1、第 5章 隧道衬砌结构计算5.1 概述5.2 半 衬 砌的 计 算5.3 曲 墙 式 衬 砌 计 算5.1 概述一、简况1.隧道结构设计理论的发展历史（ 1）最初 的隧道衬砌使用 砖石 材料，其结构型式通常为 拱形 。采用的截面厚度常常很大，所以结构变形很小，可以忽略不计。因为构件的刚度很大，故将其视为刚性体，计算时按 静力学原理 确定其承载时压力线位置，检算结构强度 。（ 2）在十九世纪末， 混凝土 已经是广泛使用的建筑材料，它具有整体性好，可以在现场根据需要进行模注等特点。这时，隧道衬砌结构是作为超静定弹性拱 计算的，但 仅考虑作用在衬砌上的围岩压力 ，而未将围岩的弹性抗力计算在内，忽视了
2、围岩对衬砌的约束作用。其计算原理和地面结构一样。由于把衬砌视为自由变形的弹性结构，因而，通过计算得到的 衬砌结构厚度很大，过于安全 。（ 3）考虑弹性抗力的计算模型，进入本世纪后，通过长期观测，发现围岩不仅对衬砌施加压力，同时还约束着衬砌的变形。围岩对衬砌变形的约束，对改善衬砌结构的受力状态有利， 不容忽视 。2、 弹性抗力的 确定衬砌 在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩形成 “ 脱离区 ” 的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓 “ 抗力区 (如图 5-1所示 )。 在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩，相应地产生被动抵抗力，即 “ 弹性抗力 ”弹性抗力 因围岩性质、围岩压力大小和结构变形的不同
3、而异。但是对这个问题有不同的见解，即局部变形理论和共同变形理论。图 5-1局部变形理论 图 5-2 独立的弹簧共同变形理论共同 变形理论 把围岩视为 弹性半无限体 ，考虑相邻岩柱之间变形的相互影响，即考虑独立岩柱之间的联系。它用纵向变形系数 E和横向变形 系数 表示 地层特征，并考虑粘结力 C和 内摩擦角 的 影响 。但这种 方法所需围岩物理力学参数较多，计算相对复杂。5-3 联合的弹簧国际 隧道协会 (ITA)在 1987年成立了隧道结构设计模型研究组，收集和汇总了各会员国采用的地下结构设计方法。经过总结，国际隧道协会认为，目前采用的地下结构设计方法可以纳为以下 4种设计模型 :(1) 以
4、参照过去隧道工程实践经验进行工程 类比为主的 经验设计法 ;(2) 以现场量测和试验为主的实用设计方法 ;(3) 荷载 一结构模型。将围岩对结构的作用简化为荷载作用于结构上进行计算 ;(4) 连续介质 模型，将围岩和结构作为整体进行计算。包括解析法和数值法，数值计算法前主要是有限单元法，也可利用各种有限元软件来计算。从 各国的地下结构设计实践看，主要采用上述后两类计算模型， 荷载 -结构计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩 “ 松动 ” 压力的情况。利用这类模型进行隧道支护结构设计的关键问题，是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的 是 围岩 所产生的松动压力，以及弹性支承给支护结构的弹性抗力 。一旦 这两个问题解决了，剩下的就只是运用普通结构力学方法求出超静定结构的内力和位移了。属于这一类模型的计算方法有 : 弹性连续框架 (含拱形 ) 法、假定抗力法和弹性地基梁 (含曲梁和圆环 ) 法等都 可属于 荷载 -结构法。
