隧道和基坑工程結構計算方法講義57頁（PPT）

1、隧道和基坑工程計算基本知識提綱前言 礦山法隧道的計算 盾構法隧道的計算基坑的計算設計和施工中的幾個常見力學基本問題探討幾個和施工有關的問題前言結構安全涉及的3個主要問題結構承載力：構件的強度變形問題：裂縫和撓度及下沉和收斂穩(wěn)定性問題：平衡性的問題，三維平衡動態(tài)平衡支護重新平衡?？垢?，抗管涌、傾覆和滑移、坍塌。地下結構計算的重要性 地下工程是一門藝術，而不是一門科學的誤導。數(shù)據(jù)分析可升華為理論建言，沒有正確的理論指導，必然會導致錯誤的結果。 對地下結構計算的局限性空間問題平面化的問題材料參數(shù)和計算模型的影響施工監(jiān)測反饋的缺少礦山法隧道結構計算復合式襯砌隧道的計算方法介紹地層結構法荷載結構法荷載結

2、構法在深埋、淺埋、超淺埋隧道的計算中的應用礦山法隧道結構計算隧道的計算的兩種基本方法介紹荷載結構法計算（主要公式深埋、淺埋、超淺埋隧道的判別步驟和要點）地層結構法介紹當前設計中采用的計算方法地鐵隧道和山嶺隧道的計算區(qū)別礦山法隧道結構計算規(guī)范鐵路隧道設計規(guī)范：7.1.1條，一般規(guī)定：結構尺寸和參數(shù)“通過工程類別和結構計算確定”；7.2.1條，關于復合式襯砌的設計參數(shù)，“可采用工程類別確定，并通過理論分析進行驗算”；11.1.3條，關于復合式襯砌，“初期支護應按主要承載結構計算。二次襯砌作為在13級圍巖可作為安全儲備，按構造要求設計，45級圍巖，應按承載結構設計”。礦山法隧道結構計算規(guī)范地鐵設計規(guī)

3、范 ： 10.5.1強制性條文，“地下結構應進行結構強度計算，必要時也進行剛度和穩(wěn)定性計算”； 10.5.5條，復合式襯砌應考慮“外部荷載因初期支護材料性能退化及剛度下降向二襯的轉移” 。礦山法隧道結構計算兩種方法荷載結構法（結構力學方法）：地層變形產(chǎn)生的形變壓力，結構和圍巖之間長期緊密接觸。特點：彈性地基和地層抗力；解析方法：桿系有限元。地層結構法（巖石力學方法）：特點：結構和地層統(tǒng)一分析對象，變形協(xié)調(diào)；解析方法：數(shù)值分析。有限元、有限差分法和邊界元。礦山法隧道結構計算荷載結構法荷載結構法（結構力學方法）：地層變形產(chǎn)生的形變壓力，結構和圍巖之間長期緊密接觸。特點：彈性地基和地層抗力；解析方法

4、：桿系有限元。整體式襯砌：對應的施工方法是早期的礦山法，荷載為圍巖的松散壓力。復合式襯砌：荷載為形變壓力和水壓力的組合值，施加在二襯結構上。礦山法隧道結構計算荷載結構法荷載結構法計算模型：桿系有限元。Ansys、Sap。地層彈簧：局部變形理論，溫克爾假定。彈簧模擬：非線性彈簧。礦山法隧道結構計算荷載結構法土壓力：淺埋：全部覆土；深埋：松弛荷載水壓力地層抗力特殊荷載：地震、人防其他荷載：施工荷載和地面超載礦山法隧道結構計算方法及主要公式普氏土壓力公式：適用于地層堅硬和非淺埋的情況。：礦山法隧道結構計算方法及主要公式泰沙基土壓力公式：適用于土層和淺埋的情況。：礦山法隧道結構計算方法及主要公式鐵路隧

5、道規(guī)范土壓力公式：基于統(tǒng)計理論。深埋單線鐵路隧道深埋單線鐵路隧道鐵路隧道規(guī)范土壓力公式：淺埋隧道。礦山法隧道結構計算方法及主要公式鐵路隧道規(guī)范土壓力荷載：超淺埋隧道覆土地面超載。礦山法隧道結構計算方法及主要公式礦山法隧道結構計算步驟和要點建立幾何形狀：可以畫也可以，也可采用命令流定義材料屬性：梁、桿和彈簧定義截面類型：給單元賦截面屬性節(jié)點約束加荷載計算結果查看（內(nèi)力和變形均核對）結果分析：礦山法隧道結構計算步驟和要點：礦山法隧道結構計算步驟和要點從CAD輸入DXF文件導入比較方便荷載計算要輔助EXCL加載方式：節(jié)點和均部都可以：礦山法隧道結構計算地層結構法地層結構法（巖石力學方法）：特點：結構

6、和地層統(tǒng)一分析對象，變形協(xié)調(diào)；解析方法：數(shù)值分析。有限元、有限差分法和邊界元。應用于復合式襯砌，或者單純的錨噴支護。常用于施工模擬，如分部開挖、特殊情況下的計算。礦山法隧道結構計算地層結構法應用于復合式襯砌的計算：1)考慮圍巖的流變特性，初期支護承受的是短期形變荷載，二次襯砌承受長期形變荷載。計算模型常要考慮時間的影響。如粘彈性模型。礦山法隧道結構計算地層結構法考慮圍巖、初期支護、二次襯砌共同作用的粘彈性計算模型礦山法隧道結構計算設計采用的計算方法初期支護采用地層結構法（巖石力學方法）。二次襯砌采用荷載結構法。1、裝配式預制鋼筋混凝土結構，接頭存在，結構不連續(xù)；2、縱向柔性結構；3、計算模型所

7、需的參數(shù)難以準確選??；4、高強度、高抗?jié)B性、高精度；5、施工拼裝精度要求高；一、盾構隧道結構特點介紹 、慣用設計法；2、修正管用設計法；3、多鉸圓環(huán)：完全鉸圓環(huán)、彈性鉸圓環(huán)；4、梁彈簧模型。二、盾構隧道計算模型介紹四種模型二、盾構隧道計算模型介紹荷載系統(tǒng)二、盾構隧道計算模型介紹地層抗力、慣用設計法：采用管片本身剛度，不折減剛度，適用于管片分塊比較少，如四分塊管片和通縫拼裝的管片隧道；2、修正管用設計法：籠統(tǒng)的考慮了接頭的影響;對管片剛度折減；適用于，錯縫拼裝、中小直徑的隧道，如地鐵等隧道。二、盾構隧道計算模型介紹模型適用范圍3、多鉸圓環(huán)：1）完全鉸圓環(huán)：要求地層穩(wěn)定，能足夠的抗力；很少用，英國

8、人在倫敦希思羅機場貨用隧道中應用過，直徑10.9直徑的柔性隧道，采用27塊管片。2）彈性鉸圓環(huán)：要求地層好，能提供抗力；考慮了管片接頭因素；在英國、德國等應用多。4、梁彈簧模型：考慮了接頭因素，錯縫拼裝，能真實的反映管片受力；中、大直徑隧道采用。二、盾構隧道計算模型介紹模型適用范圍三、計算荷載荷載組成水土壓力 自重 超載偶然荷載施工荷載：千斤頂推力、注漿壓力內(nèi)部荷載其他 三、計算荷載荷載組成水土壓力 :按照太沙基公式、普氏公式和2D兩個條件控制三、計算荷載荷載組成泰沙基公式三、計算荷載荷載組成普氏公式三、計算荷載荷載組成側壓力系數(shù) 和土層彈簧三、計算荷載水土壓力和施工荷載施工荷載：1)千斤頂推

9、力:考慮偏心受壓和縱向受彎;2)注漿壓力:按照最大0.4MPa考慮;四、計算現(xiàn)狀慣用設計法和修正慣用設計法:國內(nèi)普遍采用，國外日本90年代以前常常采用；多鉸圓環(huán)：歐洲普遍采用較多；梁彈簧模型：國內(nèi)部分采用，大多作為效核用;是當前日本的主要設計方法；五、主要計算方法：修正慣用設計法剛度:EI；管片彎距：（1+）M；接頭彎距： （1-）M；=0.80.6，通常取0.8； =0.30.5，通常取0.20.3 ；五、主要計算方法：修正慣用設計法五、主要計算方法：修正慣用設計法五、主要計算方法：彈性鉸計算結果五、主要計算方法：梁彈簧模型五、主要計算方法：梁彈簧模型考慮了接頭和錯縫拼裝,計算模型精確,最合

10、理；各種彈簧參數(shù)受試驗數(shù)據(jù)影響大;彈簧參數(shù)和接頭的形式影響大,國內(nèi)試驗少,參數(shù)的經(jīng)驗值少,為該方法應用帶來了困難；該方法可以作為對新型管片的研究提供定性的參考,指導設計.五、主要計算方法：梁彈簧模型的彈性鉸數(shù)值劉建航等建議采用9800KN.m/rad；國際隧道協(xié)會建議:10000100000KN.m/rad;德國建:議為:2400045000KN.m/rad；國內(nèi)有學者建議:正彎距18000,負彎距8000;也有建議.正彎距50000,負彎距30000;六、幾種計算方法計算結果比較比較結論:1)多鉸圓環(huán)和梁-彈簧模型軸力是其它兩個的1.21.3倍;2)修正慣用法、梁-彈簧、慣用法、多鉸圓環(huán)的彎

11、距之比大致是1：0.82：0.92：0.4；3）多鉸圓環(huán)的變形最大，應慎重采用。七、修正慣用設計方法應用三、基坑計算經(jīng)典法、彈性支點法、有限元法。彈性支點法的原理。m、k、c法的原理及適用范圍。規(guī)范推薦采用m法。對土抗力的假定不同。三、基坑計算支錨剛度計算 常數(shù)法：假定地基水平抗力系數(shù)沿深度為均勻分布，即是kx=kh?！発”法：假定在樁身第一撓曲零點(深度t處)以上按拋物線變化,以下為常數(shù) “m”法：假定kx隨深度成正比地增加，即是kx=mz“c值”法：假定kx隨深度按CZ 0.5的規(guī)律分布，即是kx=cz0.5(c為比例常數(shù)，隨土類不同而異)三、基坑計算彈性支點法三、基坑計算彈性支點法三、基

12、坑計算m、k值的選取m根據(jù)近似公式計算，是c、值的函數(shù)，也可以參考地質(zhì)報告，其值也可參考經(jīng)驗值確定。由于地質(zhì)報告的不準確性，m值的選取要綜合計算、地質(zhì)報告以及經(jīng)驗值并結合其它參數(shù)的綜合確定。上海對m法中，對K值規(guī)定了最大值Kmax。廣東地下連續(xù)墻規(guī)程中對m值給出了參考范圍。K值根據(jù)地質(zhì)報告，也要參考經(jīng)驗值。三、基坑計算內(nèi)容支錨剛度計算樁墻內(nèi)力、變形及穩(wěn)定性計算腰梁的強度和變形計算支撐的軸力和穩(wěn)定性計算連接計算：抗剪計算、焊接計算三、基坑計算支錨剛度計算鋼、砼支撐：本質(zhì)是按照虎克定律求得的彈簧系數(shù)環(huán)框支撐：采用環(huán)框支撐作為支撐時，應先采用1/2分擔法計算環(huán)框的配筋及變形；b根據(jù)單位力/變形作為支

13、錨剛度，再按照理正軟件計算。三、基坑計算樁墻內(nèi)力、變形及穩(wěn)定性計算一般按照增量法計算荷載采用朗肯主動土壓力公式變形控制標準根據(jù)國家和地方的規(guī)定確定抗傾覆、抗滑移和整體穩(wěn)定性嵌固深度計算抗管涌計算、抗隆起計算三、基坑計算腰梁的強度和變形計算腰梁為以受彎為主的構件，要求有足夠的剛度，變形要小腰梁按照多跨連續(xù)梁計算組合鋼腰梁應按照鋼結構驗算允許應力和局部穩(wěn)定性三、基坑計算支撐的軸力和穩(wěn)定性計算按照壓彎構件計算平面內(nèi)穩(wěn)定性斜撐要考慮分力二.分界判別標準 根據(jù)隧道所處位置的特點有三種判別方法。2. 2分界判別標準1.應用埋深等于坍方統(tǒng)計平均高度兩倍的方法。因圍巖變形過大時隧道上方會形成塌落拱(壓力拱)，

14、見圖32-1。而坍方是圍巖失穩(wěn)破壞最直觀的形式，大量統(tǒng)計資料證明，當埋深大于兩倍塌方高度時，才能用塌落拱公式計算。塌落拱高度與圍巖類別有很大關系，根據(jù)我國鐵路隧道調(diào)查資料，級以上圍巖巖體強度較高，一般未出現(xiàn)由于淺埋而失穩(wěn)破壞的情況，因此，通常在級圍巖中才考慮淺埋隧道的設計問題，鐵路隧道新奧法指南規(guī)定:當埋深大于:級圍巖4D6D、級圍巖2.0D3.0D、級圍巖1.OD2.OD、級圍巖0.51.OD；鐵路隧道設計規(guī)范規(guī)定:當埋深大于:級圍巖3540m、級圍巖1825m、級圍巖10l2m、級圍巖56m為深埋隧道，反之為淺埋隧道。2.應用實測壓力P和垂直土柱重量H之比來確定深埋、淺埋、超淺埋的判別方法。根據(jù)國內(nèi)外近50個試