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1、,s o u t h w e s t j I a o t o n g u n I v e r s I t y,西南交通大学Southwest Jiaotong University,山岭隧道课程第 五 章支护结构设计 龚伦 制作,龚伦 讲师,荷载结构模式计算方法 地层结构模式计算方法 复合式衬砌结构设计 单层衬砌结构设计 TBM管片衬砌结构设计 衬砌结构耐久性设计概要,主要内容,概述 复合式衬砌的设计 工程案例,主要内容,一 概述,复合衬砌是用锚喷支护作初期支护，模筑混凝土做二次衬砌的一种组合衬砌（二层间有或无防水层）。复合衬砌是以新奥法为基础进行设计和施工的一种新型支护结构，近几年在国内外的
2、地下工程中得到了普遍的采用。研究和实践表明：复合衬砌理论先进、技术合理，能充分发挥围岩自承能力，提高衬砌承载力，加快施工进度，降低工程造价。,复合式衬砌受力变形的特点,外层为锚喷的复合式衬砌的真实受力状态：不仅与衬砌本身的结构形式有关，而且与围岩特性以及施工工序直接相关。,复合式衬砌受力变形的特点,在新奥法施工中，复合式衬砌的施工步骤一般为：断面开挖好以后及时喷混凝土，锚杆或钢拱支架的一种或几种作为初期支护对围岩进行加固，防止有害松动，维护围岩稳定，待初期支护的变形基本稳定后，再模筑二次衬砌。,复合式衬砌受力变形的特点,初期支护是主要受力结构；二次衬砌的作用将视围岩特性而异：在坚固地层中，二次
3、衬砌仅作为安全储备；在软弱围岩中，二次衬砌不再是一种单纯的安全储备，也是受力结构的一个组成部分。,新奥法技术,新奥法(New Austrian Tunnelling Method)是奥地利学者Rabcewiz教授等一大批学者和工程技术人员在长期工程经验的基础上创立于50年代，并于1962年正式命名的一种隧道工程方法。,新奥法技术,它的创立，给隧道工程实践的科学化和技术经济的合理化带来了根本性变革，因其工艺简单，结构可靠和造价低廉等特点而引起隧道工程界的重视，并已在世界各地的矿山、铁道、水工隧道、军事工程洞库或其它地下建筑工程中推广应用。,新奥法技术,新奥法施工复合衬砌支护的基本原理在于：一是充
4、分利用或发挥围岩的自承能力；二是增强围岩的强度，均衡围岩应力的分布，并允许围岩有一定程度的变形，以减小对支护的围岩压力；三是利用现场的监测值进行反馈施工。,新奥法技术,新奥法技术修筑隧道时支护体系中岩体是主要承载单元，并允许岩体发生一定数量的变形。在岩体松弛前先向洞壁施作柔性薄层混凝土封闭岩层，必要时，用锚杆加固，以稳定围岩。这一工序可重复一二次，有时还在喷层中增设网筋，围岩变形趋于稳定后，再作一层永久支护。,复合式衬砌的国内外研究现状,很多学者为了进一步明确各种支护形式的作用机理，进行了大量的理论和试验研究。应用形状弹性应变能方法，对围岩的稳定，锚喷支护的设计及其合理施工等课题进行了较系统的
5、研究；,复合式衬砌的国内外研究现状,利用室内模型试验，对双层衬砌内外层厚度不同时的承载力、在软弱围岩中复合式衬砌结构的破坏形态、复合式衬砌内外层不同时灌注时的极限承载力与同厚度的单层衬砌承载力的比较等课题进行了研究；,复合式衬砌的国内外研究现状,利用弹塑性或粘弹塑性理论对复合式衬砌整个结构破坏时的极限承载力，围岩与支护的相互作用以及防水层对衬砌承载能力的影响等进行了分析讨论。,复合式衬砌需研究的问题,隧洞围岩变形、应力分布、破坏区域随时间的变化规律；初期支护和二次衬砌作用机理及其作用效果；复合式衬砌的设计计算方法；复合衬砌二次衬砌的模筑时间以及地层与支护刚度的匹配；围岩与支护的相互作用关系等。
6、,二 复合式衬砌的设计,初期支护设计,初期支护一般指锚杆喷射混凝土支护，必要时配合使用钢筋网和钢拱架。目前，国内一些锚喷支护设计规范都明确规定，锚喷支护设计应采用工程类比法为主，必要时辅以监控量测法和理论验算法。,初期支护设计,工程类比设计法常有直接对比法和间接类比法两种。直接对比法一般是以围岩的岩体强度和岩体完整性、地下水影响程度、洞室埋深、可能受到的地应力、工程的形状与尺寸、施工的方法、施工的质量以及使用要求等方面因素，将设计的工程与上述条件基本相同的已建工程进行对比，由此确定锚喷支护的类型与参数,（一）工程类比设计的原则与方法,初期支护设计,间接类比法一般是根据现行锚喷支护技术规范，按其
7、围岩级别表及锚喷支护设计参数确定拟建工程的锚喷支护类型与参数。,（一）工程类比设计的原则与方法,初期支护设计,遵循的原则：(1)锚喷支护设计参数表的制定是基于国内大量锚喷工程的实践，它以工程实例为依据，并经过综合分析，主要按围岩级别与洞跨给出相应支护类型与参数。,（一）工程类比设计的原则与方法,初期支护设计,遵循的原则：(2)根据不同的围岩压力特点，对拱、墙等不同部位采用不同支护参数。一般中等稳定以上的围岩，主要为局部失稳破坏而承受松散地压，支护参数的选定应贯彻“拱是重点、拱墙有别”的原则；对不稳定的围岩，主要承受变形地压，所以拱墙宜采用相同的支护参数。,（一）工程类比设计的原则与方法,初期支
8、护设计,遵循的原则：(3)力求体现锚喷支护灵活性的特点及围岩局部破坏局部加固、整体加固与局部加强的等强度支护原则。对不同的岩体和不同的部位分别采用不同的支护类型与参数。现行规范锚喷支护参数表中，对同一级的围岩级别和洞跨，给出多种锚喷支护类型和参数，以便酌情选用。,（一）工程类比设计的原则与方法,初期支护设计,遵循的原则：(4)锚喷支护参数表中，考虑了各种设计方法的配合，虽然参数表中给出的支护参数是根据工程类比确定的，但要确定最终支护参数，有的还要借助于监控设计和理论设计。,（一）工程类比设计的原则与方法,初期支护设计,（一）工程类比设计的原则与方法,遵循的原则：(5)考虑不同的工程对象，对重要
9、工程宜采用支护参数表中的上限值，而一般工程宜采用下限值。(6)支护参数由锚喷支护设计参数表与规范中的有关条文共同确定。例如对不稳定围岩，要求锚杆有一定的密度，通常在条文中规定了锚杆的最大间距限。,初期支护设计,锚喷支护参数应当是广义的、既包括支护类型、支护参数，又应包括开挖方法，仰拱施作时间和最终支护时间等。不过我国目前的锚喷支护规范还没有达到这一水平，只是规定了最终支护的施作时间。而在锚喷支护参数表中只给出了锚喷支护类型与参数。,（二）锚喷支护的类型及参数表,初期支护设计,确定锚喷支护类型与参数时，应当体现如下原则：(1)根据不同的围岩压力的特点，对拱墙采用相应的支护参数。(2)力求体现使用
10、锚喷支护类型的灵活性及允许进行局部加固围岩的特点。对不同的岩体和围岩的不同部位采用不同的支护类型与参数。,（二）锚喷支护的类型及参数表,初期支护设计,确定锚喷支护类型与参数时，应当体现如下原则：(3)锚喷支护参数表中给出的锚喷支护参数是根据工程类比确定的。但确定最终支护参数有的还要借助于监控设计与理论设计。(4)锚喷支护表中的锚喷参数，一般是根据本部门以往修建工程的设计参数，经统计和分析研究后确定的。,（二）锚喷支护的类型及参数表,二次衬砌设计,二次衬砌的作用因不同的围岩级别而异：1）对于I级稳定硬质围岩，因围岩和初期支护的变形很小，且很快趋于稳定，故二次衬砌不承受围岩压力，其主要作用是防水、
11、利于通风和修饰面层；,（一）二次衬砌的主要作用,二次衬砌设计,二次衬砌的作用因不同的围岩级别而异：2）对于II级基本稳定的硬质围岩，虽然围岩和初期支护变形小，二次衬砌承受不大的围岩压力，但考虑洞室运营后锚杆钢筋锈蚀、围岩松弛区逐渐压密，初期支护质量不稳定等原因，故施作二次衬砌以提高支护衬砌的安全度；,（一）二次衬砌的主要作用,二次衬砌设计,二次衬砌的作用因不同的围岩级别而异：3）对于IIIV级围岩，由于岩体流变、膨胀压力、地下水等作用，或由于浅埋、偏压及施工等原因，围岩变形未趋于基本稳定而提前施作二次衬砌，此时，二次衬砌主要承受较大的后期围岩形变压力。,（一）二次衬砌的主要作用,二次衬砌设计,
12、1）基本要求：(1)初期支护与二次衬砌之间的密贴程度，对复合式衬砌受力状态会产生影响。(2)支护与衬砌两层紧密粘结在一起时，两层间能传递径向力和切向力，可按整体结构验算。两层间设有防水层时，按组合结构验算，只传递径向荷载。,（二）二次衬砌结构的设计,二次衬砌设计,1）基本要求：(3)为防止洞内漏水，设计时应对二次衬砌的变形予以控制。(4)支护与衬砌间空隙部分应回填密实。,（二）二次衬砌结构的设计,二次衬砌设计,2）二次衬砌的计算：复合式衬砌分层施作，应考虑时间效应，可考虑按粘弹塑性有限元法进行计算；也可运用弹塑性理论或特征曲线法近似计算复合式衬砌；也可参考我国复合式衬砌围岩压力现场量侧数据和模
13、型试验结果及国内外有关资料，对IV级围岩，以30%50%的围岩压力作为二次衬砌的外荷载。按荷载结构模型进行计算。,（二）二次衬砌结构的设计,二次衬砌设计,2）二次衬砌的计算：由于对二次衬砌的受力机理研究认识不够深入，加之围岩的地质条件千变万化，实施二次衬砌精确的计算是困难的，应提倡运用简便而实用的计算方法。对于地质条件复杂的软弱围岩，应将上述几种方法的二次衬砌计算结果进行比较，确定一种合理简便的计算方法。,（二）二次衬砌结构的设计,二次衬砌设计,3）二次衬砌施作时间的确定：二次衬砌一般采用模筑混凝土，应在围岩和初期支护变形基本稳定后方可施作，并应具备下述条件：(1)洞室周边位移速率有明显减缓趋
14、势。(2)在拱脚以上1m和边墙中部附近的位移速度小于0.10.2mm/d，或拱顶下沉速度小于0.070.15mm/d。(3)初期支护表面裂缝不再继续发展。,（二）二次衬砌结构的设计,二次衬砌设计,3）二次衬砌施作时间的确定：(4)施作二次衬砌前的位移值，应达到总位移值的80%90%。(5)当采取一定措施仍难以符合上列条件时，可提前施作二次衬砌，且应予加强。当洞室较短且围岩自稳性能较好时，为减少各工序间的干扰，可在整个洞室贯通后再作二次衬砌。,（二）二次衬砌结构的设计,二次衬砌设计,4）加强二次衬砌的措施：当围岩和初期支护尚未基本稳定而提前施作的二次衬砌，或在浅埋、偏压、膨胀性围岩和不良地质地段
15、施作二次衬砌，均要承受较大的围岩压力，故要求采取如下措施加强二次衬砌：,（二）二次衬砌结构的设计,二次衬砌设计,4）加强二次衬砌的措施：(1)改变衬砌形状，以适应外荷情况，减少衬砌弯矩，使衬砌断面基本受压。(2)提高混凝土标号，或采用钢筋混凝土、钢纤维混凝土等能提高抗弯曲强度的材料。,（二）二次衬砌结构的设计,二次衬砌设计,4）加强二次衬砌的措施：(3)修建仰拱使衬砌形成封闭结构，以提高结构的整体刚度，减少围岩变形。(4)采用超前支护，注浆加固地层等措施，以增加岩体强度，提高围岩整体稳定性。,（二）二次衬砌结构的设计,复合式衬砌防水层的设计,地下洞室应根据要求采取防水措施。当有地下水时，初期支
16、护和二次衬砌之间可设置塑料板防水层或采用喷涂防水层，并可采用防水混凝土衬砌。1）塑料板防水层；2）喷涂防水层；3）防水混凝土。,三 工程案例,工程概况,深溪沟电站运碴隧道进口段地形陡峻，地势险要，洞口部位地形自然坡度5560。运碴隧道共有A、B两个线路方案，A方案下穿铁路段，上覆地层主要为弱风化白云质灰岩，而B方案下穿段第四系覆盖层较厚，两方案比较，因A方案地质条件相对较好，对控制沉降有利。,工程概况,运碴隧道地形图,运碴隧道进口地层图,工程概况,公路隧洞穿越长河坝火车站铁路时上覆岩体约有12.7m厚，从现场地质测绘和钻孔资料分析，该段岩体中节理裂隙较发育，特别是岩体受层面裂隙和陡倾角裂隙相互
17、切割，对隧洞顶拱及边墙的围岩稳定影响较大，围岩级别为、级。,计算说明,复合式衬砌类型与尺寸系根据围岩级别、地形、地质条件，以工程类比为主拟定的。结构计算，根据共同变形理论，按地层-结构模式进行计算。,（一）计算原则,计算说明,采用大型有限元软件ANSYS进行计算。二维地层结构模式的计算范围左右取80m，底部取60m，顶部取至地表面，计算中，锚杆采用杆单元，初期支护采用弹性梁单元，地层采用弹塑性等参单元，左右水平约束，底部竖向约束，顶面自由。,（二）计算模式及说明,计算说明,由于缺乏地应力量测资料，且埋深较浅，可取自重应力场作为初始应力场，可由有限元模型求得。,（三）初始应力场及开挖模拟,计算说
18、明,围岩物理力学参数:建筑材料物理力学参数,（四）各级围岩和建筑材料的物理力学指标,计算说明,由设计图，下穿铁路段的拱墙初期支护采用锚喷加型钢支护，C20喷射混凝土厚25cm，22锚杆长3.5m；二次衬砌拱部、边墙、仰拱全部采用C25钢筋混凝土，拱墙厚80cm，仰拱厚50cm。,（五）支护参数,计算说明,由于隧道下穿铁路，考虑火车停靠和经过的影响，加上了列车荷载，列车荷载按“中活载”计算：其中，qh为载轨底以下深度h处，列车活载的竖向压力强度，h计为轨底到道碴底面计为0.75m。同时，考虑冲击系数（1u）。,（六）荷载计算,计算分析,（一）全断面法分析,1）计算模型,计算分析,（一）全断面法分
19、析,2）施工阶段初期支护内力图,全断面开挖后初期支护弯矩图(kN.m)全断面开挖后初期支护轴力图(kN),计算分析,（一）全断面法分析,3）二次衬砌内力图,全断面开挖后二衬支护弯矩图(kNm)全断面开挖后二衬支护支护轴力图(kN),计算分析,（一）全断面法分析,4）结构内力检算,初期支护及二衬截面控制点结构检算,计算分析,（一）全断面法分析,5）结构内力分析 a、全断面法开挖后初期支护最大正弯矩是左右墙脚位置，数值为7.40kNm，最大负弯矩出现在左右拱脚处，其值为-8.03kNm，与弯矩相对应位置的轴力分别是-376.66kN和-707.47kN；,计算分析,（一）全断面法分析,5）结构内力
20、分析 b、二次衬砌最大正弯矩在拱顶位置，其数值为47.64kNm，最大负弯矩出现在左右墙脚，其值为-189.60kNm，与弯矩相对应位置的轴力分别是-189.90kN和-365.14kN。经检算，全断面开挖的初期支护及二次衬砌的结构都能满足要求。,计算分析,（二）双侧壁导坑法,1）计算模型,计算分析,（二）双侧壁导坑法,2）各施工阶段初期支护内力图,左上台阶开挖后初期支护弯矩图(kNm)左上台阶开挖后初期支护轴力图(kN),计算分析,（二）双侧壁导坑法,2）各施工阶段初期支护内力图,左下台阶开挖后初期支护弯矩图(kNm)左下台阶开挖后初期支护轴力图(kN),计算分析,（二）双侧壁导坑法,2）各
21、施工阶段初期支护内力图,右上台阶开挖后初期支护弯矩图(kNm)右上台阶开挖后初期支护轴力图(kN),计算分析,（二）双侧壁导坑法,2）各施工阶段初期支护内力图,右下台阶开挖后初期支护弯矩图(kNm)右下台阶开挖后初期支护轴力图(kN),计算分析,（二）双侧壁导坑法,2）各施工阶段初期支护内力图,中上台阶开挖后初期支护弯矩图(kNm)中上台阶开挖后初期支护轴力图(kN),计算分析,（二）双侧壁导坑法,2）各施工阶段初期支护内力图,中中台阶开挖后初期支护弯矩图(kNm)中中台阶开挖后初期支护轴力图(kN),计算分析,（二）双侧壁导坑法,2）各施工阶段初期支护内力图,中下台阶开挖后初期支护弯矩图(k
22、Nm)中下台阶开挖后初期支护轴力图(kN),计算分析,（二）双侧壁导坑法,2）各施工阶段初期支护内力图,二次衬砌施工后初期支护弯矩图(kNm)二次衬砌施工后初期支护轴力图(kN),计算分析,（二）双侧壁导坑法,3）二次衬砌内力图,二次衬砌施工后二衬弯矩图(kNm)二次衬砌施工后二衬轴力图(kN),计算分析,（二）双侧壁导坑法,4）各施工阶段结构内力检算,各施工阶段初期支护及二衬控制点结构检算,计算分析,（二）双侧壁导坑法,5）结构内力分析 采用侧壁导坑法进行施工时，各工序结构受力分析如下：a、左上台阶开挖后初期支护最大弯矩在左拱脚向上1/6拱位置，数值为17.21kNm，与弯矩相对应位置的轴力
23、为-207.77kN；,计算分析,（二）双侧壁导坑法,5）结构内力分析 b、左下台阶开挖后初期支护最大正弯矩发生在左拱脚向上1/6拱位置,其值为25.211kNm，最大负弯矩在左拱脚与临时仰拱相交处,数值为-2.36kNm，与弯矩相对应位置的轴力分别为-255.96kN和-41.66kN；,计算分析,（二）双侧壁导坑法,5）结构内力分析 c、右上台阶开挖后初期支护最大正弯矩发生在左右拱脚向上1/6拱位置,其值为28.55kNm，最大负弯矩在右拱脚与临时仰拱相交处,数值为-1.69kNm，与弯矩相对应位置的轴力分别为-301.87kN(左侧)、-251.57kN(右侧)和-402.52kN；,计
24、算分析,（二）双侧壁导坑法,5）结构内力分析 d、右下台阶开挖后初期支护最大正弯矩发生在左右拱脚向上1/6拱位置,其值为40.31kNm，与弯矩相对应位置的轴力为258.75kN；e、中上台阶开挖后初期支护最大正弯矩发生在右拱脚向上1/6拱位置,其值为38.00kNm，与弯矩相对应位置的轴力为-1080kN；,计算分析,（二）双侧壁导坑法,5）结构内力分析 f、中中台阶开挖后初期支护最大正弯矩发生在右拱脚向上1/6拱位置,其值为42.49kNm，与弯矩相对应位置的轴力为-1128kN；,计算分析,（二）双侧壁导坑法,5）结构内力分析 g、中下台阶开挖后初期支护最大正弯矩发生在右拱脚向上1/6拱
25、及左右拱脚位置,其值为40.71kNm，与弯矩相对应位置的轴力为-1037kN,最大负弯矩出现在左拱脚向上1/6处，其值为-7.77kNm，与弯矩相对应位置的轴力为-1347kN；,计算分析,（二）双侧壁导坑法,5）结构内力分析 h、二次衬砌施作后初期支护最大正弯矩在左拱腰、右拱脚向上1/6拱处、左拱脚处，数值为35.95kNm，最大负弯矩出现在左拱脚向上1/6处，其值为-11.63kNm，与弯矩相对应位置的轴力分别是-981.06kN、-1266kN、-1171kN和-1551kN；,计算分析,（二）双侧壁导坑法,5）结构内力分析 i、二次衬砌最大正弯矩在左、右拱腰位置，其数值为44.27kNm，最大负弯矩出现在左、右墙脚，其值为-206.24kNm，与弯矩相对应位置的轴力分别是-209.60kN和-388.91kN。经检算，双侧壁导坑法开挖的初期支护及二次衬砌的结构都能满足要求。,
