隧 道 力 学
主讲教师：施成华
中南大学土木工程学院 隧道工程系
隧 道 力 学 课程安排：
第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型 第2讲 隧道开挖后的力学行为 第3讲 隧道结构计算的结构力学方法（1）—力法
第4讲 隧道结构计算的结构力学方法（2）—位移法
第5讲 隧道结构计算的岩体力学方法 第6讲 隧道施工工作面稳定性的力学分析 第7讲 隧道辅助施工措施的力学分析 第8讲 隧道力学计算中的特殊问题
第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—计算模型
（1）国内外常用的隧道结构计算模型
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施成华
第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—计算模型
（1）国内外常用的隧道结构计算模型
由此，目前国内外采用的隧道结构设计模型可归纳为四种 类型： 1）以工程类比为依据的经验法（Empirical Method）。 2）以测试为依据的实用法。包括收敛—约束法
(convergence—confinement Method)、现场和实验室的岩土力
学试验、应力(应变)量测以及实验室模型试验。 3）结构力学方法（作用—反作用模型，Action-reaction
Model)，例如弹性地基框架，弹性地基圆环（全部支承或部分
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容
（3）隧道使用阶段支护体系的稳定性分析
一个完整的支护体系是由周围岩体和支护结构组成的。因此，
支护体系的设计必须包括对周围岩体支护效应及支护结构效应
的评定。必须正确地确定支护结构与坑道围岩的接触状态及其 相互作用机理，建立两者的相互作用力学模式。
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—发展历史
与此同时，将村砌和围岩视作连续介质模型进行分析的方 法也得到了发展，其中代表量学者有：H．史密特(1926)， J．塔罗勃(1957)，H．卡斯特勒(1960)，A．M．缪尔伍德 (1975)。 50年代以来，喷射混凝土和锚杆被广泛用作初期支护。人 们逐渐认识到，这种支护能在保证围岩稳定的同时允许其有一 定程度的变形，使围岩内部应力得到调整从而发挥其自持作用，
力学、以及建筑材料和结构设计原理为基础的一门综合性的边
缘学科。
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式
2、隧道工程的特点与主要结构型式
（1）隧道工程的特点
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—支护结构承载体系 ◆ 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。
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隧 道 力 学
参考书目：
（1）关宝树编，隧道力学概论
（2）潘昌实编，隧道力学数值方法
（3）彭立敏等编，隧道工程
（4）夏永旭等编，隧道结构力学计算
（5）孙钧等编著，地下结构
（6）李志业等编，地下结构设计原理与方法
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型
Models)，其任务在于汇集与交流各会员国所采用的结
构设计模型。该工作组于1981年提出了工作报告，给 出了各会员国对四种不同类型的隧道所采用的结构设 计模型。
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—计算模型
（1）国内外常用的隧道结构计算模型
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施成学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式
2、隧道工程的特点与主要结构型式
（2）隧道衬砌的类型
1）整体式混凝土衬砌
拱圈
拱圈
曲边墙
直边墙
内轨顶面
轨顶面
铺底
仰拱
直墙式衬砌 土木工程学院隧道工程系 直墙式衬砌
曲墙式衬砌
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式
围岩变形数据反演推算围岩的各种物理力学参数和初始地应力
等。
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—发展历史
由于地下结构物的地质条件和它们的用途、使用期
限以及运营条件的不同，需要采用不同的设计计算方
法。同时，经验、工程类比和工程师们的判断也都是
必要的。有头脑的工程师们善于尊重隧道力学对某项
本讲主要内容： 1、隧道力学的基本概念 2、隧道工程的特点及主要结构型式 3、隧道力学的研究内容 4、隧道力学的发展历史 5、隧道结构的力学计算模型 6、初始地应力场及隧道结构荷载形式
第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—基本概念
1、隧道力学的基本概念
众所周知，隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不
（3）结构型式 5）矩形及单跨双层结构
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式
2、隧道工程的特点与主要结构型式
（3）结构型式 6）单层多跨结构
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容
3、隧道力学的研究内容 （1）隧道地质环境的研究
同的，但长期以来都沿用适应于地面工程的理论和方法来解决
隧道过程中所遇到的各种问题，因而常常不能正确的阐明隧道 工程出现的各种力学现象和过程，使得隧道工程长期处于“经
验设计”和“经验施工”局面。
目前隧道工程正朝着“信息化设计、信息化施工”的目标 迈进，在隧道与地下工程由“经验”到“科学”的转变过程中， 隧道力学将起着重要的主导作用。
2、隧道工程的特点与主要结构型式
（2）隧道衬砌的类型
2）装配式混凝土衬砌
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式
2、隧道工程的特点与主要结构型式
（2）隧道衬砌的类型
3) 复合式衬砌
C25素砼 隧 道 中 线
线 路 中 线
初期支护 防水层 模注二次衬砌
2%
因此可以将内层衬砌的厚度减小很多。
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—发展历史 60年代中期，随着数字电子计算机的更新和岩土本构定律
研究的进展，隧道工程分析方法进入了以有限元法为代表的数 值分析时期。这方面的代表学者有：S．F．瑞亚斯和D．V．迪 尔(1966)，0．C．辛克维奇等(1968)(1974)，E．L威尔逊 (1968)，F．H．库乐荷威(1975)，W．维特基(1977)。 近年来数值分析有了新的进展，无限单元、边界单元、离 散单元、节理单元等在地下结构静力和动力分析中得到了广泛 应用。隧道工程反分析法有了发展，其要旨是根据现场测得的
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 土木工程学院隧道工程系 施成华
第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—隧道的特点与结构型式
2、隧道工程的特点与主要结构型式
（2）隧道衬砌的类型
外部支护
◆ 整体式混凝土衬砌
◆ 砌石衬砌 ◆ 拼装式衬砌 ◆ 喷射混凝土支护 内部支护 ◆ 锚杆 ◆ 注浆 混合支护 ◆ 喷锚支护 ◆ 复合式衬砌
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容
（2）隧道施工过程的动态力学分析
隧道从开挖到初期支护的施作，再到二次衬砌的施作需要 一个过程，而且一般的软弱围岩隧道，多采用分部开挖施工方 法，不同开挖方法和支护时机对隧道结构体系的稳定性影响很 大。 隧道施工阶段的力学分析包括：围岩初始应力场和开挖效 应；毛洞稳定性分析；初期支护(锚喷和钢拱支护等)和二次支 护(衬砌)的受力状态分析；不同施工阶段支护与围岩的相互作 用及围岩稳定性分析(包括弹性分析、粘弹性分析、弹塑性分析、 弹粘塑性分析、二维和三维模型等)；地下施工引起的地面沉陷 等等。
测试和实验室试验，一方面为地下结构物的设计和计算提供数 据，另一方面又是检验设计和计算是否正确性的重要手段。 施成华
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容
（6）岩土力学性质和本构关系的研究
岩土物理力学性质和本构关系的研究，既是岩土力学工作
者的主要任务之一，也应该是隧道力学工作者的一项重要任务。 严格地说．数值分析结果是否正确，往往取决于所选用的材料 本构模型和物理力学参数是否正确。
（4）隧道结构的动力分析
隧道工程的动力分析包括隧道工程的动力性态；隧道工程 地震(爆振)反应分析；隧道施工振动与地下交通隧道车辆振动 对环境影响分析；列车荷载下上下重叠和交叉隧道的动力响应
分析等。
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—研究内容
（5）现场测试和室内试验的研究
其后，不同学者和工程师们在设计隧道衬砌时采用不同的
假定来计及围岩对衬砌变形所产生的抗力，其中温克尔(winker) 局部变形理论得到了广泛应用。这方面的代表学者有：O．康姆 裂尔(1910)，B．H许特和S．约翰勒逊(1922)，A.布耳(1944)， H．舒尔茨和H．杜德克(1964)等。
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第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型—发展历史
4、隧道力学的发展历史
最早(19世纪初期)的隧道（洞）多以砖石材料作衬砌，采用 木支撑和断面分部开挖的方法施工。可以推断，当时隧道衬砌
的设计是仿照拱桥进行的，其特点是只考虑衬砌承受围岩的主
动荷载而未考虑围岩对衬砌变形的约束和由此产生的抗力，因 此衬砌厚度偏大。
（3）结构型式 2）圆形 3）拱形
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