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图文详解隧道设计支护

来源:地空开发

隧道结构构造

隧道衬砌--典型喷锚支护设计:

钢格栅支撑:

防水板铺设:

隧道建筑限界:

隧道洞身支护:

隧道结构设计基础

隧道结构体系:

隧道结构体系的受力特点:

(1)荷载的模糊性和不确定性

(2)围岩压力承载体系: 围岩不仅是荷载,同时又是承载体; 地层压力由围岩和支护结构共同承受; 充分发挥围岩的自承载力。

(3)设计参数受施工方法和施作时机的影响很大。

(4)隧道与地上结构的区别-围岩抗力的存在。

隧道开挖后的围岩变化:

收敛与约束-支护刚度与时机

需要认识的主要问题:

1.围岩的初始应力状态,或称一次应力状态

2.开挖隧道后围岩的二次应力状态和位移场

3.围岩稳定性准则:判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件

4.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

5.判断支护结构安全度的准则。

隧道信息化施工:

浅埋暗挖法核心技术被概括为18字方针:

隧道结构设计原则

支护结构的作用:

与围岩一起组成一个有足够安全度的隧道结构体系,能承受可能出现的各种荷载。

保持隧道断面的使用净空。

防止围岩质量进一步恶化。

提供空气流通的光滑表面。

支护结构的基本要求:

1.必须能与围岩大面积地牢固接触,即保证支护结构与围岩作为一个整体进行工作。

接触状态影响荷载分布图形,改变支护结构与围岩的相互作用的性质

接触状态影响围岩的应力重分布和支护结构的受力状态

喷射混凝土支护能较好改善接触状态!

2.重视早期支护的作用,并使早期支护与永久支护相互配合,协调一致地工作。

3.要允许隧道围岩能产生有限制的变形,以充分发挥围岩的承载能力而减少对支护结构的不利作用,使两者更加协调的工作。

4.必须保证支护结构及时施作。

5.作为支护结构要能根据隧道围岩的动态(位移、应力等),及时地进行调整和修改,以适应不断变化的围岩状态。

喷锚支护是适合上述要求的有效支护方式!

支护结构类型的选择与设计:

隧道结构体系计算模型

1.经验设计法-以工程类比为主

2.实用设计方法(收敛-约束法)-以现场量测和试验为主

3.荷载-结构模型

作用与反作用模型-结构与力学模型

4.连续介质模型

共同作用模型-岩体力学模型

结构力学模型:将支护与围岩分开考虑:结构是承载主体,围岩是荷载来源。

围岩对支护结构的作用:

(1)围岩压力;(2)围岩弹性抗力;(3)提供弹性支承

围岩弹性抗力:衬砌挤压围岩而受到围岩的抵抗力。反映了支护与围岩的相互作用,是一种被动荷载。

适用:围岩松弛、坍塌,松动压力;模筑混凝土衬砌。

岩体力学模型-复合整体模型:

将支护与围岩视为一体,共同承载,以围岩为主

支护结构约束围岩的变形

采用岩体力学计算方法

围岩体现为形变压力

适用:锚喷支护

隧道结构计算方法

将支护和围岩分开考虑,支护结构是承载的主体,围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承,与其对应的计算模型称为荷载—结构模型。

根据对荷载的处理不同,它大致有如下三种模式:

荷载—结构模式

特点:

不考虑围岩抗力;

支护结构在主动荷载作用下可自由变形

适用于:软弱围岩、无能力约束衬砌变形

特点:考虑围岩抗力

适用于:各类围岩

特点:

实地量测围岩压力,是围岩与支护结构相互作用的综合反映;

无法预设计,只能作为类似工程的参考。

隧道衬砌受力变形的特点:

围岩对衬砌变形的双重作用:围岩产生主动压力使衬砌变形;产生被动抗力阻止衬砌变形。

隧道衬砌承受的荷载及分布:

(1) 主动荷载

◆ 永久荷载

◆ 可变荷载

◆ 偶然荷载

(2) 被动荷载~围岩抗力

◆ 共同变形理论

◆ 局部变形理论-温克尔假定

典型衬砌结构的计算方法 :

(1)半衬砌-弹性固定的无铰拱-主动荷载模式

(2)软土地层中的圆形隧道-自由变形圆环-主动荷载模式

(3)曲墙拱与直墙拱-主动荷载加被动荷载模式

4.被动荷载的处理方法:

采用符合“局部变形原理”的弹簧模拟围岩。

将衬砌与围岩所组成的隧道结构体系离散成有限个衬砌单元和弹簧单元的组合体。

采用结构力学方法求解,可得衬砌内力。

隧道衬砌结构的计算方法 :

处理:

(1)隧道是纵向狭长结构物

(2)沿纵向取单位长度(1m)的一段进行计算,按平面结构

理由:隧道长度较横断面尺寸大得多,隧道衬砌不会产生纵向位移,属于平面应变问题。

沿纵向取单位长度(1m)

隧道设计总结

1 隧道平纵面:长度大于500m的隧道应采用分离式双洞布置,连拱隧道长度一般宜控制在300m以内,小净距隧道长度一般宜控制在500~750m以内。分离隧道双洞可采用不平行布置的方式,以解决洞外占地和洞内间距的矛盾。必要时,洞口段可采用不小于6m的小净距,并应避免洞口隧道连拱。缓和曲线内曲率不断变化,不宜视为线形一致;对长、特长隧道的进口路段和出口上坡路段,当线路平、纵指标调整会导致工程规模增加较大时,洞内外接线可采用缓和曲线或直线与缓和曲线、缓和曲线与圆曲线组合线形。但应在洞口内外线形诱导和光过渡等方面采取措施,保证行车安全。

采用连续长直线或大半径曲线的长隧道和特长隧道的出洞方向应避免在洞口接与洞内运行速度反差较大的小半径曲线,相邻平曲线半径不宜大于2倍。

隧道内不宜采用S形曲线。必须设置时,应避免如下情况:

*洞口应避免设置于反向S形曲线的拐点或附近;

*应避免纵断面线形的变坡点与S形平曲线拐点相重合;

*应避免凸形竖曲线的顶点位于S形曲线的拐点;

*应避免S形曲线拐点与凹形竖曲线组合。

2 隧道内轮廊:长度小于3km且通风方式采用纵向射流通风或自然通风的隧道,在设计速度相同的一条公路上宜采用相同的隧道内轮廓。当隧道长度大于3km时,结合通风方案及设备选型需要尺寸,可采用不同的内轮廓。隧道内轮廓尺寸宜在满足结构受力及使用要求的前提下,兼顾经济性。对两车道隧道,当设计速度80km/h时,拱部宜采用单心半圆,当设计速度100~120km/h 时,宜结合具体情况对单心半圆或三心圆型式进行比较选择。对三车道隧道和紧急停车带段隧道,拱部宜采用三心圆型式。

当设置大于2%的超高时,一般以绕车行道中心线旋转为宜,当不影响内轮廓时,也可采用绕内侧车道边缘旋转的方式。桥隧相连、超高值较大的隧道,当限界旋转引起内轮廓需加大时,宜采用隧道整体旋转的方式;隧道顶部设置排烟道时,排烟道内轮廓尺寸应满足设备安装、运营维护、施工空间的需要。拱顶排烟道高度不宜小于1.8m。

车行横通道宜兼作人行疏散通道,内轮廓宽度取1.0m+4.0m+1.0m,限界高度取5.0m。车行横通道间距一般750m。人行横通道限界高2.5m。

3 隧道支护结构:两车道隧道Ⅳ级围岩稳定性差异较大,初期支护应设置备用格栅钢架,在Ⅳ级围岩偏弱段使用,数量宜按Ⅳ级围岩长度段的30%计列。

两车道隧道、三车道隧道Ⅴ级围岩段衬砌必须设置仰拱。三车道隧道Ⅳ级围岩段及Ⅲ级围岩较软硬岩段必须设置仰拱。两车道隧道Ⅳ级围岩段一般应设置仰拱。当位于深埋硬岩段,且边墙及墙脚为微风化、围岩完整性好时,可取消仰拱,但对初期支护和二次衬砌应予以加强,二次衬砌厚度宜采用40cm。Ⅴ级围岩衬砌初期支护宜设置钢架,当隧道基底地层软弱,且易发生纵向不均匀沉降时,宜采用格栅钢架。Ⅳ级围岩衬砌初期支护宜采用格栅钢架。

小净距隧道支护结构采用复合式衬砌,支护参数应经工程类比、计算分析综合确定,一般可参照分离式独立双洞隧道的设计支护参数作相应的加强。对两车道隧道,当中夹岩柱厚度大于12m且位于较完整硬岩中时,可只考虑适当控制爆破参数,先施工与后施工洞错开一定距离等方法处理。

二次衬砌一次浇筑长度宜6~9m,当必须大于10m采用时,应在长度方向中央,环向设置宽85mm深60mm的三角形凹槽,以减少衬砌后期收缩引起的环向裂缝。

推荐阅读:visualslope软件隧道支护设计功能

在隧道衬砌和支护设计中最常用的有两种模型,地层结构模型和荷载结构模型。目前市场上百分之九十八以上的隧道分析软件都是基于地层结构模型。可是世界上百分之九十八以上国家的隧道设计规范包括中国都是基于荷载结构模型。这就迫使大多数隧道设计工程师花费大量的时间去用建筑结构分析软件进行隧道结构的计算。Visual Slope是基于荷载结构模型同时又考虑地层与结构相互作用的一款隧道设计专用软件。Visual Slope采用梁单元和弹簧单元分别模拟隧道支护和地层,并可快速的生成各种隧道断面。用户可根据规范要求输入各种垂直和水平荷载并进行各种荷载组合以对隧道支护进行内力和变形进行分析。隧道开挖支护设计功能可用于对爆破法开挖隧道或矿区巷道初始支护和最终支护的设计,也可用于盾构法隧道的管片设计。


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