地下結(jié)構(gòu)計算原理和設(shè)計方法.ppt

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1、1 第三章 地下結(jié)構(gòu)計算原理和設(shè)計方法(2)同 濟(jì) 大 學(xué) 地 下 系 謝 雄 耀 副 教 授 1 目 錄 3.1 概 述 3.2 地 下 結(jié) 構(gòu) 的 荷 載 3.3 結(jié) 構(gòu) 內(nèi) 力 的 計 算 方 法 3.4 地 下 結(jié) 構(gòu) 選 型 與 構(gòu) 造 3.5 設(shè) 計 模 型 與 計 算 方 法 3.6 地 下 結(jié) 構(gòu) 計 算 原 理 和 設(shè) 計 方 法 中的 新 進(jìn) 展 3.7 工 程 設(shè) 計 實 例 1 3.3結(jié) 構(gòu) 內(nèi) 力 的 計 算 方 法按 襯 砌 與 地 層 相 互 作 用 方 式 的 不 同 ， 地 下 結(jié) 構(gòu) 計算 方 法 大 致 可 分 為 兩 類 ： 1） 荷 載 結(jié) 構(gòu) 法 ；

2、 2）地 層 結(jié) 構(gòu) 法 。 1 4 1 1 3.3.1荷 載 結(jié) 構(gòu) 法 認(rèn) 為 地 層 對 結(jié) 構(gòu) 的 作 用 只 是 產(chǎn) 生 作 用 在地 下 結(jié) 構(gòu) 上 的 荷 載 （ 包 括 主 動 的 地 層 壓力 和 被 動 的 地 層 抗 力 ） ， 以 計 算 襯 砌 在荷 載 作 用 下 產(chǎn) 生 的 內(nèi) 力 和 變 形 的 方 法 稱為 荷 載 結(jié) 構(gòu) 法 ， 該 方 法 有 時 又 稱 為結(jié) 構(gòu) 力 學(xué) 法 。 1 荷 載 結(jié) 構(gòu) 法 又 有 以 下 三 種 模 式 ： 主 動 荷 載 模 式 不 考 慮 地 層 與 支 護(hù) 結(jié) 構(gòu) 的 相 互 作 用 。 該 計 算 模 式 主 要 適

3、用 于 采 用 淺 埋 暗 挖 或 明 挖 法 施 工 的 城 市 地 鐵 及 明 洞 工 程 。 主 動 荷 載 加 被 動 荷 載 模 式 認(rèn) 為 地 層 不 僅 對 結(jié) 構(gòu) 施 加 主 動 荷 載 ， 而 且 通 過 支 護(hù) 抗 力來 約 束 支 護(hù) 結(jié) 構(gòu) 的 變 形 。 適 用 于 任 何 形 式 的 地 層 條 件 。 實 際 荷 載 模 式 采 用 量 測 儀 器 實 地 量 測 作 用 在 襯 砌 上 的 荷 載 大 小 ， 該數(shù) 值 綜 合 反 映 了 地 層 與 襯 砌 支 護(hù) 結(jié) 構(gòu) 的 相 互 作 用 。 某 一 種 實地 量 測 的 荷 載 ， 只 能 適 用 于 與

4、 其 類 似 的 情 況 （ 包 括 地 層 、 襯 砌 及 回 填 ） 。 實 際 工 程 中 ， 主 動 荷 載 加 被 動 荷 載 模 式 應(yīng) 用 較 多 。 1 主 動 荷 載 又 可 分 為 主 要 荷 載 、 附 加 荷 載 、 偶 然 荷 載 以 及特 殊 荷 載 等 。(a)主 要 荷 載 即 長 期 的 、 經(jīng) 常 作 用 的 荷 載 ， 如 地 層 壓 力 、 支 護(hù) 結(jié) 構(gòu)的 自 重 、 地 下 水 壓 力 及 活 載 等 。 應(yīng) 當(dāng) 指 出 ， 在 圍 巖 分 類 及 確 定 圍 巖 壓 力 的 研 究 中 ，工 程 類 比 法 起 著 不 容 忽 視 的 作 用 。

5、靜 水 壓 力 可 按 低 水 位 考 慮 。 對 于 沒 有 仰 拱 的 襯 砌 結(jié) 構(gòu) ， 車 輛 活 載 直 接 傳 給 地層 。 對 于 設(shè) 有 仰 拱 的 襯 砌 結(jié) 構(gòu) ， 車 輛 活 載 對 拱 、 墻 結(jié)構(gòu) 的 受 力 影 響 根 據(jù) 具 體 情 況 而 定 ， 一 般 可 略 去 不 計 。 1 (b)附 加 荷 載 即 偶 然 的 、 非 經(jīng) 常 作 用 的 荷 載 ， 如 溫 差 應(yīng) 力 ， 灌 漿 壓 力 ，凍 脹 力 及 地 震 力 等 。 其 中 主 要 的 是 地 震 力 ， 其 計 算 按 照 相 關(guān) 的 抗 震 規(guī) 范 取 值設(shè) 計 。 民 防 地 下 工 程

6、 則 考 慮 武 器 的 沖 擊 、 侵 徹 、 爆 炸 作 用 引起 的 動 力 荷 載 。 計 算 荷 載 應(yīng) 根 據(jù) 以 上 兩 類 荷 載 同 時 存 在 的 情 況 進(jìn) 行 組 合 。 一 般 主 要 考 慮 主 要 荷 載 ， 只 有 在 某 些 特 殊 情 況 ， 如 7級 以上 地 震 區(qū) ， 或 嚴(yán) 寒 地 區(qū) 凍 脹 性 土 壤 的 洞 口 段 襯 砌 ， 按 主 要 荷載 加 附 加 荷 載 來 驗 算 結(jié) 構(gòu) ， 但 此 時 可 采 用 較 低 的 安 全 系 數(shù) 。民 防 工 程 則 應(yīng) 依 設(shè) 防 等 級 確 定 附 加 動 載 及 等 效 靜 載 。 1 隧 道

7、襯 砌 結(jié) 構(gòu) 計 算 的 主 要 內(nèi) 容 有 ：p 按 工 程 類 比 法 初 步 擬 定 襯 砌 斷 面 的 幾 何 尺 寸 ，確 定 作 用 在 襯 砌 結(jié) 構(gòu) 上 的 荷 載 ；p 進(jìn) 行 力 學(xué) 計 算 ， 求 出 襯 砌 截 面 的 內(nèi) 力 （ 彎 矩 和軸 力 ） ；p 對 截 面 進(jìn) 行 配 筋 設(shè) 計 ， 檢 驗 襯 砌 截 面 的 承 載 安全 系 數(shù) K值 。 1 p 早 年 有 彈 性 連 續(xù) 框 架 （ 含 拱 形 構(gòu) 件 ） 法 、 假 定抗 力 法 和 彈 性 地 基 梁 （ 含 曲 梁 ） 法 等 p 按 采 用 的 地 層 變 形 理 論 的 不 同 分 為

8、局 部 變 形 理論 計 算 法 和 共 同 變 形 理 論 計 算 法 。 p 由 于 采 用 荷 載 結(jié) 構(gòu) 法 進(jìn) 行 內(nèi) 力 計 算 是 一 個非 線 性 問 題 ， 可 以 采 用 簡 化 假 定 或 迭 代 求 解 。 1 3.3.2地 層 結(jié) 構(gòu) 法 認(rèn) 為 襯 砌 與 地 層 一 起 構(gòu) 成 受 力 變 形 的 整體 ， 并 可 按 連 續(xù) 介 質(zhì) 力 學(xué) 原 理 來 計 算 襯砌 和 周 邊 地 層 的 計 算 方 法 ， 稱 這 種 方 法為 地 層 結(jié) 構(gòu) 法 。 1 p 地 層 結(jié) 構(gòu) 法 認(rèn) 為 地 下 結(jié) 構(gòu) 周 圍 的 地 層 不 僅 能 對襯 砌 結(jié) 構(gòu) 產(chǎn) 生

9、 荷 載 ， 而 且 其 自 身 也 能 承 受 荷 載 ，地 下 結(jié) 構(gòu) 是 否 安 全 可 靠 ， 首 先 取 決 于 周 圍 地 層的 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 。p 地 層 結(jié) 構(gòu) 法 進(jìn) 行 內(nèi) 力 計 算 的 特 點(diǎn) 是 ， 不 僅計 算 襯 砌 結(jié) 構(gòu) 的 內(nèi) 力 ， 而 且 計 算 洞 室 周 圍 地 層的 應(yīng) 力 。 p 只 是 對 圓 形 洞 室 的 解 析 解 發(fā) 展 比 較 完 善 。 p 由 于 材 料 非 線 性 、 幾 何 非 線 性 、 節(jié) 理 和 其 它 不連 續(xù) 特 征 以 及 開 挖 效 應(yīng) 等 許 多 復(fù) 雜 的 工 程 因 素 ，一 般 只 能 借 助 有 限

10、單 元 法 等 數(shù) 值 方 法 進(jìn) 行 計 算 。 1 3.4地 下 結(jié) 構(gòu) 選 型 與 構(gòu) 造 3.4.1 拱 形 結(jié) 構(gòu)巖 石 堅 固 性 系 數(shù) f表 征 的 是 巖 石 抵 抗 破 碎 的 相 對 值 。因 為 巖 石 的 抗 壓 能 力 最 強(qiáng) ， 故 把 巖 石 單 軸 抗 壓強(qiáng) 度 極 限 的 1/100作 為 巖 石 的 堅 固 性 系 數(shù) ，f=R/100 (R單 位 kg/cm2)f是 個 無 量 綱 的 值 ， 它 表 明 某 種 巖 石 的 堅 固 性 比 致密 的 粘 土 堅 固 多 少 倍 ， 因 為 致 密 粘 土 的 抗 壓 強(qiáng)度 為 10MPa 1 最 堅 固

11、 最 堅 固 、 致 密 、 有 韌 性 的 石 英 巖 、 玄 武 巖 和 其 他 各 種 特 別堅 固 的 巖 石 。 (f=20) 很 堅 固 很 堅 固 的 花 崗 巖 、 石 英 斑 巖 、 硅 質(zhì) 片 巖 ， 較 堅 固 的 石 英 巖， 最 堅 固 的 砂 巖 和 石 灰 巖 .(f=15) 堅 固 致 密 的 花 崗 巖 ， 很 堅 固 的 砂 巖 和 石 灰 巖 ， 石 英 礦 脈 ， 堅 固的 礫 巖 ， 很 堅 固 的 鐵 礦 石 .(f=10) a 堅 固 堅 固 的 砂 巖 、 石 灰 巖 、 大 理 巖 、 白 云 巖 、 黃 鐵 礦 ， 不 堅 固的 花 崗 巖

12、。 (f=8) 比 較 堅 固 一 般 的 砂 巖 、 鐵 礦 石 (f=6) a 比 較 堅 固 砂 質(zhì) 頁 巖 ， 頁 巖 質(zhì) 砂 巖 。 (f=5) 中 等 堅 固 堅 固 的 泥 質(zhì) 頁 巖 ， 不 堅 固 的 砂 巖 和 石 灰 巖 ， 軟 礫 石 。(f=4) a 中 等 堅 固 各 種 不 堅 固 的 頁 巖 ， 致 密 的 泥 灰 巖 .(f=3) 比 較 軟 軟 弱 頁 巖 ， 很 軟 的 石 灰 巖 ， 白 堊 ， 鹽 巖 ， 石 膏 ， 無 煙 煤 ， 破 碎 的 砂 巖 和 石 質(zhì) 土 壤 .(f=2) a 比 較 軟 碎 石 質(zhì) 土 壤 ， 破 碎 的 頁 巖 ， 粘

13、 結(jié) 成 塊 的 礫 石 、 碎 石 ， 堅 固的 煤 ， 硬 化 的 粘 土 。 (f=1.5) 軟 軟 致 密 粘 土 ， 較 軟 的 煙 煤 ， 堅 固 的 沖 擊 土 層 ， 粘 土 質(zhì) 土 壤 。(f=1) a 軟 軟 砂 質(zhì) 粘 土 、 礫 石 ， 黃 土 。 (f=0.8) 15 1圖 3-7 拱 形 結(jié) 構(gòu) 1 3.4.2 圓 形 和 矩 形 管 狀 結(jié) 構(gòu) 可 分 為 整 體 式 和 裝 配 式 兩 種 ： 圖 3-8 襯 砌 結(jié) 構(gòu) 形 式 1圖 3-9 裝 配 式 襯 砌 結(jié) 構(gòu) 圖 3-10 裝 配 式 圓 管 結(jié) 構(gòu) 的 構(gòu) 造 1 3.4.3 框 架 結(jié) 構(gòu) 3.4

14、.4 薄 殼 結(jié) 構(gòu)3.4.5 異 形 結(jié) 構(gòu) a 雙 圓 盾 構(gòu) b 三 圓 盾 構(gòu)圖 3-11 異 形盾 構(gòu) 1 3.5 設(shè) 計 模 型 與 計 算 方 法 3.5.1設(shè) 計 模 型1.世 界 各 國 隧 道 設(shè) 計 模 型 國 際 隧 道 協(xié) 會 (I T A )在 1978年 成 立 了 隧 道結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 模 型 研 究 組 ， 收 集 和 匯 總 了 各 會 員 國 目 前采 用 的 設(shè) 計 地 下 結(jié) 構(gòu) 的 方 法 ， 結(jié) 果 列 于 表 1-1。 經(jīng) 過總 結(jié) ， 國 際 隧 協(xié) 認(rèn) 為 可 將 其 歸 納 為 以 下 四 種 模 型 ： 1 p (1) 以 參 照 已 往

15、 隧 道 工 程 的 實 踐 經(jīng) 驗 進(jìn) 行 工 程 類 比 為 主的 經(jīng) 驗 設(shè) 計 法 ；p (2) 以 現(xiàn) 場 量 測 和 實 驗 室 試 驗 為 主 的 實 用 設(shè) 計 方 法 ， 例如 以 洞 周 位 移 量 測 值 為 根 據(jù) 的 收 斂 限 制 法 ；p (3) 作 用 反 作 用 模 型 ， 例 如 對 彈 性 地 基 圓 環(huán) 和 彈 性 地基 框 架 建 立 的 計 算 法 等 ；p (4) 連 續(xù) 介 質(zhì) 模 型 ， 包 括 解 析 法 和 數(shù) 值 法 ， 解 析 法 中 有封 閉 解 ， 也 有 近 似 解 ， 數(shù) 值 計 算 法 目 前 主 要 是 有 限 單元 法 。

16、 1 表 1-1 盾 構(gòu) 開 挖 的軟 土 質(zhì) 隧 道 噴 錨 鋼 拱 支 撐 的軟 土 質(zhì) 隧 道 中 硬 石 質(zhì) 的深 埋 隧 道 明 挖 施 工 的框 架 結(jié) 構(gòu)奧 地 利 彈 性 地 基 圓 環(huán) 彈 性 地 基 圓 環(huán) ， 有 限 元法 ， 收 斂 約 束 法 經(jīng) 驗 法 彈 性 地 基 框 架西 德 覆 蓋 層 厚 3D， 全支 撐 彈 性 地 基 圓 環(huán) ，有 限 元 法 同 左 全 支 撐 彈 性 地 基 圓 環(huán) ，有 限 元 法 ， 連 續(xù) 介 質(zhì) 和收 斂 法 彈 性 地 基 框 架（ 底 壓 力 分 布 簡化 ）法 國 彈 性 地 基 圓 環(huán) 有 限元 法 有 限 元 法

17、， 作 用 反 作用 模 型 ， 經(jīng) 驗 法 連 續(xù) 介 質(zhì) 模 型 ， 收 斂法 ， 經(jīng) 驗 法 日 本 局 部 支 撐 彈 性 地 基圓 環(huán) 局 部 支 撐 彈 性 地 基 圓環(huán) ， 經(jīng) 驗 法 加 測 試 有 限元 法 彈 性 地 基 框 架 ， 有 限元 法 ， 特 征 曲 線 法 彈 性 地 基 框 架 ，有 限 元 法 中 國 自 由 變 形 或 彈 性 地基 圓 環(huán) 初 期 支 護(hù) ： 有 限 元 法 ，收 斂 法二 期 支 護(hù) ： 彈 性 地 基 圓環(huán) 初 期 支 護(hù) ： 經(jīng) 驗 法永 久 支 護(hù) ： 作 用 和 反 作用 模 型大 型 洞 室 ： 有 限 元 法 彎 矩 分

18、配 法 解 算箱 形 框 架瑞 士 作 用 反 作 用 模 型 有 限 元 法 ， 有 時 用 收斂 法 英 國 彈 性 地 基 圓 環(huán) 繆 爾伍 德 法 收 斂 約 束 法 ， 經(jīng) 驗法 有 限 元 法 ， 收 斂 法 ， 經(jīng)驗 法 矩 形 框 架美 國 彈 性 地 基 圓 環(huán) 彈 性 地 基 圓 環(huán) ， 作 用 反 作 用 模 型 彈 性 地 基 圓 環(huán) ，Proctor-White方 法 ， 有限 元 ， 錨 桿 經(jīng) 驗 法 彈 性 地 基 上 的連 續(xù) 框 架 1 p 經(jīng) 驗 類 比 模 型p 荷 載 結(jié) 構(gòu) 模 型p 地 層 結(jié) 構(gòu) 模 型p 收 斂 限 制 模 型 收 斂 限 制

19、模 型 的 計 算 理 論 是 收 斂 限 制 法 。 其 原 理 是 按 彈 -塑 -粘 性 理 論 等 推 導(dǎo) 公 式 后 ， 在 以 洞 周 位 移 為 橫 坐 標(biāo) 、 支 護(hù)反 力 為 縱 坐 標(biāo) 的 坐 標(biāo) 平 面 內(nèi) 繪 出 表 示 地 層 受 力 變 形 特 征 的 洞周 收 斂 線 ， 并 按 結(jié) 構(gòu) 力 學(xué) 原 理 在 同 一 坐 標(biāo) 平 面 內(nèi) 繪 出 表 示 襯砌 結(jié) 構(gòu) 受 力 變 形 特 征 的 支 護(hù) 限 制 線 ， 得 出 以 上 兩 條 曲 線 的 交點(diǎn) ， 根 據(jù) 交 點(diǎn) 處 表 示 的 支 護(hù) 抗 力 值 進(jìn) 行 襯 砌 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 。oP u2.中 國

20、 隧 道 及 地 下 工 程 設(shè) 計 模 型 1圖 3-12 假 定 抗 力 圖 形 法 圖 3-13 直 墻 式 襯 砌 結(jié) 構(gòu) 計 算圖 3-14 自 由 變 形 圓 環(huán) 法 結(jié) 構(gòu) 計 算 圖 3-15 假 定 抗 力 圖 法 結(jié) 構(gòu) 計 算荷 載 結(jié) 構(gòu) 模 型 1圖 3-24 地 下 鐵 道 通 道 的 計 算 簡 圖 1 二 、 地 層 結(jié) 構(gòu) 模 型 計 算 方 法 1、 概 述 主 要 包 括 ： 地 層 的 合 理 化 模 擬 、 結(jié) 構(gòu) 模 擬 、 施工 過 程 模 擬 以 及 施 工 過 程 中 結(jié) 構(gòu) 與 周 圍 地 層 的 相 互作 用 、 地 層 與 結(jié) 構(gòu) 相 互

21、 作 用 的 模 擬 。 2、 地 層 的 模 擬 有 各 向 同 性 線 彈 性 、 非 線 性 彈 性 及 彈 塑 性 體 或橫 觀 各 向 異 性 、 正 交 各 向 異 性 線 彈 性 體 ； 考 慮 周 圍地 層 時 間 效 應(yīng) 的 粘 彈 性 、 粘 彈 塑 性 模 型 ； 由 于 地 下水 在 圍 巖 及 土 體 中 的 滲 流 ， 先 后 發(fā) 展 了 滲 流 耦 合 模型 ， 考 慮 到 土 體 中 孔 隙 水 壓 力 的 變 化 ， 發(fā) 展 了 固 結(jié)模 型 等 。 對 巖 體 內(nèi) 部 存 在 的 節(jié) 理 、 裂 隙 等 常 見 的 地 質(zhì) 現(xiàn)象 ， 一 般 為 接 觸 面

22、材 料 ， 采 用 節(jié) 理 單 元 模 擬 。 1 3、 施 工 過 程 的 模 擬 （ 時 空 效 應(yīng) ）（ 1） 時 空 效 應(yīng) 圖 3-27 時 空 效 應(yīng) 圖 掘 進(jìn) 面 v z Zv 1 1 1 1 （ 2） 初 始 地 應(yīng) 力 的 計 算 初 始 地 應(yīng) 力 可 采 用 有 限 元 計 算 法 和 設(shè) 定 水 平 側(cè) 壓 力系 數(shù) 法 。 對 巖 石 地 層 ， 初 始 地 應(yīng) 力 分 為 自 重 地 應(yīng) 力 和構(gòu) 造 地 應(yīng) 力 兩 部 分 。 其 中 自 重 地 應(yīng) 力 由 有 限 元 法 求 得 ，構(gòu) 造 地 應(yīng) 力 可 假 設(shè) 為 均 布 或 線 性 分 布 等 。 對 軟

23、 土 地 層 ，常 需 根 據(jù) 水 平 側(cè) 壓 力 系 數(shù) 計 算 初 始 地 應(yīng) 力 。（ 3） 施 工 過 程 的 有 限 元 模 擬 地 下 工 程 開 挖 施 工 過 程 主 要 包 括 巖 土 體 分 部 開 挖及 支 護(hù) 結(jié) 構(gòu) 的 分 層 設(shè) 置 等 。 用 以 模 擬 上 述 不 同 施 工 階段 的 力 學(xué) 性 態(tài) 的 有 限 元 方 程 可 寫 為 ),1()( 0 MiFiaFKK irii 1 任 一 施 工 階 段 的 位 移 、 應(yīng) 變 和 應(yīng) 力 為 ik ki 1 ik ki 1 ik ki 10 1 （ 4） 注 漿 模 擬 在 施 工 過 程 中 ， 注 漿

24、 是 常 用 的 地 層 加 固 方 法 ， 在 施 工 模 擬 時 ，通 常 采 用 材 料 替 換 法 進(jìn) 行 模 擬 。 注 漿 后 的 地 層 用 一 種 新 的 材 料 模擬 ， 以 反 映 注 漿 后 材 料 的 力 學(xué) 性 質(zhì) 的 變 化 。4、 結(jié) 構(gòu) 的 模 擬 地 下 結(jié) 構(gòu) 的 合 理 化 模 擬 對 結(jié) 構(gòu) 內(nèi) 力 有 很 大 影 響 。 錨 噴 支 護(hù)一 般 采 用 桿 單 元 模 擬 ， 也 可 對 錨 桿 加 固 區(qū) 的 圍 巖 取 用 提 高 的 、 加以 考 慮 ； 支 撐 、 鋼 支 架 及 襯 砌 一 般 采 用 梁 單 元 模 擬 。 襯 砌 結(jié) 構(gòu) 也

25、可 采 用 四 邊 形 等 參 單 元 模 擬 ， 地 下 連 續(xù) 墻 、 樁 一 般 也 采 用 梁 單 元模 擬 。 桿 單 元 或 梁 單 元 都 可 以 采 用 彈 塑 性 模 型 、 粘 彈 性 模 型 以 及和 溫 度 有 關(guān) 的 本 構(gòu) 關(guān) 系 。 對 盾 構(gòu) 隧 道 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 ， 可 以 采 用 均 質(zhì) 圓 環(huán) 模 型 、 梁 彈 簧模 型 等 。 梁 彈 簧 模 型 充 分 反 映 了 結(jié) 構(gòu) 的 連 接 和 受 力 特 性 ； 對 梁 彈 簧 模 型 ， 管 片 采 用 直 (曲 )梁 單 元 模 擬 ， 管 片 之 間 以 及 環(huán) 間 接 頭 用彈 簧 單 元

26、模 擬 。 2004-11-15 1 2 1 s n 2 12 1 12 n s 梁 接 頭 不 連 續(xù) 模 型 1 3.6 地 下 結(jié) 構(gòu) 計 算 原 理 和 設(shè) 計 方 法 中 的 新 進(jìn) 展3.6.1新 奧 法 與 復(fù) 合 式 襯 砌1、 概 述 新 奧 法 （ 簡 稱 NATM） ， 是 奧 地 利 學(xué) 者 在 長 期 工 程 經(jīng) 驗 的 基 礎(chǔ) 上 創(chuàng) 立于 20世 紀(jì) 50年 代 ， 并 于 1962年 正 式 命 名 的 一 種 隧 道 工 程 方 法 。 基 本 原 則 是 盡 量 利 用 地 下 工 程 周 圍 圍 巖 的 自 承 載 能 力 。 具 體 做 法 是 先用 柔

27、 性 支 護(hù) （ 通 常 為 噴 錨 ， 稱 為 次 支 護(hù) ） 控 制 圍 巖 的 變 形 及 應(yīng) 力 重 分布 ， 使 之 達(dá) 到 新 的 平 衡 ， 然 后 再 進(jìn) 行 永 久 性 支 護(hù) （ 通 常 為 整 體 模 筑 鋼 筋混 凝 土 襯 砌 ） 。 復(fù) 合 支 護(hù) 是 以 新 奧 法 為 基 礎(chǔ) 進(jìn) 行 設(shè) 計 和 施 工 的 一 種 新 型 支 護(hù) 結(jié) 構(gòu) ， 該襯 砌 是 采 用 錨 噴 支 護(hù) 做 初 期 支 護(hù) ， 采 用 模 筑 混 凝 土 做 二 次 襯 砌 的 一 種 組 合 襯 砌 （ 二 層 間 有 或 無 防 水 層 ） 結(jié) 構(gòu) 。 復(fù) 合 襯 砌 支 護(hù) 的

28、基 本 原 理 在 于 ：1） 充 分 利 用 或 發(fā) 揮 圍 巖 的 自 承 能 力 ； 2） 增 強(qiáng) 圍 巖 的 強(qiáng) 度 ， 均 衡 圍 巖 應(yīng)力 的 分 布 ， 允 許 圍 巖 有 一 定 程 度 的 變 形 ， 以 減 小 對 支 護(hù) 的 圍 巖 壓 力 ； 3）利 用 現(xiàn) 場 的 監(jiān) 測 值 進(jìn) 行 反 饋 施 工 。 1 2、 復(fù) 合 支 護(hù) 的 構(gòu) 造 復(fù) 合 支 護(hù) 常 由 初 期 支 護(hù) 和 二 次 支 護(hù) 組 成 ， 防 水 要 求較 高 時 須 在 初 期 支 護(hù) 和 兩 次 支 護(hù) 間 增 設(shè) 防 水 層 。 初 期 支 護(hù) 常 為 噴 射 混 凝 土 支 護(hù) ， 必

29、要 時 增 設(shè) 錨 桿 加 固 圍 巖 ， 成 為錨 噴 支 護(hù) 。 石 質(zhì) 條 件 較 差 時 ， 可 在 噴 層 中 增 設(shè) 網(wǎng) 筋 或 型 鋼 拱 架 ，也 可 采 用 鋼 纖 維 噴 射 混 凝 土 支 護(hù) 圍 巖 。 施 工 時 常 先 施 作 薄 層 噴 射混 凝 土 封 閉 圍 巖 ， 然 后 施 作 錨 桿 、 掛 網(wǎng) 和 分 次 逐 步 加 厚 噴 層 至 設(shè)計 厚 度 值 。 穿 越 石 質(zhì) 條 件 極 差 的 斷 層 破 碎 帶 時 ， 常 需 借 助 設(shè) 置 超前 錨 桿 和 注 漿 工 藝 預(yù) 先 加 固 地 層 。 對 大 斷 面 地 下 洞 室 ， 埋 深 較 大

30、 、石 質(zhì) 條 件 中 等 、 成 洞 條 件 較 差 時 還 常 施 作 預(yù) 應(yīng) 力 錨 索 改 善 圍 巖 的受 力 變 形 狀 態(tài) ， 幫 助 圍 巖 保 持 穩(wěn) 定 。 二 次 支 護(hù) 常 為 整 體 式 現(xiàn) 澆 混 凝 土 襯 砌 ， 或 為 噴 射 混 凝 土 襯 砌 ， 必要 時 均 借 助 設(shè) 置 鋼 筋 增 強(qiáng) 截 面 。 1 3、 復(fù) 合 支 護(hù) 的 承 載 機(jī) 理（ 1） 圍 巖 破 壞 的 發(fā) 展 過 程 與 洞 周 承 載 環(huán) 圍 巖 破 壞 一 般 自 洞 周 開 始 ， 首 先 出 現(xiàn) 的 破 壞 通 常 是 張 性 破 裂 ， 接 著 是塑 性 剪 切 流 動

31、破 壞 ， 如 能 及 時 施 作 支 護(hù) ， 使 在 洞 周 形 成 處 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài)的 承 載 環(huán) ， 洞 室 圍 巖 即 可 保 持 穩(wěn) 定 。 形 成 洞 周 承 載 環(huán) 的 方 法 有 兩 種 。 第 一 種 方 法 是 施 作 錨 噴 網(wǎng) 支 護(hù) 加 固 圍巖 ， 使 各 包 含 支 護(hù) 的 截 面 (或 截 面 的 一 部 分 )的 原 有 承 載 能 力 可 充 分 發(fā)揮 ， 并 能 經(jīng) 受 在 應(yīng) 力 重 分 布 過 程 中 形 成 的 量 值 較 大 的 洞 周 應(yīng) 力 場 和 位移 場 的 作 用 。 洞 周 圍 巖 因 設(shè) 置 支 護(hù) 而 導(dǎo) 致 的 設(shè) 計 承

32、載 力 的 提 高 ， 相 當(dāng)于 在 錨 桿 所 及 的 范 圍 內(nèi) 形 成 了 承 載 能 力 較 強(qiáng) 的 承 載 環(huán) (以 下 稱 第 一 類承 載 環(huán) )。 形 成 洞 周 承 載 環(huán) 的 第 二 種 方 法 是 施 作 襯 砌 結(jié) 構(gòu) ， 或 施 作 由 噴 層 （ 必 要時 同 時 設(shè) 置 錨 桿 和 網(wǎng) 筋 ） 和 襯 砌 結(jié) 構(gòu) 共 同 組 成 的 復(fù) 合 結(jié) 構(gòu) ， 使 襯 砌 結(jié)構(gòu) 或 復(fù) 合 結(jié) 構(gòu) 成 為 洞 周 承 載 環(huán) (以 下 稱 第 二 類 承 載 環(huán) )。 1 （ 2） 洞 室 圍 巖 穩(wěn) 定 性 的 判 據(jù) 增 補(bǔ) 用 于 檢 驗 圍 巖 的 抗 張 拉 承

33、 載 能 力 的 判 據(jù) 。 )/( KE 拉拉 拉 N判 定 圍 巖 是 否 出 現(xiàn) 張 性 破 裂 的 判 據(jù) 的 表 達(dá) 式 1 4、 復(fù) 合 支 護(hù) 的 計 算 在 約 束 圍 巖 的 同 時 允 許 圍 巖 產(chǎn) 生 適 當(dāng) 的 變 形 ， 充 分發(fā) 揮 圍 巖 的 自 支 承 能 力 ， 以 及 借 助 調(diào) 整 支 護(hù) 結(jié) 構(gòu) 層的 施 作 時 間 （ 適 時 支 護(hù) ） 改 善 結(jié) 構(gòu) 層 受 力 的 分 布 ，使 其 承 載 力 提 高 等 ， 是 復(fù) 合 支 護(hù) 受 力 變 形 的 主 要 特點(diǎn) 。 適 宜 于 采 用 地 層 結(jié) 構(gòu) 法 計 算 結(jié) 構(gòu) 內(nèi) 力 1 5、 復(fù)

34、合 支 護(hù) 的 設(shè) 計 方 法（ 1） 設(shè) 計 荷 載 的 取 值 I、 II類 圍 巖 中 的 設(shè) 計 荷 載 宜 采 用 荷 載 結(jié) 構(gòu) 法 計 算 ， 其 設(shè) 計 荷 載 可 按 地 層 壓 力 的 計 算 方 法 確 定 ，并 可 認(rèn) 為 算 得 的 地 層 壓 力 即 為 襯 砌 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計 荷 載 。 V、 VI類 圍 巖 中 的 設(shè) 計 荷 載 宜 采 用 地 層 結(jié) 構(gòu) 法 計 算 ， 其 設(shè) 計 荷 載 可 按 照 計 算 開 挖 釋 放 力 的 方 法確 定 ， 并 可 令 開 挖 釋 放 力 均 由 地 層 和 初 期 支 護(hù) 承 擔(dān) ， 二 次 襯 砌 不 受

35、力 ，即 設(shè) 計 計 算 僅 需 檢 驗 洞 周 地 層 的 穩(wěn) 定 性 。 III、 IV類 圍 巖 中 的 設(shè) 計 荷 載 仍 宜 采 用 地 層 結(jié) 構(gòu) 法 計 算 ， 其 設(shè) 計 荷 載 也 仍 可 由 計 算 開 挖 釋 放 力 的 方法 確 定 。 建 議 開 挖 釋 放 力 由 地 層 （ 含 初 期 支 護(hù) ） 和 二 次 襯 砌 共 同 分 擔(dān) 。 合理 確 定 分 擔(dān) 比 例 需 要 研 究 。 作 為 方 案 之 一 ， 本 文 擬 建 議 對 類 圍 巖 為 地 層 ：二 次 襯 砌 =3： 7， 對 類 圍 巖 為 7： 3。 1 （ 2） 復(fù) 合 支 護(hù) 結(jié) 構(gòu) 截

36、 面 設(shè) 計 的 原 理 在 作 截 面 設(shè) 計 時 ， 不 能 沿 用 地 面 結(jié) 構(gòu) 構(gòu) 件 的 計 算 理 論 和 公 式 。 設(shè) 計 時 ， 主要 應(yīng) 確 保 使 其 處 于 彈 性 受 力 狀 態(tài) ， 以 形 成 可 用 于 支 承 圍 巖 的 第 二 類 承 載 環(huán) 。具 體 驗 算 項 目 及 方 法 為 : 抗 剪 能 力 驗 算 可 采 用 Druker-Prager準(zhǔn) 則 或 莫 爾 庫 倫 準(zhǔn) 則 作 驗 算 ， 并 在 有 限 元 計 算 中 同時 完 成 。 抗 壓 能 力 驗 算 主 要 驗 算 截 面 材 料 的 承 壓 能 力 是 否 足 夠 。 鑒 于 圍 巖

37、 可 對 支 護(hù) 結(jié) 構(gòu) 的 變 形 提供 側(cè) 向 約 束 ， 在 作 檢 驗 計 算 時 可 不 考 慮 構(gòu) 件 發(fā) 生 縱 向 擾 曲 的 可 能 性 。 抗 拉 能 力 驗 算 結(jié) 構(gòu) 截 面 出 現(xiàn) 拉 應(yīng) 力 時 ， 設(shè) 定 拉 應(yīng) 力 全 部 由 鋼 筋 承 擔(dān) ， 據(jù) 以 計 算 配 筋 率 。 洞 周 徑 向 張 應(yīng) 變 驗 算 主 要 用 于 對 圍 巖 承 載 力 作 驗 算 。 如 不 滿 足 要 求 ， 應(yīng) 設(shè) 置 徑 向 系 統(tǒng) 錨 桿 。 1 （ 3） 截 面 強(qiáng) 度 校 核 采 用 荷 載 結(jié) 構(gòu) 模 型 設(shè) 計 的 隧 道 ， 內(nèi) 力 計 算 結(jié) 束 后 應(yīng)對 襯 砌 結(jié) 構(gòu) 的 最 不 利 斷 面 進(jìn) 行 強(qiáng) 度 校 核 ， 并 據(jù) 此 進(jìn)行 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 ， 包 括 調(diào) 整 結(jié) 構(gòu) 斷 面 或 配 筋 等 。 采 用 地 層 結(jié) 構(gòu) 模 型 設(shè) 計 隧 道 結(jié) 構(gòu) 時 ， 洞 周 承 載 環(huán) 也是 支 護(hù) 系 統(tǒng) 的 一 部 分 。 因 此 ， 截 面 強(qiáng) 度 的 校 核 不 僅應(yīng) 包 括 對 襯 砌 截 面 的 校 核 ， 而 且 應(yīng) 包 括 對 洞 周 圍 巖穩(wěn) 定 性 的 校 核 。