隧道力學的基本概念與計算模型本講主要內容：1、隧道力學的基本概念2、隧道工程的特點及主要結構型式3、隧道力學的研究內容4、隧道力學的發展歷史5、隧道結構的力學計算模型6、初始地應力場及隧道結構荷載形式土木工程學院隧道工程系施成華1、隧道力學的基本概念

眾所周知，隧道工程所處的環境條件與地面工程是全然不同的，但長期以來都沿用適應于地面工程的理論和方法來解決隧道過程中所遇到的各種問題，因而常常不能正確的闡明隧道工程出現的各種力學現象和過程，使得隧道工程長期處于“經驗設計”和“經驗施工”局面。

目前隧道工程正朝著“信息化設計、信息化施工”的目標邁進，在隧道與地下工程由“經驗”到“科學”的轉變過程中，隧道力學將起著重要的主導作用。第1講隧道力學的基本概念與計算模型—基本概念土木工程學院隧道工程系施成華1、隧道力學的基本概念

隧道力學(Tunnelmechanics)是巖土力學的一個重要組成部分。隨著各種類型的地下結構物包括隧道(洞)、地下鐵道、地下洞室、地下廠房、地下街道等在世界各地大量興建，作為地下結構物設計理論基礎的隧道力學日益顯示出其重要性．兼之過去數十年間地下結構理論有了很大發展，隧道力學從巖土力學中劃分出來成為一門獨立學科的條件業已成熟。

隧道力學是以巖體力學、工程地質學、結構力學、彈塑性力學、以及建筑材料和結構設計原理為基礎的一門綜合性的邊緣學科。第1講隧道力學的基本概念與計算模型—基本概念土木工程學院隧道工程系施成華第1講隧道力學的基本概念與計算模型—隧道的特點與結構型式2、隧道工程的特點與主要結構型式（1）隧道工程的特點1)荷載的模糊性2)圍巖物理力學參數難以準確獲得3)圍巖—支護結構承載體系◆圍巖不僅是荷載，同時又是承載體；

◆地層壓力由圍巖和支護結構共同承受；

◆充分發揮圍巖自身承載力的重要性。4)設計參數受施工方法和施作時機的影響很大

5)隧道與地面結構受力的不同點—圍巖抗力的存在土木工程學院隧道工程系施成華第1講隧道力學的基本概念與計算模型—隧道的特點與結構型式2、隧道工程的特點與主要結構型式（2）隧道襯砌的類型外部支護◆整體式混凝土襯砌◆砌石襯砌◆拼裝式襯砌◆噴射混凝土支護內部支護◆錨桿◆注漿混合支護◆噴錨支護◆復合式襯砌土木工程學院隧道工程系施成華第1講隧道力學的基本概念與計算模型—隧道的特點與結構型式2、隧道工程的特點與主要結構型式（2）隧道襯砌的類型1）整體式混凝土襯砌土木工程學院隧道工程系施成華第1講隧道力學的基本概念與計算模型—隧道的特點與結構型式2、隧道工程的特點與主要結構型式（2）隧道襯砌的類型2）裝配式混凝土襯砌土木工程學院隧道工程系施成華第1講隧道力學的基本概念與計算模型—隧道的特點與結構型式2、隧道工程的特點與主要結構型式（2）隧道襯砌的類型3)復合式襯砌土木工程學院隧道工程系施成華1）馬蹄形第1講隧道力學的基本概念與計算模型—隧道的特點與結構型式2、隧道工程的特點與主要結構型式（3）結構型式土木工程學院隧道工程系施成華2）圓形3）拱形第1講隧道力學的基本概念與計算模型—隧道的特點與結構型式2、隧道工程的特點與主要結構型式（3）結構型式土木工程學院隧道工程系施成華4）雙連拱形第1講隧道力學的基本概念與計算模型—隧道的特點與結構型式2、隧道工程的特點與主要結構型式（3）結構型式土木工程學院隧道工程系施成華

5）矩形及單跨雙層結構第1講隧道力學的基本概念與計算模型—隧道的特點與結構型式2、隧道工程的特點與主要結構型式（3）結構型式土木工程學院隧道工程系施成華6）單層多跨結構第1講隧道力學的基本概念與計算模型—隧道的特點與結構型式2、隧道工程的特點與主要結構型式（3）結構型式土木工程學院隧道工程系施成華隧道是處在各種地質環境中的地下結構，因此，它必將受到周圍環境的強烈影響。所謂的地質環境包括：地質體的形成及其經歷；初始應力場（包括構造應力場在內）；各種地質體的物理的、力學的、構造的和時間的特性及其分類等。科學地認識地質環境對地下結構的影響是正確地進行結構設計和施工的前提。

此外，隧道圍巖的工程地質分類受到了極大的關注，因為隧道設計的工程類比方法大都是以圍巖分類級別為依據的。第1講隧道力學的基本概念與計算模型—研究內容3、隧道力學的研究內容（1）隧道地質環境的研究土木工程學院隧道工程系施成華第1講隧道力學的基本概念與計算模型—研究內容（2）隧道施工過程的動態力學分析隧道從開挖到初期支護的施作，再到二次襯砌的施作需要一個過程，而且一般的軟弱圍巖隧道，多采用分部開挖施工方法，不同開挖方法和支護時機對隧道結構體系的穩定性影響很大。

隧道施工階段的力學分析包括：圍巖初始應力場和開挖效應；毛洞穩定性分析；初期支護(錨噴和鋼拱支護等)和二次支護(襯砌)的受力狀態分析；不同施工階段支護與圍巖的相互作用及圍巖穩定性分析(包括彈性分析、粘彈性分析、彈塑性分析、彈粘塑性分析、二維和三維模型等)；地下施工引起的地面沉陷等等。土木工程學院隧道工程系施成華第1講隧道力學的基本概念與計算模型—研究內容（3）隧道使用階段支護體系的穩定性分析一個完整的支護體系是由周圍巖體和支護結構組成的。因此，支護體系的設計必須包括對周圍巖體支護效應及支護結構效應的評定。必須正確地確定支護結構與坑道圍巖的接觸狀態及其相互作用機理，建立兩者的相互作用力學模式。

此外，隧道工程各種材料（包括巖石及巖體、混凝土、金屬材料等）的性質，尤其是長期性質都與時間有關。因此，構成隧道支護體系的巖體和結構材料也必將受到時間的影響。例如支護結構參與工作的時間、圍巖壓力的時間效應、巖體或混凝土徐變、流變對應力應變的影響等。土木工程學院隧道工程系施成華第1講隧道力學的基本概念與計算模型—研究內容（4）隧道結構的動力分析隧道工程的動力分析包括隧道工程的動力性態；隧道工程地震(爆振)反應分析；隧道施工振動與地下交通隧道車輛振動對環境影響分析；列車荷載下上下重疊和交叉隧道的動力響應分析等。土木工程學院隧道工程系施成華現場測試和實驗室試驗是隧道力學不可缺少的組成部分。設計和施工前的隧址工程地質勘探；施工過程中結構和圍巖（包括地面）的變形觀測；這是指導施工和設計的重要反饋信息；實驗室相似材料模型試驗、光彈性模型試驗以及離心機模型試驗等；運營期間地下結構的靜力和動力觀測包括長時期的結構變形和應變觀測、對地震和車輛振動反應的觀測等。現場測試和實驗室試驗，一方面為地下結構物的設計和計算提供數據，另一方面又是檢驗設計和計算是否正確性的重要手段。第1講隧道力學的基本概念與計算模型—研究內容（5）現場測試和室內試驗的研究土木工程學院隧道工程系施成華巖土物理力學性質和本構關系的研究，既是巖土力學工作者的主要任務之一，也應該是隧道力學工作者的一項重要任務。嚴格地說．數值分析結果是否正確，往往取決于所選用的材料本構模型和物理力學參數是否正確。第1講隧道力學的基本概念與計算模型—研究內容（6）巖土力學性質和本構關系的研究土木工程學院隧道工程系施成華4、隧道力學的發展歷史

最早(19世紀初期)的隧道（洞）多以磚石材料作襯砌，采用木支撐和斷面分部開挖的方法施工。可以推斷，當時隧道襯砌的設計是仿照拱橋進行的，其特點是只考慮襯砌承受圍巖的主動荷載而未考慮圍巖對襯砌變形的約束和由此產生的抗力，因此襯砌厚度偏大。

其后，不同學者和工程師們在設計隧道襯砌時采用不同的假定來計及圍巖對襯砌變形所產生的抗力，其中溫克爾(winker)局部變形理論得到了廣泛應用。這方面的代表學者有：O．康姆裂爾(1910)，B．H許特和S．約翰勒遜(1922)，A.布耳(1944)，H．舒爾茨和H．杜德克(1964)等。第1講隧道力學的基本概念與計算模型—發展歷史土木睡工程游學院呢隧道懼工程筐系施成庭華與此團同時林，將村砌涼和圍巖芝視作連燃續介質撤模型進行綿分析東的方扭法也失得到蠶了發嘩展，曾其中冤代表賭量學懂者有夜：H．史密濕特(19耕26)，J．塔羅暮勃(19撞57)，H．卡斯斬特勒(19妥60)，A．M．繆爾懶伍德(19榮75)。50年代音以來緣瑞，噴蔥射混雨凝土翅和錨鄰桿被待廣泛女用作漫初期笑支護通。人脹們逐念漸認百識到川，這耳種支影護能抖在保愁證圍微巖穩燦定的小同時忙允許省其有嚷一定撒程度距的變友形，使圍巖星內部應社力得到筒調整從凈而發揮昏其自持泳作用，因猛此可歌以將曬內層態襯砌茂的厚浴度減看小很猜多。第1講隧孤道力學反的基本赤概念與嚇計算模資型—發展歷爸史土木工晨程學院顯隧道工之程系施成華60年代中余期，隨純著數字光電子計稱算機的塌更新和稻巖土本獵構定律杏研究的齒進展，隧道工或程分析箏方法進樸入了以拖有限元張法為代織表的數倡值分析楚時期。這方斜面的代財表學者慰有：S．F．瑞亞神斯和D．V．迪鏈爾(1烈96愁6)，0．C．辛閉克維屯奇等(1義96賺8)老(1卷97蠅4)，E．L威爾遜(1風96駱8)，F．H．庫樂紫荷威(19追75)，W．維冰特基(19義77)。湊近年西來數值盞分析有圍了新的任進展，挽無限單奶元、邊傘界單元鹽、離散洋單元、邊節理單主元等在質地下結傍構靜力煉和動力屯分析中悉得到了乒廣泛應牲用。隧道蟲工程奔反分真析法吳有了博發展賤，其要梯旨是咸根據步現場艱測得淋的圍巡壽巖變胳形數稍據反具演推呈算圍電巖的挑各種球物理罪力學交參數虛和初望始地鞏應力叨等。第1講隧享道力學筋的基本滋概念與傻計算模跪型—發展弊歷史土木工旦程學院幸隧道工蓬程系施成華由于地娃下結構懷物的地成質條件悶和它們請的用途妹、使用軍期限以死及運營勉條件的蔑不同，蘇需要采競用不同偽的設計絡計算方鳥法。同優時，經票驗、工擾程類比斬和工程干師們的便判斷也寫都是必匹要的。喂有頭腦禁的工程副師們善查于尊重膛隧道潮力學清對某趴項具搏體工吃程的書分析拒成果陪，并粗根據畏自己館的經湊驗和蛙判斷望做出侮合理弄的設嗓計和挪施工頁方案騎來指妻導設食計和咸施工。第1講隧胖道力學廣的基本首概念與睬計算模誰型—發展成歷史土木盒工程浸學院療隧道隊工程踐系施成華5、隧悄道結訂構的峽力學宰計算淘模型（1）國煤內外圈常用廚的隧善道結賽構計攻算模射型國際隧我道協會(IT器A)于19螺78年曾服成立蟲結構事設計恒模型兄研究狐組(Wo塔rki蠻ng批Gro零up隊on賢Str聞uct唯ura讀ld求esi摔gn紗Mod乖els牌)，其任含務在于逃匯集與本交流各鳥會員國死所采用苦的結構悲設計模牌型。該饞工作組詢于198剛1年提出歲了工作部報告，主給出了驢各會員懇國對四王種不同柄類型的約隧道所長采用的傅結構設疑計模型。第1講隧爺道力學痛的基本掉概念與包計算模伍型—計算徹模型土木工昏程學院咽隧道工嶺程系施成華（1）國高內外擾常用演的隧室道結撈構計殺算模幅型第1講揮隧道撤力學嚼的基根本概奮念與遲計算音模型—計算蝴模型土木工幸程學院偵隧道工真程系施成華第1講劫隧道期力學患的基只本概壯念與撥計算潤模型—計算浮模型（1）國內際外常用叔的隧道左結構計崗算模型土木確工程句學院屋隧道京工程維系施成撤華由此，答目前國壩內外采鉗用的隧露道結構獅設計模川型可歸石納為四兆種類型惱：1）以工北程類害比為畢依據必的經弟驗法（Emp顆iri圖cal粘Me率tho聽d）。2）以測立試為逝依據互的實呈用法。包制括收劣斂—約束法(c坊on宵ve屠rg冊en概ce—co離nf咳in匙em悅en晌t鞏Me吵th母od骨)、現場希和實驗洗室的巖類土力學搞試驗、雨應力(應變)量測男以及奧實驗暑室模反型試掛驗。3）結構附力學浸方法（作孕用—反作用勁模型，Ac差ti風on瘋-r兔ea洞ct紙io而n豎Mo哭de濃l)，例第如彈禮性地嚼基框草架，脊彈性草地基卡圓環陳（全頌部支維承或破部分斃支承熟），混矩陣乳位移脹法等俊。這牌種模慢型亦啟可稱倘為荷輝載—結構喪法。第1講隧節道力學誰的基本喂概念與霧計算模勒型—計算池模型（1）國內樂外常用貓的隧道練結構計沃算模型土木遷工程增學院第隧道凝工程才系施成關華4）巖體力筍學方法（連續遺介質模殲型，Co制nt盯in移uu型m盟Mo窗de貫l)，包故括解醬析法歡和數協值法布兩種稍主要申的方添法。若解析珠法又孫分為低封閉厲解和趨近似擱解兩捆種方宴法，撞目前拔它已書逐漸裁被數慰值法宴所取紗代。拒數值螺法以厘有限喝元法朽為主辱，這斗種模栽型亦確可稱秒之為誰連續孤介質血力學出法。剖隧般道工晴程技包術人穴員在耕設計偷隧道教與地斯下結稅構物卻時，往往暗要考過慮和本比較柳各種嫁方法棋，或塘以某借一種奪方法努為主狗，以睬其它聾的方雪法作區為校提核。第1講隧貫道力學咱的基本挨概念與景計算模悠型—計算模肥型（1）國地內外盞常用蜘的隧型道結茫構計糊算模舌型土木工冬程學院饅隧道工找程系施成華該方法提認為圍花巖對支共護結構僑的作用掏只是產嶺生作用潤在結構止上的荷罵載（包摧括主動猴的圍巖敘壓力和旱被動的斥圍巖彈淺性抗力蟻），該法模型是興仿效地跑面結構雄的計算分模型，即將荷仁載作用借在結構昆上，用濕一般結慌構力學擔的方法戶進行計厭算。在藏這類罩模型固中隧咐道支吵護結同構與非圍巖放的相廢互作掠用是焰通過治圍巖塞對支革護結沖構的糊變形振產生彈性旬抗力來體殼現的妹，而控圍巖剪的承膽載能科力則并在確兔定圍陸巖壓皆力和葡彈性膽抗力虛時間貫接地牧考慮博。圍研巖的萌承載編能力流越高但，它相給予夜支護城結構薯的主令動壓如力越牲小，拘而約肌束支擇護結知構變寶形的球彈性破抗力賢越大腹，相異對來婦說，雨支護顫結構維所起同的作根用就影變小看了。第1講塊隧道綢力學快的基乎本概財念與小計算掩模型—計算模起型（2）結構據力學方層法土木工閥程學院叛隧道工尼程系施成勸華這一類餅計算模盡型主要適肚用于圍湯巖因過悅分變形括而發生唐松弛和硬坍塌，瓣支護結敗構主動浪承擔圍皇巖“松眨動壓力相”的情窮況。利詞用這葬類模富型進放行隧暖道支芝護結龍構設根計的津關鍵帆問題瘡，是搜如何層確定巨作用迎在支扭護結蕉構上勿的主桑動荷哲載（哭其中怠最主碑要的剃是圍負巖產照生的銷松動濕壓力宵），件以及喝圍巖具給支蘆護結尖構的壯彈性繡抗力草。屬荷裝載—結構腫模型幫在隧塔道工邁程的候初期闊，曾軍經被取廣泛執地采檔用，蠶因為踏它與朝當時鼓的施糊工技旋術水戴平是哲相符蠟的。行由于屬這種戲計算早模型概念清福晰，計毫算簡便，易梅于被塌工程唇師們立所接掏受，跳故至筑今仍積較為央廣泛墾的使靜用，些尤其們是對洞模筑宅混凝兆土襯塔砌。第1講辜隧道裹力學捎的基染本概秧念與干計算營模型—計算模緣瑞型（2）結分構力稻學方值法土木工省程學院庭隧道工舟程系施成臨華它是將支護慘結構與譽圍巖視霜為一體蒸，作為對共同承承受荷載紀的隧道植結構體饑系，故又抱稱為復勇合整體縱模型。斯這種模辭型主要應火用于由從于圍巖盾變形而原引起的諒壓力，壓廢力值灑必須嶼通過太支護窄結構妖與圍鑄巖的烤共同拍作用由而求影得，著這是蘋反映晃當前托現代菠支護誤結構斗原理離的一軌種計課算方寇法。永在這膏種模容型中巾圍巖舞是直炮接的長承載鞠單元徑，支慌護結玻構只槳是用燦來約揉束和剩限制說圍巖蹤蝶的變辣形。串該方廢法是并目前獅隧道銅結構畏體系霞設計巨計算悅中力爪求采尚用的妥和正諸在發畝展的壩模型畜，在屆該種壩模型販中可潤以考彼慮隧凍道結缺構的析各種雀幾何刑形狀阻，圍檢巖和攏支護壟材料鑼的非蠢線性句特性睜，開微挖面免空間趕效應眠所形抖成的忙三維王狀態意，以霧及地瓣質中逢的不奴連續名面等延等。第1講隧駱道力學炊的基本阿概念與弓計算模走型—計算模脖型（3）巖體膝力學方販法土木義工程縱學院扇隧道忙工程獻系施成意華第1講隧歌道力學喚的基本良概念與暫計算模描型—計算模音型（4）兩大主計算方碧法的比睡較土木工匆程學院相隧道工濱程系施成華第1講隧乏道力學門的基本那概念與蛋計算模伯型—計算模脂型（4）兩大筆計算方補法的比償較土木納工程起學院聾隧道球工程領系施成華第1講賺隧道笑力學牛的基蹦本概拒念與恭計算扇模型—計算模跑型（4）兩大址計算方負法的比牛較土木流工程貪學院循隧道數工程僅系施成樣華第1講隧乒道力學小的基本苦概念與噸計算模蛋型—隧道荷穴載形式6、初怠始地說應力公場及能隧道掏結構贏荷載器形式（1）初郵始地拒應力僅場在地層縱中修建宰隧道，暮隧道周舟圍巖體丑的原有爆平衡狀尚態被打繳破，并估產生應橫力重分搜布。當執隧道周連圍巖體產的強度婦不能適串應這種血應力變蠶化時，盆巖體可費能產生尊失穩破罰壞，進具而轉化愿為需要益隧道襯懲砌結構閱承擔的掛圍巖壓紐奉力。而蓬這種圍箭巖壓力蝦正是由旦于巖體址初始應鵝力狀態急的改變蘋所產生兇的。所鞠以，地層雜中的先初始戰地應取力場席是產泳生圍鞠巖壓級力的析根本逆原因。初始應俘力＝自園重應力親＋構造膝應力土木擠工程穗學院驕隧道驚工程播系施成華（1）初孩始地捧應力熟場巖體耍的垂施直應卵力她：1）自重黑應力場巖體的叨水平應濟力：在自謝重應璃力場劍中，埋通常錘側向慎應力缺小于蹈垂直波應力蝦。第1講隧惡道力學榨的基本居概念與陪計算模引型—隧道荷種載形式土木鏈工程帳學院勾隧道漫工程撓系施成塌華（1）初始米地應力殘場1）地質攜的構皂造過侍程不尺僅改摔變了孔地質掏的重媽力應今力場塑，而版且還誼有一椅部分擋殘余飄在巖患體內惑，這獸些殘靜有的執應力泥必將丘對隧雜道工嶺程產捉生一虧定的偽影響嚷。2）構造應蠟力場在偉巖層一綱定深度呀內普遍撐存在。而貫且由基于地戀殼運提動所如產生探的拉爬、壓陶、扭瞇剪作宅用，必局部裂的最懂大構腦造應鵲力多日為水平灰方向，其值慨往往大衛于重力領應力場潑中的水以平應力竿分量，乞有時候帥甚至大館于垂直逗應力分站量。3）構造應姨力場具逃有明顯愈的區域亂和時間沫性，即它尋受所在份區域地到殼運動鏈和時間鉆的影響抱很大。2）構造螞應力場第1講隧鳥道力學罷的基本便概念與螺計算模面型—隧道委荷載纖形式土木幫工程金學院勺隧道煌工程勁系施成華（1）初襪始地燙應力弊場確定敏初始嗽地應艦力場貼，可脹用解析反廚演法和原位測蘋試法。而用叉解析的茂方法來裹分析地膨質的初五應力場灶，僅是亭一個大意概的結妄果，有拌時由于訂受多種起因素的匆影響，由誤差很業大。因享此，在郵一般的槐理論分退析中，達常把初叔始應力月場按靜盛水應力牧場來處摩理，而宮在一些劑較為重焦大的工巾程中多沙采取實年地測量虧的方法群來確定更，具體廊包括地震法閣、水壓結致裂法喉、超前向鉆孔應刃力解除悲法等。第1講隧猴道力學卷的基本翻概念與蘿計算模粒型—隧道荷熟載形式土木工今程學院結隧道工腎程系施成華（2）隧道畏結構荷兆載形式作用在潮隧道結淘構上的嗽荷載可兩分為三別類，即主要荷蓄載、附映加荷載迎、特殊乞荷載。曾主要荷播載就是處長期作財用的荷蠢載，它瘋包括地宋層壓力長、圍巖挽彈性抗膜力、結兆構自重曬力、回苦填巖土啊重力、逢地下靜黨水壓力攔以及使授用的荷蒜載。弟附加滑荷載是否指非經朝常作用倚的荷載燈，他包遠括施工心荷載、堵灌漿壓密力、局渴部落石沫以及由仁溫度變巖化引起登的溫度濫應力等廉。盼特殊浴荷載包搶括一些避偶然發逃生的荷窄載，如弟沖擊力冠等。讓在上注述各荷找