隧道结构力学计算(定稿)

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1、1.隧道：构筑在离地面一定深度的岩层或土层屮用作通道的建筑物。公路隧道：用于穿越公路路线障碍物的交通隧道。公路隧道结构形式必须从满足功能和经济两个方面去考虑。2.公路隧道的主要特点：①断面形状复杂：公路隧道和铁路隧道、水工隧道相比，断面宽而扁。②荷载形式单一：公路隧道主要荷载来自于隧道周围的围岩压力，汽车的行车荷载对隧道的影响比起围岩压力完全可以忽略。③附属设施多：主要有通风照明、交通信号、通信、消防以及监控设施。3.常见的公路隧道断面形状：马蹄形或圆形、拱形、双连拱形式。4.衬砌结构类型：整体式混凝土衬砌、装配式衬砌、锚喷支护衬砌

2、和复合式衬砌。整体式混凝土衬砌，根据隧道围岩地质特点，分为：①半衬砌（只对拱顶部分衬砌对边墙不衬砌）、②装配式衬砌（市事先预制好的元件在洞内现场拼装而成，可提高施工速度，通常用于盾构法施工、沉埋法施工和TBM施工法。）、③锚喷支护衬砌（喷混凝土和加锚杆两种支护形式的统称,多用于挪威法和新奥法的支护衬砌屮。）、④复合式衬砌（主要应用于含水量较多的地段）。5.厚拱薄墙衬砌（适用于水平压力很小的状况，拱脚较厚）、直墙拱形衬砌（适用于竖向压力较大,而水平侧压力不大）、曲墙拱形衬砌（适用于地质条件差，岩石破碎、松散和易于坍塌的地段，特别是对于

3、洞底板较弱、具有膨胀特性或有较大围岩压力的情况）。6.地层屮的岩体初始地应力场是产生围岩压力的根本原因。岩体初应力场：指隧道未开挖前岩体的初始静应力场。一般受到两类因索的影响：①自重应力场（和岩体的物理力学性质、构造特点、地形地貌、温度、重力等紧密相关）；②构造应力场（与地壳的运动、地下水的变化以及人类活动等因素有关）。7.作用在隧道结构上的荷载可以分为三类：主要荷载、附加荷载、特殊荷载。主要荷载就是长期作用的荷载，它包括地层应力、围岩弹性抗力、结构自重力、回填岩土重力、地下静水压力以及使用荷载。附加荷载是指非经常作用的荷载，它包括

4、施工荷载、灌浆压力、局部落石以及由温度变化或混凝土收缩所引起的温度应力和收缩应力。特殊荷载包括一些偶然发生的荷载，如炮弹的冲击力和爆炸时产生的激波应力、地震产生的地震力、发生车祸时对隧道的冲撞力等。8.围岩压力：把由岩体变形所产生的挤压力叫做形变压力；把岩块坠落、滑移、坍塌等所产生的重力叫做松散压力；形变压力和松散压力统称为围岩压力。确定围岩压力常用的方法：①现场量测；②理论佔算；③工程类比法（围岩分类法）常见的围岩分类法：①岩石坚固系数分类法；②太沙基理论；③铁路围岩分类；④人工岩石洞室围岩分类法；⑤水工隧道围岩分类法。9.弹性抗

5、力确定方法：局部变形理论、共同变形理论。10.盾构法施工时，土压力计算公式：严/（•H）；其中:H--圆管顶部到地面的高度11.隧道的计算方法可以分为三大部分：①刚体力学法；②结构力学方法；③连续介质力学方法。结构力学方法是将地层对衬砌结构的作用看作是施加在结构上的荷载，来计算衬砌结构的内力和变形，就是岩石工程中的荷载结构法，它紧紧对衬砌结构进行计算，而无法计算围岩的应力及变形。弹塑性力学方法，认为衬砌结构和地层一起构成受力变形体，然后按照连续介质力学的方法来计算衬砌的变形和内力。1.隧道结构计算结果不能直接应用的因素：①围岩的物理

6、力学参数无法准确测泄；②隧道结构的荷载量级很大，且无法准确给出；③围岩的自承能力除受围岩自身条件的影响外，施工方法、施工时间、支护形式、洞室几何尺寸等对其都有明显的影响；④围岩本构关系的复杂性和屈服准则的不完整性，使得无法合理控制围岩自承能力的发挥。2.拱形半衬砌适用范围：较完整、坚硬的围岩(I、II级)。其力学模型：拱脚弹性固定的无较拱。3.拱形半衬砌隧道的结构计算：半衬砌结构设置在坚硬的围岩中，故而水平压力很小，可以略去不计，因此作用在衬砌上的主动荷载，仅有围岩垂直压力，衬砌自重、回填材料重力等。由于拱跨比较小，拱圈绝大部分位于

7、脱离区，固不考虑弹性抗力。对于对称问题，对于全对称，根据结构力学方法建立拱顶截面处位移协调方程Xi&i+X2§i2+A】p+Bo=OX]§21+X2§22+A2p+Uo+fBO=0式屮：§ik-柔度系数，即在基本结构中，拱脚为刚性固定时，悬臂梁作用单位广义力时，沿未知力人方向所产生的位移。在外荷载作用下，沿Xi方向产生的位移。B。、比-分别为拱脚截面的总弹性转角和总水平位移。4.拱形曲墙隧道的假定抗力法拱形曲墙式衬砌的计算模型：墙角弹性固定而两侧受周围约束的无较拱。具体计算时，首先从拱顶切开，以一对悬臂梁为基本结构，切开处赘余力为X

8、】、X2、Xao在主动荷载和弹性抗力的共同作用下，根据拱顶连续位移条件，可得到三个连续方程，由于还有未知量O'再利用h点处的变形协调条件补充一个方程(叭=业)解出pq个未知数。1-K几5.拱形直墙隧道的局部变形法(1)相关假设：①拱圈