《隧洞设计方法探索》PPT课件.ppt

均质隧洞破坏机理及其设计方法,重庆市地质灾害防治工程技术研究中心中国人民解放军后勤工程学院,教授,郑颖人,一、传统隧洞破坏机理（基于松散体理论）1、深埋隧洞破坏机理地层形成普氏压力拱,承受压力拱下土体重量2、浅埋隧洞破坏机理隧洞上部土体坍塌，存在应力传递,深埋隧洞的压力拱,太沙基浅埋理论,二、现代隧洞破坏机理(基于弹塑性理论),2004年郑颖人等应用有限元强度折减法求,破裂楔体,拉布希维兹,楔体,喷混凝土,破裂面,隧洞围岩安全系数,有限元强度折减法计算过程：不断降低岩土C、值和抗滑力，直到破坏。,强度降低的倍数就是隧洞的安全系数并能求出围岩的破裂面,2 深埋隧洞的滑裂破坏面,水泥、石膏、滑石粉的比例为0.2：0.6：0.2,隧洞跨度8 cm洞高12 cm洞深15cm,405215cm,模型尺寸：,隧洞模型,试验方案,模型试验与数值模拟结果对比分析,(a)方案一,(b)方案二,(c)方案三,(d)方案四,(e)方案五,模型试验,数值模拟,模型试验与数值模拟结果,深埋隧洞破裂面位置确定,围岩等效塑性应变与潜在破裂面,(a)1号路径,破裂面发生在位移或塑性应变突变处，一般是塑性应变最大的地方。,(b)2号路径,(c)3号路径,(d)4号路径,等效塑性应变与X坐标关系曲线图,(e)5号路径,土质深埋隧洞侧向破坏的工程监测,（1）隧洞拱顶锚杆受力小，两侧受力大。（2）钢架水平收敛位移平均19mm，大于 拱顶与拱脚差异沉降平均9.8mm,3 浅埋隧洞的滑裂破坏面,(a)模型破坏(压力28KN)(b)数值模拟（压力26KN）,浅埋隧洞破坏面,洞跨8m，埋深3m,4不同埋深下隧洞的破坏过程,（1）矩形洞室,埋深1米，安全系数0.3,埋深3米，安全系数0.52,洞跨12m 高5m,埋深1米，在顶部中间破坏。,埋深3m，在肩部破坏，安全系数随埋深增大。,c=40kpa,埋深7米，安全系数0.65,埋深8米，安全系数0.64,埋深9米，安全系数0.66,随埋深增加逐步形成浅埋压力拱,埋深9m形成浅埋压力拱安全系数逐渐增大,埋深10米，安全系数0.69,埋深12米，安全系数0.7,埋深10m浅埋压力拱逐渐消失形成深埋压力拱（拱高5M)埋深910m是深浅埋的分界线按规范公式hq为12m,埋深15米，安全系数0.7,逐渐形成两个破裂面压力拱高不变安全系数不变,埋深18米，安全系数0.7,埋深30米，安全系数0.67,埋深50米，安全系数0.61,安全系数基本不变拱顶与侧壁出现两破裂面,安全系数随深度减少明显出现两侧先破坏,安全系数随深度减少两侧破坏,矩形隧洞破坏机理：1、随埋深从拱顶破坏到拱肩破坏2、开始时安全系数增加，逐渐形成浅埋压力拱，最大拱高9m3、埋深10m后，浅埋压力拱消失，形成深埋压力拱，拱高约5m，安全系数不变,4、9 10m为深浅埋分界标准，按规范公式为12m5、10 18m,普氏拱高度不变，安全系数不变6、18m后，破坏逐渐先从侧向开始，随埋深增加，安全系数减少，出现侧向破坏后的塌落拱,（2）拱形洞室,埋深4米，安全系数0.87,埋深7米，安全系数0.84,埋深1m拱顶中间破坏,埋深4m，拱腰破坏,埋深7m，拱肩破坏与矩形不同，随深度增加安全系数减少。拱形洞室受力优于矩形洞室。,埋深3.5米，安全系数0.88,埋深10米，安全系数0.82,埋深8米，安全系数0.82,浅埋压力拱逐渐形成拱顶破坏,埋深9米，安全系数0.82,埋深9m,浅埋压力拱形成拱顶破坏,埋深10m,浅埋压力拱逐渐消失同时出现侧向破坏,不形成深埋压力拱,埋深12米，安全系数0.81,埋深15米，安全系数0.8,埋深12m、15m,浅埋压力拱逐渐消失隧洞侧向破坏，埋深10米是深浅埋分界线规范为12米,埋深30米，安全系数0.77,埋深20米，安全系数0.78,先侧向破坏随埋深增加，安全系数不断减少侧向破坏后形成塌落平衡拱,埋深50米，安全系数0.75,埋深4米，安全系数0.87,埋深4米，安全系数1.32,（3）不同强度时拱形洞室等效塑性应变图比较,强度不同，安全系数不同，图形基本相同。,埋深3.5米，安全系数0.88,埋深3.5米，安全系数1.37,c=40kpa,c=70kpa,埋深8米，安全系数为1.22,埋深8米，安全系数0.82,埋深9米，安全系数1.20,埋深9米，安全系数0.82,埋深7米，安全系数为1.25,埋深7米，安全系数0.84,埋深10米，安全系数为1.18,埋深10米，安全系数0.82,埋深12米，安全系数1.15,埋深12米，安全系数0.81,埋深15米，安全系数为1.12,埋深15米，安全系数0.8,埋深20米，安全系数为1.07,埋深20米，安全系数0.78,埋深30米，安全系数为1.03,埋深30米，安全系数0.77,埋深50米，安全系数为0.9 深、浅埋分界线取决于洞形与洞跨,埋深50米，安全系数为0.75,拱形隧洞破坏机理：1、随埋深从拱顶破坏到拱肩破坏2、拱形洞室受力明显优于矩形洞室，随埋深增加，安全系数减小，先逐渐形成浅埋压力拱，最大拱高9m3、埋深10m后，浅埋压力拱消失，形成两个破裂面。10为深浅埋分界标准，按规范公式为12m,4、不存在普氏压力拱，随埋深逐渐转为侧向破坏。5、12m后，破坏明显先从侧向开始，随埋深增加，安全系数减少6、深浅埋分界与洞形洞跨有关,与强度关系不大,三、目前隧洞设计中存在的问题,1、设计方法不符合实际，如形变压力采用荷载-结构法，使设计偏于保守。2、采用形变压力法没有客观破坏标准，使设计保守。,开挖后塑性区 破坏时塑性区,3、现行隧洞破坏状态判据研究,1)以洞周位移或收敛位移为判据存在的问题 测点位置不同，位移值不同，位移标准也不同，不知道最敏感的测点位置 力学分析中，没有以位移表述的破坏标准，极限位移值按经验确定.,弹性模量E对洞周位移影响很大,表1 不同弹性模量的计算结果,岩土的弹性模量很难测准，严重影响计算结果,断面形状、尺寸不同，收敛位移界限不同,类围岩不同断面的相对收敛位移界限标准,三心圆拱扁平直墙拱窄高直墙拱小断面（57.55）大断面(101510),2)以塑性区大小为破坏判据的问题,位移值大小主要取决于弹模，塑性区大小主要取决于强度力学分析中还没有以塑性区大小的破坏标准，塑性区大小的判据也按经验确定,图1开挖后围岩的塑性区(=0.20),图2开挖后围岩 的塑性区（=0.25）,图3开挖后围岩 的塑性区(=0.30),不同的泊松比对塑性区大小有很大影响,图4开挖后围岩 的塑性区(=0.35),图5开挖后围岩 的塑性区(=0.40),（,图6开挖后围岩 的塑性区(=0.45),表3不同泊松比的计算结果,泊松比不易测准，对塑性区大小影响很大,但对安全系数影响很小,泊松比,不同数值分析软件对塑性区大小的影响,ANSYS软件计算的塑性区,PLASIX软件计算的塑性区,FLAC软件计算的塑性区,采用不同软件计算的塑性区大小,PLAXIS FLAC ANSYS,断面形状尺寸不同,标准不同,塑性区面积比:三心圆拱扁平直墙拱窄高直墙拱小断面经验破坏判据塑性区深度为洞跨的11.5倍大断面经验破坏判据塑性区深度为洞跨的0.751倍,四、黄土隧洞剪切安全系数计算,材料破坏分为剪切破坏与拉破坏黄土隧洞安全系数可分为剪切安全系数与拉裂安全系数黄土隧洞在施工与运行中破坏主要由土体强度降低引起，建议采用强度储备安全系数,不断降低抗剪强度，直到破坏，求出剪切安全系数。工程概况某无衬砌黄土洞室，跨度3米，侧墙高1.5米，埋深30米。矢跨比取0、1/6、1/3、1/2、2/3，拱高取 0.0、0.5、1.0、1.5、2.0米；,表5 土体物理力学参数,折减、计算结果（FLAC）,表6 不同矢跨比条件的下剪切安全系数,、,不同矢跨比的剪切安全系数（ANSYS）,、,两种软件计算误差小于2%,老黄土中洞室安全，新黄土中洞室不安全,开挖后的塑性区,破坏时的塑性区,拱高0.5米,等效塑性应变和潜在破裂面,开挖后的塑性区,破坏时的塑性区,等效塑性应变和潜在破裂面,拱高1米,开挖后的塑性区,破坏时的塑性区,等效塑性应变和潜在破裂面,拱高1.5米,隧洞设计计算方法:、II级岩体可按风险设计。III、IV、V级可按稳定性计算设计，一般可采用形变压力计算。既要保证围岩的一定安全度，又要保证衬砌达到足够安全度，当不能保证围岩长期稳定时，必须采用松动压力计算。,五、有衬砌时黄土洞室设计,隧洞设计标准（稳定标准）的确定,(1)对初期支护：围岩应力释放50%后，施加初期支护,要求围岩具有1.151.20的安全系数，初衬建议安全系数1.30左右,确保施工安全.(2)对二次支护：在初期支护以后施加二衬，要求围岩安全系数高于1.151.20。对于衬砌按现行规范的规定安全系数大于2.02.4，确保长期安全,（1）不做初期支护时的设计黄土洞室毛跨7米，高6.5米，矢跨比1/2，埋深40米，衬砌厚度25cm，,表 土体力学物理参数,图 开挖后围岩塑性区,采用强度折减法求围岩安全系数,无论深埋或浅埋，衬砌承受形变压力，但不需求结构上形变压力，可直接求出衬砌内力，由此可得衬砌安全系数。根据规范公式计算：一般情况下，只考虑抗压安全系数，由材料抗压强度控制结构承载能力 KNRabh（规范要求K2.4或2.0）特殊情况下，按抗裂要求计算：当轴向力偏心矩e0 0.20h时，由材料的抗拉强度控制结构承载力 KN1.75Rabh/(6e0/h-1),弯矩图,轴力图,衬砌安全系数,无初期支护时,衬砌结构安全系数表,初期支护：锚喷支护，喷层厚度15cm计算时，锚杆支护以增加10%粘聚力代替二次支护：厚25cmC30混凝土设计安全系数要求：初期支护围岩安全系数大于 1.151.20 衬砌安全系数大于 1.30二次支护衬砌安全系数，大于22.4,（2）有初期与二次支护时的设计,表 衬砌以及围岩安全系数表,洞跨12m初衬厚度为30cm二衬厚度60cm,老黄土,C=0.05=25新黄土,C=0.022=20,（3）铁路双线隧道双模筑复合式衬砌计算,老黄土衬砌以及围岩安全系数表,初期支护安全系数,二次支护安全系数,新黄土衬砌以及围岩安全系数表,计算结论,1、老黄土隧洞 安全系数初期支护 厚度30 cm 围岩1.18 衬砌1.95 二次支护 厚度40 cm 围岩1.31 衬砌3.15 2、新黄土隧洞初期支护 厚度30 cm 围岩1.15 衬砌1.36 二次支护 厚度60 cm 围岩1.33 衬砌2.69,结 语,一、隧洞破坏机理，深埋与浅埋不同；二、隧洞有剪切破坏与拉破坏，一般情况 下只考虑剪切破坏；三、围岩的剪切安全系数可采用有限元强 度折减法计算；四、初衬与二衬的安全系数可按结构安全 系数计算，可由有限元法自动求得；五、隧洞设计既要保证围岩安全，又要保证衬砌安全；既要保证施工安全，又要保证运行安全。,