隧道结构体系相关设计.ppt

第五章隧道结构体系设计原理与方法第一节概述隧道的结构体系是由围岩和共同组成的。其中围岩是主要的承载元素,支护结构是辅助性的,但通常也是必不可少的,在某些情况下,支护结构主要起承载作用。这就是按现代岩石力学原则设计支护结构的基本出发点。隧道开挖前岩体处于初始应力状态,谓之一次应力状态;开挖隧道后引起了围岩应力的重分布,同时围岩将产生向隧道内的位移,形成了新的应力场,称之为围岩的二次应力状态,这种状态受到开挖方式(爆破、非爆破)和方法(全断面开挖、分部开挖等)的强烈影响。如果隧道围岩不能保持长期稳定,就必须设置支护结构,从隧道内部对围岩施加约束,控制围岩变形,改善围岩的应力状态,促使其稳定,这就是三次应力状态。显然这种状态与支护结构类型、方法以及施设时间等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构,这样,这个力学过程才告结束。要进行支护结构设计,就必须充分认识和了解以下五方面的问题:围岩的初始应力状态,或称一次应力状态,这部分内容已在第四章中作了介绍;开挖隧道后围岩的二次应力状态和位移场;判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件即围岩稳定性准则。一般可表示为:(5-1)式中的、是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标。、设置支护结构后围岩的应力状态,亦称围岩的三次应力状态和位移场,以及支护结构的内力和位移。判断支护结构安全度的准则,一般可写成:(5-2)式中的、是支护结构材料的物理力学参数。第二节围岩的二次应力场和位移场一、隧道开挖后的弹性二次应力状态及位移状态计算围岩的二次应力场和位移场,首先推算隧道开挖前围岩的初始应力状态,以及与之相适应的位移场。隧道开挖后,因其周边上的径向应力和剪应力都为零,故可向具有初始应力的围岩,在隧道周边上反方向施加与初始应力相等的释放应力。用弹性力学方法计算带有孔洞的无限平面在释放应力作用下的应力和位移。而真实的围岩二次应力场及位移场为:模拟隧道开挖所经历的力学过程可以用图5-1表示。图5-1隧道开挖所经历的力学过程模拟对于自重应力场中的深埋隧道,常常将它的围岩初始应力场简化为常量场,也就是假定围岩的初始应力到处都是一样。并取其等于隧道中心点的自重应力,即式中为隧道中心点的埋深,以m计,是围岩的侧压力系数,无量纲。根据弹性力学原理,这个问题的求解还可以简化为不考虑体积力的形式,而用在有孔无限平面(无重的)无穷远边界上作用有垂直均布荷载和水平荷载的形式来代替,如图5-2所示。图5-2力学模型由此而引起的计算误差在洞周上是不大的,并随着隧道埋深的增加而减少。当埋深超过10倍洞径时,其误差可以忽略不计。二、隧道开挖后形成塑性区的二次应力状态及位移状态塑性应力区域是由于多数围岩具有塑性这一性质而造成的。塑性就是指围岩在应力超过一定值后产生塑性变形的性质。此时,应力即使不增加,变形仍继续。当围岩内应力超过围岩的抗压强度后,围岩发生塑性变形并迫使塑性变形的围岩向隧道内滑移。塑性区的围岩因变得松弛,其物理力学性质也发生变化。三、无支护坑道的稳定性及其破坏坑道稳定性是指隧道围岩在开挖过程中,在不设任何支护情况下所具有的稳定程度。无支护坑道围岩的失稳破坏有三种形式:由于破碎岩体的自重作用,超过了它们脱离岩体的阻力而多在顶部、较少在侧壁处造成局部崩塌;由围岩应力重分布所造成的应力集中区域内的岩体强度破坏而形成的崩塌。一般发生在脆性岩体中,且在多数情况下,岩体破坏从坑道侧壁开始,同时岩体的破坏和位移也可能发生在顶部和底部;在塑性岩体中,稳定的丧失是由于塑性变形的结果,岩体产生了过度的位移,但无明显的破坏迹象。第三节隧道围岩与支护结构的共同作用一、收敛和约束的概念开挖隧道时,由于临空面的形成,围岩开始向洞内产生位移,这种位移我们称之为收敛。若岩体强度高,整体性好、断面形状有利,岩体的变形到一定程度,就将自行停止,围岩是稳定的。反之,岩体的变形将自由地发展下去,最终导致隧道围岩整体失稳而破坏。在这种情况下,应在开挖后适时地沿隧道周边设置支护结构,对岩体的移动产生阻力,形成约束。相应地支护结构也将承受围岩所给予的反力,并产生变形。如果支护结构有一定的强度和刚度,这种隧道围岩和支护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与围岩应力之间达到平衡为止,从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系。这时的隧道围岩应力状态称为三次应力状态。