水限排方式下，减少了地下水进入隧道内的排水下，减少了地下水进入隧道内的排水下，减少了地下水进入隧道内的排水下，减少了地下水进入隧道内的排水量，对地表水环境影响较小，同时由于设置了排导系统，量，对地表水环境影响较小，同时由于设置了排导系统，量，对地表水环境影响较小，同时由于设置了排导系统，量，对地表水环境影响较小，同时由于设置了排导系统，衬衬衬衬砌结构承受的外水压力可进行大幅度折减砌结构承受的外水压力可进行大幅度折减砌结构承受的外水压力可进行大幅度折减砌结构承受的外水

11、压力可进行大幅度折减，使隧道设计更趋，使隧道设计更趋，使隧道设计更趋，使隧道设计更趋合理。合理。合理。合理。因此，对于地下水位较高的深埋山岭隧道，隧道设计因此，对于地下水位较高的深埋山岭隧道，隧道设计因此，对于地下水位较高的深埋山岭隧道，隧道设计因此，对于地下水位较高的深埋山岭隧道，隧道设计时通常采取时通常采取时通常采取时通常采取“以堵为主、限量排放以堵为主、限量排放以堵为主、限量排放以堵为主、限量排放”的防排水原则。的防排水原则。的防排水原则。的防排水原则。第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题第6页/共31页土木工程学院隧道工程系 实现限量排放

12、的一种方式是在隧道的防排水系统中实现限量排放的一种方式是在隧道的防排水系统中实现限量排放的一种方式是在隧道的防排水系统中实现限量排放的一种方式是在隧道的防排水系统中安设一种安设一种安设一种安设一种控制阀门控制阀门控制阀门控制阀门。当水压达到一定值时，阀门打开排水，。当水压达到一定值时，阀门打开排水，。当水压达到一定值时，阀门打开排水，。当水压达到一定值时，阀门打开排水，当水压低于某一值时，阀门关闭，这种控制排水系统在广州当水压低于某一值时，阀门关闭，这种控制排水系统在广州当水压低于某一值时，阀门关闭，这种控制排水系统在广州当水压低于某一值时，阀门关闭，这种控制排水系统在广州地铁隧道中曾经使用过

13、，但是由于经常开闭，阀门极易损坏，地铁隧道中曾经使用过，但是由于经常开闭，阀门极易损坏，地铁隧道中曾经使用过，但是由于经常开闭，阀门极易损坏，地铁隧道中曾经使用过，但是由于经常开闭，阀门极易损坏，再加上水中含有大量泥砂，常常使阀门堵塞，最终失去控制再加上水中含有大量泥砂，常常使阀门堵塞，最终失去控制再加上水中含有大量泥砂，常常使阀门堵塞，最终失去控制再加上水中含有大量泥砂，常常使阀门堵塞，最终失去控制排水功能，并使得衬砌背后水压增大造成衬砌破坏。排水功能，并使得衬砌背后水压增大造成衬砌破坏。排水功能，并使得衬砌背后水压增大造成衬砌破坏。排水功能，并使得衬砌背后水压增大造成衬砌破坏。第第8 8讲

14、讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题二、隧道衬砌水压力计算理论 第7页/共31页土木工程学院隧道工程系 另一种控制排放的方式主要针对另一种控制排放的方式主要针对另一种控制排放的方式主要针对另一种控制排放的方式主要针对山区高水位隧道山区高水位隧道山区高水位隧道山区高水位隧道，如岩溶，如岩溶，如岩溶，如岩溶富水区，隧道的设计可以采取多道防线、层层设防，在隧道衬砌富水区，隧道的设计可以采取多道防线、层层设防，在隧道衬砌富水区，隧道的设计可以采取多道防线、层层设防，在隧道衬砌富水区，隧道的设计可以采取多道防线、层层设防，在隧道衬砌外面的围岩中设计一定厚度的注浆堵水圈

15、，减少流向隧道衬砌背外面的围岩中设计一定厚度的注浆堵水圈，减少流向隧道衬砌背外面的围岩中设计一定厚度的注浆堵水圈，减少流向隧道衬砌背外面的围岩中设计一定厚度的注浆堵水圈，减少流向隧道衬砌背后的总渗流量，再在隧道衬砌背后设置排水措施排出剩余的水量后的总渗流量，再在隧道衬砌背后设置排水措施排出剩余的水量后的总渗流量，再在隧道衬砌背后设置排水措施排出剩余的水量后的总渗流量，再在隧道衬砌背后设置排水措施排出剩余的水量来降低外水压力。在这种方式下，初期衬砌和二次衬砌之间加设来降低外水压力。在这种方式下，初期衬砌和二次衬砌之间加设来降低外水压力。在这种方式下，初期衬砌和二次衬砌之间加设来降低外水压力。在这

16、种方式下，初期衬砌和二次衬砌之间加设了防水板，二次衬砌是防水混凝土，因此，地下水荷载在围岩和了防水板，二次衬砌是防水混凝土，因此，地下水荷载在围岩和了防水板，二次衬砌是防水混凝土，因此，地下水荷载在围岩和了防水板，二次衬砌是防水混凝土，因此，地下水荷载在围岩和注浆加固圈中表现为渗流体积力，而在二次衬砌上为边界力，可注浆加固圈中表现为渗流体积力，而在二次衬砌上为边界力，可注浆加固圈中表现为渗流体积力，而在二次衬砌上为边界力，可注浆加固圈中表现为渗流体积力，而在二次衬砌上为边界力，可以称为衬砌外水压力。以称为衬砌外水压力。以称为衬砌外水压力。以称为衬砌外水压力。第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧

17、道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题二、隧道衬砌水压力计算理论 第8页/共31页土木工程学院隧道工程系 假定围岩为各向同性均匀连续介质，隧道为圆形，地下水头很高，设假定围岩为各向同性均匀连续介质，隧道为圆形，地下水头很高，设假定围岩为各向同性均匀连续介质，隧道为圆形，地下水头很高，设假定围岩为各向同性均匀连续介质，隧道为圆形，地下水头很高，设为为为为H H H H，水流为稳定流，其运动规律服从，水流为稳定流，其运动规律服从，水流为稳定流，其运动规律服从，水流为稳定流，其运动规律服从DarcyDarcyDarcyDarcy定理。定理。定理。定理。r0r0r0r0为衬砌内径；为衬砌内径

18、；为衬砌内径；为衬砌内径；r1r1r1r1为衬为衬为衬为衬砌外径；砌外径；砌外径；砌外径；rgrgrgrg为注浆圈半径；为注浆圈半径；为注浆圈半径；为注浆圈半径；r2r2r2r2为远场距离，等于为远场距离，等于为远场距离，等于为远场距离，等于H H H H；由于衬砌厚度相对于；由于衬砌厚度相对于；由于衬砌厚度相对于；由于衬砌厚度相对于地下水头较小，衬砌渗透力可以简化为作用在衬砌外缘的表面力，该表面地下水头较小，衬砌渗透力可以简化为作用在衬砌外缘的表面力，该表面地下水头较小，衬砌渗透力可以简化为作用在衬砌外缘的表面力，该表面地下水头较小，衬砌渗透力可以简化为作用在衬砌外缘的表面力，该表面力取该处

19、的孔隙水压力。力取该处的孔隙水压力。力取该处的孔隙水压力。力取该处的孔隙水压力。第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题 1.1.限量排放下的水压力理论限量排放下的水压力理论 为了求得为了求得为了求得为了求得隧道排水量隧道排水量隧道排水量隧道排水量Q Q Q Q和衬砌及注和衬砌及注和衬砌及注和衬砌及注浆圈外缘的水压力浆圈外缘的水压力浆圈外缘的水压力浆圈外缘的水压力，考虑隧道所处的地下，考虑隧道所处的地下，考虑隧道所处的地下，考虑隧道所处的地下水头很高，水流为稳定流，可根据地下水水头很高，水流为稳定流，可根据地下水水头很高，水流为稳定流，可根据地下水水

20、头很高，水流为稳定流，可根据地下水动力学理论，以无限含水层中的竖井为例动力学理论，以无限含水层中的竖井为例动力学理论，以无限含水层中的竖井为例动力学理论，以无限含水层中的竖井为例进行理论分析。进行理论分析。进行理论分析。进行理论分析。第9页/共31页土木工程学院隧道工程系基本假定：基本假定：基本假定：基本假定：（1 1 1 1）水层均质、各向同性，厚度不变，分布面积很大，可视为无限延伸；）水层均质、各向同性，厚度不变，分布面积很大，可视为无限延伸；）水层均质、各向同性，厚度不变，分布面积很大，可视为无限延伸；）水层均质、各向同性，厚度不变，分布面积很大，可视为无限延伸；（2 2 2 2）抽水前

21、的地下水面是水平的，并视为稳定的；）抽水前的地下水面是水平的，并视为稳定的；）抽水前的地下水面是水平的，并视为稳定的；）抽水前的地下水面是水平的，并视为稳定的；（3 3 3 3）含水层中的水流服从）含水层中的水流服从）含水层中的水流服从）含水层中的水流服从DarcyDarcyDarcyDarcy定律，并在水头下降的瞬间水就马上释放定律，并在水头下降的瞬间水就马上释放定律，并在水头下降的瞬间水就马上释放定律，并在水头下降的瞬间水就马上释放第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题 1.1.限量排放下的水压力理论限量排放下的水压力理论 设承压含水层中有一竖

22、井，井的内设承压含水层中有一竖井，井的内设承压含水层中有一竖井，井的内设承压含水层中有一竖井，井的内半径为半径为半径为半径为r0r0r0r0，衬砌外半径为，衬砌外半径为，衬砌外半径为，衬砌外半径为r1r1r1r1，由于抽，由于抽，由于抽，由于抽水引起了水头降落，井内径处水头为水引起了水头降落，井内径处水头为水引起了水头降落，井内径处水头为水引起了水头降落，井内径处水头为h0h0h0h0，外半径处水头为，外半径处水头为，外半径处水头为，外半径处水头为h1h1h1h1，远场稳定水，远场稳定水，远场稳定水，远场稳定水头在半径头在半径头在半径头在半径r2r2r2r2处，为处，为处，为处，为h2h2h2

23、h2；衬砌渗透系数；衬砌渗透系数；衬砌渗透系数；衬砌渗透系数为为为为k1k1k1k1，围岩渗透系数为，围岩渗透系数为，围岩渗透系数为，围岩渗透系数为k2k2k2k2。第10页/共31页土木工程学院隧道工程系 水流有如下特征：（水流有如下特征：（水流有如下特征：（水流有如下特征：（1 1 1 1）水流为水平径向流，即流线为指向井轴的径向）水流为水平径向流，即流线为指向井轴的径向）水流为水平径向流，即流线为指向井轴的径向）水流为水平径向流，即流线为指向井轴的径向直线，等水头面为以井为共轴的圆柱面，并和水平断面一致；（直线，等水头面为以井为共轴的圆柱面，并和水平断面一致；（直线，等水头面为以井为共轴

24、的圆柱面，并和水平断面一致；（直线，等水头面为以井为共轴的圆柱面，并和水平断面一致；（2 2 2 2）通过各过）通过各过）通过各过）通过各过水断面的流量处处相等，并等于井的流量。因此可取水断面的流量处处相等，并等于井的流量。因此可取水断面的流量处处相等，并等于井的流量。因此可取水断面的流量处处相等，并等于井的流量。因此可取A-AA-AA-AA-A剖面进行分析。剖面进行分析。剖面进行分析。剖面进行分析。第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题 1.1.限量排放下的水压力理论限量排放下的水压力理论 此径向流的水头分布满足此径向流的水头分布满足此径向流的水

25、头分布满足此径向流的水头分布满足LaplaceLaplaceLaplaceLaplace方程，转换成柱坐标形式，并方程，转换成柱坐标形式，并方程，转换成柱坐标形式，并方程，转换成柱坐标形式，并考虑水流是水平对称的，应有考虑水流是水平对称的，应有考虑水流是水平对称的，应有考虑水流是水平对称的，应有积分可得：积分可得：积分可得：积分可得：第11页/共31页土木工程学院隧道工程系设设设设Q1Q1Q1Q1为断面为断面为断面为断面A-AA-AA-AA-A处通过围岩的流量，即当处通过围岩的流量，即当处通过围岩的流量，即当处通过围岩的流量，即当r1rr2r1rr2r1rr2r1rr2时，有时，有时，有时，有

26、第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题 1.1.限量排放下的水压力理论限量排放下的水压力理论利用分离变量法积分，引入边界条件利用分离变量法积分，引入边界条件利用分离变量法积分，引入边界条件利用分离变量法积分，引入边界条件 r=r2,h=h2r=r2,h=h2r=r2,h=h2r=r2,h=h2；r=r1,h=h1r=r1,h=h1r=r1,h=h1r=r1,h=h1同理，断面同理，断面同理，断面同理，断面A-AA-AA-AA-A处通过衬砌的流量处通过衬砌的流量处通过衬砌的流量处通过衬砌的流量Q2Q2Q2Q2为：为：为：为：第12页/共31页土木工程

27、学院隧道工程系因为因为因为因为Q1=Q2=QQ1=Q2=QQ1=Q2=QQ1=Q2=Q，由此可得：，由此可得：，由此可得：，由此可得：第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题 1.1.限量排放下的水压力理论限量排放下的水压力理论当井内无内水压时当井内无内水压时当井内无内水压时当井内无内水压时h0=0h0=0h0=0h0=0，则，则，则，则 则有：则有：则有：则有：第13页/共31页土木工程学院隧道工程系 由于假定围岩为各向同性均匀连续介质，隧道为圆形，地下水头很由于假定围岩为各向同性均匀连续介质，隧道为圆形，地下水头很由于假定围岩为各向同性均匀连续介

28、质，隧道为圆形，地下水头很由于假定围岩为各向同性均匀连续介质，隧道为圆形，地下水头很高，水流为稳定流，这时隧道的排水量高，水流为稳定流，这时隧道的排水量高，水流为稳定流，这时隧道的排水量高，水流为稳定流，这时隧道的排水量Q Q Q Q和衬砌外水压力和衬砌外水压力和衬砌外水压力和衬砌外水压力P P P P完全可以由上面求完全可以由上面求完全可以由上面求完全可以由上面求得的得的得的得的h1h1h1h1和和和和Q Q Q Q决定。因此在无注浆情况下，有决定。因此在无注浆情况下，有决定。因此在无注浆情况下，有决定。因此在无注浆情况下，有 第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算

29、问题水压力的计算问题 1.1.限量排放下的水压力理论限量排放下的水压力理论第14页/共31页土木工程学院隧道工程系 在有注浆圈情况下，令在有注浆圈情况下，令在有注浆圈情况下，令在有注浆圈情况下，令klklklkl为衬砌渗透系数；为衬砌渗透系数；为衬砌渗透系数；为衬砌渗透系数；kgkgkgkg为注浆体渗透系数；为注浆体渗透系数；为注浆体渗透系数；为注浆体渗透系数；krkrkrkr为围岩渗透系数，可以依照上述推导过程建立方程为围岩渗透系数，可以依照上述推导过程建立方程为围岩渗透系数，可以依照上述推导过程建立方程为围岩渗透系数，可以依照上述推导过程建立方程 第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学

30、的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题 1.1.限量排放下的水压力理论限量排放下的水压力理论第15页/共31页土木工程学院隧道工程系 由此求得：由此求得：由此求得：由此求得：第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题 1.1.限量排放下的水压力理论限量排放下的水压力理论其中其中其中其中h1h1h1h1、hghghghg为衬砌和注浆加固圈外的水头，为衬砌和注浆加固圈外的水头，为衬砌和注浆加固圈外的水头，为衬砌和注浆加固圈外的水头，PgPgPgPg为注浆加固圈外水压力。为注浆加固圈外水压力。为注浆加固圈外水压力。为注浆加固圈外水压力。第16页/共31页

31、土木工程学院隧道工程系 宜万线野三关隧道，地层渗透系数宜万线野三关隧道，地层渗透系数宜万线野三关隧道，地层渗透系数宜万线野三关隧道，地层渗透系数Kr=0.036m/d,Kr=0.036m/d,Kr=0.036m/d,Kr=0.036m/d,采用单线采用单线采用单线采用单线160km/h160km/h160km/h160km/h断面尺寸，设隧道为圆形，断面尺寸，设隧道为圆形，断面尺寸，设隧道为圆形，断面尺寸，设隧道为圆形，r0=4.89m,r1=5.6m,r0=4.89m,r1=5.6m,r0=4.89m,r1=5.6m,r0=4.89m,r1=5.6m,地层渗透系数与注浆圈渗透地层渗透系数与注

32、浆圈渗透地层渗透系数与注浆圈渗透地层渗透系数与注浆圈渗透系数之比为系数之比为系数之比为系数之比为n n n n。第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题 2.2.算例算例第17页/共31页土木工程学院隧道工程系第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题 2.2.算例算例 （1 1 1 1）当采取排水措施后，衬砌上水压随排水量的增加而减小；）当采取排水措施后，衬砌上水压随排水量的增加而减小；）当采取排水措施后，衬砌上水压随排水量的增加而减小；）当采取排水措施后，衬砌上水压随排水量的增加而减小；（2 2 2 2）

33、注浆范围越大，注浆效果越好，衬砌上水压越小，注浆圈上的）注浆范围越大，注浆效果越好，衬砌上水压越小，注浆圈上的）注浆范围越大，注浆效果越好，衬砌上水压越小，注浆圈上的）注浆范围越大，注浆效果越好，衬砌上水压越小，注浆圈上的水压越大，但是当注浆范围大到一定程度后，衬砌上水压随注浆范围的增大水压越大，但是当注浆范围大到一定程度后，衬砌上水压随注浆范围的增大水压越大，但是当注浆范围大到一定程度后，衬砌上水压随注浆范围的增大水压越大，但是当注浆范围大到一定程度后，衬砌上水压随注浆范围的增大变化已经不太明显，说明注浆半径的选取有一个合理范围。变化已经不太明显，说明注浆半径的选取有一个合理范围。变化已经不

34、太明显，说明注浆半径的选取有一个合理范围。变化已经不太明显，说明注浆半径的选取有一个合理范围。（3 3 3 3）在衬砌渗透性不变的情况下，注浆范围越大、注浆效果越好，）在衬砌渗透性不变的情况下，注浆范围越大、注浆效果越好，）在衬砌渗透性不变的情况下，注浆范围越大、注浆效果越好，）在衬砌渗透性不变的情况下，注浆范围越大、注浆效果越好，排水量可以越小，因此注浆圈可以起到控制排水的作用，给定了隧道某一段排水量可以越小，因此注浆圈可以起到控制排水的作用，给定了隧道某一段排水量可以越小，因此注浆圈可以起到控制排水的作用，给定了隧道某一段排水量可以越小，因此注浆圈可以起到控制排水的作用，给定了隧道某一段的

35、合理排放量以后，就可以确定注浆的范围和注浆水平。的合理排放量以后，就可以确定注浆的范围和注浆水平。的合理排放量以后，就可以确定注浆的范围和注浆水平。的合理排放量以后，就可以确定注浆的范围和注浆水平。第18页/共31页土木工程学院隧道工程系无注浆圈时衬砌水压折减系数可以表示为：无注浆圈时衬砌水压折减系数可以表示为：无注浆圈时衬砌水压折减系数可以表示为：无注浆圈时衬砌水压折减系数可以表示为：第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题 3.3.隧道衬砌水压力折减系数隧道衬砌水压力折减系数有注浆圈时衬砌水压折减系数可以表示为：有注浆圈时衬砌水压折减系数可以表示

36、为：有注浆圈时衬砌水压折减系数可以表示为：有注浆圈时衬砌水压折减系数可以表示为：（1 1 1 1）在隧道开挖半径、衬砌厚度一定的情况下，无注浆圈时衬砌水压折）在隧道开挖半径、衬砌厚度一定的情况下，无注浆圈时衬砌水压折）在隧道开挖半径、衬砌厚度一定的情况下，无注浆圈时衬砌水压折）在隧道开挖半径、衬砌厚度一定的情况下，无注浆圈时衬砌水压折减系数与远场水头减系数与远场水头减系数与远场水头减系数与远场水头H H H H（这里（这里（这里（这里r2=Hr2=Hr2=Hr2=H）以及衬砌和围岩的相对渗透系数有关，）以及衬砌和围岩的相对渗透系数有关，）以及衬砌和围岩的相对渗透系数有关，）以及衬砌和围岩的相对

37、渗透系数有关，（2 2 2 2）有注浆圈时衬砌水压折减系数不仅与远场水头）有注浆圈时衬砌水压折减系数不仅与远场水头）有注浆圈时衬砌水压折减系数不仅与远场水头）有注浆圈时衬砌水压折减系数不仅与远场水头H H H H（这里（这里（这里（这里r2=Hr2=Hr2=Hr2=H）、衬砌）、衬砌）、衬砌）、衬砌和围岩的相对渗透系数有关，还与注浆半径以及注浆圈渗透系数有关。和围岩的相对渗透系数有关，还与注浆半径以及注浆圈渗透系数有关。和围岩的相对渗透系数有关，还与注浆半径以及注浆圈渗透系数有关。和围岩的相对渗透系数有关，还与注浆半径以及注浆圈渗透系数有关。第19页/共31页土木工程学院隧道工程系不考虑注浆时

38、衬砌水压折减系数表不考虑注浆时衬砌水压折减系数表不考虑注浆时衬砌水压折减系数表不考虑注浆时衬砌水压折减系数表 第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题 3.3.隧道衬砌水压力折减系数隧道衬砌水压力折减系数 当当当当Kl/Kr=0Kl/Kr=0Kl/Kr=0Kl/Kr=0即衬砌基本不透水时，衬砌上水压不能折减；即衬砌基本不透水时，衬砌上水压不能折减；即衬砌基本不透水时，衬砌上水压不能折减；即衬砌基本不透水时，衬砌上水压不能折减；随着随着随着随着Kl/KrKl/KrKl/KrKl/Kr的增加，衬砌水压折减系数减小，说明衬砌上水压在减小；的增加，衬砌水压折

39、减系数减小，说明衬砌上水压在减小；的增加，衬砌水压折减系数减小，说明衬砌上水压在减小；的增加，衬砌水压折减系数减小，说明衬砌上水压在减小；但当但当但当但当Kl/Kr=1Kl/Kr=1Kl/Kr=1Kl/Kr=1时，并不等于时，并不等于时，并不等于时，并不等于0 0 0 0，而且水头越小，越大。由于，而且水头越小，越大。由于，而且水头越小，越大。由于，而且水头越小，越大。由于Kl/Kr=1Kl/Kr=1Kl/Kr=1Kl/Kr=1实际上实际上实际上实际上类似于毛洞状况，地下水自由排放，作用在衬砌上的水压力不为类似于毛洞状况，地下水自由排放，作用在衬砌上的水压力不为类似于毛洞状况，地下水自由排放，

40、作用在衬砌上的水压力不为类似于毛洞状况，地下水自由排放，作用在衬砌上的水压力不为0 0 0 0。远场水头H(m)kl/kr00.0010.010.10.5150010.948540.648270.155630.035550.018130010.954310.676250.172790.04010.0204620010.958950.700240.189360.044630.0228310010.966980.745440.226510.055330.028455010.975140.796880.281780.072760.03775第20页/共31页土木工程学院隧道工程系有注浆圈存在时，衬砌

41、水压折减系数表有注浆圈存在时，衬砌水压折减系数表有注浆圈存在时，衬砌水压折减系数表有注浆圈存在时，衬砌水压折减系数表 第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题水压力的计算问题水压力的计算问题 3.3.隧道衬砌水压力折减系数隧道衬砌水压力折减系数 随着随着随着随着Kg/KrKg/KrKg/KrKg/Kr的减小，衬砌水压折减系数减小，说明注浆效果越好，衬的减小，衬砌水压折减系数减小，说明注浆效果越好，衬的减小，衬砌水压折减系数减小，说明注浆效果越好，衬的减小，衬砌水压折减系数减小，说明注浆效果越好，衬砌水压越小。砌水压越小。砌水压越小。砌水压越小。远场水头H(m)kg/kr0.0001

42、0.0010.010.10.515000.007540.070220.414960.815120.891540.902113000.007550.070280.417160.823690.901800.912622000.007550.070330.418940.830620.910110.921141000.007550.070420.422000.842740.924690.93607500.007550.070510.425100.855220.939740.95149第21页/共31页土木工程学院隧道工程系第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题问题讨论问题讨论三、问题讨论

43、（1 1 1 1）富水隧道的水压力计算问题）富水隧道的水压力计算问题）富水隧道的水压力计算问题）富水隧道的水压力计算问题要点：要点：要点：要点：（1 1 1 1）通常条件下水压力的计算方法；）通常条件下水压力的计算方法；）通常条件下水压力的计算方法；）通常条件下水压力的计算方法；（2 2 2 2）施工阶段水压力的计算，主要讨论隧道施工工作面在）施工阶段水压力的计算，主要讨论隧道施工工作面在）施工阶段水压力的计算，主要讨论隧道施工工作面在）施工阶段水压力的计算，主要讨论隧道施工工作面在动水压力（渗透力）的作用下的稳定性的计算分析；动水压力（渗透力）的作用下的稳定性的计算分析；动水压力（渗透力）的

44、作用下的稳定性的计算分析；动水压力（渗透力）的作用下的稳定性的计算分析；（3 3 3 3）使用阶段水压力的计算，主要讨论压力水头如何折减，）使用阶段水压力的计算，主要讨论压力水头如何折减，）使用阶段水压力的计算，主要讨论压力水头如何折减，）使用阶段水压力的计算，主要讨论压力水头如何折减，作用在隧道衬砌结构上的水压力如何计算。作用在隧道衬砌结构上的水压力如何计算。作用在隧道衬砌结构上的水压力如何计算。作用在隧道衬砌结构上的水压力如何计算。第22页/共31页土木工程学院隧道工程系（2 2 2 2）隧道施工的时空效应问题）隧道施工的时空效应问题）隧道施工的时空效应问题）隧道施工的时空效应问题第第8

45、8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题问题讨论问题讨论三、问题讨论 要点：要点：要点：要点：（1 1 1 1）什么是时空效应；）什么是时空效应；）什么是时空效应；）什么是时空效应；（2 2 2 2）隧道施工过程中初始地应力释放的时间效应和空）隧道施工过程中初始地应力释放的时间效应和空）隧道施工过程中初始地应力释放的时间效应和空）隧道施工过程中初始地应力释放的时间效应和空间效应，间效应，间效应，间效应，（3 3 3 3）隧道施工工作面对隧道初始应力释放过程的影响；）隧道施工工作面对隧道初始应力释放过程的影响；）隧道施工工作面对隧道初始应力释放过程的影响；）隧道施工工作面对隧道初始应力释放过

46、程的影响；（4 4 4 4）隧道施工过程中隧道洞周收敛位移的时空效应。）隧道施工过程中隧道洞周收敛位移的时空效应。）隧道施工过程中隧道洞周收敛位移的时空效应。）隧道施工过程中隧道洞周收敛位移的时空效应。第23页/共31页土木工程学院隧道工程系（3 3 3 3）流固耦合计算问题）流固耦合计算问题）流固耦合计算问题）流固耦合计算问题第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题问题讨论问题讨论三、问题讨论 要点：要点：要点：要点：（1 1 1 1）流固耦合计算的常用方法；）流固耦合计算的常用方法；）流固耦合计算的常用方法；）流固耦合计算的常用方法；（2 2 2 2）隧道结构流固耦合计算的具体

47、流程；）隧道结构流固耦合计算的具体流程；）隧道结构流固耦合计算的具体流程；）隧道结构流固耦合计算的具体流程；（3 3 3 3）流固耦合计算的发展趋势。）流固耦合计算的发展趋势。）流固耦合计算的发展趋势。）流固耦合计算的发展趋势。第24页/共31页土木工程学院隧道工程系（4 4 4 4）软弱围岩大变形的力学分析）软弱围岩大变形的力学分析）软弱围岩大变形的力学分析）软弱围岩大变形的力学分析第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题问题讨论问题讨论三、问题讨论 要点：要点：要点：要点：（1 1 1 1）什么是软弱围岩；）什么是软弱围岩；）什么是软弱围岩；）什么是软弱围岩；（2 2 2 2）

48、软弱围岩大变形的原因与力学机制；）软弱围岩大变形的原因与力学机制；）软弱围岩大变形的原因与力学机制；）软弱围岩大变形的原因与力学机制；（3 3 3 3）软弱围岩大变形隧道的常用控制措施及其力学机）软弱围岩大变形隧道的常用控制措施及其力学机）软弱围岩大变形隧道的常用控制措施及其力学机）软弱围岩大变形隧道的常用控制措施及其力学机制。制。制。制。第25页/共31页土木工程学院隧道工程系（5 5 5 5）复杂空间隧道结构的计算问题）复杂空间隧道结构的计算问题）复杂空间隧道结构的计算问题）复杂空间隧道结构的计算问题第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题问题讨论问题讨论三、问题讨论 要点：要

49、点：要点：要点：（1 1 1 1）什么是软弱围岩；）什么是软弱围岩；）什么是软弱围岩；）什么是软弱围岩；（2 2 2 2）软弱围岩大变形的原因与力学机制；）软弱围岩大变形的原因与力学机制；）软弱围岩大变形的原因与力学机制；）软弱围岩大变形的原因与力学机制；（3 3 3 3）软弱围岩大变形隧道的常用控制措施及其力学机）软弱围岩大变形隧道的常用控制措施及其力学机）软弱围岩大变形隧道的常用控制措施及其力学机）软弱围岩大变形隧道的常用控制措施及其力学机制。制。制。制。第26页/共31页土木工程学院隧道工程系（6 6 6 6）隧道围岩的本构关系和屈服准则）隧道围岩的本构关系和屈服准则）隧道围岩的本构关系

50、和屈服准则）隧道围岩的本构关系和屈服准则 第第8 8讲讲 隧道力学的特殊问题隧道力学的特殊问题问题讨论问题讨论三、问题讨论 要点：要点：要点：要点：（1 1 1 1）什么是围岩的本构关系和屈服准则；）什么是围岩的本构关系和屈服准则；）什么是围岩的本构关系和屈服准则；）什么是围岩的本构关系和屈服准则；（2 2 2 2）隧道围岩常用的本构关系；）隧道围岩常用的本构关系；）隧道围岩常用的本构关系；）隧道围岩常用的本构关系；（3 3 3 3）隧道围岩常用的屈服准则；）隧道围岩常用的屈服准则；）隧道围岩常用的屈服准则；）隧道围岩常用的屈服准则；（4 4 4 4）隧道围岩本构关系和屈服准则对隧道围岩稳定性