隧道 结构计算分析
隧道结构力学计算
隧道结构力学计算
隧道结构力学计算是指对隧道结构进行力学分析和计算，以确定其受力状态和安全性。
隧道结构力学计算涉及以下几个方面的内容：
1. 隧道结构受力分析：通过分析隧道结构的受力情况，确定隧道在各个截面上的受力分布，包括截面内的轴力、弯矩、剪力等。
同时还需要考虑隧道的开挖和围岩的变形对结构的影响。
2. 结构稳定性计算：对隧道结构进行稳定性计算，包括抗滑稳定性、抗倾覆稳定性等。
通过确定结构的稳定性，可以评估结构的安全性。
3. 结构设计计算：根据受力分析和稳定性计算的结果，进行结构设计计算。
包括确定结构的截面尺寸、钢筋配筋等。
4. 结构材料力学性能计算：对结构材料的力学性能进行计算，包括混凝土的强度、钢筋的抗拉强度等。
在进行隧道结构力学计算时，需要应用力学原理和数学方法进行分析和计算。
通过合理的力学计算，可以评估隧道结构的安全性，并进行结构设计优化，确保隧道的运行安全。
第6章隧道结构计算
α— 轴向力偏心影响系数。 1 1.5 e0 h
抗拉控制检算
大偏心判断准则：
e0 0.2h
此时承载能力由抗拉强度控制：
KN 1.75Rlbh
6e0 1 h
式中： Rl — 混凝土的抗拉极限强度，
其它符号意义同前。
6.5 衬砌截面强度验算
6.4 隧道洞门计算
1.洞门墙墙身抗压承载能力计算(承载能力极限状态)
2.洞门墙墙身抗裂承载能力计算(正常使用极限状态)
6.4 隧道洞门计算
3.洞门墙地基承载能力计算
4.抗倾覆计算 5.抗滑动计算
6.5 衬砌截面强度验算
6.5.1 检算内容
（1）安全系数检算 （2）偏心检算
6.5.2 适用范围
铁路隧道拼装式衬砌、复合式衬砌 双线隧道整体式衬砌 公路隧道衬砌结构
6.5.3 安全系数检算
（1） 允许安全系数 混凝土和石砌结构的强度安全系数
圬工种类及 荷载组合
破坏原因
混凝土
主 附主 要 加要 荷 荷、 载载
石砌体 主 附主 要 加要 荷 荷、 载载钢筋ຫໍສະໝຸດ 凝土主附主要
加要
荷
荷、
载
载
（钢筋）混凝土或石砌
设围岩垂直压力大于 侧向压力， 则存在拱顶 脱离区，两侧 抗力区。
6.2 结构力学方法
6.2.3 隧道衬砌荷载分类
(1) 主动荷载 主要荷载：围岩压力、支护结构自重、回填土荷载、地下 静水压力及车辆活载等。 附加荷载：冻胀压力、地震力等。 (2) 被动荷载 被动荷载是指围岩的弹性抗力，计算有共同变形理论和局 部变形理论。
直刚法计算流程
隧道 计算方法(一)
隧道计算方法(一)隧道计算方法隧道设计和计算是一项非常复杂的工作，需要考虑许多因素。
以下是几种常见的隧道计算方法：确定隧道几何参数在进行隧道计算前，首先需要确定隧道的几何参数，如隧道的长度、宽度、高度以及曲率等。
这些参数的确定会对隧道的稳定性和安全性产生直接影响，因此是隧道计算的基础。
地质勘察隧道的地质环境是隧道设计和计算的另一个重要因素。
在进行隧道计算前，需要对隧道周围的地质环境进行详细的勘察和记录。
这包括岩层类型、岩土力学特性、地下水情况等。
进行结构计算隧道结构计算是隧道设计和计算中最为重要的部分，它包括隧道围岩的稳定性分析、衬砌结构的设计和力学分析等，其目的是确保隧道结构的稳定性和安全性。
选择合适的材料隧道计算中还需要考虑选择合适的材料来进行隧道结构的建造。
这包括衬砌材料、隧道灌注材料等。
需要根据实际情况进行选择，以确保隧道的稳定性和安全性。
进行施工监控在隧道施工过程中，需要进行严格的监控和管理，确保隧道结构的施工按照设计要求进行。
这包括监测围岩变形情况、测量隧道直径、长度、高度等。
通过以上几种方法的综合应用，可以对隧道进行全面的计算和分析，确保隧道的稳定性和安全性，保护隧道使用者的生命和财产安全。
进行隧道风险评估隧道的风险评估是隧道计算的重要一环。
通过对隧道建设和使用中可能产生的风险进行评估，可以提前发现和预防潜在的危险因素，并采取相应的措施进行风险控制。
模拟隧道使用场景在进行隧道计算前，需要对隧道实际使用场景进行模拟，以便更好地理解和评估隧道结构在不同情况下的变化和影响。
这通过应用计算机数值模拟等方法实现。
考虑隧道维护和管理隧道计算不仅仅是关于隧道建设和使用的问题，还需要考虑隧道的维护和管理。
这包括隧道设施的维护、监控设备的定期检查、应急预案的制定等，以便随时应对隧道发生的异常情况。
采用推荐的计算工具和方法在进行隧道计算前，需要选择适合的计算工具和方法。
此外，还需要遵守一定的科学规范和行业标准，以确保隧道计算结果的可靠性和准确性。
隧道的结构计算公式及强度验算
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，忽视了围岩 对衬砌的约束作用。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。大量的隧 道工程实践表明，衬砌厚度可以减小，所以，后来上述两种计 算方法不在使用了。
图4-3
脚反力的作用下围岩表面将发生弹性变形，使拱脚产生角位移 和线位移。拱脚位移将使拱圈内力发生改变，因而计算中除按 固端无铰拱考虑外，还必须考虑拱脚位移的影响。对于拱脚位 移，还可以作些具体分析，使计算图式得到简化。通常，拱脚 截面剪力很小，它与围岩之间的摩擦力很大，可以认为拱脚没 有径向位移只有切向位移，所以在计算图式中，在固端支座上 用一根径向刚性支承链杆加以约束，见图4-4(a)。切向位移可 以分解为垂直方向和水平方向两个分位移。在结构对称、荷载 对称条件下，两拱脚的位移也是对称的。对称的垂直分位移对 拱圈内力不产生影响。拱脚的转角 和切向位移的水平分位移
图4-4
式中： ——单位变位，即在基本结构上，因
作用时，在Xi方向
上所产生的变位；
——荷载变位，即基本结构因外荷载作用，在Xi方向的变位；
f ——拱圈的变位都能求出，则可用结构力学的力法
知识解算出多余未知力X1和X2，那时，拱圈内力即可求出。
三、拱脚位移计算
1. 单位力矩作用时 单位力矩作用在拱脚围岩上时，拱脚截面绕中心点a转过
一个角度 ，见图4-6，拱脚截面仍保持平面，其内(外)缘处 围岩的最大应力 为：
式中： ——拱脚截面厚度；
b ——拱脚截面纵向单位宽度，
隧道工程第5章-隧道支护结构计算课件.ppt
e
ue
a
e
(4
3
)
a
e
e
(14
15
)
e
2 2
4
14
3
1
4
2
10
当基础无扩展时，墙顶位移为：
0 cp
uc0p
M
0 cp
1
M c0pu1
H
0
cp
2
H c0pu2
eeuee00
墙顶截面的弯矩Mc、水平力Hc、转角c、水平位移uc为：
Mc Hc
c
M
0 cp
X1
X2
另一种是开挖后，洞室围岩产生塑性区，此时洞室都要 采用承载的支护结构，支护结构对洞室围岩应力状态和位移 状态产生影响。
根据弹性力学和岩体力学可得，隧道壁的径向位移与支护阻 力之间的关系式：
u
பைடு நூலகம்
|r r0
r0 2G
(Hc
sin
C
cos)[(1
sin )
Hc C cot pa C cot
1sin
心某一距离的各点，其应力值是相同的，因此围岩中的塑性 区必然是个圆形区域。令这个圆形塑性区的半径为R0，那么
在塑性区与弹性区的交界面上(即在r=R0处)，塑性区的应力 p与弹性区的应力 e一定保持平衡，同时，交界面上的应力
既要满足弹性条件，又要满足塑性条件，可得到在r=R0处：
围岩弹塑性区
p r
p
替，便可得到变位积分的近似计算公式：
ik
S E
ip
S E
MiMk
M
I iM
p
I
11
S E
隧道结构计算的结构力学法
9.隧道衬砌结结构计算的矩阵位移法计算步骤：(1)计算衬砌单元刚度位移矩阵(2)计算链杆刚度 (3)计算墙底支座的刚度矩阵(4)集成总体刚度矩阵，并计算各元素值(5)消去已知位移(6)计算节点位 移(7)计算单元节点力。
7.外荷载产生的位移μhp和直墙拱的结构计算:(1)由弹性地基梁公式,计算系数μ1，β1，μ2， β2(墙顶位移)(2)由主动荷载及单位弹性抗力所产生的h点位移计算单位弹性抗力所产生的位移μhσ(3) 由μhp和μhσ求得弹性抗力σh(4)根据任一截面i处的内力表达式得拱的截面内力(5)求出直梁的内力(6) 校核。
10.拱形直墙计算模型：拱圈是一个拱脚弹性固定的无铰拱，拱圈弹性抗力假定为二次抛物线分 布，边墙视为弹性地基梁，全部抗力由文壳勒假设确定。
11.弹性地基梁分类：对于弹性地基梁按其相对长度al不同，可分为以下三种情况：当 1≤al≤2.75，认为是短梁，即梁的一端受力和变形会影响到另一端。当al≥2.75，认为是长梁，即 梁的一端受力和变形不会影响到另一端。当al≤1，认为是绝对刚性梁，即整个梁只产生平动和 转动。
14.矩阵力法和位移法的区别：力法：柔度方程：力;位移法：刚度方程：位移。计算衬砌 结构的单元有三种：一是模拟衬砌结构偏心受压的衬砌单元;二是模拟围岩约束衬砌自由变形 的链杆单元;三是模拟墙底地层约束墙脚变形的弹性支座单元。
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隧道工程第6章 隧道结构计算
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6.3 半衬砌的计算
拱圈直接支承在坑道围岩侧壁上时，称为半衬砌， 如图6.3所示。常适合于坚硬和较完整的围岩（Ⅱ、Ⅲ 级）中，或用先拱后墙法施工时，在拱圈已作好，但马 口尚未开挖前，拱圈也处于半衬砌工作状态。 6.3.1 计算图式、基本结构及正则方程 道路隧道中的拱圈，一般矢跨比不大，在垂直荷载 作用下拱圈向坑道内变形，为自由变形，不产生弹性抗 力。由于支承拱圈的围岩是弹性的，即拱圈支座是弹性 的，在拱脚反力的作用下围岩表面将发生弹性变形，使 拱脚产生角位移和线位移。
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6.4 曲墙式衬砌计算
在衬砌承受较大的垂直方向和水平方向的围岩压力 时，常常采用曲墙式衬砌形式。它由拱圈、曲边墙和底 板组成，有向上的底部压力时设仰拱。曲墙式衬砌常用 于Ⅳ耀Ⅵ级围岩中，拱圈和曲边墙作为一个整体按无铰 拱计算，施工时仰拱是在无铰拱业已受力之后修建的， 因此，一般不考虑仰拱对衬砌内力的影响。 6.4.1 计算图式在主动荷载作用下，顶部衬砌向隧 道内变形而形成脱离区，两侧衬砌向围岩方向变形，引 起围岩对衬砌的被动弹性抗力，形成抗力区，如图6.11 所示。抗力图形分布规律按结构变形特征作以下假定：
3
③作用与反作用模型，即荷载—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。从各国的地下结构设计实践 看，目前在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算 模型：一类是以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载 同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型；另一类 则相反，视围岩为承载主体，支护结构则为约束围岩变 形的模型。
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视为自由变形得到的计算结果。 由于没有考虑弹性抗力，所以弯矩是比较大的，因此截 面也较厚。如果围岩较坚硬，或者拱的形状较尖，则可 能有弹性抗力。衬砌背后的密实回填是提供弹性抗力的 必要条件，但是拱部的回填相当困难，不容易做到密实。 仅在起拱线以上1耀1.5m 范围内的超挖部分，由于是用 与拱圈同级的混凝土回填的，可以做到密实以外，其余 部分的回填则比较松散，不能有效地提供弹性抗力。拱 脚处无径向位移，故弹性抗力为零，最大值在上述的1 耀1.5m 处，中间的分布规律较复杂，为简化计算可以 假定为按直线分布。考虑弹性抗力的拱圈计算，可参考 曲墙式衬砌进行。
顶管隧道结构计算
顶管隧道结构计算E.1 管道允许顶力计算E.1.1 钢管顶管传力面允许最大顶力可按下式计算： 134ds s pQdF f A r ϕϕϕ=.F ds =0.5φ1φ3φ4γQdf s A p .（E.1.1-1）式中：ds F —— 钢管管道允许顶力设计值（N ）；1ϕ—— 钢管受压强度折减系数，可取1.00；3ϕ——钢管脆性系数，可取1.00；4ϕ——钢管顶管稳定系数，可取0.36；当顶进长度小于300m 且穿越土层均匀时，可取0.45；s f —— 钢管受压强度设计值（N/mm 2）； p A ——管道的最小有效传力面积（mm 2）；Qd γγQd ——顶力分项系数，可取1.30。
E.1.2 钢筋混凝土管顶管传力面允许最大顶力可按下式计算： 12350.5dc c pQd F f A r ϕϕϕϕ=⨯F dc =0.5φ1φ2φ3γQd φ5f c A p（E.1.2-1）式中：dc F ——混凝土管道允许顶力设计值（N ）；1ϕ—— 混凝土材料受压强度折减系数，可取0.90；2ϕ——偏心受压强度提高系数，可取1.05； 3ϕ——材料脆性系数，可取0.85；5ϕ——混凝土强度标准调整系数，可取0.79；c f —— 混凝土受压强度设计值（N/mm 2）。
E.2 套管强度验算E.2.1 钢套管管壁截面的最大组合折算应力应满足下列公式：f θησ≤ （E.2.1-1） x f ησ≤（E.2.1-2）0r f σ≤ （E.2.1-3）σ= （E.2.1-4）200006N Mb t b t θσ=+（E.2.1-5） ,00c Q wd k N F r b φγ=（E.2.1-6）()11,,110030010.732G gm k G SV vm sv k GW wm wk Q c vm ik d p k G F D G Q D r b M E r E t γγκγκγφκφ+++=⎛⎫+ ⎪⎝⎭（E.2.1-7）10.5p x p c Q p E D E T R θσνσφγα=±∆±（E.2.1-8）22111122L f R f ⎛⎫+ ⎪⎝⎭=（E.2.1-9）式中：θσ——钢管管壁横截面最大环向应力（N/mm 2）；x σ——钢管管壁横截面最大纵向应力（N/mm 2）； σ——钢管管壁的最大组合折算应力（N/mm 2）；η——应力折算系数，取0.9；f ——钢材的强度设计值（N/mm 2）；0b ——管壁计算宽度（mm ），取1000mm ；ϕ——弯矩折算系数，有水内压时取0.7，无内水压时取1.0；c ϕ——可变作用组合系数，取0.9；0t ——管壁计算厚度（mm ），使用期间试算时设计壁厚应扣除2mm ，施工期间不扣除；0r ——管的计算半径（mm ）； M ——在作用组合作用下钢管管壁截面上的最大环向弯矩设计值（N.mm ）； N ——在作用组合作用下钢管管壁截面上的最大环向轴力设计值（N ）；d E ——钢管管侧原状土的变形模量（N/mm 2）； p E ——钢管管材的弹性模量（N/mm 2）；gm K 、vm K 、wm K ——分别为钢管管道自重、竖向土压力和管内水重作用下管壁截面的最大弯矩系数，分别取0.083、0.138、0.083；1D ——管道外直径（mm ）； ik Q ——地面堆载或车载传递至管道顶压力的较大标准值；p ν——钢管管材泊松比，可取0.3；α——钢管管材线膨胀系数； T ∆——钢管的计算温差；1R ——钢管顶进施工变形形成的曲率半径（mm ）； 1f ——顶进管道直线顶进允许偏差（mm ），可按表E.2.1-1确定； 1L ——出现偏差的最小间距（mm ），视顶管直径和土质决定，一般可取50m 。
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一、计算原则和依据
1、采用ANSYS有限元通用程序（注：该程序是目前唯一通过
ISO9001国际认证的有限元计算分析程序）对竹篱晒网隧道进行结构受力及变形分析。
2、采用地层-结构模型对暗挖隧道的受力和变形进行分析。
3、分析对象为纵向宽1m的隧道结构和地层。
4、依据《竹篱晒网隧道施工图设计文件》、《公路路隧道设计规范》等建立计算模型。
二、计算内容
对竹篱晒网隧道的计算，分别取洞口段、洞身段中V、IV、III级围岩进行计算，取断面计算如下：
1、出洞段KY2+760（V级围岩，采用双侧壁法施工）；
2、洞身段KY2+480（IV级围岩，采用环形台阶法施工）；
3、洞身段KY2+500（III级围岩，采用台阶法施工）。
三、结构计算模型、荷载
1、计算模型
采用隧道与地层共同作用的地层-结构模式，模拟分析施工过程地层和结构的受力及变形特点。
计算模型所取范围是：水平方向取隧道两侧3倍洞跨，而竖直方向，仰拱以下地层，以洞跨的3倍为限，即从
仰拱至地层下3倍洞跨深度范围，隧道拱顶以上地层：V级围岩1
级围岩根据计算高度取值。
计算中地层及初期支护III取至地面，IV、材料的弹塑性实体单元模拟，而DP（初衬喷砼及钢架除外）采用了、二次衬砌采用弹性梁模拟，为使点和点之间位移初衬（钢架喷砼）初衬和二衬之间用只传递轴初衬和地层之间用约束方程联系、协调，向压力的链杆连接。
）来死”（ALIVE生”（KILL）、“ANSYS程序中，采用单元的“时，受力体系模拟衬砌和临时支撑的施作和拆除过程，当单元“死”，而后被激单元的应力、应变不计（即内力为0）不受其影响，“死”的单元只对以后的单元不计以前自身应变，也就是说，“活”“活”应力发生变化时产生作用。
2、计算荷载毛洞”模拟开挖过程中，先计算初始应力，每开挖一步形成“时，释放一部分初始应力，施作支护时释放余下的初始应力。
采用莫尔—库仑屈服准则对结构的开挖过程进行有限元计算中，）模型计算结构非线形（DP
弹塑性分析。
也即采用Drucker-Prager 的变形特性。
其等效应力为：??????T?????SMS3??m2??1????????T式中；11??2
?????????00S1?11?0zymxm3??so2sin6c c；????????y??ni3s3sin33??
—材料的内聚力，MPa；—材料的内摩擦角。
?c屈服准则为：
2
??????T????0?3M?S?FS???ym2??计算时将地层以岩性和11??2
地质特点划分为几个不同的类别，各层计算时围岩的物理力学指标依据施工图中《地质详勘报告》加以选取。
具体如表1所示。
有限元计算围岩物理力学参数
表1
围岩密度ρ弹性抗力系数弹性模量泊松比内摩擦粘聚力
C（MPaμ）级别) (g/cm角φK(MPa/m) （静态）E（Mpa）30.03 120 Ⅴ12 0.40 1.85 22 0.15 350 Ⅳ600 0.30 37 2.10
0.5
12000
700
Ⅲ 2.50
45
0.25
五、内力计算及分析
采用ANSYS有限元通用程序对竹篱晒网隧道结构的计算分析，取得有代表性的结果如下：
1、出洞段KY2+760（V级围岩，采用双侧壁法施工）
1）施工开挖过程中，隧道初衬的最大弯矩为97KN.m，对应轴力650 KN，初支满足承载要求。
2）施工开挖过程和终态中，隧道二衬的最大弯矩、轴力如下表2：隧道内力(标准值)及配筋表表2
部位配筋率裂缝宽ω剪力弯矩轴力(mm)ρ(%)(KN/m) (KN.m/m) (KN/m)
/ 0 0.32 二衬拱顶 -1158 234
/
二衬侧墙-1133
-115
0.32
-156
3
设计图中二衬配筋满足强度和裂经检算，二衬满足承载要求， )。
缝要求(本结构不受裂缝控制对应地面沉降为31mm, 3)施工开挖过程拱顶的最大沉降为。
从沉降图中可以看出，地表的最大沉降为拆除其余临时支27mm
拆除支撑为控制地
, 撑、施做二衬时，比拆除支撑前变化较大,因此满足,8m 拆除一道临时支撑时,表沉降的关键,经初步检算纵向间距 沉降要求。
，地米））从沉降图中看出，由于两隧道相距较近（最小有154级围岩中，两V 层较差，两隧道施工时产生一定的相互影响，故在侧隧道施工时应该错开一定距离，同时应该加强监测，及时调整施 工工序。
211KPa,887KPa,洞周最大应力为4)施工开挖过程中最大应力为 满足地层承载要求。
IV 级围岩，采用环形台阶法施工）、洞身段KY2+480（2，对应轴50KN.m1）施工开挖过程中，隧道初衬的最大弯矩为 ，初支满足承载要求。
力445 KN ）施工开挖过程和终态中，隧道二衬的最大弯矩、轴力如下表2 ：2及配筋表标准值)(隧道内力2
表
4
经检算，二衬满足承载要求，设计图中二衬配筋满足强度和裂)。
缝要求(本结构不受裂缝控制，仰拱跨中不配筋对应地面沉降为10mm, 3)施工开挖过程中拱顶的最大沉降为两隧道施工相互影响很同时从
沉降图中看出，9mm ,满足沉降要求。
小，可不考虑。
满足地层承载要求施工开挖过程中洞周最大应力为221KPa,4) 级围岩，采用台阶法施工）。
、洞身段KY2+500（III3、对48KN.m1）施工开挖过程和终态中，隧道二衬的最大弯矩为二衬可不需要配筋。
应轴力215 KN,，沉降2)施工开挖过程中地面的最大沉降很小（在图中不显示）满足规范要求。
同时两隧道施工的相互影响很小。
5
六、计算结果附图（施工开挖详见相关图纸）
出洞段KY1+100（V级围岩，采用双侧壁法施工）、1模型图
6
开挖步骤及结构模型图
m）开挖第一步时地面沉降图（
7
开挖第二步时地面沉降图（m）
m）开挖第三步时地面沉降图（
8
开挖第四步时地面沉降图（m）
m）开挖第五步时地面沉降图（
9
施作左侧隧道二衬，隧道变形开挖第六步时地面沉降图（m）
KN.m/m）开挖第六步时初支弯矩图（
10
拆除左洞临时支撑，施做二衬时地面沉降图（m）
m）开挖第七步时地面沉降图（
11
开挖第八步时地面沉降图（m）
m）开挖第九步时地面沉降图（
12
开挖第十步时地面沉降图（m）
m）开挖第十一步时地面沉降图（
13
开挖第十二步时地面沉降图（m）
KN.m/m）开挖第十二步时初支弯矩图（
14
拆除右洞临时支撑，施做二衬时地面沉降图（m）
KN.m/m）拆除右洞临时支撑，施做二衬时初支弯矩图（
15
拆除右洞临时支撑，施做二衬时初支轴力图（KN/m）
KN.m/m）拆除右洞临时支撑，施做二衬时二衬弯矩图（
16
拆除右洞临时支撑，施做二衬时二衬轴力图（KN/m）
KN/m）拆除右洞临时支撑，施做二衬时二衬剪力图（
17
应力图（KPa）
2、洞身段KY2+480（IV级围岩，采用环形台阶法施工）；
模型图
开挖步骤及结构模型图18
m）地面沉降图（
19
二衬弯矩图（KN.m/m）
KN/m）二衬轴力图（
20
应力图（KPa）
3、洞身段KY1+500（III级围岩，采用台阶法施工）；
模型图
开挖步骤及结构模型图21
KN.m/m）二衬弯矩图（
22
二衬轴力图（KN/m）23。