隧道力學(xué)-隧道輔助施工措施的力學(xué)全面分析

1、隧 道 力 學(xué)隧道輔助施工措施的力學(xué)全面分析本講主要內(nèi)容：1、常用輔助施工措施2、管棚作用的力學(xué)分析3、鎖腳鋼管的力學(xué)分析 一、隧道常用輔助施工措施 在軟弱圍巖隧道施工過程中，需要采取輔助施工方法對開挖面前方圍巖進(jìn)行預(yù)加固、控制圍巖變形，防止圍巖坍塌、以保證施工安全。1)控制先行位移的措施超前支護(hù); 2)控制隧道掌子面擠出位移的措施掌子面補(bǔ)強(qiáng); 3)控制隧道拱腳下沉的措施腳部補(bǔ)強(qiáng)，4)控制隧道掌子面后方變形的措施加強(qiáng)初支及二襯。第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析常用輔助施工措施一、隧道常用輔助施工措施 1）超前支護(hù)第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析常用輔助施工措施(1)超前錨桿 (2)超前小導(dǎo)管(3)

2、水平旋噴注漿(4)壓入式短鋼管(5)預(yù)襯砌法(6)超前管棚法一、隧道常用輔助施工措施 2）掌子面補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析常用輔助施工措施(1)弧形開挖、留核心土(2)掌子面噴混凝土 (3)短掌子面錨桿(4)長掌子面錨桿一、隧道常用輔助施工措施 3）腳部補(bǔ)強(qiáng)第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析常用輔助施工措施（1）補(bǔ)強(qiáng)錨桿（2）補(bǔ)強(qiáng)錨管（3）腳部注漿（4）水平噴射注漿（5）臨時仰拱（6）基腳混凝土（7）水平錨管一、隧道常用輔助施工措施 4）初支及二襯補(bǔ)強(qiáng)第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析常用輔助施工措施(1)高強(qiáng)度噴射混凝土(2)高承載力錨桿 (3)高承載力鋼支撐(4)加厚初支(5)高強(qiáng)度二

3、襯混凝土(3)按鋼管直徑分類小管棚：鋼管直徑小于129mm的管棚；中管棚：鋼管直徑在129299mm之間的管棚；大管棚：鋼管直徑大于300mm的管棚。(4)按注漿分類注漿管棚a.先管后注法 b.先注后管法不注漿管棚：鋼管打設(shè)完畢后，不向圍巖進(jìn)行注漿，僅用水泥砂漿將填充鋼管，有時為了增大鋼管的強(qiáng)度和剛度，在鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠后填塞水泥砂漿。第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 1.管棚的類型二、管棚 (5)按鋼管之間連接方式分類 搭接管棚：鋼管之間采用各類公母接頭連接成 非搭接管棚：打設(shè)管棚時鋼管之間未采用任何搭接方式(6)按施工方法分類鉆孔法：是目前最常用的方法夯管法：采用夯擊技術(shù)直接將鋼管夯入地

4、層，一般適用于軟塑地層；頂管法：壓入式、螺旋鉆進(jìn)式、水平鉆進(jìn)式、泥漿加壓式 在我國地下工程施工中，除了在管幕頂推施工中通常采用大管棚外，應(yīng)用最廣泛的是小管棚和中管棚，鋼管直徑多在200mm以下，其中以108mm的鋼管應(yīng)用最多。近年來也出現(xiàn)了部分雙層管棚以及大直徑管棚第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 1.管棚的類型(1)作為在既有公路、鐵路下修建隧道的防護(hù)第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 2.管棚的主要用途 (2)作為在地面或地下重要建筑物下方修建隧道的防護(hù)第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 2.管棚的主要用途 (3)作為隧道洞口段的輔助施工方法 (4) 作為大斷面隧道的輔助施工方法第7講

5、輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 2.管棚的主要用途 (5)作為穿過河底、海底、斷層破碎帶、塌方地段、軟塑地層等困難地段的輔助施工方法第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 2.管棚的主要用途 (6)代替施工便梁或擋土插板作為其它施工的輔助方法。 (1)作用于管棚上的載荷1）己開挖管棚上方和開挖面前方松弛范圍的圍巖壓力2）圍巖對管棚的彈性抗力、3）隧道上部的車輛荷載及其他荷載4）附加荷載：灌漿壓力、溫度變化或混凝土收縮引起的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力、施工荷載等。上述這些荷載中圍巖壓力為地下結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的控制因素，包括豎向壓力和水平壓力。第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 3.管棚的力學(xué)特征 (2) 管棚中的鋼

6、管起著雙重作用：一是起注漿管的作用，管棚注漿可以使鋼管周圍圍巖裂隙充滿漿液，提高圍巖的穩(wěn)定性和整體性，在圍巖中形成加固圈，同時注漿具有隔水作用，減少了地下水的滲透；二是起支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，鋼管內(nèi)部填充水泥砂漿形成剛度較大的鋼管混凝土，其承受著臨空面上部荷載，減少了圍巖向隧道凈空的徑向位移量。管棚下部圍巖不直接承受上部全部荷載，僅受到加固圈變形引起的形變壓力，大大減小了掌子面圍巖所承受的壓力，有效保護(hù)掌子面穩(wěn)定。第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 3.管棚的力學(xué)特征 (3)管棚預(yù)支護(hù)體系能夠有效地從空間、時間上調(diào)整隧道開挖引起的應(yīng)力分布，保持隧道掌子面穩(wěn)定和抑制地面沉陷，長管棚從超前支護(hù)和永久支護(hù)

7、兩方面出發(fā)，改善圍巖的內(nèi)部環(huán)境，將未開挖前的初始平衡直接轉(zhuǎn)移到建成隧道的最終平衡(4)在隧道掌子面后方已開挖并施作初期支護(hù)段，管棚與拱架相結(jié)合形成小跨度的短梁，短梁長度等于拱架間距；在已開挖但未施作初期支護(hù)段，上部圍巖壓力全部由管棚承擔(dān)；伸入掌子面前方地層的管棚起彈性地基梁作用，不僅承受上部圍巖壓力，而且還受下部圍巖的彈性抗力。因此，在隧道開挖過程中管棚起次梁的作用承受上部圍巖壓力，并將載荷傳遞給下面的主梁(拱架)和開挖面前方的彈性地基。第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 3.管棚的力學(xué)特征 （1）Winkler模型 用一系列具有固定剛度且相互獨(dú)立的彈簧來模擬地基，假定某點(diǎn)的地基反力與該點(diǎn)的位

8、移成正比，而地基上某點(diǎn)的位移與其他點(diǎn)的應(yīng)力無關(guān)。第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 4.圍巖的力學(xué)模型 （2）彈性半空間理論模型 假定地基為一個均勻的、各向同性的半無限大連續(xù)彈性體，土的力學(xué)性質(zhì)由變形模量和泊松比來表征，當(dāng)集中力作為于某點(diǎn)時，地基表面處的豎向位移由Boussinesq解答給出 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 4.圍巖的力學(xué)模型 當(dāng)作用力為分布荷載時（3）雙參數(shù)地基模型 雙參數(shù)模型是介于Winkler模型和彈性半空間模型之間的地基計算模型，通過在獨(dú)立彈簧之間引入力的相互作用，用兩個獨(dú)立的參數(shù)來表征地基土的特性，常用的雙參數(shù)模型有費(fèi)洛年柯一鮑羅基契(Filonenko-Boro

9、dich)模型、巴斯捷納克(Pasternak)模型、海藤義(Hetenyi)模型和符拉索夫(Vlasov)模型。 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 4.圍巖的力學(xué)模型 （3）雙參數(shù)地基模型 Pasternak模型是假設(shè)在Winkler模型中各彈簧單元之間存在著剪切作用，這種剪切作用是通過一層只能產(chǎn)生橫向剪切變形而不可壓縮的剪切層相聯(lián)結(jié)來實(shí)現(xiàn)，外荷載與位移之間關(guān)系為： 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 4.圍巖的力學(xué)模型 （1）荷載大小 按深、淺埋隧道分別進(jìn)行計算。第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 5.管棚的作用荷載 （2）荷載縱向分布范圍 掌子面后方：未支護(hù)段圍巖壓力全部由管棚承擔(dān)，支

10、護(hù)段為具有一定初始位移和初始轉(zhuǎn)角的彈性固定端。掌子面前方：第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 5.管棚的作用荷載 （3）荷載橫向分布范圍 第i根管棚承受巖體的寬度：第i根管棚支護(hù)范圍內(nèi)的徑向均布荷載： 若將管棚作為梁，假設(shè)梁的寬度與管棚直徑等寬，將荷載等效到梁的寬度b上，則作用在管棚上的荷載為：第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 6.管棚的彈性地基梁分析模型 （1）模型1 已支護(hù)段看著具有一定初始位移和初始轉(zhuǎn)角的彈性固定端，已開挖但未支護(hù)段，圍巖松弛壓力完全由管棚承受；隧道掌子前方松弛范圍內(nèi)，管棚受到均布松動壓力，同時還受到圍巖的彈性抗力。因此，可將管棚作為半無限長彈性地基梁。第7講 輔助施工

11、措施的力學(xué)分析管棚 6.管棚的彈性地基梁分析模型 （2）模型2 當(dāng)隧道開挖接近管棚前端，管棚可作為有限長度的彈性地基梁。第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 7. 地基梁的微分方程 根據(jù)管棚的彈性地基梁模型，在管棚上截取一微段dx，其受力如圖所示，設(shè)梁的寬度為b 由 可得 由 可得 略去二階微分項(xiàng)得 由此有： 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 7. 地基梁的微分方程 由Bernoulli-Euler經(jīng)典理論得到荷載、位移及內(nèi)力之間的微分關(guān)系由此可得到梁的撓曲微分方程 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 7. 地基梁的微分方程 考慮不同的地基模型，即可得到地基抗力的表達(dá)式，由此得到管棚的控制微分

12、方程。當(dāng)采用雙參數(shù)模型中的Pasternak模型時，有 可得管棚的控制微分方程為 為考慮雙參數(shù)地基連續(xù)性有限寬度梁等效寬度 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 7. 地基梁的微分方程 在BC段，圍巖壓力 ，地基反力 ，其控制方程為在CD段，圍巖壓力 ，地基反力 ，其控制方程為 在DE段，圍巖壓力 ，地基反力 ，其控制方程為 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 BC段微分方程可變?yōu)楣士刂品匠痰慕鉃槠渫ń鉃楫?dāng)管棚荷載為均布荷載 時，其特解為 8.微分方程的求解 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 DE段其特征方程為微分方程轉(zhuǎn)換為 8.微分方程的求解 令：其通解為第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚

13、CD段 8.微分方程的求解 令由于DE段管棚的控制方程是CD段微分控制方程的齊次方程，從而可得控制方程的通解為：當(dāng)管棚所受荷載為均布荷載時，在D點(diǎn)兩邊管棚的撓度及轉(zhuǎn)角應(yīng)相對，即有邊界條件 由此得特解為第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚(1)類型A情況下的撓度方程 8.微分方程的求解 CE段有邊界條件 ：B端為具有一定初始位移和初始轉(zhuǎn)角的的彈性固定端，有邊界條件 代入邊界條件 、 可得、由此可得、 在C點(diǎn)，管棚必定滿足連續(xù)性條件，即有邊界條件 、 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚(1)類型A情況下的撓度方程 8.微分方程的求解 可得 、 、 由此可求得全部待定系數(shù)，進(jìn)而得到類型A情況下管棚各段

14、的撓度方程。 、 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 8.微分方程的求解 、 、 、 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚(2)類型B情況下的撓度方程 8.微分方程的求解 B端為具有一定初始位移和初始轉(zhuǎn)角的的彈性固定端，有邊界條件 代入邊界條件 由此可得在C點(diǎn)，管棚必定滿足連續(xù)性條件，即有邊界條件 在D端管棚為自由端，則有邊界條件 、 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚(2)類型B情況下的撓度方程 8.微分方程的求解 可得 、 、 由此可求得全部待定系數(shù)，進(jìn)而得到類型B情況下管棚各段的撓度方程。 、 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚 8.微分方程的求解 、 、 、 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分

15、析管棚 8.微分方程的求解 、 、 、 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚由Bernoulli-Euler經(jīng)典理論得到荷載、位移及內(nèi)力之間的微分關(guān)系，可得到管棚的轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力為 8.微分方程的求解 根據(jù)Pasternak地基反力計算公式可計算管棚所受的地基反力 該反力即為隧道掌子面所承受的圍巖壓力、 ，、 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚當(dāng)掌子面位于管棚起始或中間區(qū)段時，管棚可看作為后端簡支于套拱，前端固定于圍巖內(nèi)的半無限長圓柱殼 9.管棚的彈性地基殼體模型 、 ，、 (1)模型A 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚當(dāng)隧道開挖接近管棚前端，管棚后端可看作為固定于鋼支撐上并隨鋼支撐一起發(fā)生

16、一定初始位移的固定端，而前端為受地基反力的自由端 9.管棚的彈性地基殼體模型 、 ，、 (2)模型B 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚將管棚簡化為半徑為的圓柱殼，可得柱殼的平衡微分方程 9.管棚彈性地基殼體的基本方程 、 ，、 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚代入圓柱殼的幾何方程和彈性方程，并將管棚所受的荷載簡化為法向圍巖壓力 和地基反力 可得管棚的基本方程為 9.管棚彈性地基殼體的基本方程 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚進(jìn)而求得類型A和類型B情況下管棚的撓度方程為 9.管棚彈性地基殼體的基本方程 代入邊界條件，即可求得管棚的撓度和內(nèi)力。第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚類型A計算結(jié)果

17、 10.算例 撓度曲線管棚圍巖接觸應(yīng)力曲線第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析管棚類型B計算結(jié)果 10.算例 撓度曲線管棚圍巖接觸應(yīng)力曲線三、鎖腳鋼管 1)作用于鋼管的荷載為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)下沉而產(chǎn)生的豎向壓力，其作用于隧道鋼管末端; 2)支撐力主要來源于三個方面：圍巖與鋼管側(cè)壁相對擠壓產(chǎn)生的法向壓力，圍巖與鋼管側(cè)壁產(chǎn)生相對滑移產(chǎn)生的摩阻力，圍巖在鋼管底端產(chǎn)生的支撐力; 3) 鋼管主要在垂直軸線的壓力作用下產(chǎn)生彎曲變形，當(dāng)鋼管以一定角度下插時，鋼管還可能在荷載作用下與土體產(chǎn)生相對滑移。第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析常用輔助施工措施 1.鎖腳鋼管的工作性狀 三、鎖腳鋼管 鎖腳鋼管主要承受橫向荷載，首先應(yīng)使

18、其截面的抗剪強(qiáng)度滿足承載要求。若鋼材的容許剪應(yīng)力為 ，水泥砂漿的容許剪應(yīng)力為 ，則鋼管正截面可承受的最大剪應(yīng)力為： 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析常用輔助施工措施 2.鎖腳鋼管正截面抗剪能力 三、鎖腳鋼管 鎖腳鋼管軸向承壓能力的大小與鋼材的材料特性和圍巖約束環(huán)境有關(guān)。由于鋼材的極限應(yīng)變遠(yuǎn)大于砂漿，當(dāng)鋼材達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度時，砂漿已經(jīng)完全失去承載能力。因而，鎖腳鋼管自身材料的軸向抗壓能力可以只考慮鋼材： 第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析常用輔助施工措施 3.鎖腳鋼管軸向抗壓承載力 三、鎖腳鋼管 土結(jié)構(gòu)相互作用分析中常用的線彈性模型有：文克爾模型、彈性連續(xù)介質(zhì)模型、雙參數(shù)地基模型等。第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析常用輔助施工措施 4.水平鎖腳鋼管的彈性地基梁算法 采用文克爾地基模型對水平鎖腳鋼管進(jìn)行求解，有： 假定鎖腳鋼管為有限長梁，則在外荷載的作用下梁的撓度方程為：第7講 輔助施工措施的力學(xué)分析常用輔助施工措施