第三讲地下结构设计原理计算方法Word格式文档下载.docx
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其上部拱圈的轴线采用多心圆或半圆形，边墙可做成直边墙或曲边墙；
当底部压力较大或有地下水时．应做成带仰拱的封闭式结构，如图所示
根据地质条件在岩层较坚硬、整体性较好的稳定或基本稳定的园岩中，可采用半衬砌，边墙只设防护，
施工时应保证拱脚岩层的稳定性，当使用要求较大跨度时、可以做成落地拱
采用明挖法施工常用的结构形式是矩形框架，其内部根据使用目的设有梁、柱或中墙.
沉埋法施工（亦称水下明挖法）的衬砌结构形式，是在专门的制造场地顶制的，其结构形式与制造方式有关。
用明挖法施工修建的地下构筑物，需要有和地团连接的通道，它是由浅入深的结构，称为引道，在无法修筑顶盖的情况下通常都做成开敞式的。
（2）锚喷支护
常用于矿山法施工，它可以在坑道开挖后及时施设．因此．能有效地限制洞周位移．保护作业人员的安全，避免局部产生过大的变形。
（3）复合式衬砌
分2次修筑，中间加设薄膜防水层的衬砌称为复合式村砌，复合式衬砌的外层常为锚喷支护，以利于及时架设，尽快位围岩和初期支护达到基本稳定。
内层常为现浇整体式混凝土衬砌、喷混凝土或喷钢纤维混凝土衬砌、装配式衬砌等不同的形式。
（4）装配式村砌由工厂预制、在洞内拼装而成的衬砌称为装配式衬砌，每一个村砌单元称为管片。
由数块标淮块,邻接块,l块封顶块拼装成一衬砌环．再用纵向螺桂连接。
用于盾构法施工的装配式衬砌，由于在盾尾内拼成圆环材砌，在盾构向前推进时．要承受千斤顶推进的反力。
同时，由于盾构的前进而便装配好的衬砌环一旦暴露在盾尾外时，立即承受地层给予的压力。
故要求衬砌：
1能立即承受施工荷载和永久荷载，如围岩压力、机具压力，后者包括盾构推进时的千斤顶压力；
2有足够的刚度和强度，不远水、耐腐蚀，具有足够的耐久性能；
③装配安全、简便、构件能互换，且在管片刚被推出盾尾后即刻要承受向衬砌背后注浆的压力。
支护结构计算理论
支护结构计算理论的发展大概可分为3个阶段
1．刚性结构阶段运用压力线理论。
其认为．地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构，所受的主动荷载是地层压力，当地下结构处于极限平衡状态时、它是由绝对刚体组成的三铰拱静定体系．铰的位置分别假设在墙底和拱顶．其内力可按静力学原理进行计算。
这种计算理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重力。
可以作为代表的有海姆理论、朗肯理论和金尼克理论。
但是压力线假设的计算方法缺乏理论依据，一般倩况偏于保守．所设计的衬砌厚度将偏大很多。
2．弹性结构阶段作用在结构上的荷载是主动的地层压力，并考虑了地层对结构产生的弹性反力的约束作用。
由于有了比较可靠的力学原理为依据，故至今在设计地下结构时仍时有采用。
这类计算理论认为、当地下结构埋置深度较大时．作用在结构上的压力不是上覆岩层的重力而只是团岩坍落体积内松动岩体的重力——松动压力。
代表的有太沙基理论和普氏理论，他们的共同观点是：
认为坍落体积的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。
不同之处是．前者认为坍落体为矩形，后者认为是抛物线形。
其对于围岩自身承载能力的认识又分为以下2个阶段；
（1）假定弹性反力阶段地下结构衬砌受到地层对其变形的约束作用。
地层对衬砌的约束作用力就称之为弹性反力。
这样计算理论便进入了假定弹性反力阶段.
（2）弹性地基梁阶段由于假定弹性反力法对其分布图形的假定有较大的任意性。
人们开始研究将边墙视为弹性地基粱的结构计算理论．
3．连续介质阶段这种计算方法以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内变形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。
一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护阻力，从而引起它的应力调整达到新的平衡；
另一方面、由于支护结构阻止围岩变形、它必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形。
现代支护理论信传统支护理论之间的区别主要表现在以下几方面：
1）对围岩和围岩压力的认识方面传统支护理论认为围岩压力由洞室塌落的围岩“松动压力”造成，而现代支护理论认为围岩具有白承能力，围岩作用于支护上的压力不是松动压力．而是阻止围岩变形的形变压力。
（2）在围岩和支护间的相互关系上
传统支护理论把围岩和支护分开考虑．围岩当作荷裁。
支护作为承裁结构，属于‘荷载—结构”体系，现代支护理论则将固岩和支护作为——个统一．二者组成“围岩—支护”结构体系共同参与工作：
（3）在支护功能和作用原理上传统支护只是为了承受荷载，现代支护则是为了及时稳定和加固围岩c
（4）在设计计算方法上传统支护主要是确定作用在支护上的荷载．现代支护设计的作用荷载是岩体地应力．由围岩和支护共同承载，
（5）在支护形式和工艺上由于锚喷支护结构的大量使用，它可在围岩松动之前及时加固团岩，其应用实践给人们积累了丰富的经验—新奥法是典型的代表。
地下结构的计算特性
（1）必须充分认识地质环境对地下结构设计的影响地下工程周围的地质体是工程材料、承载结构，同时又是产生荷载的来源
（2）地下结构施工因素和时间因素会极大地影响结构体系的安全性与地面结构不同，地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结构能否承载，又妥考虑困岩会不舍失稳，这2种原因都能最终导致支护结构破坏
（3）地下工程支护结构设计的关键问题在于充分发挥围岩自承力地下结构计算的力学模型1．结构力学的计算模型
（1）主动荷载模型
它不考虑因岩与支护结构的相互作用．因此、支护结构在主动荷载作用下可以自由变形，和地面结构的作用没有什么不同。
（2）主动荷载加固岩弹性约束的模型它认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载．而且由于围岩与支护结构的相互作用．还有支护结构施加被动的弹性反力。
（3）实地量测荷载模式这是当前正在发展的一种模式，它是主动荷载模型的亚型，以实地量测荷载代替主动荷载。
2．连续介质力学的计算模型
也称围岩--结构模型。
按连续介质力学原理及变形协调条件分别计算衬砌与围
岩中的内力，并据以验算地层的稳定性和进行结构截面设计。
（1）现代支护结构原理归纳起来．现代支护结构原理包含的主要内容有以下几方面；
①现代支护结构原理是建立在围岩与支护共同作用的基础上，即把围岩与支护看成是由2种材料组成的复合体．且把围岩通过岩体支承环作用成为结构体系的重要部分。
显然．这完全不同与传统支护结构的观点：
认为围岩只产生荷载而不能承载，支护只是被动地承受已知荷载而起不到稳定围岩和改变围岩压力的作用。
○2充分发挥围岩自承能力是现代支护结构原理的一个基本观点以改善支护的受力性能。
发挥固岩的自承能力，一方面不能让围岩进入松动状态，以保持围岩的自承力；
另一方面允许围岩进入一定程度的塑性状态，以使围岩自承力得以最大限度的发挥。
当围岩洞壁位移接近允许变形值，围岩压力就达到最小值。
围岩刚进入塑性状态时能发挥最大自承力这一点已从第2章围岩的工程性质中岩石、软弱结构面和岩体的应力—应变曲线予以说明。
3现代支护结构原理的另一个支护原则是尽量发挥支护材料本身的承载力。
采用柔性薄型支护．分次支护或封闭支护以及深入到围岩内部进行加固的锚杆支护，都具有充分发挥围岩材料承载力的效用。
4根据地下工程的特点和当前技术水平，现代支护结构原理主张凭借现场监控测试手段指导设计和施工，并由此确定最佳的支护结构形式、支护参数、施工方法与施工时机。
因此．现场监控量测和监控设计是现代支护结构原理中的一项重要内容。
⑤现代支护原理结构要求按岩体的不同地质和力学特征选用不同的支护方式、力学模型、相应N1L算方法以及不同的施工方法。
如稳定地层、松散软弱地层、塑性流变地层、膨胀地层都应当采用不同的设计原则和施工方法。
而对于作用在支护结构上的变形压力、松动压力及不稳定块体的荷载等都应当采用不同的计算方法。
（2）理想支护结构的基本要求
1必须能与周围岩体大面积地牢固接触，即保证支护碉岩体系作为一个统一的整体工作。
2要允许支护—围岩体系产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载能力，从而减少支护结构的作用，协调地发挥两者的共同作用。
这就要求对支护结构的刚度、构造给予充分的注意．即要求支护结构宵一定的柔性或可缩性c
3重视早期支护的作用，并使早期支护与后期支护相互配合，协调一致地工作，主动控制围岩的变形。
前面已经指出．围岩的变形是随时间的推移而逐渐发展的．因此在开挖的早期要适别地进行初期支护．其刚度不宜过大．应能让围岩产生一定的变形。
○4必须保证支护结构架设及时。
前面已指出．支护过晚会使围岩暴露、产生过度的位移而濒临破坏（极限平衡）。
因此，支护应在坑道围岩达到极限平衡之前开始发挥作用。
○5作为支护结构要根据围岩的动态（位移、应力等）．及时进行调整和修改，以适应不断变化的同岩状态。
2．支护结构的类型支护结构的基本作用就是保持坑道断面的使用净空，防止岩体质量的进一步恶化，和围岩一起组成—个有足够安全度的隧道结构体系．承受可能出现的各种荷载，诸如水、土压力以及一些待殊使用要求的外荷载，此外、支护结构必须能够提供一个能满足使用要求的工作环境，保持隧道内的干燥与清洁。
按支护作用机理，目前采用的支护大致可以归纳为以下3类。
（1）刚性支护结构这类文护结构通常具有足够大的刚性和断面尺寸，一般用来承受强大的松动地乐。
但只要可能，就应避免松动压力的发生。
刚性支护只有很小的柔性而且几乎总是完全文护，这类支护通常采用现浇混凝土，有的采用石砌块或混凝土砌块。
从构造上看，它仑贴壁式结构和离壁式结构2种。
2）柔性支护结构柔性支护结构是根据现代支护原理而提出来的，它既能及时地进行支护，限制图岩过大变形而出现松动，又允许围岩出现—定的变形，同时还能根据围岩的变化情况及时调整参数。
所以，它是适应现代支护原理的文护形式。
钳喷支护是一种主要的柔性支护类型.
（3）复合式支护结构复合式文护结构是柔性支护与刚性支护的组合支护结构，最终支护是刚性支护。
复合式支护结构是根据支护结构原理中需要先柔后刚的思想．通常初期支护一般采用钳喷支护，让围岩释放掉大部分变形和应力，然后再施加二次衬砌，一般采用现挠混凝土支护或高强钢架．承受余下的围岩变形和地压．以维持围岩稳定。
根据复合式衬砌层与墙之间的传力性能又可以分为单层衬砌和双层衬砌。
双层衬砌是由初期支护、二次衬砌以及2层村砌之间的防水层组成。
设置二次衬砌的有2种情况，一种是待初期支护的变形基本稳定之后再设置二次衬砌。
此时，二次衬砌承受后续荷载，包括水压力、围岩和衬砌的流变荷载．由于钳杆等支护的失效而产生的围岩压力等。
另—种是根据需要较早地设置二次村砌．特别是超浅埋陡道，对地表沉降有严格控制的情况下．此时二次衬砌和初期支护共同承受围岩压力。
3．锚喷支护的组成及力学作用锚喷支护属柔性薄型支护．容易调节围岩变形，发挥围岩白承能力。
虽然喷混凝土自身属于脆性材料，但由于工艺上的原因，它可以做到喷得很薄，而且还可通过分次喷层的方法进—步发挥喷层的柔性。
锚杆支护也是柔性支护。
试验表明由钳杆加固的岩体．可以允许有较大变形而不破坏。
因此锚喷支护具有比传统支护更好的调控围岩变形的作用。
锚喷支护的另一个优点是能充分发挥支护材料的承载能力。
由于喷层柔性大且与围岩紧密粘结．因此喷层破坏主要是受压或受剪破坏，它比受弯破坏的传统支护结构更能发挥混凝土承载能力：
同时，采用分次喷层施工方法，也能起到提高承载力的作用。
综上所述，锚喷支护的工艺特点使它具有支护及时性、梁性、围岩与支护的密贴性封,闭性、施工的灵活性等，从而充分发挥围岩的自承作用和材料的承载作用。
（1）喷混凝上支护喷混凝土为永久性的支护结构的一部分．是现代隧道建造中支护结构的主要形式。
喷混凝土支护主要用作早期支护，对通风阻力要求不高的隧道也可用作后期支护。
喷射混凝土的材料通常有以下几种类型：
1,普通喷射混凝十；
普通喷射混凝土出水泥、砂、石和水按一定比例混合而成。
2,水泥裹砂石造壳喷射混凝土c
3,钢纤维喷射混凝土。
（2）锚杆锚杆是—种特殊的支护类型．它主要是起加固岩体的作用，只有预应力锚杆才能形成
主动的支护阻力。
（3）金属网
金属网有以下3种形式：
①金属网板。
金属网板使用薄钢板经冷冲压或热冲压制成，网眼呈菱形或方形。
○2焊接金属网：
焊接金底网是由直径6—8mm的钢筋焊接而成的。
○3编织金属网。
编织金属网主要用于加固围岩缺陷部分和防止围岩剥落．
（4）钢拱架
钢拱架基本有2种形式．一种是用型钢做成的钢供．另—种是用钢筋焊成的格栅拱、
其形状与开挖断面吻合。
它们都可以迅速架设．并能提供足够的支护阻力。
目前经常使用的钢拱架有下列2种
①普通钢拱架：
普通钢供架对以在隧道全断面范围内使用，也可以只在分台开挖方式的上半断面使用。
○2可缩性钢供架。
围岩发地较大的内空变份时．为保持文护结构的柔性4．单层衬砌的构造原理与构造形式
（1）单层衬砌的构造原理
①围岩压力的传递
②应力的内部传递。
○3单层构砌构造的必要条件：
必须尽可能地形成紧密咬合的一体化断面。
目前，双层衬砌的外衬、通常是不考虑承载和防水功能的。
但在单层衬砌中，涉及结构物的耐久性、支护应校作为最终结构的一部分来考虑。
单层衬砌构造主要是能够把因弯曲而在接触而产生的剪力通过结合面的粘接作用再传递，从而提高了结构的承载能力．是—个比较经济的结构形式。
（2）单层村砌的类型
①钢纤维模筑混凝土的单层衬砌
仅第1层的施工方法不同。
这种构造形式的优点是采用与双层衬砌同样的施工方法，第2层采用高品质的防水混凝土，为了确保构造的稳定性，第1层的厚度与双层衬砌的外衬厚度一样。
②采用钢纤维喷射混凝土的单层衬砌。
构造形式如图中的①：
第1层和第2层都具有承载和防水功能；
⑤：
第1层和第2层都具有承载功能，但只有第2层具有防水功能：
单层村砌的第2层采用钢纤维喷射混凝土的目的是：
为获得充分的承载能力，强化第1层；
有人通过试验分析以上—两种不同的单层衬砌的施工方法，第2层用钢纤
维喷射混凝土做成的试件比用钢纤维模筑混凝土做成的试件具有更高的传递剪力的能力。
二地下结构计算方法—力矩分配法
3分配系数“
如图（e）所不结构受集中力偶作用。
在结点A处产生了角位移Z,根据转角位移方程得
=S4I
・Z
=iiAl
M人2
=SA2
Z
=4½
MJI
=S
=iI
A3
=SA4
•Z
=O
由结点A的平衡条件得
M和+M,2+M'
3+M"
=M
把（町式代入上式，得
ks」Z=M（M
图（e）
其中：
“=■称为分配系数。
它农明，结点A的弯矩M按照分配系数的大小比例地分配于汇交于该结点的各杆A端。
显然有∑Z∕,=1
知道了各杆的近缩弯矩，利用传递系数，很容易确定各杆的远端弯矩
Md=CAi9MAl*1,23…）
α3f%÷
4f%÷
4f∕'
11
计算过程如卜表所示
例3如图示刚架，用力矩分配法作M图（El=常数）・解:
在B、C引入刚It计算固端弯矩
M二=-TT-=150kN.m
OAIo
Fp-40kN
计算分配系数
B结点：
"
d4=
3
3呀/呀严％肓叫4
絃％4%吆H
4E/
CD
λ3r>
√4π∕÷
4β∕"
11叫J'
El/、严El/、、®
/、II
计算过程如下表所示
图⑴
SlJS
A1「
CD
X
E
F
TT_力
设:
C
Λ
17
F-2°
m
4
5/图（kN.m）
结点
R
杆埸
EB
BE
BA
BC
CB
Cr
FC
分配系数
4/11
3/11
3/U
固端殍矩
150
分配恨埋
•27.27
-54.55
■40.91
-5<
55
-27.27
4.%
%92
W
9.92
4.H
dJ
∙1∙36
卫
4.9
o.ιe
033
9J4
∙.17
-0.03
-0.04
-0.06
4∙03
0,01
MI
OM
虽终勺矩
・2«
・2
56.41
107.69
51.28
-17.94
749
10.26
5.15
校核
-42∙3ll
-423I1
77A
校核：
因G点有线位移，故位移连续条件需產新推导。
前面己推导出AB段A端的转角为
AM“一丄AMd
…——
3。
M“≈2i^θ∖
MGA=~iAC0∖+=-20
由上式可得
AMM-丄AMW
&
；
=2——
因此.A结点的位移拣调条件为
11
AM觸--ΔΛ∕wAG-yΔΛ∕β
-♦
-
•*
AH
FR
1）
A
TTTT
^≡30kN∕nι
h4mf4m
例4如图示対称结构.用丿J矩分配法作M图（Eb常数）。
解：
此结构和荷载均为双对称
因此仅取％结构即町。
固端弯矩
“：
G二押：
=22.5kN∙m
MGA=2AK=W.25kN.m
M：
R=丰qlL=一40kN.m
GAB
杆端
GAAG
ABBA
0.4
0.6
固瑞弯矩
11.2522.5
-4049
分配传递
-77
MLS525
呆终弯矩
4.25293
•29S45.25
/Wf
=七ql：
B=40Zm
%
胎~EImA
4aA
∙.4
-4040
-71
Jbtti55.25
最终弯矩
4.2519.5
・2M45.25
校核
31∙5∕C7
31.5IEI
⅛r=30kN∕m
♦
B
•
Afl笔（IcNm）
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