如何快速学会隧道支护结构的计算？

隧道设计是对隧道支护结构设计，而支护结构设计与周边围岩又组成了一个相互作用的结构体系，因而在进行结构设计中，需要考虑周边围岩的承载能力，将周边围岩作为隧道结构承载的主体。今天小编给大家讲解一下隧道支护结构设计的计算。

隧道结构体系的计算模型

一、隧道工程的受力特点

1、荷载的模糊性

2、围岩物理力学参数难以准确获得

3、围岩压力承载体系

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

二、隧道结构体系的计算模型

1、结构力学模型

2、岩体力学模型

结构力学方法

一、概述

1、基本原理：

 将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载的主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，与其对应的计算模型称为荷载——结构模型

2、隧道衬砌受力变形的特点

3、隧道衬砌承受的荷载及分类

 二、隧道衬砌结构计算的矩阵位移法

1、基本原理 

又叫直接刚度法，它是以结构节点位移为基本未知量，连接在同一节点各单元的节点位移应该相等，并等于该点的结构节点位移（变形协调条件）；同时作用于某一结构节点的荷载必须与该节点上作用的各个单元的节点力相平衡（静力平衡条件）。

2、计算图式

 （1）衬砌结构的处理

衬砌的处理：将衬砌沿其轴线离散化为直杆单元（梁单元），并将单元的连接点称为节点。

墙基础的处理：假设边墙底端是弹性固定，即能产生转动和垂直下沉，不能产生水平位移。

（2）等效节点荷载的处理

按“静力等效”原则进行，即均布荷载所作的虚功应等于节点荷载所作的虚功。

（3）围岩弹性抗力的处理

以弹簧支承模拟围岩弹性抗力，即在每个节点上设置一根弹簧链杆，弹簧力即为围岩抗力；

以温氏假定反映与节点位移的关系；

弹簧支承的方向：应按衬砌与围岩的接触状态而定。

 3、单元刚度矩阵

（1）衬砌单元刚度矩阵（衬砌单刚）

（2）弹性支承链杆单元刚度矩阵（抗力单刚）要点：其局部坐标系与总体坐标系一致；由温氏假定求抗力。

（3）墙角弹性支座单元刚度矩阵

4、建立结构刚度方程

 5、未知节点位移的求解和弹性支承的调整

（1）边界条件

围岩抗力弹簧支承就是一种边界约束，已在拼总刚中考虑了；

基底支座~水平位移为0

（2）方程组求解：高斯消去法；迭代法

（3）对围岩抗力弹簧支承的自动调整

6、衬砌内力的计算

7、直刚法流程图

衬砌截面强度验算

1、破损阶段法

2、概率极限状态法

1、解析法

2、数值分析法

 1、概述

边界元法、无限元法、有限元法、有限元法耦合方法等，仅介绍有限元法

2、有限元法处理特点

（1）单元类型的选择和网格划分

 （2）计算范围的进取

①隧道开挖影响范围~距开挖面中心点3~5倍洞跨的范围；

②边界上位移为零。

（3）边界条件和初始应力

（4）卸荷释放荷载及卸荷过程模拟

（5）开挖施工步骤的模拟

（6）求单元应力

（7）围岩与支护结构稳定性判断

（8）有限元法计算的可信度

计算方法：洞门可视作挡土墙，按计算挡土墙的方法进行计算。

计算处理：

①主动土压力按库仑理论进行计算；

②无论墙背仰斜或直立，土压力的作用方向均假定为水平；

③不考虑被动土压力。

④取景不利位置的墙体条带计算，称为：“检算条带”。条带宽度一般为1m，最不利位置~墙体最高点。

一、计算部位（检算条带）的选取及计算要点

1、柱式、端墙式洞门

2、有挡、翼墙的洞门

二、洞门计算内容

1、洞门计算内容：

①墙身偏心及强度

②绕墙趾的抗倾覆性（墙趾~墙身外表面与基底面的交点） ；

③沿基底滑动的稳定性；

④基底应力验算。

2、洞门端墙及挡（翼）墙检算规定

 三、洞门计算的概率极限状态法

铁路隧道设计规范隧道洞门除按破损阶段法进行验算外，还可采用极限状态法进行设计计算。基本方法仍同破损阶段法，如取计算条带，具体公式不同，按可靠度理论得出。

  1、概述

规定：在地震基本烈度为7度及以上地区的隧道，需要进行抗震设计。

抗震设计方法：地震系数法

其它方法：波动法、相互作用法、数值分析法等。

地震系数法：

考虑两种情况：

水平地震力的方向横交隧道纵轴应考虑洞口、浅埋、偏压地段和明洞。

水平地震力的方向沿隧道纵轴仅需考虑洞门及洞口一个环节衬砌。