地下工程基础技术

2020/2/8第四章第二节设计技术1第二节设计技术一、概述1、概念是为了最优地实现规划的构思，而进行的耐久性、安全性、使用性、经济性的研究，具体地决定实施的形态、尺寸、使用材料、施工方法等的行为。2、地下工程设计技术2020/2/8第四章第二节设计技术2（1）安全性设计技术是保证在使用期内对预测的外因是安全可靠的。a、应对调查的各种现象，用分析的方法求出应力和变形的响应值。b、并依其响应状态，按一定基准进行安全可靠性检验——安全系数及可靠指标。其中包括结构分析技术、坑道稳定性分析技术、地下水分析技术。热传导分析技术等。2020/2/8第四章第二节设计技术32020/2/8第四章第二节设计技术4（2）使用性设计技术指地下设施的设计是按其使用性为目的进行的，除决定于设施的功能外，还牵涉到社会的各个方面。2020/2/8第四章第二节设计技术5（3）经济性评价技术因评价的对象不同，其结果差异很大。也就是说，经济性评价在理论上，由各项费用总和来判断的，使之为最小值就是最优设计。2020/2/8第四章第二节设计技术6(4)耐久性设计(p149)钢筋混凝土结构物的耐久性设计，就是在其设计耐用期间内，使钢筋和混凝土不产生腐蚀劣化，降低其强度而影响使用年限，耐久性设计是以钢筋腐蚀为其极限状态。结构物的耐用期限一般分为３级，分别为100年、６5年和３０年。2020/2/8第四章第二节设计技术72020/2/8第四章第二节设计技术8二、地下结构设计流程与解析技术（P136，自学）2020/2/8第四章第二节设计技术9三、地下结构设计方法1、围岩分级（P127）（1）基本概念①岩石：均质、连续和各向同性的介质。②岩体：是在地质历史中，经过岩石建造、构造形变、和次生蜕变而形成的地质体，它被许多不同方向、不同规模的断层面、层理面、节理面和裂隙面等各种地质界面切割为大小不等，形状各异的各种块体。2020/2/8第四章第二节设计技术10③围岩：地层中受坑道开挖影响的那部分岩体。④围岩分级：根据一个或几个主要指标将无限的岩体序列划分为具有不同稳定程度的有限个类别，并依照每一类围岩的稳定程度给出最佳的施工方法和支护结构设计。2020/2/8第四章第二节设计技术11（2）我国铁路隧道围岩分级的指标①由岩石强度的坚硬程度、围岩的完整程度确定围岩的基本分级②地下水及初始应力场修正围岩基本分级（3）分级方法（P128表4-7）将围岩分为Ⅵ级，从Ⅰ~Ⅵ围岩力学性质由强到弱2020/2/8第四章第二节设计技术122020/2/8第四章第二节设计技术132020/2/8第四章第二节设计技术142、地下结构体系的计算模型（1）地下结构体系：由地层和支护结构共同组成，其中以地层为主，支护仅用来约束地层，不使它产生过大的变形而破坏坍塌，地层既是承载结构的基本组成部分，又是造成荷载的根本来源。2020/2/8第四章第二节设计技术15（2）地下结构体系的设计模型①经验设计法参照过去隧道工程实践经验进行工程类比的；②实用设计方法（情报设计法）以现场量测和实验室试验为主的，例如以洞周位量测值为基础的收敛一约束法；③作用一反作用模型，即荷载一结构模型，例如弹性地基圆环计算和弹性地基框架计算等计算法；④连续介质模型包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。2020/2/8第四章第二节设计技术16（3）结构力学方法——荷载结构模型计算方法①基本原理是将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，②隧道支护结构与围岩的模拟通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支承约束支护结构变形的抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。2020/2/8第四章第二节设计技术172020/2/8第四章第二节设计技术18③适用条件只要在施工过程中不能使支护结构与围岩保持紧密接触，有效地制止周围岩体变形和松弛而产生松动压力。④评价一般说来，按此模型设计的隧道支护结构偏于保守。2020/2/8第四章第二节设计技术19（4）岩石力学的计算方法①基本原理岩石力学方法是将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为围岩一结构模型或复合整体模型，②隧道支护结构与围岩的模拟在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，2020/2/8第四章第二节设计技术20③评价它符合当前的施工技术水平，在围岩一结构模型中可以考虑各种几何形状，围岩和支护材料的非线性特性，开挖面空间效应所形成的三维状态，以及地质中不连续面。施工过程等。在这种模型中有些问题是可以用解析法求解或用收敛一约束法图解的，但绝大部分问题，因数学上的困难必须依赖数值方法，主要是有限单元法。2020/2/8第四章第二节设计技术212020/2/8第四章第二节设计技术22（5）以围岩分级为基础的经验设计方法在大多数情况下，隧道支护体系还是依赖“经验设计”的，在实施过程中，依据量测信息加以修改和验证。经验设计的前提要正确地对坑道围岩进行分类，然后在分类的基础上编制支护结构系统的基本图示。在进行支护结构经验设计时，需要注意的几点的原则是：①首先要对坑道围岩进行分类，这些分类大都是根据地质调查结果，为各种地下工程单独编制的2020/2/8第四章第二节设计技术23②在各类岩体中，支护结构参数大体是按下述原则选用：a完整、稳定的岩体：锚杆长度1.5ｍ，n=４～４.２根/m左右，喷混凝土用于填平补齐二次衬砌用最小混凝土厚度，约３０ｃｍ左右。B易破碎、剥离的块状岩体:锚杆长度1.5~3.5ｍ，n=10根/m左右，喷混凝土0~10cm，二次衬砌30~40cm2020/2/8第四章第二节设计技术24C、有地压作用的破碎岩体锚杆长３.０～４.0ｍ，ｎ＝１０根／ｍ喷层：拱部和侧壁喷层厚约１５～２０cm。二次衬砌厚度为４０～５０ｃｍd、强烈挤压性岩体或有强大地压的岩体。锚杆长４.０～６.0，n＝１５根／ｍ左右喷层厚20～２５ｃｍ，二次衬砌厚度，５０ｃｍ左右。2020/2/8第四章第二节设计技术25③在施工中应尽量少扰动围岩，使其尽量保持原有岩体的强度，应采用控制爆破技术。④预计有大变形和松弛的情况下，开挖面要全面防护（包括正面），使之有充分的约束效应，在分台阶开挖时，上半断面进深不宜过长，以免影响整个断面的闭合时间。⑤在修二次衬砌之前要修防水层，形成具有防水性能的组合衬砌。⑥允许甚至希望岩石出现一定的变形，以减少支护所需的防护措施。2020/2/8第四章第二节设计技术26⑦应有一个详细周密的量测计划。它系统地控制施工中的变形与应力情况，确定所建立的支护阻力是否和围岩类型相适应以及是否还需要加强措施。。⑧要严格按照预定的施工程序施工。2020/2/8第四章第二节设计技术27（6）情报化设计方法①情报化设计，实质上是通过施工前和施工过程中的大量信息（情报）来指导设计和施工，以期获得最佳地下结构的一种设计方法，也有称之为信息反馈设计方法或现场预测设计方法的。2020/2/8第四章第二节设计技术28②地下工程的情报化设计方法：预测施工前的信息（主要是地质信息）——施工——进行施工监测——依其信息（主要是位移、应变、压力等）修改预设计——再施工、再量测——直到形成一个长期稳定的结构体系。它不仅包括施工前的预设计，也包括施工过程中的修正设计，把过去截然分开的施工和设计两个阶段，融化为一体，构成了一个完整的设计过程。2020/2/8第四章第二节设计技术292020/2/8第四章第二节设计技术30四、铁路隧道的设计方法我国铁路隧道的设计方法，基本上是采用结构力学的方法，即按结构——荷载模式进行设计和计算的。铁路隧道尺寸、形状比较单一。因此，铁路隧道衬砌的设计已经定型化、标准化。目前铁路隧道的标准图，包括单线、双线隧道的衬砌、洞门、明洞等。根据牵引类型的不同，又分为电力牵引、内燃牵引及蒸汽牵引等标准设计。2020/2/8第四章第二节设计技术311、设计步骤：（1）断面形式和结构尺寸的拟定——工程类比法；（2）计算作用在结构上的荷载——主动和被动荷载；（3）计算结构内力；（4）检算：安全系数，偏心距，基底承载力；2020/2/8第四章第二节设计技术322、围岩压力的计算公式（1）围岩压力坑道开挖后，欲松动变形的岩体作用在衬砌支护上的压力。2020/2/8第四章第二节设计技术33（2）深埋：埋深大于浅埋覆盖层厚度竖向均布（压力）作用：ahq式中q——竖向围岩压力，KPa；——围岩天然容重，KN/m3；ha——围岩压力计算高度,m；2020/2/8第四章第二节设计技术34S1.790.41ah1245.0sah当为单线隧道时：当为双线隧道时：其中S——围岩级别的等级，如Ⅱ级围岩，即s=2。ω——开挖宽度影响系数,以B=5m为基准，B每增减1m时围岩压力的增减率ω=1+i（B-5）,当B5，取i=0.2，当B5m，取i=0.1。2020/2/8第四章第二节设计技术35水平匀布压力如下表所示：表1围岩水平均布作用（压力）围岩级别Ⅰ-ⅡⅢⅣⅤⅥ水平匀布压力00.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1)q深浅埋分界的统计数据：表2浅埋隧道覆盖层厚度围岩级别ⅢⅣⅤ单线隧道覆盖深度（m）5～710～1218～25双线隧道覆盖深度（m）6～812～1525～30本公式适用范围：(1)埋深大于浅埋覆盖层厚度(2)H/B〈1.7H为坑道高度,(3)不产生显著偏压及膨胀的一般围岩,(4)采用钻爆法施工2020/2/8第四章第二节设计技术36（3）浅埋：：埋深h1等于或小于浅埋覆盖层厚度(按极限平衡条件推出)竖向均布压力qBtghhBPq111])(1[000tgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtg00020))(1(式中：2020/2/8第四章第二节设计技术372020/2/8第四章第二节设计技术382020/2/8第四章第二节设计技术39（4）超浅埋隧道围岩压力的计算公式当h1ha（ha为深埋隧道竖直荷载计算高度）时，取θ＝0，即：（全自重型公式）竖向围岩压力：iiihq水平侧压力：11hehe22020/2/8第四章第二节设计技术402020/2/8第四章第二节设计技术413、被动荷载的概念、局部变形理论的计算方法（1）定义：视围岩为弹性体，衬砌在主动荷载作用下，产生朝向围岩方向的变形而挤压围岩引起围岩的反作用力。（2）性质：反映围岩对地下结构变形的约束能力，围岩稳定性越强对结构变形的约束能力越大；弹性抗力的大小和分布形态取决于支护结构的变形，而支护结构的变形又和弹性抗力有关，所以说弹性抗力是主动荷载与被动荷载共同作用的结果。2020/2/8第四章第二节设计技术42（3）计算：按局部变形理论计算时，相当于把围岩简化成一系列彼此独立的弹簧，某一弹簧受到压缩时所产生的反作用力只与该弹簧有关，而与其它弹簧无关，即仅与该处的变形成正比。iik2020/2/8第四章第二节设计技术432020/2/8第四章第二节设计技术44作业：在Ⅲ级围岩中开挖一隧道，采用矿山法施工，开挖坑道高8.0m，宽6.0m。求在隧道入口埋深2.35m及埋深9m处的竖向及水平围岩压力，并比较两处的竖向围岩压力有什么特征，说明什么问题？若开挖宽度增加到12m，上述埋深处的围岩压力又是多大？说明什么问题？已知围岩容重24kN/m3，计算摩擦角65°，θ为58°.2020/2/8第四章第二节设计技术45第一、二节复习题1、地下空间利用规划的特点（P112）2、规划中的调查内容及对规划的评价3、铁路隧道围岩分级指标及分级方法4、地下结构体系主要计算模型的基本概念和模型建立方法5、围岩、围岩压力的概念；6、围岩压力的计算方法（三种埋深）7、铁路隧道结构计算的步骤；8、被动荷载的概念、