北京交通大学-隧道设计与施工-第部分隧道设计方法

1主讲:谭忠盛隧道工程设计与施工北京交大隧道系2第四部分隧道设计方法3一、概述

长期以来，隧道结构的计算仅仅是针对支护结构中的二次衬砌的，在计算中一直采取拱涵力学模式，即把衬砌视为拱形推力结构，承受来自围岩的主动和被动荷载。这种简化显然与隧道结构的实际工作状态相差很大。

[例如]：理论上已经证实，在无支护坑道中,坑道本身就是承载结构，其工作状态更接近于半无限或无限介质中的孔洞那样工作。4

[例如]:明挖施工隧道（如浅埋地下铁道、明洞等），多采用拱涵力学模式。因为这种承受回填材料重量的结构与拱涵的工作状态是一致的。在其他情况下，则与圆管静力学模式或与半无限及无限介质中带加强环框的孔洞力学模式更为接近。5

地下结构的力学模式必须符合下述条件：

（1）与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态以及围岩与支护结构的接触状态；（2）荷载假定应与在修建洞室过程中荷载发生的情况一致；（3）所确定的应力状态要与经过长时间使用的结构所发生的事故和破坏情况一致；（4）材料性质和数学表达要等价。只要符合上述条件，任何设计和计算方法都会获得合理的结果。不管采取何种设计方法，都必须清楚地认识隧道结构物与其他工程结构物在本质上的差异，主要表现在以下几点：6

（1）其他工程结构都是抵抗荷载的，而隧道结构，按目前的认识水平来说，围岩同时是工程材料、承载结构和荷载。隧道结构的主体是围岩，其承载结构是由围岩和初期支护、衬砌组成的一个整体。该系统的荷载是由支护结构和围岩之间的相互作用给定的，不是事先能给定的参数。

（2）地面结构有很大自由空间，其中每个构件都是事先根据标准荷载决定的，并用大家公认的方法进行计算、验证。相反地，隧道全部是开挖出来的，是在初始地应力场作用下的工程材料中开挖出来的，也就是说是在具有一定应力场的围岩中修筑的。结构很早就逐步地参与工作，其中的初始地应力场是很难准确决定的。7

（3）在其他建筑中，设计者能够计算与荷载假定相适应的结构的性质，以及在可能的荷载组合下其中的应力和变形。在隧道工程中要想计算出材料（既是挖过的围岩也是支护的主体）中的应力和变形是很困难的，因为它与形成的结构的类型以及时间有很大关系。

（4）其他建筑根据力学计算以及构造上、经济上的考虑来选择工程结构的材料，而隧道工程的重要构件（围岩），本身就是建筑材料，我们既不能选择，也不能极大地影响它的力学性质。

（5）在施工中，其荷载、变形和安全度与其他结构相比都还远远没有确定，尤其是与最终状态的关系密切。因此，在隧道结构中最后状态的安全度检算和力学计算是存在问题的。8二、设计方法的选择和适用条件

隧道支护结构的设计应根据围岩条件（围岩的强度特性、初始应地力场等）和设计条件（隧道断面形状、隧道周边地形条件、环境条件等）选择合适的设计方法。根据隧道支护结构的特点，在预设计中采用以下方法:

(1)标准支护模式的设计方法（简称标准设计）；

(2)类似条件的设计方法（简称类比设计或经验设计）；

(3)解析的设计方法（简称解析设计）。

隧道支护结构设计，在有标准支护模式时以标准设计为主要的设计方法。在没有标准支护模式时，则要根据围岩条件、结构特点等选择类比设计或解析设计的方法进行设计。9目前，我国铁路隧道主要是采用标准设计方法进行设计的，而公路隧道还处在类比设计的阶段，但有的设计单位也逐渐向采用标准设计的方向演变。国外在绝大多数场合，公路隧道是采用标准设计模式的。设计方法选择与围岩条件和设计条件有关，选择时可参考下表及下图。设计方法

围岩条件

设计条件标准设计

·一般围岩

·特殊围岩

·一般条件(标准断面)类比条件

·特殊围岩

·特殊条件(大断面、偏压地形、埋深极小或极大、地表面下沉有限制等）解析设计

·一般围岩(符合右栏的特殊条件)

·特殊围岩表1设计方法的选择10图1设计方法的选择流程图11标准设设计是是用于于一般般围岩岩条件件下的的标准准隧道道断面面的设设计，，在围围岩条条件特特殊或或设计计条件件特殊殊时，，采用用已经经实施施过的的、经经过工工程实实际证证实是是安全全和经经济的的支护护结构构模式式的设设计方方法。。不仅研研究隧隧道结结构物物本身身的安安全性性，而而且要要保护护周边边环境境或接接近居居民区区的情情况也也越来来越多多。在在这种种情况况下，，有必必要采采用解解析方方法分分析地地表面面下沉沉等地地层的的动态态。在下面所所示的特特殊条件件的情况况下，宜宜根据解解析的计计算结果果，进行行定量的的判断：：（1）地质条条件特别别差的情情况；（2）埋深大大、初始始地应力力大的情情况；（3）埋深小小、地表表面下沉沉有问题题的情况况；（4）采用施施工方法法、开挖挖顺序与与标准的的支护模模式不同同的特殊殊工法的的情况；；12（5）断面比比标准支支护模式式大得多多的情况况；（6）断面形形状特殊殊的情况况；（7）洞口段段、斜坡坡面下隧隧道等地地形条件件可能产产生偏压压的情况况；（8）有接近近隧道的的结构物物的情况况；（9）预计有有与时间间有关的的流变荷荷载作用用、二次次衬砌存存在长期期荷载的的情况。。在解析方方法中，，有两种种主要的的方法，，即：传统的结结构力学学方法及及近代的的岩体力力学方法法。前者者是把支护结结构和周周围围岩岩分割开开来，把把围岩作作为给定定荷载，，支护结结构作为为承载结结构，即即结构－－荷载模模式。后者是把结构和和周围岩岩体视为为一体，，作为共共同的承承载体系系，即相相互作用用模式或或围岩－－结构模模式，这这是我们们目前在在隧道设设计中力力求采用用的或正正在发展展中的方方法。13数值解析析方法主主要有：：有限元元法、有有限差分分法、刚刚体单元元法、边边界单元元法、离离散极限限解析法法、块体体理论方方法等。。有限元数数值解析析方法的的特征如如下：1）即使使在解析析对象区区域的围围岩和隧隧道几何何形状复复杂的情情况，也也能够采采用各种种单元的的组合模模式，不不仅对初初期支护护，对二二次衬砌砌都能够够按实际际形状进进行解析析；2）即使材材料力学学性质不不同的各各种单元元也能够够进行解解析。为为此，可可以把具具有复杂杂地质条条件的围围岩力学学特性和和初期支支护（混混凝土材材料、钢钢材等））等的力力学特性性等按实实际情况况模式化化；3）研究埋埋深小、、对地表表面有影影响的情情况时，，能够推推定伴随随开挖的的下沉量量。因此此，也能能判断压压浆等改改善围岩岩的效果果；4）因基础础方程式式的定式式化比较较容易，，所以，，可以考考虑围岩岩的非线线性特性性。14考虑上述述性质，，采用节节理单元元模拟不不连续的的裂隙围围岩的方方法得到到了应用用，同时时考虑粘粘弹塑性性模式的的研究也也取得了了一定的的进展。。这样，，使具有有复杂支支护模式式的隧道道和特殊殊围岩条条件下的的隧道动动态的解解析也成成为可能能。为提高有有限元解解析方法法的可靠靠性，采采用数值值解析的的前提是是仔细的的地质调调查和如如何将其其利用在在设计中中的评价价技术。。结构力学学解析方方法，主主要用于于研究二二次衬砌砌。把二二次衬砌砌分割模模拟成为为近似小小段的直直线构件件，取各各结点为为刚性连连接的骨骨架结构构。同时时，对衬衬砌的变变形采用用地层弹弹簧支持持的弹性性体来计计算衬砌砌断面内内力的方方法。地层弹簧簧因按各各节点设设定，故故对复杂杂地质条条件的情情况也能能进行解解析，并并计算出出衬砌断断面的内内力。但但是，不不能计算算随掌子子面进展展和地表表面下沉沉等情况况。15三、类比比设计采用类比比设计方方法，应应充分研研究其设设计条件件及设计计的妥当当性，根根据当地地围岩的的性质加加以修正正。所谓类似似条件：围岩条条件及断断面形状状等设计计条件的的类似。。研究围岩条件件类似时，最有有参考价价值的是是附近既既有工程程的实际际情况，，如在围围岩分类类时，应应着重在在弹性波波速度、、裂隙系系数、围围岩强度度比、相相对密度度、细颗颗粒含量量等类似似性上；；其次，，也要研研究地下下水条件件的类似似性。设计条件件的类似似性主要是是支护模模式、地地形条件件、施工工方法、、辅助工工法等的的类似性性。类比设计计的类似似性以及及妥当性性，一般般应按表表1和表2所列项目目进行研研究。16表1研究类似似性的项项目项目注意点围岩条件围岩级别特殊围岩地形、埋深埋深、不稳定的偏压地形、其他特殊的围岩性质（冲积低地等不整合面、断层等）地质、土质的构成和性质地层名称、地质年代、成层构造、层组、层相、固结程度、渗透性、地下水位等断面形状单线、双线、新干线、车站水压防水型、排水型对周边影响的限制限制值完成后的接近施工种类、位置关系、规模等抗震研究条件（预定地震动等）项目注意点妥当性研究的量测值开挖工法分部尺寸、一次掘进长度掌子面稳定性、地表面下沉、接近结构物位移等掌子面稳定对策设计方法、设计、影响预测方法等地下水对策周边影响对策超前支护初期支护设计方法、设计、解析方法等地表面下沉、净空位移、拱顶下沉、喷混凝土应力、衬砌应力、使用开始后有无变异等表2研究妥当当性的项项目17下面进一一步说明明围岩条条件和设设计条件件的类似似性。·硬岩在硬岩中中的类似似围岩指指：分级级表中的的地层名名、岩石石名中属属于硬质质围岩的的。例如如，地层层名、岩岩石名同同属于一一类的，，就可以以判断有有一定的的类似性性。因此此，在类类比设计计时，可可参考其其弹性波波速度、、裂隙系系数的类类似性进进行设计计。·中硬岩、、软岩在中硬岩岩、软岩岩中，岩岩石的物物性值因因岩石的的种类及及互层状状态等而而异，因因此，即即使岩石石名相同同，还要要考虑生生成年代代、强度度、或围围岩强度度比类似似的围岩岩条件。。在这种种情况时时，砂质质岩中的的砂的固固结状态态(强度)及是否形形成透水水层是很很重要的的。所以以，在进进行类比比设计时时，最好好参考其其弹性波波速度、、裂隙系系数、围围岩强度度比的类类似条件件。在泥泥质岩、、凝灰质质软岩中中，有无无膨胀性性、断层层等的程程度的类类似性也也十分重重要。18·土砂围岩岩未固结或或土砂围围岩，应应研究其其生成年年代、形形成过程程、紧密密程度、、透水性性、地下下水位等等的类似似性。对对粘性土土要研究究其围岩岩强度比比，对砂砂质土要要研究相相对密度度、细颗颗粒含量量、含水水比等的的类似性性。·设计条件件在类似围围岩中应应着重收收集其设设计条件件、施工工方法、、辅助工工法的内内容、净净空位移移值等的的量测结结果，并并加以分分析、评评价，而而后编制制经过修修正的支支护模式式。研究设计计条件类类似性的的注意事事项列于于表3。19表3作为参考的的设计注意意事项注意事项研究内容围岩特性围岩种类和净空位移值的关系开挖工法分部的方法开挖方式一次掘进长度、机械性能等辅助工法种类及效果支护结构支护模式支护材料使用材料的种类，喷混凝土配比、强度、施工二次衬砌设计方法、混凝土强度、是否采用钢纤维等在大多数情情况下，隧隧道支护体体系设计还还是依赖“类比设计”的。表4是锚杆喷混混凝土支护护技术规范范建议的喷喷锚支护设设计参数。。20表4隧洞和斜井井的喷锚支支护类型和和参数毛洞跨度（m）B≤55<B≤1010<B≤1515<B≤2020<B≤25I

不支护50mm厚喷射混凝土(1)80～100mm厚喷射混凝土(2)50mm厚喷射混凝土，设置2～2.5m长的锚杆100～150mm厚喷射混凝土，设置2.5～3m长的锚杆，必要时配置钢筋网120～150mm厚钢筋网喷射混凝土，设置3～4m长的锚杆Ⅱ

50mm厚喷射混凝土(1)80～100mm厚喷射混凝土(2)50mm厚喷射混凝土，设置1.5～2m长的锚杆(1)120～150mm厚喷射混凝土，必要时，配置钢筋网(2)80～120mm厚喷射混凝土，设置2～3m长的锚杆，必要时配置钢筋网120～150mm厚钢筋网喷射混凝土，设置3～4m长的锚杆150～200mm厚钢筋网喷射混凝土，设置5～6m长的锚杆，必要时设置长度大于6m的预应力或非预应力锚杆Ⅲ(1)80～100mm厚喷射混凝土(2)50mm厚喷射混凝土，设置1.5～2m长的锚杆(1)120～150mm厚喷射混凝土，必要时配置钢筋网(2)80～100mm厚喷射混凝土，设置2～2.5m长的锚杆，必要时配置钢筋网100～150mm厚钢筋网喷射混凝土，设置3～4m长的锚杆150～200mm厚钢筋网喷射混凝土，设置4～5m长的锚杆，必要时设置长度大于5m的预应力或非预应力锚杆21

Ⅳ80～lOOmm厚喷射混凝土，设置1.5～2m长的锚杆100～150mm厚钢筋网喷射混凝土，设置2～2.5m长的锚杆，必要时采用仰拱150～200mm厚钢筋网喷射混凝土，设置3～4m长的锚杆，必要时采用仰拱并设置长度大于4m的锚杆

V120～150mm厚钢筋网喷射混凝土，设置1.5～2m长的锚杆，必要时采用仰拱150～200mm厚钢筋网喷射混凝土，设置2～3m长的锚杆，采用仰拱，必要时加设钢架注：1表中的支护类型和参数，是指隧洞和倾角小于30的斜井的永久支护，包括初期支护与后期支护的类型和参数。

2服务年限小于10年及洞跨小于3．5m的隧洞和斜井，表中的支护参数，可根据工程具体情况，适当减小。

3复合衬砌的隧洞和斜井，初期支护采用表中的参数时，应根据工程的具体情况，予以减小。

4陡倾斜岩层中的隧洞或斜井易失稳的一侧边墙和缓倾斜岩层中的隧洞或斜井顶部，应采用表中第(2)种支护类型和参数。其他情况下，两种支护类型和参数均可采用。

5对高度大于15．0m的侧边墙，应进行稳定性验算。并根据验算结果，确定锚喷支护参数。22从这些实践践中，大致致上可以发发现在进行行支护结构构“类比设计”时，需要注注意的几点点:（1）首先，对对坑道围岩岩要有一个个大致的分分级。这些分级大大都是根据据地质调查查结果，为为一座隧道道或一条线线路单独编编制的。但但不管采用用何种分级级，大体上上都是把坑坑道围岩分分为四个基基本类型。。即：1）完整、稳稳定围岩；；2）易破碎、、剥离的块块状围岩；；3）有地压作作用的破碎碎围岩；4）强烈挤压压性围岩或或有强大地地压的围岩岩。其中某些类类别还有些些亚类。23（2）各类围岩岩的支护结结构参数大大体按下述述原则选用用。1）完整、稳稳定的围岩岩锚杆长<1.5m，n=4~4.2根/m左右，从力力学上看是是不期待锚锚杆的支护护作用的，，围岩本身身强度就可可以支护坑坑道，但因因有局部裂裂隙或岩爆爆等,用其加以控控制而已。。喷混凝土用用于填平补补齐，为确确保洞内安安全作业应应设金属网网防止顶部部岩石剥离离。二次衬砌采采用能够施施工的最小小混凝土厚厚度，约30cm左右。2）易破碎、、剥离的块块状围岩锚杆长1.5~3.5m，n=10根/m左右，多数数情况是长长、短锚杆杆配合使用用，短锚杆杆用胀壳式式，长锚杆杆用灌浆式式。24喷层厚0~l0cm，稳定性好好些的用来来填平补齐齐，也可只只在拱部喷喷射，此时时开挖正面面无需喷射射。金属网网与（1）同，特殊殊情况要采采用可缩性性支撑或轻轻型格栅钢钢支撑。二次衬砌厚厚度约30~40cm，包包括括喷喷层层在在内内约约40cm。3）有有地地压压作作用用的的破破碎碎围围岩岩锚杆杆长长3.0~4.0m，有有时时用用6.0m的灌灌浆浆式式，，n=10根/m左右右。。这这种种围围岩岩视视围围岩岩强强度度比比，，预预计计有有塑塑性性区区发发生生时时，，从从控控制制它它的的发发展展看看，，锚锚杆杆必必须须用用喷喷混混凝凝土土等等加加强强。。喷层层厚厚约约15~20cm，拱拱部部和和侧侧璧璧同同厚厚，，视视情情况况正正面面也也要要喷喷5cm左右右。。开挖挖进进度度要要注注意意，，必必要要时时控控制制在在1.0m以下下。。二次次衬衬砌砌厚厚度度,包括括喷喷层层在在内内为为40~~50cm,尽可可能能薄薄些些。。254）强强烈烈挤挤压压性性围围岩岩或或有有强强大大地地压压的的围围岩岩在这这种种围围岩岩中中施施工工是是很很困困难难的的，，要要分分台台阶阶施施工工，，限限制制分分部部的的面面积积。。锚杆杆长长4.0~6.0m，n=15根/m左右右。。喷层层厚厚20~25cm，正正面面喷喷3~5cm。必须须采采用用可可缩缩性性支支撑撑，，间间距距约约75cm左右右。。二次次衬衬砌砌厚厚度度，，按按总总厚厚度度50cm决定定。。在30天以以内内断断面面要要闭闭合合，，即即要要修修好好仰仰拱拱。。（3）在在施施工工中中应应尽尽量量少少损损害害围围岩岩，，使使其其尽尽量量保保持持原原有有围围岩岩的的强强度度，，因因此此，，应应采采用用控控制制爆爆破破技技术术。。26（4）预预计计有有大大变变形形和和松松弛弛的的情情况况下下，，开开挖挖面面要要全全面面防防护护〈包括括正正面面〉,使之之有有充充分分的的约约束束效效应应，，在分分台台阶阶开开挖挖时时，，上上半半断断面面进进深深不不宜宜过过长长，，以以免免影影响响整整个个断断面面的的闭闭合合时时间间。。（5）二二次次衬衬砌砌通通常常是是现现灌灌的的，在在修修二二次次衬衬砌砌之之前前要要修修防防水水层层，，形形成成具具有有防防水水性性能能的的组组合合式式衬衬砌砌。。应应使使衬衬砌砌成成为为薄薄壳壳，，这这样样可可减减少少弯弯矩矩而而使使弯弯曲曲破破坏坏的的发发生生为为最最小小。。因因此此，，不不仅仅初初期期支支护护，，二二次次衬衬砌砌都都要要薄薄些些。。（6）允允许许甚甚至至希希望望围围岩岩出出现现一一定定的的变变形形，，以以减减少少为为完完成成支支护护作作用用所所需需的的防防护护措措施施。。这些些防防护护措措施施包包括括衬衬砌砌，，必必要要时时要要修修仰仰拱拱以以及及直直接接深深入入到到不不稳稳定定岩岩层层内内部部的的锚锚固固系系统统，，或或其其他他结结构构构构件件。。27（7）要要制制定定一一个个详详细细周周密密的的量量测测计计划划。。控制变形形与应力力，确定定所建立立的支护护阻力是是否和围围岩类型型相适应应以及还还需要什什么样的的加强措措施。（8）支护结结构的施施工顺序序与正确确的掌握握围岩的的时间效效应很有有关系。。因此，施施工要严严格按着着预定的的施工程程序施工工。从当前地地下工程程设计现现状来看看，多数数情况是是依靠类类比设计计的，甚甚至有的的提出“在隧道力力学中不不可能进进行计算算，只能能给以必必要的假假设”，并指出出“首先是提提出一个个大致简简化的力力学模型型，然后后根据某某些经验验和工程程师的直直观来判判断”。米勒更更绝对地地指出“通过大量量的虚拟拟的计算算，说明明我们的的无知，，这些虽虽然能够够使发包包者得到到安慰，，也只是是自欺欺欺人”。这些说说法虽然然有些绝绝对，但但也说明明计算的的局限性性。28四、标标准设计计在一般的的围岩条条件下的的预设计计中，有有标准支支护模式式时，原原则上都都要采用用标准设设计。这这也是当当前隧道道设计方方法的主主流。标准设计计适合于于围岩条条件(地形、地地质、埋埋深)和断面积积、断面面形状、、周边环环境的影影响等条条件均属属一般的的情况。。标准设设计流程程如图1所示。采用标准准设计时时，根据据施工中中掌子面面观察和和量测结结果进行行设计修修正是很很重要的的。位移移量有问问题的情情况，或或在城市市的土砂砂围岩及及接近结结构物施施工对地地表面下下沉有限限制等情情况，与与解析方方法同时时应用也也是必要要的。29图1初步设计计中的标标准支护护模式设设计的流流程301、标准设设计的实实用范围围及注意意事项标准设计计在一般般的设计计条件下下，适用用于所有有围岩级级别。表表1、表2分别是标标准设计计的适用用范围及及采用标标准设计计时应注注意的事事项。表1标准设计计的适用用范围

一般围岩

特殊围岩

土砂围岩

隧道埋深在2~500m范围埋深超过500m时，对围岩预计没有岩爆等现象时也适用。

不发生显著的膨胀性地压，单线净空位移在15cm，双线、新干线净空位移在30cm以下的围岩。·新第三纪的砂质土、风化残积土等，采用超前支护和简便的排水措施可使掌子面稳定的围岩。

·在硬岩、中硬岩、软岩中，隧道埋深在5D~2D，采用辅助工法可使掌子面稳定的场合。

·硬岩、中硬岩、软岩中，有断层破碎带，但采用辅助工法可使掌子面稳定的情况。31表2标准设计计应用上上的注意意事项

一般围岩

特殊围岩

土砂围岩·采用辅助工法时，要修正支护构件的设计。

·在硬岩的下半断面，根据裂隙状态，可能不能期待锚杆的内压效果，此时可省略锚杆。

·在软岩中，弹性波速度大于2.6km/s，围岩强度比小于2时，应格外注意。

·硬岩中，根据裂隙状态，可同时采用喷混凝土和锚杆，或采用锚杆和金属网而不采用喷混凝土，或采用无支护的。·预计单线在15cm、双线在30cm以上的净空位移时，应立即修正设计。

·发生钢支撑局部屈服和喷混凝土开裂的情况，应增加喷混凝土的强度，增加金属网以提高其柔性。

·应研究超前支护、正面支护、环形开挖、临时闭合等措施。·应考虑的辅助工法有：斜锚杆、管棚等。

·采用排水钻孔、压浆等情况，对级围岩要专门研究。

·根据掌子面的自稳性，可采用正面喷混凝土、临时闭合等。

·根据锚杆的拉拔力，研究锚杆的长度、孔径及锚固方法等。

·没有受拉力的锚杆可以取消。32采用标准准设计时时，要确确实地进进行围岩岩分级，，充分考考虑应用用条件。。标准支支护模式式的主要要支护构构件是喷喷混凝土土、锚杆杆、钢支支撑等，，同时要要考虑开开挖、仰仰拱、二二次衬砌砌等。在在附近有有类似条条件的工工程时，，也应参参考。2、标准准设计的的标准支支护模式式为了提高高设计效效率和质质量，提提高隧道道设计的的标准化化程度是是非常重重要的。。这也是是目前许许多国家家大力提提倡的。。标准设设计的中中心内容容是支护护模式的的标准化化。下面面列举我我国及国国外的一一些标准准设计的的概况。。（1）我国铁铁路隧道道的标准准设计单线铁路路隧道标标准支护护参数列列于表3、表4。33表3单线铁路路隧道标标准支护护参数围岩级别初期支护二次衬砌(cm)喷混凝土厚度(cm)锚杆钢筋网钢架拱部、边墙仰拱拱部、边墙仰拱位置长度（m）间距（m）Ⅱ4-----25-Ⅲ6-局部设置2.01.2~1.5--25-Ⅳ1010拱、墙2.0~2.51.0~1.2必-要时设置-3030Ⅴ1414拱、墙2.5~3.00.8~1.0拱、墙、仰拱必要时设置3535Ⅵ通过试验确定34图2单线铁路路隧道典典型的标标准断面面及支护护模式(cm)35表4双线铁路路隧道的的标准支支护参数数围岩级别初期支护二次衬砌(cm)喷混凝土厚度(cm)锚杆钢筋网钢架拱部、边墙仰拱拱部、边墙仰拱位置长度(m)间距(m)Ⅱ5-局部设置2.01.5--30-Ⅲ1010拱、墙2.0~2.51.2~1.5必要时设置-3535Ⅳ1515拱、墙2.5~3.01.0~1.2拱、墙、仰拱必要时设置3535Ⅴ2020拱、墙3.0~3.50.8~1.0拱、墙、仰拱拱、墙、仰拱4040Ⅵ通过试验确定36图3双线铁路路隧道典典型的标标准断面面及支护护模式(cm)37（2）日本本铁路隧隧道标准准支护模模式表5单线铁路路隧道的的标准支支护参数数支护构件锚杆喷混凝土（cm）钢支撑标准支护模式配置长度(m)×根数间距(m)拱部、边墙仰拱种类ⅣNP———5（平均）－－ⅢNP拱部2×0~4（随意）10(平均)－－ⅡNP拱部2×6l.510(平均)－－ⅠNP拱部、边墙3×101.010(最小)－(100H)*ⅠSP拱部、边墙3×12l.010(最小)10(最小)100HⅠLP拱部、边墙3×8l.015(最小)－100H38图4单线铁路路隧道典典型的标标准断面面及支护护模式(m)39表6双线铁路路隧道标标准支护护参数支护构件锚杆喷混凝土（cm）钢支撑标准支护模式配置长度(m)×根数间距

(m)拱部、边墙

仰拱

种类ⅣNP---5(平均)--ⅢNP拱部2×0~5（随意）10（平均）--ⅡNP拱部3×8l.510(平均)ⅠNP拱部、边墙3×12l.015(最小)(125H)*ⅠSP拱部、边墙3×84×101.015(最小)15（最小)150HⅠLP拱部、边墙3×101.020(最小)125H40图5双线铁路路隧道典典型的标标准断面面及支护护模式(m)41表7新干线隧隧道标准准支护参参数支扩构件锚杆喷混凝土（cm）钢支撑标准支护模式配置长度(m)×根数间距

(m)拱部、边墙仰拱

种类ⅣNP---5（平均）--ⅢNP拱部2×0~6（随意）5(平均)--ⅡNP拱部3×10l.510(平均)--ⅠNP拱部、边墙3×141.010(最小)-(100H)*ⅠSP拱部、边墙3×84×12l.010(最小)15（最小)100HⅠLP拱部、边墙3×12l，015(最小)-100H注：1.4m长的锚杆杆，配置置在拱脚脚附近。。2.如采用钢钢支撑，，以括号号内种类类为准。。42图6新干线隧隧道标准准断面及及支护模模式（m）43（3）日日本公路路隧道的的标准设设计日本公路路隧道的的标准设设计的程程度是比比较高的的。不仅仅有双车车道隧道道，三车车道隧道道的标准准设计，，还有双双车道隧隧道紧急急停车带带的标准准设计。。表8双车道隧隧道标准准支护模模式围岩级别支护模式标准一次掘进长度(cm)锚杆喷混凝土钢支撑衬砌厚度变形富裕开挖方法长度(cm)施工间隔施工范围厚度(cm)上半尺寸下半尺寸拱、边墙(cm)仰拱(cm)环向纵向BB-a2.03.01.52.0上半1205_-3000辅助台阶的全断面法或上半断面台阶法CⅠCⅠ-a1.53.01.51.5上半12010--30(40)0CⅡCⅡ-a1.23.01.51.2上下半10--30(40)0CⅡ-b1.23.01.51.210--30(40)0DⅠDⅠ-a1.03.01.21.0上下半15H125-30450DⅠ-b1.04.01.21.015H125H12530450DⅡⅡ-a<1.04.01.2<1.0上下半20H1509双车道隧隧道紧急急停车带带的标准准支护模模式围岩级别锚杆喷混凝土钢支撑衬砌厚度长度（m）施工间隔（m）厚度（cm）上半尺寸下半尺寸间隔（m）拱、墙仰拱环向纵向B无1.5(上半)2.010无无-40-CⅠ4.01.21.515无无-40（50）CⅡ4.01.21.215H-150无1.24050DⅠ6.01.01.020H-150H-1501.04050DⅡ个别设计表10三车道隧隧道的标标准支护护模式围岩级别锚杆喷混凝土钢支撑衬砌厚度长度（m）施工间隔(m)厚度(cm)上半尺寸下半尺寸间隔（m）拱、墙仰拱环向纵向B3.01.51.510无无-40-CⅠ4.01.21.215H-150无1.24050CⅡ4.01.21.220H-150H-1501.24050DⅠ6.01.01.020H-200H-2001.04050DⅡ个别设计45表11三车道隧隧道紧急急停车带带支护模模式的大大致标准准围岩级别锚杆喷混凝土钢支撑衬砌厚度长度（m）施工间隔（m）厚度（cm）上半尺寸下半尺寸间隔（m）拱、墙仰拱环向纵向B6.01.21.215无无1.25050CⅠ6.01.01.020H-299无1.05050CⅡ6.01.01.025H-250H-2501.05050参考上述述标准支支护参数数时要注注意：日日本的铁铁路隧道道和公路路隧道是是采用不不同的围围岩分级级方法，，表中所所列的级级别，请请参考日日本的分分级方法法。一般说，，根据围围岩级别别采用的的标准支支护模式式，即使使在同一一的围岩岩级别条条件下，，因埋深深大，支支护构件件稳定性性有时也也会出现现问题，，应参考考围岩的的变形系系数和埋埋深的关关系以及及量测结结果等，，修正标标准的支支护结构构模式。。463、城市条条件采用用矿山法法修筑的的隧道的的标准设设计最近，日日本针对对城市砂砂质土和和粘性土土的地质质条件和和埋深浅浅的设计计条件，，编制了了城市采采用矿山山法修筑筑地下铁铁道区间间隧道或或铁路、、道路隧隧道的设设计标准准，很有有借鉴意意义。该该技术标标准在决决定断面面形状时时，考虑虑完成后后和施工工时的稳稳定。断断面形状状视使用用目的，，要确保保建筑限限界，同同时要考考虑变形形富裕，，尽可能能地采用用不产生生应力集集中的圆圆顺的隅隅角。同同时原则则上要设设置仰拱拱，并采采用钢筋筋混凝土土结构。。因在山山岭隧道道中开挖挖断面形形状的自自由度比比较高，，应根据据施工中中的量测测掌握实实际的围围岩动态态，来验验证基本本设计的的安全性性。下图是参参考既有有的事例例，考虑虑各种条条件的断断面形状状。以下下各表是是标准支支护模式式。47图7砂质地层层的双线线断面形形状例图8黏性土土地层层双线线断面面形状状例48表12双线隧隧道的的标准准初期期支护护参数数支护模式INPILCPILSP围岩级别INILCILS喷混凝土上·下半断面200mm250mm250mm仰拱200mm250mm250mm钢支撑间距1m1m1m上·下半断面125H150H150H仰拱125H150H150H锚杆长度3m3m3m根数12根12根10根短超前支护长度2m3m3m间距（环向）0.6m0.6m0.6m49表13单线隧隧道的的标准准初期期支护护参数数支护模式INPILCPILSP围岩级别INILCILS喷混凝土上·下半断面150mm200mm200mm仰拱150mm200mm200mm钢支撑间距1m1m1m上·下半断面100H125H125H仰拱100H125H125H锚杆长度3m3m3m根数1０根10根10根短超前支护长度2m3m3m间距（环向）0.6m0.6m0.6m50表14二次衬衬砌和和仰拱拱的标标准设设计（（双线线）名称围岩级别设计荷载（水压）距衬砌拱顶的高度（m）标准设计断面记事二次衬砌仰拱近接施工的可能范围防排水形式厚度（cm）配筋厚度（cm）配筋加载σmaxKPa卸载hmin/HINLIN无30无45无－－排水型INL-无50D19@250mm50D19@250mm400.9排水型INL0050D19@250mm50D19@250mm950.8防水型INL5550D19@250mm50D19@１25mm1250.7INL101060D19@250mm60D19@１25mm1500.7ILLIL无30无45无－－排水型ILL-无50D19@250mm50D19@250mm150.9排水型ILL0050D19@250mm50D19@250mm600.9防水型ILL5550D19@250mm50D19@１25mm750.9ILL101060D19@250mm65D19@１25mm550.951表15二次衬衬砌和和仰拱拱的标标准设设计（（单线线）名称围岩级别设计荷载（水压）距衬砌拱顶的高度（m）标准设计断面记事二次衬砌仰拱近接施工的可能范围防排水形式厚度（cm）配筋厚度（cm）配筋加载σmaxKPa卸载hmin/HINLIN无40无40无－－排水型INL-无40D19@250mm40D19@250mm650.8排水型INL0040D19@250mm40D19@250mm1050.8防水型INL5540D19@250mm40D19@25０mm650.9INL101040D19@250mm40D19@25０mm250.9ILLIL无30无30无－－排水型ILL-无40D19@250mm40D19@250mm350.8排水型ILL0040D19@250mm40D19@250mm750.9防水型ILL5540D19@250mm40D19@25０mm550.8ILL101040D19@250mm40D19@１25mm250.952五、荷荷载—结构模模式解解析方方法中中的几几个问问题把隧道道支护护结构构在力力学上上和构构造上上作为为拱形形结构构来处处理这这个思思想是是从地地面结结构引引申出出来的的。是是否合合适和和合理理到何何种程程度要要根据据现在在的认认识、、经验验去判判断。。把隧道道作为为拱形形结构构的概概念,就是承承认松松弛土土压的的作用用。松松弛压压力不不是不不可避避免的的荷载载，多多数场场合是是由于于某些些作业业方法法所诱诱发的的，因因而都都在力力图阻阻止它它发生生。如如果这这一点点收到到成效效，就就失去去根据据松弛弛压力力决定定尺寸寸的必必要性性。如果施工没没有满满足下下述条条件，隧道道结构构就只只能是是个拱拱,而按拱拱形结结构进进行设设计计计算：：（1）制止止松弛弛和由由此产产生的的松弛弛压力力；（2）结构和围围岩之间有有效的、长长期的紧密密接触。531、荷载及荷荷载模式在沿用地面面结构的设设计方法进进行隧道结结构设计时时，结构的的作用效应应基本上是是由荷载产产生的，而而隧道结构构的力学特特性是：荷荷载、结构构、材料三三位一体，，没有象地地面结构那那样明确的的荷载概念念。因此，，不得不假假定一个“虚拟”的荷载，认认为它仅仅仅与围岩的的特性有关关，而与衬衬砌结构的的特性无关关，即“松弛荷载”。荷载－结构构模式的发发展,主要表现在在“荷载”处理上,它大致经历历了下述三三个阶段：：（1）主动荷载载模式；（2）主动荷载载+被动荷载模模式；（3）实际荷载载模式。54a)主动荷载模模式；b)主动荷载＋＋被动荷载载；c)实际荷载（（形变荷载载）多数情况都都采取第二二种模式，考虑了结结构和围岩岩之间的相相互作用，，局部地体体现了隧道道作为地下下结构的受受力特点。。为保证围围岩约束抗抗力的存在在，就必须须保证结构构与围岩之之间紧密接接触。第三种模式式当前正在在发展，也也就是形变变压力。实际上它与与第一种模模式是一致致的，只不不过荷裁是是实地量测测或计算的的。实测荷荷载基本上上反映了结结构与围岩岩全面的相相互作用的的特征。因因此,结构力学方方法同样也也可以反映映结构支护护体系相互互作用的功功能。55采用第三种种模式时计计算中有二二种情况：：（1）结构与围围岩牢固接接触的情况况：在接触面上上不仅有径径向荷载，，还有切向向荷载存在在，切向荷荷载的存在在可以减小小荷载分布布的不均匀匀程度，从从而大大减减小结构中中弯矩。例例如，喷混混凝土支护护就属这种种。（2）结构与围围岩松散接接触的情况况：在接触面上上只能传递递径向荷载载，一般具具有回填层层的现灌混混凝土衬砌砌或用盾构构法修筑的的隧道都符符合这种情情况。图2形变压力的的特征56表1松弛荷载的的计算公式式隧道类型

计算公式

公式

符号意义铁路隧道q=0.043e0.64(6-s)(B+H)γq:垂直均布压力γ：围岩单位容重S：围岩级别B、H：坑道的宽度、高度Kb:跨度影响系数公路隧道q=0.8γKbe0.62(6-s)水工隧洞q=(0.2~0.3)γB注：公式来来源于有关关规范。2、弹性抗力力的处理弹性抗力是是相互作用用产生的被被动荷载，，把隧道结结构视为一一个在荷载载作用下的的位于弹性性地基上的的结构，是是现行计算算方法的基基本出发点点。把围岩岩对结构变变形的约束束所产生的的反作用视视为线弹性性的，即σ=Ky（K为弹抗力系系数；y为接触点径径向位移））。57实际上，在在荷载作用用下地基的的变形是一一个弹塑性性过程，在在初始荷载载作用下，，一般地基基向衬砌方方向移动，，因为围岩岩在开挖中中会松弛或或在衬砌回回填中没有有达到密贴贴的要求，，而在卸载载条件下，，围岩变形形只有一部部分复原。。因此，弹弹性抗力系系数，不完完全是围岩岩的特征值值，它受到到承载面大大小和形状状以及荷载载大小的影影响。[例如]在用加载板板方法研究究的荷载下下沉曲线中中，同时发发生可观的的弹性和塑塑性下沉。。此外，弹弹性抗力系系数由于不不同大小的的松弛，在在底部附近近最大，在在拱部最小小。弹性抗抗力系数还还直接受到到施工方法法的影响，，减小震动动的开挖会会给出较高高的弹性抗抗力系数，，而过度爆爆破所得到到的K值要低一些些。58表2各级围岩的的弹性抗力力系数K的标准值围岩级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥK（MPa/m）1800~28001200~1800500~1200200~500100~200<100弹性抗力系系数K，实质上与与地基反力力系数是一一个概念，，因此应尽尽可能地采采用原位置置试验的地地基反力系系数。在土土砂围岩的的情况，可可采用下式式确定：式中：Kn：法线方向向的地基反反力系数（（N/cm3）；Eo：孔内水平平加载的变变形系数（（N/cm2）；Do：衬砌外径径（cm）；δ：衬砌的变变形量（cm）。59弹性抗力与与水平荷载载之间有密密切关系，，在松散地地层中因水水平荷载大大，弹性抗抗力很小，，围岩约束束衬砌变形形的作用不不大，一般般计算中可可以忽略弹弹性抗力。。但在岩质质隧道中，，弹性抗力力的作用是是非常显著著的，它能能够充分体体现围岩约约束变形的的作用。弹性抗力分分布多数按按径向分布布，但也可可按水平分分布处理。。一般以弹弹簧表示,有全周弹簧簧模式和在在围岩条件件差的情况况采用在隧隧道顶部45º范围内不设设置弹簧的的模式。计计算时弹簧簧出现拉力力的场合应应取消弹簧簧。图3弹性抗力的的分布图图4弹性抗力的的弹簧设置置603、近接施工工的影响隧道完成后后有接近隧隧道进行其其他结构物物施工的场场合，隧道道受到其影影响会产生生位移、变变形。在这这种场合，，要切实掌掌握对二次次衬砌及仰仰拱的影响响，必要时时要考虑近近接施工所所产生的荷荷载。（1）近接施工的的种类和变形形动态的特征征图5近接施工种类类和变形动态态特征隧道上部填土土；隧道上部挖土土；隧道并列；隧道交叉61（2）设计方法近接施工的影影响程度与近近接的程度（（间隔距离））、近接施工工的规模（荷荷载的大小、、范围）、围围岩条件、衬衬砌构造等是是多种多样的的。为此，影影响程度不能能一概而论。。（3）近接荷载的的计算方法由于围岩的应应力状态变化化而出现各种种各样的现象象，但大体上上可分为围岩岩应力向压缩缩侧变化（近近接加载）和和向拉伸侧变变化（近接卸卸载）二种情情况。a.近接加载作用在地层上上的荷载向土土中的影响，，随深度因应应力分散而减减小。说明荷荷载的作用范范围是有限的的，一般越深深地层的刚性性相对地变大大。为此，对对二次衬砌及及仰拱的影响响也是逐渐减减小的。62近接荷载P的计算方法：：图6地中应力分布布图7地表面加载1kgf/cm2时，隧道正上方的垂直直应力分布随着深度的增增加，隧道正正上方的应力力逐渐减少，，深度达20m时，仅为地表表荷载的1/15。一般说，超超过某一深度度后（隧道直直径的2～3倍），可认为为隧道正上方方的应力基本本上与地表荷荷载无关，而而仅收到松弛弛压力的作用用。有限单元法应力分散公式式法63b.近接卸载近接卸载的场场合要注意有有以下特征：：卸载时的围围岩弹性系数数比加载时大大；卸载时围围岩向离开二二次衬砌方向向变形，围岩岩和二次衬砌砌间没有拉力力作用。日本统计了近近30多座隧道的卸卸载开挖实例例，研究挖土土量H和埋深h的关系后认为为：因挖方产产生衬砌变异异的事例并不不多，而衬砌砌发生开裂的的局限在剩余余埋深h小于5～10m或剩余埋深比比h/H小于0.2～0.3的范围内。即即使剩余埋深深h＝0m时，也有不开开裂的情况。。在泥质软岩岩中h大于10m多产生开裂。。64此外，也研究究了地下开挖挖对地面建筑筑物基础承载载力的影响。。在结构物基基础附近修筑筑地下结构物物时，对基础础的影响究竟竟如何，通过过一个计算例例说明。取地地层的强度是是均一的，cu＝500kN/m2，结构物宽设设定20m，承载力是单单轴抗压强度度的5.14倍，即2570kN/m2。不同情况下下地层承载力力的变化如下下。表3开挖引起的地地层承载力的的变化情况Qu(kN/m2)qu/Cqu/qu0a)2710.85.421.000b)1350.82.700.498c)2518.95.040.929d)505.61.010.187e)1728.03.460.637f)1101.42.200.40665六、岩石力力学解析方法法中的几个问问题1、围岩的力学学模式适合解析用的的围岩力学模模式，应选择择能够表现伴伴随隧道开挖挖的围岩变形形特性、强度度特性的模式式。有限元界界限中采用的的位移的力学学模式（图1）有：线性模模式；非线性性模式；弹塑塑性模式。也也有把应变的的时间特性，，即粘性功能能考虑在内的的模式。图1围岩的力学模模式例66线性模式是最最单纯的力学学模式，对大大致推断隧道道支护体系的的力学动态，，此模式是充充分的。非线性模式把把实际的围岩岩变形特性，，近似模拟成成随应力的增增加，变形系系数慢慢降低低的模式，而而在隧道开挖挖解析中获得得广泛的应用用。非线性模模式的方法有有：破坏接近近度模式、双双曲线模式等等，经常采用用的是破坏接接近度的方法法和松弛系数数的方法。发生大规模塑塑性区的情况况，也可以采采用弹塑性模模式，但其解解析结果受到到屈服条件参参数的影响。。可采用摩尔尔-库仑屈服条件件（M-K条件）和德鲁鲁克-布拉卡的屈服服条件（D-P条件）。（１）破坏接接近度的非线线性模式岩石三轴试验验的应力-应变曲线的非非线性模式示示于图2，此曲线表示示出其切线变变形系数D和其应力状态态的主应力圆圆摩尔-库仑破坏条件件及破坏接近近度R的关系。67图2破坏接近度的的非线性模式式a)三轴试验的应应力－应变曲曲线；b)破坏接近度；；c)破坏接近度和和变形系数的的关系；d)破坏接近度和和泊松比的关关系68也就是说，破破坏接近度在在弹性极限REL以下，则显示示非线性，变变形系数D降低，泊松比比则增加。这这种关系表示示为：R'=1（R>REL）R'=R/REL（R≦REL）D/Do=R'1/n+（1-R'1/n）Df/Dμ=μ０R'1/kn+（1-R'1/kn）μf式中：D0、μ０为弹性状态的的变形系数和和泊松比；Df、μf为破坏时的变变形系数和泊泊松比；n为D的变化路径的的参数；k为常数，一般般取2。（2）松弛系数的的非线性模式式此法是把图3所示的主应力力圆和破坏包包络线的距离离定义为松弛弛系数。把它它作为助变数数用以下方法法表示围岩的的非线性特性性。69图3松弛系系数当R≧1，R<Rmin时：D=Doμ=μo当Rmin≦R<1时：70式中：：α1、α2、β1、β2表示非非线性性的参参数，，由实实验确确定；；R为松弛弛系数数，k为弹性性极限限参数数，为弹性性极限限状态态的值值。。2、围岩岩和隧隧道的的模式式化（1）解析析区域域伴随隧隧道开开挖使使围岩岩应力力变化化的范范围大大致在在2D左右，，因此此，作作为解解析区区域要要确保保在隧隧道外外侧最最小2D的范围围。一一般在在水平平方向向取(4~5)D，垂直直方向向取(2~3)D。71图4解析区区域（2）边界界条件件解析区区域实实际上上是在在半无无限连连续的的围岩岩中取取出隧隧道周周边有有限的的范围围，因因此解解析区区域的的端面面必须须满足足以远远区域域的连连续性性边界界条件件。作作为边边界条条件，，一般般可采采用表表1所示的的条件件。（3）围岩岩和支支护构构件模模式化化按表2的单元元模式式化。。72表1一般采采用的的边界界条件件边界的种类水平方向的位移垂直方向的位移备注解析区域的上面自由自由地表面的上覆荷载或解析区域上面的围岩重量，可作为荷载作用在边界面上。解析区域的侧面固定自由初始侧压系数大于1时。在初始应力解析中，侧面的水平方向位移不要固定，而把水平土压作为荷载作用之。解析区域的下面固定固定表2围岩和和支护护构件件的模模式化化模式化的构件单元种类围岩平面单元喷混凝土棒单元钢支撑梁单元锚杆棒单元和特殊结合单元二次衬砌格子单元或平面单元和棒单元73图5锚杆和和特殊殊结合合单元元图6格子单单元图7平面单单元与与棒单单元的的结合合743、施工工过程程的模模式化化解析应应能反反映隧隧道施施工顺顺序、、掌子子面进进展的的三维维效果果。在隧道道的开开挖方方法中中，有有全断断面方方法、、台阶阶法、、中隔隔壁法法等方方法，，要根根据断断面形形状和和地质质条件件采用用。围围岩及及隧道道的应应力和和位移移，则则因开开挖步步骤和和支护护时期期等而而变，，因此此，应应把施施工步步骤忠忠实地地反映映在解解析步步骤中中。同时，，隧道道随掌掌子面面的进进展而而产生生围岩岩位移移。在在毛洞洞时，，掌子子面达达到之之前已已发生生约30%的位移，而在在掌子面后方方约2D左右位移基本本收敛。因此此，如图8所示，由于开开挖后支护设设置的时期，，隧道应力和和位移是变化化的。根据围围岩状况因释释放率的不同同，而认真地地加以研究。。75掌子面进展的的三维效果可可以按二维解解析方法处理理，这可采用用流变函数方方法和应力释释放率方法。。流变函数方法法是把距掌子子面的距离置置换为天数，，把掌子面达达到后的位移移发生过程用用流变函数近近似表示的方方法。采用此此方法时，围围岩的力学模模式中要介入入具有粘性功功能的参数。。图8支护设置时期期和隧道位移移76应力释放率的的方法是把与与开挖时点及及支护设置时时点的各自位位移相当的应应力释放率，，按开挖相当当外力分阶段段地作用进行行解析的方法法。此方法，，在解析上的的处理是比较较容易的，但但某开挖阶段段的开挖相当当外力，因在在该阶段不是是100%的释放，而不不能移到下一一阶段，在有有辅助台阶的的全断面方法法等下一阶段段的距离比较较短的情况，，要格外注意意。不管那种方法法，在喷混凝凝土情况应设设在强度能够够发挥到某种种程度的那一一点，锚杆的的情况，应设设在充填材料料硬化时那一一点。总之，，最好设在各各构件开始发发挥支护功能能的时期。4、输入物性值值和围