第1讲-隧道力学的基本概念与计算模型1

中南大学土木工程学院隧道工程系主讲教师：施成华隧道力学土木工程学院隧道工程系施成华课程安排：第1讲隧道力学的基本概念与计算模型第2讲隧道开挖后的力学行为第3讲隧道结构计算的结构力学方法（1）—力法第4讲隧道结构计算的结构力学方法（2）—位移法第5讲隧道结构计算的岩体力学方法第6讲隧道施工工作面稳定性的力学分析第7讲隧道辅助施工措施的力学分析第8讲隧道力学计算中的特殊问题隧道力学土木工程学院隧道工程系施成华参考书目：（1）关宝树编，隧道力学概论（2）潘昌实编，隧道力学数值方法（3）彭立敏等编，隧道工程（4）夏永旭等编，隧道结构力学计算（5）孙钧等编著，地下结构（6）李志业等编，地下结构设计原理与方法隧道力学第1讲隧道力学的基本概念与计算模型本讲主要内容：1、隧道力学的基本概念2、隧道工程的特点及主要结构型式3、隧道力学的研究内容4、隧道力学的发展历史5、隧道结构的力学计算模型6、初始地应力场及隧道结构荷载形式土木工程学院隧道工程系施成华1、隧道力学的基本概念众所周知，隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的，但长期以来都沿用适应于地面工程的理论和方法来解决隧道过程中所遇到的各种问题，因而常常不能正确的阐明隧道工程出现的各种力学现象和过程，使得隧道工程长期处于“经验设计”和“经验施工”局面。目前隧道工程正朝着“信息化设计、信息化施工”的目标迈进，在隧道与地下工程由“经验”到“科学”的转变过程中，隧道力学将起着重要的主导作用。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—基本概念土木工程学院隧道工程系施成华1、隧道力学的基本概念隧道力学(Tunnelmechanics)是岩土力学的一个重要组成部分。随着各种类型的地下结构物包括隧道(洞)、地下铁道、地下洞室、地下厂房、地下街道等在世界各地大量兴建，作为地下结构物设计理论基础的隧道力学日益显示出其重要性．兼之过去数十年间地下结构理论有了很大发展，隧道力学从岩土力学中划分出来成为一门独立学科的条件业已成熟。隧道力学是以岩体力学、工程地质学、结构力学、弹塑性力学、以及建筑材料和结构设计原理为基础的一门综合性的边缘学科。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—基本概念土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（1）隧道工程的特点1)荷载的模糊性2)围岩物理力学参数难以准确获得3)围岩—支护结构承载体系◆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；◆充分发挥围岩自身承载力的重要性。4)设计参数受施工方法和施作时机的影响很大5)隧道与地面结构受力的不同点—围岩抗力的存在土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（2）隧道衬砌的类型外部支护◆整体式混凝土衬砌◆砌石衬砌◆拼装式衬砌◆喷射混凝土支护内部支护◆锚杆◆注浆混合支护◆喷锚支护◆复合式衬砌土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（2）隧道衬砌的类型1）整体式混凝土衬砌轨顶面直墙式衬砌拱圈直边墙铺底直墙式衬砌内轨顶面曲墙式衬砌拱圈曲边墙仰拱土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（2）隧道衬砌的类型2）装配式混凝土衬砌土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（2）隧道衬砌的类型3)复合式衬砌2%路线设计标高C25素砼隧底填充C10素砼初期支护防水层模注二次衬砌隧道中线线路中线C25素砼复合式衬砌结构图土木工程学院隧道工程系施成华1）马蹄形第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（3）结构型式土木工程学院隧道工程系施成华2）圆形3）拱形第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（3）结构型式土木工程学院隧道工程系施成华4）双连拱形第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（3）结构型式土木工程学院隧道工程系施成华5）矩形及单跨双层结构第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（3）结构型式土木工程学院隧道工程系施成华6）单层多跨结构第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式2、隧道工程的特点与主要结构型式（3）结构型式土木工程学院隧道工程系施成华隧道是处在各种地质环境中的地下结构，因此，它必将受到周围环境的强烈影响。所谓的地质环境包括：地质体的形成及其经历；初始应力场（包括构造应力场在内）；各种地质体的物理的、力学的、构造的和时间的特性及其分类等。科学地认识地质环境对地下结构的影响是正确地进行结构设计和施工的前提。此外，隧道围岩的工程地质分类受到了极大的关注，因为隧道设计的工程类比方法大都是以围岩分类级别为依据的。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容3、隧道力学的研究内容（1）隧道地质环境的研究土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容（2）隧道施工过程的动态力学分析隧道从开挖到初期支护的施作，再到二次衬砌的施作需要一个过程，而且一般的软弱围岩隧道，多采用分部开挖施工方法，不同开挖方法和支护时机对隧道结构体系的稳定性影响很大。隧道施工阶段的力学分析包括：围岩初始应力场和开挖效应；毛洞稳定性分析；初期支护(锚喷和钢拱支护等)和二次支护(衬砌)的受力状态分析；不同施工阶段支护与围岩的相互作用及围岩稳定性分析(包括弹性分析、粘弹性分析、弹塑性分析、弹粘塑性分析、二维和三维模型等)；地下施工引起的地面沉陷等等。土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容（3）隧道使用阶段支护体系的稳定性分析一个完整的支护体系是由周围岩体和支护结构组成的。因此，支护体系的设计必须包括对周围岩体支护效应及支护结构效应的评定。必须正确地确定支护结构与坑道围岩的接触状态及其相互作用机理，建立两者的相互作用力学模式。此外，隧道工程各种材料（包括岩石及岩体、混凝土、金属材料等）的性质，尤其是长期性质都与时间有关。因此，构成隧道支护体系的岩体和结构材料也必将受到时间的影响。例如支护结构参与工作的时间、围岩压力的时间效应、岩体或混凝土徐变、流变对应力应变的影响等。土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容（4）隧道结构的动力分析隧道工程的动力分析包括隧道工程的动力性态；隧道工程地震(爆振)反应分析；隧道施工振动与地下交通隧道车辆振动对环境影响分析；列车荷载下上下重叠和交叉隧道的动力响应分析等。土木工程学院隧道工程系施成华现场测试和实验室试验是隧道力学不可缺少的组成部分。设计和施工前的隧址工程地质勘探；施工过程中结构和围岩（包括地面）的变形观测；这是指导施工和设计的重要反馈信息；实验室相似材料模型试验、光弹性模型试验以及离心机模型试验等；运营期间地下结构的静力和动力观测包括长时期的结构变形和应变观测、对地震和车辆振动反应的观测等。现场测试和实验室试验，一方面为地下结构物的设计和计算提供数据，另一方面又是检验设计和计算是否正确性的重要手段。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容（5）现场测试和室内试验的研究土木工程学院隧道工程系施成华岩土物理力学性质和本构关系的研究，既是岩土力学工作者的主要任务之一，也应该是隧道力学工作者的一项重要任务。严格地说．数值分析结果是否正确，往往取决于所选用的材料本构模型和物理力学参数是否正确。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容（6）岩土力学性质和本构关系的研究土木工程学院隧道工程系施成华4、隧道力学的发展历史最早(19世纪初期)的隧道（洞）多以砖石材料作衬砌，采用木支撑和断面分部开挖的方法施工。可以推断，当时隧道衬砌的设计是仿照拱桥进行的，其特点是只考虑衬砌承受围岩的主动荷载而未考虑围岩对衬砌变形的约束和由此产生的抗力，因此衬砌厚度偏大。其后，不同学者和工程师们在设计隧道衬砌时采用不同的假定来计及围岩对衬砌变形所产生的抗力，其中温克尔(winker)局部变形理论得到了广泛应用。这方面的代表学者有：O．康姆裂尔(1910)，B．H许特和S．约翰勒逊(1922)，A.布耳(1944)，H．舒尔茨和H．杜德克(1964)等。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—发展历史土木工程学院隧道工程系施成华与此同时，将村砌和围岩视作连续介质模型进行分析的方法也得到了发展，其中代表量学者有：H．史密特(1926)，J．塔罗勃(1957)，H．卡斯特勒(1960)，A．M．缪尔伍德(1975)。50年代以来，喷射混凝土和锚杆被广泛用作初期支护。人们逐渐认识到，这种支护能在保证围岩稳定的同时允许其有一定程度的变形，使围岩内部应力得到调整从而发挥其自持作用，因此可以将内层衬砌的厚度减小很多。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—发展历史土木工程学院隧道工程系施成华60年代中期，随着数字电子计算机的更新和岩土本构定律研究的进展，隧道工程分析方法进入了以有限元法为代表的数值分析时期。这方面的代表学者有：S．F．瑞亚斯和D．V．迪尔(1966)，0．C．辛克维奇等(1968)(1974)，E．L威尔逊(1968)，F．H．库乐荷威(1975)，W．维特基(1977)。近年来数值分析有了新的进展，无限单元、边界单元、离散单元、节理单元等在地下结构静力和动力分析中得到了广泛应用。隧道工程反分析法有了发展，其要旨是根据现场测得的围岩变形数据反演推算围岩的各种物理力学参数和初始地应力等。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—发展历史土木工程学院隧道工程系施成华由于地下结构物的地质条件和它们的用途、使用期限以及运营条件的不同，需要采用不同的设计计算方法。同时，经验、工程类比和工程师们的判断也都是必要的。有头脑的工程师们善于尊重隧道力学对某项具体工程的分析成果，并根据自己的经验和判断做出合理的设计和施工方案来指导设计和施工。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—发展历史土木工程学院隧道工程系施成华5、隧道结构的力学计算模型（1）国内外常用的隧道结构计算模型国际隧道协会(ITA)于1978年曾成立结构设计模型研究组(WorkingGrouponStructuraldesignModels)，其任务在于汇集与交流各会员国所采用的结构设计模型。该工作组于1981年提出了工作报告，给出了各会员国对四种不同类型的隧道所采用的结构设计模型。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—计算模型土木工程学院隧道工程系施成华（1）国内外常用的隧道结构计算模型第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—计算模型土木工程学院隧道工程系施成华第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—计算模型（1）国内外常用的隧道结构计算模型土木工程学院隧道工程系施成华由此，目前国内外采用的隧道结构设计模型可归纳为四种类型：1）以工程类比为依据的经验法（EmpiricalMethod）。2）以测试为依据的实用法。包括收敛—约束法(convergence—confinementMethod)、现场和实验室的岩土力学试验、应力(应变)量测以及实验室模型试验。3）结构力学方法（作用—反作用模型，Action-reactionModel)，例如弹性地基框架，弹性地基圆环（全部支承或部分支承），矩阵位移法等。这种模型亦可称为荷载—结构法。第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—计算模型（1）国内外常用的隧道结构计算模型土木工程学院隧道工程系施成华4）岩体力学方法（连续介质模型，ContinuumModel)，包括解析法和数值法两种主要的方法。解析法又分为封闭解和近似解两种方法，目前它已逐渐被数值法所取代。数值法以有限元法为主，这种模型亦可称之为连续介质力学法。隧道工程技术人员在设