隧道受力结构PPT课件.ppt

受 力 结 构
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施工控制三要素
保证结构尺寸
达到结构强度
满足使用功能
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隧道的特点
（1）隧道是由围岩和多种支护结构两部分 组成的，即：
隧道 = 围岩 + 支护
围岩与支护共同承担山体的压力。
（2）隧道承受的压力具有不确定性。
（3）支护体系是控制围岩变形的关键。
为有效控制隧道工程安全风险，避免或减少坍方事故发生，应以“充分调动围岩的承载能力，有效控制围岩变形和松弛”为设计理念，按新奥法原理进行软弱围岩隧道设计。
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隧道受力分析
隧道的结构体系是由围岩和支护结构共同组成的。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。
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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。
隧道三次应力状态
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隧道围岩与支护结构的共同作用
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。
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围岩压力
围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护结构变形或破坏的作用力。
一、围岩压力分类
围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为如下几种类型：
1. 松动压力
由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力的形式直接作用在支护结构上压力称为松动压力。
2. 形变压力
形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护结构(如锚喷支护等)的抑制，而使围岩与支护结构共同变形的过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。
3. 膨胀压力
当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。
4. 冲击压力
冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能之后，由于隧道的开挖，围岩约束被解除，能量突然释放所产生的压力。
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荷载—结构模型
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隧道衬砌结构受力变形特点
隧道衬砌在围岩压力作用下要产生变形
在隧道拱顶，其变形背向围岩，不受围岩的约束而自由地变形，这个区域称为“脱离区”；而在隧道的两侧及底部，结构产生朝向围岩的变形，受到围岩的约束作用，因而围岩对隧道衬砌结构产生了约束反力(弹性抗力)，这个区域称为“抗力区”。
隧道衬砌结构受力变形特点
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围岩级别
岩 体 特 征
土 体 特 征
围岩弹性纵波速度(km/s)
Ⅰ
极硬岩，岩体完整
-
＞
Ⅱ
极硬岩，岩体较完整；
硬岩，岩体完整
-
～
Ⅲ
极硬岩，岩体较破碎；
硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；
较软岩，岩体完整
-
～
Ⅳ
极硬岩，岩体破碎；
硬岩，岩体较破碎或破碎；
较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；
软岩，岩体完整或较完整
具压密或成岩作用的粘性土、粉土及砂类土，一般钙质、铁质胶结的碎(卵)石土、大块石土，黄土(Q1、Q2)
～
Ⅴ
软岩，岩体破碎至极破碎；
全部极软岩及全部极破碎岩(包括受构造影响严重的破碎带)
一般第四系坚硬、硬塑粘性土，稍密及以上、稍湿、潮湿的碎(卵)石土、