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标准设计是用于一般围岩条件下的标准隧道断面的设计，在围岩条件特殊或设计条件特殊时，采用已经实施过的、经过工程实际证实是安全和经济的支护结构模式的设计方法。不仅研究隧道结构物本身的安全性，而且要保护周边环境或接近居民区的情况也越来越多。在这种情况下，有必要采用解析方法分析地表面下沉等地层的动态。在下面所示的特殊条件的情况下，宜根据解析的计算结果，进行定量的判断：（1）地质条件特别差的情况；（2）埋深大、初始地应力大的情况；（3）埋深小、地表面下沉有问题的情况；（4）采用施工方法、开挖顺序与标准的支护模式不同的特殊工法的情况；12（5）断面比标准支护模式大得多的情况；（6）断面形状特殊的情况；（7）洞口段、斜坡面下隧道等地形条件可能产生偏压的情况；（8）有接近隧道的结构物的情况；（9）预计有与时间有关的流变荷载作用、二次衬砌存在长期荷载的情况。在解析方法中，有两种主要的方法，即：传统的结构力学方法及近代的岩体力学方法。前者是把支护结构和周围围岩分割开来，把围岩作为给定荷载，支护结构作为承载结构，即结构－荷载模式。后者是把结构和周围岩体视为一体，作为共同的承载体系，即相互作用模式或围岩－结构模式，这是我们目前在隧道设计中力求采用的或正在发展中的方法。13数值解析方法主要有：有限元法、有限差分法、刚体单元法、边界单元法、离散极限解析法、块体理论方法等。

有限元数值解析方法的特征如下：

1）即使在解析对象区域的围岩和隧道几何形状复杂的情况，也能够采用各种单元的组合模式，不仅对初期支护，对二次衬砌都能够按实际形状进行解析；

2）即使材料力学性质不同的各种单元也能够进行解析。为此，可以把具有复杂地质条件的围岩力学特性和初期支护（混凝土材料、钢材等）等的力学特性等按实际情况模式化；

3）研究埋深小、对地表面有影响的情况时，能够推定伴随开挖的下沉量。因此，也能判断压浆等改善围岩的效果；

4）因基础方程式的定式化比较容易，所以，可以考虑围岩的非线性特性。14考虑上述性质，采用节理单元模拟不连续的裂隙围岩的方法得到了应用，同时考虑粘弹塑性模式的研究也取得了一定的进展。这样，使具有复杂支护模式的隧道和特殊围岩条件下的隧道动态的解析也成为可能。为提高有限元解析方法的可靠性，采用数值解析的前提是仔细的地质调查和如何将其利用在设计中的评价技术。结构力学解析方法，主要用于研究二次衬砌。把二次衬砌分割模拟成为近似小段的直线构件，取各结点为刚性连接的骨架结构。同时，对衬砌的变形采用地层弹簧支持的弹性体来计算衬砌断面内力的方法。地层弹簧因按各节点设定，故对复杂地质条件的情况也能进行解析，并计算出衬砌断面的内力。但是，不能计算随掌子面进展和地表面下沉等情况。15三、类比设计采用类比设计方法，应充分研究其设计条件及设计的妥当性，根据当地围岩的性质加以修正。

所谓类似条件：围岩条件及断面形状等设计条件的类似。研究围岩条件类似时，最有参考价值的是附近既有工程的实际情况，如在围岩分类时，应着重在弹性波速度、裂隙系数、围岩强度比、相对密度、细颗粒含量等类似性上；其次，也要研究地下水条件的类似性。

设计条件的类似性主要是支护模式、地形条件、施工方法、辅助工法等的类似性。类比设计的类似性以及妥当性，一般应按表1和表2所列项目进行研究。16表1研究类似性的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研究妥当性的项目17

下面进一步说明围岩条件和设计条件的类似性。

·

硬岩在硬岩中的类似围岩指：分级表中的地层名、岩石名中属于硬质围岩的。例如，地层名、岩石名同属于一类的，就可以判断有一定的类似性。因此，在类比设计时，可参考其弹性波速度、裂隙系数的类似性进行设计。

·

中硬岩、软岩在中硬岩、软岩中，岩石的物性值因岩石的种类及互层状态等而异，因此，即使岩石名相同，还要考虑生成年代、强度、或围岩强度比类似的围岩条件。在这种情况时，砂质岩中的砂的固结状态(强度)及是否形成透水层是很重要的。所以，在进行类比设计时，最好参考其弹性波速度、裂隙系数、围岩强度比的类似条件。在泥质岩、凝灰质软岩中，有无膨胀性、断层等的程度的类似性也十分重要。

18

·

土砂围岩未固结或土砂围岩，应研究其生成年代、形成过程、紧密程度、透水性、地下水位等的类似性。对粘性土要研究其围岩强度比，对砂质土要研究相对密度、细颗粒含量、含水比等的类似性。

·

设计条件在类似围岩中应着重收集其设计条件、施工方法、辅助工法的内容、净空位移值等的量测结果，并加以分析、评价，而后编制经过修正的支护模式。

研究设计条件类似性的注意事项列于表3。19

表3作为参考的设计注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况下，隧道支护体系设计还是依赖“类比设计”的。表4是锚杆喷混凝土支护技术规范建议的喷锚支护设计参数。20表4隧洞和斜井的喷锚支护类型和参数毛洞跨度（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从这些实践中，大致上可以发现在进行支护结构“类比设计”时，需要注意的几点:

（1）首先，对坑道围岩要有一个大致的分级。这些分级大都是根据地质调查结果，为一座隧道或一条线路单独编制的。但不管采用何种分级，大体上都是把坑道围岩分为四个基本类型。即：

1）完整、稳定围岩；

2）易破碎、剥离的块状围岩；

3）有地压作用的破碎围岩；

4）强烈挤压性围岩或有强大地压的围岩。其中某些类别还有些亚类。23

（2）各类围岩的支护结构参数大体按下述原则选用。

1）完整、稳定的围岩锚杆长<1.5m，n=4~4.2根/m左右，从力学上看是不期待锚杆的支护作用的，围岩本身强度就可以支护坑道，但因有局部裂隙或岩爆等,用其加以控制而已。喷混凝土用于填平补齐，为确保洞内安全作业应设金属网防止顶部岩石剥离。二次衬砌采用能够施工的最小混凝土厚度，约30cm左右。

2）易破碎、剥离的块状围岩锚杆长1.5~3.5m，n=10根/m左右，多数情况是长、短锚杆配合使用，短锚杆用胀壳式，长锚杆用灌浆式。

24喷层厚0~l0cm，稳定性好些的用来填平补齐，也可只在拱部喷射，此时开挖正面无需喷射。金属网与（1）同，特殊情况要采用可缩性支撑或轻型格栅钢支撑。二次衬砌厚度约30~40cm，包括喷层在内约40cm。

3）有地压作用的破碎围岩锚杆长3.0~4.0m，有时用6.0m的灌浆式，n=10根/m左右。这种围岩视围岩强度比，预计有塑性区发生时，从控制它的发展看，锚杆必须用喷混凝土等加强。喷层厚约15~20cm，拱部和侧璧同厚，视情况正面也要喷5cm左右。开挖进度要注意，必要时控制在1.0m以下。二次衬砌厚度,包括喷层在内为40~~50cm,尽可能薄些。25

4）强烈挤压性围岩或有强大地压的围岩在这种围岩中施工是很困难的，要分台阶施工，限制分部的面积。锚杆长4.0~6.0m，n=15根/m左右。喷层厚20~25cm，正面喷3~5cm。必须采用可缩性支撑，间距约75cm左右。二次衬砌厚度，按总厚度50cm决定。在30天以内断面要闭合，即要修好仰拱。

（3）在施工中应尽量少损害围岩，使其尽量保持原有围岩的强度，因此，应采用控制爆破技术。26

（4）预计有大变形和松弛的情况下，开挖面要全面防护〈包括正面〉,使之有充分的约束效应，在分台阶开挖时，上半断面进深不宜过长，以免影响整个断面的闭合时间。

（5）二次衬砌通常是现灌的，在修二次衬砌之前要修防水层，形成具有防水性能的组合式衬砌。应使衬砌成为薄壳，这样可减少弯矩而使弯曲破坏的发生为最小。因此，不仅初期支护，二次衬砌都要薄些。

（6）允许甚至希望围岩出现一定的变形，以减少为完成支护作用所需的防护措施。这些防护措施包括衬砌，必要时要修仰拱以及直接深入到不稳定岩层内部的锚固系统，或其他结构构件。27

（7）要制定一个详细周密的量测计划。控制变形与应力，确定所建立的支护阻力是否和围岩类型相适应以及还需要什么样的加强措施。（8）支护结构的施工顺序与正确的掌握围岩的时间效应很有关系。因此，施工要严格按着预定的施工程序施工。从当前地下工程设计现状来看，多数情况是依靠类比设计的，甚至有的提出“在隧道力学中不可能进行计算，只能给以必要的假设”，并指出“首先是提出一个大致简化的力学模型，然后根据某些经验和工程师的直观来判断”。米勒更绝对地指出“通过大量的虚拟的计算，说明我们的无知，这些虽然能够使发包者得到安慰，也只是自欺欺人”。这些说法虽然有些绝对，但也说明计算的局限性。28四、标准设计在一般的围岩条件下的预设计中，有标准支护模式时，原则上都要采用标准设计。这也是当前隧道设计方法的主流。

标准设计适合于围岩条件(地形、地质、埋深)和断面积、断面形状、周边环境的影响等条件均属一般的情况。标准设计流程如图1所示。采用标准设计时，根据施工中掌子面观察和量测结果进行设计修正是很重要的。位移量有问题的情况，或在城市的土砂围岩及接近结构物施工对地表面下沉有限制等情况，与解析方法同时应用也是必要的。29

图1初步设计中的标准支护模式设计的流程

301、标准设计的实用范围及注意事项标准设计在一般的设计条件下，适用于所有围岩级别。表1、表2分别是标准设计的适用范围及采用标准设计时应注意的事项。表1标准设计的适用范围

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标准设计应用上的注意事项

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

采用标准设计时，要确实地进行围岩分级，充分考虑应用条件。标准支护模式的主要支护构件是喷混凝土、锚杆、钢支撑等，同时要考虑开挖、仰拱、二次衬砌等。在附近有类似条件的工程时，也应参考。2、标准设计的标准支护模式为了提高设计效率和质量，提高隧道设计的标准化程度是非常重要的。这也是目前许多国家大力提倡的。标准设计的中心内容是支护模式的标准化。下面列举我国及国外的一些标准设计的概况。（1）我国铁路隧道的标准设计

单线铁路隧道标准支护参数列于表3、表4。

33表3单线铁路隧道标准支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单线铁路隧道典型的标准断面及支护模式(cm)35表4双线铁路隧道的标准支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)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双线铁路隧道典型的标准断面及支护模式(cm)37（2）日本铁路隧道标准支护模式

表5

单线铁路隧道的标准支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2×0~4（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单线铁路隧道典型的标准断面及支护模式(m)39表6双线铁路隧道标准支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双线铁路隧道典型的标准断面及支护模式(m)41表7新干线隧道标准支护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，配置在拱脚附近。

2.如采用钢支撑，以括号内种类为准。42图6新干线隧道标准断面及支护模式（m）43

（3）日本公路隧道的标准设计日本公路隧道的标准设计的程度是比较高的。不仅有双车道隧道，三车道隧道的标准设计，还有双车道隧道紧急停车带的标准设计。表8双车道隧道标准支护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双车道隧道紧急停车带的标准支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10三车道隧道的标准支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11三车道隧道紧急停车带支护模式的大致标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

参考上述标准支护参数时要注意：日本的铁路隧道和公路隧道是采用不同的围岩分级方法，表中所列的级别，请参考日本的分级方法。一般说，根据围岩级别采用的标准支护模式，即使在同一的围岩级别条件下，因埋深大，支护构件稳定性有时也会出现问题，应参考围岩的变形系数和埋深的关系以及量测结果等，修正标准的支护结构模式。463、城市条件采用矿山法修筑的隧道的标准设计最近，日本针对城市砂质土和粘性土的地质条件和埋深浅的设计条件，编制了城市采用矿山法修筑地下铁道区间隧道或铁路、道路隧道的设计标准，很有借鉴意义。该技术标准在决定断面形状时，考虑完成后和施工时的稳定。断面形状视使用目的，要确保建筑限界，同时要考虑变形富裕，尽可能地采用不产生应力集中的圆顺的隅角。同时原则上要设置仰拱，并采用钢筋混凝土结构。因在山岭隧道中开挖断面形状的自由度比较高，应根据施工中的量测掌握实际的围岩动态，来验证基本设计的安全性。下图是参考既有的事例，考虑各种条件的断面形状。以下各表是标准支护模式。47图7砂质地层的双线断面形状例图8黏性土地层双线断面形状例48表12双线隧道的标准初期支护参数支护模式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单线隧道的标准初期支护参数支护模式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14二次衬砌和仰拱的标准设计（双线）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@１25mm550.9

51

表15二次衬砌和仰拱的标准设计（单线）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、荷载—结构模式解析方法中的几个问题

把隧道支护结构在力学上和构造上作为拱形结构来处理这个思想是从地面结构引申出来的。是否合适和合理到何种程度要根据现在的认识、经验去判断。把隧道作为拱形结构的概念,就是承认松弛土压的作用。松弛压力不是不可避免的荷载，多数场合是由于某些作业方法所诱发的，因而都在力图阻止它发生。如果这一点收到成效，就失去根据松弛压力决定尺寸的必要性。如果施工没有满足下述条件，隧道结构就只能是个拱,而按拱形结构进行设计计算：

（1）制止松弛和由此产生的松弛压力；（2）结构和围岩之间有效的、长期的紧密接触。531、荷载及荷载模式在沿用地面结构的设计方法进行隧道结构设计时，结构的作用效应基本上是由荷载产生的，而隧道结构的力学特性是：荷载、结构、材料三位一体，没有象地面结构那样明确的荷载概念。因此，不得不假定一个“虚拟”的荷载，认为它仅仅与围岩的特性有关，而与衬砌结构的特性无关，即“松弛荷载”。荷载－结构模式的发展,主要表现在“荷载”处理上,它大致经历了下述三个阶段：

（1）主动荷载模式；（2）主动荷载+被动荷载模式；（3）实际荷载模式。54a)主动荷载模式；b)主动荷载＋被动荷载；c)实际荷载（形变荷载）

多数情况都采取第二种模式，考虑了结构和围岩之间的相互作用，局部地体现了隧道作为地下结构的受力特点。为保证围岩约束抗力的存在，就必须保证结构与围岩之间紧密接触。

第三种模式当前正在发展，也就是形变压力。实际上它与第一种模式是一致的，只不过荷裁是实地量测或计算的。实测荷载基本上反映了结构与围岩全面的相互作用的特征。因此,结构力学方法同样也可以反映结构支护体系相互作用的功能。55采用第三种模式时计算中有二种情况：

（1）结构与围岩牢固接触的情况：在接触面上不仅有径向荷载，还有切向荷载存在，切向荷载的存在可以减小荷载分布的不均匀程度，从而大大减小结构中弯矩。例如，喷混凝土支护就属这种。

（2）结构与围岩松散接触的情况：在接触面上只能传递径向荷载，一般具有回填层的现灌混凝土衬砌或用盾构法修筑的隧道都符合这种情况。图2形变压力的特征56表1松弛荷载的计算公式隧道类型

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：公式来源于有关规范。2、弹性抗力的处理弹性抗力是相互作用产生的被动荷载，把隧道结构视为一个在荷载作用下的位于弹性地基上的结构，是现行计算方法的基本出发点。把围岩对结构变形的约束所产生的反作用视为线弹性的，即σ=Ky（K为弹抗力系数；y为接触点径向位移）。57

实际上，在荷载作用下地基的变形是一个弹塑性过程，在初始荷载作用下，一般地基向衬砌方向移动，因为围岩在开挖中会松弛或在衬砌回填中没有达到密贴的要求，而在卸载条件下，围岩变形只有一部分复原。因此，弹性抗力系数，不完全是围岩的特征值，它受到承载面大小和形状以及荷载大小的影响。

[例如]在用加载板方法研究的荷载下沉曲线中，同时发生可观的弹性和塑性下沉。此外，弹性抗力系数由于不同大小的松弛，在底部附近最大，在拱部最小。弹性抗力系数还直接受到施工方法的影响，减小震动的开挖会给出较高的弹性抗力系数，而过度爆破所得到的K值要低一些。58表2各级围岩的弹性抗力系数K的标准值围岩级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥK（MPa/m）1800~28001200~1800500~1200200~500100~200<100

弹性抗力系数K，实质上与地基反力系数是一个概念，因此应尽可能地采用原位置试验的地基反力系数。在土砂围岩的情况，可采用下式确定：

式中：Kn：法线方向的地基反力系数（N/cm3）；Eo：孔内水平加载的变形系数（N/cm2）；Do：衬砌外径（cm）；δ：衬砌的变形量（cm）。59弹性抗力与水平荷载之间有密切关系，在松散地层中因水平荷载大，弹性抗力很小，围岩约束衬砌变形的作用不大，一般计算中可以忽略弹性抗力。但在岩质隧道中，弹性抗力的作用是非常显著的，它能够充分体现围岩约束变形的作用。弹性抗力分布多数按径向分布，但也可按水平分布处理。一般以弹簧表示,有全周弹簧模式和在围岩条件差的情况采用在隧道顶部45º范围内不设置弹簧的模式。计算时弹簧出现拉力的场合应取消弹簧。图3弹性抗力的分布图图4弹性抗力的弹簧设置

603、近接施工的影响隧道完成后有接近隧道进行其他结构物施工的场合，隧道受到其影响会产生位移、变形。在这种场合，要切实掌握对二次衬砌及仰拱的影响，必要时要考虑近接施工所产生的荷载。

（1）近接施工的种类和变形动态的特征

图5近接施工种类和变形动态特征隧道上部填土；隧道上部挖土；隧道并列；隧道交叉61

（2）设计方法近接施工的影响程度与近接的程度（间隔距离）、近接施工的规模（荷载的大小、范围）、围岩条件、衬砌构造等是多种多样的。为此，影响程度不能一概而论。

（3）近接荷载的计算方法由于围岩的应力状态变化而出现各种各样的现象，但大体上可分为围岩应力向压缩侧变化（近接加载）和向拉伸侧变化（近接卸载）二种情况。

a.近接加载作用在地层上的荷载向土中的影响，随深度因应力分散而减小。说明荷载的作用范围是有限的，一般越深地层的刚性相对地变大。为此，对二次衬砌及仰拱的影响也是逐渐减小的。62

近接荷载P的计算方法：图6地中应力分布图7地表面加载1kgf/cm2时，隧道正上方的垂直应力分布

随着深度的增加，隧道正上方的应力逐渐减少，深度达20m时，仅为地表荷载的1/15。一般说，超过某一深度后（隧道直径的2～3倍），可认为隧道正上方的应力基本上与地表荷载无关，而仅收到松弛压力的作用。有限单元法应力分散公式法63b.近接卸载近接卸载的场合要注意有以下特征：卸载时的围岩弹性系数比加载时大；卸载时围岩向离开二次衬砌方向变形，围岩和二次衬砌间没有拉力作用。日本统计了近30多座隧道的卸载开挖实例，研究挖土量H和埋深h的关系后认为：因挖方产生衬砌变异的事例并不多，而衬砌发生开裂的局限在剩余埋深h小于5～10m或剩余埋深比h/H小于0.2～0.3的范围内。即使剩余埋深h＝0m时，也有不开裂的情况。在泥质软岩中h大于10m多产生开裂。64

此外，也研究了地下开挖对地面建筑物基础承载力的影响。在结构物基础附近修筑地下结构物时，对基础的影响究竟如何，通过一个计算例说明。取地层的强度是均一的，cu＝500kN/m2，结构物宽设定20m，承载力是单轴抗压强度的5.14倍，即2570kN/m2。不同情况下地层承载力的变化如下。表3开挖引起的地层承载力的变化情况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、岩石力学解析方法中的几个问题

1、围岩的力学模式适合解析用的围岩力学模式，应选择能够表现伴随隧道开挖的围岩变形特性、强度特性的模式。有限元界限中采用的位移的力学模式（图1）有：线性模式；非线性模式；弹塑性模式。也有把应变的时间特性，即粘性功能考虑在内的模式。图1围岩的力学模式例66

线性模式是最单纯的力学模式，对大致推断隧道支护体系的力学动态，此模式是充分的。非线性模式把实际的围岩变形特性，近似模拟成随应力的增加，变形系数慢慢降低的模式，而在隧道开挖解析中获得广泛的应用。非线性模式的方法有：破坏接近度模式、双曲线模式等，经常采用的是破坏接近度的方法和松弛系数的方法。发生大规模塑性区的情况，也可以采用弹塑性模式，但其解析结果受到屈服条件参数的影响。可采用摩尔-库仑屈服条件（M-K条件）和德鲁克-布拉卡的屈服条件（D-P条件）。

（１）破坏接近度的非线性模式岩石三轴试验的应力-应变曲线的非线性模式示于图2，此曲线表示出其切线变形系数D和其应力状态的主应力圆摩尔-库仑破坏条件及破坏接近度R的关系。67图2破坏接近度的非线性模式a)三轴试验的应力－应变曲线；b)破坏接近度；c)破坏接近度和变形系数的关系；d)破坏接近度和泊松比的关系68也就是说，破坏接近度在弹性极限REL以下，则显示非线性，变形系数D降低，泊松比则增加。这种关系表示为：

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为弹性状态的变形系数和泊松比；Df、μf为破坏时的变形系数和泊松比；n为D的变化路径的参数；k为常数，一般取2。

（2）松弛系数的非线性模式此法是把图3所示的主应力圆和破坏包络线的距离定义为松弛系数。把它作为助变数用以下方法表示围岩的非线性特性。69图3松弛系数

当R≧1，R<Rmin时：

D=Do

μ=μo

当Rmin≦R<1时：70式中：α1、α2、β1、β2表示非线性的参数，由实验确定；

R为松弛系数，

k为弹性极限参数，为弹性极限状态的值。2、围岩和隧道的模式化（1）解析区域伴随隧道开挖使围岩应力变化的范围大致在2D左右，因此，作为解析区域要确保在隧道外侧最小2D的范围。一般在水平方向取(4~5)D，垂直方向取(2~3)D。71图4解析区域

（2）边界条件解析区域实际上是在半无限连续的围岩中取出隧道周边有限的范围，因此解析区域的端面必须满足以远区域的连续性边界条件。作为边界条件，一般可采用表1所示的条件。（3）围岩和支护构件模式化按表2的单元模式化。72表1一般采用的边界条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围岩和支护构件的模式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锚杆和特殊结合单元图6格子单元图7平面单元与棒单元的结合743、施工过程的模式化解析应能反映隧道施工顺序、掌子面进展的三维效果。在隧道的开挖方法中，有全断面方法、台阶法、中隔壁法等方法，要根据断面形状和地质条件采用。围岩及隧道的应力和位移，则因开挖步骤和支护时期等而变，因此，应把施工步骤忠实地反映在解析步骤中。同时，隧道随掌子面的进展而产生围岩位移。在毛洞时，掌子面达到之前已发生约30%的位移，而在掌子面后方约2D左右位移基本收敛。因此，如图8所示，由于开挖后支护设置的时期，隧道应力和位移是变化的。根据围岩状况因释放率的不同，而认真地加以研究。

75

掌子面进展的三维效果可以按二维解析方法处理，这可采用流变函数方法和应力释放率方法。流变函数方法是把距掌子面的距离置换为天数，把掌子面达到后的位移发生过程用流变函数近似表示的方法。采用此方法时，围岩的力学模式中要介入具有粘性功能的参数。图8支护设置时期和隧道位移76

应力释放率的方法是把与开挖时点及支护设置时点的各自位移相当的应力释放率，按开挖相当外力分阶段地作用进行解析的方法。此方法，在解析上的处理是比较容易的，但某开挖阶段的开挖相当外力，因在该阶段不是100%的释放，而不能移到下一阶段，在有辅助台阶的全断面方法等下一阶段的距离比较短的情况，要格外注意。不管那种方法，在喷混凝土情况应设在强度能够发挥到某种程度的那一点，锚杆的情况，应设在充填材料硬化时那一点。总之，最好设在各构件开始发挥支护功能的时期。4、输入物性值和围岩分级采用有限元法进行设计时，要充分考虑计算方法、计算上的假定，采用适合的物性值。77

（1）初始地压有以下三个参数：埋深、初始侧压系数、单位体积重量。

（a）埋深：取隧道顶端到地表面的距离(m)为埋深。

（b）初始侧压系数:

弹性理论求解方法:

基于弹性理论可根据泊松比直接求出初始侧压系数，泊松比一般分布在0~0.5之内，初始侧压系数在0~1.0之内。有限元法：根据泊松比求解的方法，不能设定初始侧压系数大于1.0以上。侧压系数大于1.0时，在自重应力场分析中，应解除围岩模式侧方的水平约束，作用与侧压系数对应的水平方向荷载，设定所定的初始应力。78

反分析的方法:

施工时有位移量测数据时，可采用量测断面模式的反分析方法确定初始侧压系数。但没有量测数据时，也可根据类似条件的隧道量测数据进行反分析求解。反分析方法求出的初始侧压系数和埋深的关系例示于图9。（a）79图9初始侧压系数和埋深的关系（b）（c）80(c)单位体积重量原则上采用物性试验求出，在受到上部有几种地层构成时，硬按每一层地层设定。（2）围岩的变形特性

(a)初始变形系数D0、破坏时变形系数Df

围岩的变形系数，因隧道开挖范围和试验采用的试件尺寸而不同，因此，根据试验得到的物性值不能直接用，应充分考虑试验的特性确定。主要方法有：降低物性试验得到的数值的方法；采用位移量测数据反分析求出的方法（图10）；采用按围岩级别的标准值的方法（图11）。

81图10变形系数和净空位移的关系图11围岩级别和围岩变形系数的关系82(b)初始泊松比μ0、破坏时泊松比μf

没有物性试验结果是，作为标准值可按下表采用。破坏时泊松比是连续体塑性化时的数值，不管围岩级别，都取0.45。

表3泊松比的标准值围岩初始泊松比μo破坏时泊松比μf硬岩0.250.45中硬岩、软岩0.300.45未固结围岩（土砂）0.350.45

(c)弹性极限EEL、非线性参数n

一般根据三轴试验的应力-应变曲线求出，没有物性试验结果时，可根据围岩级别确定。83

（3）围岩的强度特性围岩强度特性有基于摩尔-库伦破坏基准的黏结力、内摩擦角、抗拉强度等。这些强度特性都能够由试件的强度试验和原位置试验求出，但一般说，在隧道中进行原位置试验的较少。因此，强度特性中的黏结力和变形系数一样，考虑裂隙的影响，将试件的试验值适当降低。而内摩擦角因不太受裂隙的影响，可采用三轴试验得到的数值。没有物性试验结果时，可按围岩级别的标准值确定。

（4）其他物性值

(a)围岩的流变特性围岩的流变特性有粘性倍率α1和迟延系数β1。这些物性值能根据室内试验结果求出，但因试件小、加载时间短，可能得到粘性倍率α1小、迟延系数β1大的结果，要加以注意。84

在施工时，有量测数据可以获得随掌子面进展而位移增加的情况时，可以采用反分析方法求解。

(b)掌子面进展的参数掌子面进展的参数α2、β2，把掌子面的3维效果用流变函数模拟的数值。α2是根据掌子面前方的位移的比例求出的，一般假定该位移为30%左右，即：α2=70%/30%≒2。迟延系数β2在掌子面后方2D（D隧道直径），根据位移收敛90%的假定设定的。

（5）支护结构的输入物性值

(a)喷混凝土喷混凝土与通常的混凝土不同，因在令期小的时候就发生变形，显示出具有弹性变形以外的相当大的流变变形和干燥收缩变形。弹性系数（包括钢纤维喷混凝土）取E=340MPa。85表4喷混凝土的流变试验结果例材龄2天3天7天加载时的强度（MPa）18.620.524.3加载应力（MPa）3.115.666.79加载时应变（10）160490580加载后28天的应变（10）9101190130028天的干燥收缩应变（10）600570470加载时的弹性系数（GPa）19.411.611.728天后的视弹性系数（GPa）2.913.373.61

(b)锚杆一般使用的锚杆主要的异形棒钢，也有采用带螺纹的棒钢。异形棒钢有明确的屈服点，具有完全弹塑性的特性，但螺纹棒钢因进行过冷加工，没有明确的屈服点，可产生应变软化，具有非线性特性。锚杆一般都按弹性体处理。86

锚杆的材料特性：

1)普通锚杆

Ec=210GPaσY=29.5MPaσY=34.5MPa2)锚杆和围岩间的滑动因锚杆与砂浆间的附着强度大，锚杆发生滑动时，多发生在充填砂浆和围岩之间。此时，有充填砂浆先行剪切破坏和围岩先行剪切破坏两种情况，由两者的抗剪强度的大小决定。根据试验结果，充填砂浆的抗剪强度可定为C=0.5MPa、φ=30，计算采用的数值可采用围岩抗剪强度和此值中的小者。87

(c)钢支撑钢支撑一般取梁单元，但因与喷混凝土形成一体，也可换算为喷混凝土厚度计算。材料特性采用：Ec=219GPa;σY=40MPa

(d)衬砌混凝土在一般解析中，不进行二次衬砌计算的情况居多，但二次衬砌灌注后受到变形时，还要进行计算。输入物性值可按设计基准确定。

(e)超前支护在二维计算中，明确地把超前支护的支护构件模式化是不可能的。作为简便的方法，可以改善后的压浆区的变形、强度特性的方法进行解析。885、考虑掌子面三维影响的方法掌子面进展用流变函数表现的方法和逐步释放开挖面应力的方法。

(1)掌子面的进展用流变函数表现的方法日本铁道公团采用的方法是把掌子面的进展发生的三维应变的变化用流变函数置换进行计算的方法。在假定必要参数的输入值时，不仅要根据地质调查的物性值，也要参考过去的解析例。在计算中，对隧道的变形模式（拱顶下沉和净空位移的比值）有巨大影响的是初始侧压系数K。内摩檫角φ、黏结力c等，与塑性有关的系数的影响是第二位的。其它的非线性参数，如非线性参数n、破坏时的变形系数Df、破坏接近度R的设定方法等的影响是不大的。89

对计算结果有很大影响的初始侧压系数K0和初始变形系数D0在实际的围岩中是很难测定的，因此在计算时要充分地研究这些输入条件。

(2)逐步释放开挖面应力的方法此方法是把在初始状态的隧道预计开挖面的应力，与开挖的同时，配合掌子面的进展逐步释放的方法。图12曲线，表示把随掌子面进展在隧道某一观察断面产生的位移u（z）与隧道完全贯通时的平面应变状态的最终位移u的无量纲化，因此，此曲线称为位移的特性曲线。采用此特性曲线，三维状态的位移u（z）可表示如下。

90u(z)=u0f（z）这样，在二维解析中，开挖时的释放荷载P（z），可对应掌子面的进展，由下式表示。

P(z)=P0f(z)图12隧道净空位移与掌子面的关系916、解析结果的评价

(1)位移隧道位移，一般采用净空位移（上半断面收敛值）评价。根据试验结果，净空位移达到隧道直径的2%后，位移将急剧增大，因此，这个值可以作为容许值的大致标准。作为量测值的净空位移多在绝对位移的70~80%左右，作为基准值可取隧道直径的1.5%。根据标准设计的计算结果，净空位移在隧道直径的0.2%以下时，几乎不会发生塑性区，因此，这个值可以作为视围岩为弹性体时的大致标准。接近结构物的情况，要把结构物的位移为主进行评价。一般铁道、公路等都设定了相应的基准值（管理值、容许值）。

92(2)围岩的稳定性根据计算结果评价围岩的稳定性时，其参数有破坏接近度和隧道周围发生的塑性区的大小。在三轴试验中，软岩、中硬岩的破坏接近度R在1.0~0.3之间时，具有直线的应力应变关系。R≦0.3后则变为非线性的应力应变关系。在硬岩的场合，R≦0.2的范围时，就显示非线性的关系。因此，围岩的破坏接近度如在0.2以下的范围内，围岩可以大体上保持弹性状态。这也可以作为一个评价基准。此外，从塑性区来看，壁面应力达到围岩的单轴抗压强度时开始塑性化，塑性区达到隧道直径的20%后急剧增大。因此，塑性区不超过隧道直径的20%的基准，可以作为评价围岩稳定性的一个大致标准。93(3)支护构件的应力喷混凝土、锚杆、钢支撑等支护构件，应根据有关标准设定混凝土、钢材的容许值。但容许值应考虑支护构件的作用来设定。也就是说，支护构件作为主体结构的一部分时，应采用与有关标准相同的容许值。如支护构件仅作为临时结构物时，应适当降低容许应力，作为容许值。在膨胀性围岩、围岩条件极端差的情况、位移非常大的情况时，从构件不发生破坏的观点出发，也可以采用构件的强度作为容许值。如下表。94表5隧道设计的容许值例设计原则支护构件作为主体结构的一部分时支护构件作为临时结构时以支护构件强度使用的情况位移净空位移值≦0.002D≦0.015D围岩稳定性破坏接近度≧0.2塑性区≦0.2D支护构件的应力喷混凝土应力kgf/cm2≦0.85fck/γcγbγt≦0.85fck/γt≦0.85fck锚杆应力MPa≦180≦200≦295≦345主要对象的围岩ⅤnⅣnⅢnⅡnⅠnⅠLⅠsD：隧道直径（mm）fck：喷混凝土设计基准强度（MPa）γc：喷混凝土的材料系数（=1.3）γb：喷混凝土的构件系数（=1.15）γt：喷混凝土的结构物系数（=1.1）95七、结构计算中的水压力问题

从防排水角度设计隧道有两种类型，即防水型隧道和排水型隧道。水压力的处理是一个难题，特别在岩质隧道中。1、对地下水问题的基本认识（1）水是循环的。因降水、渗透、蒸发等现象，具有在大气圈、地表、地中循环的性质，并以地表水、地下水的系统在循环系统中存在。

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（2）地下水是经常变动的。地下水由于降水、河流、湖泊等的补给，当超过其储存能力时，就向河流、涌泉等流出。（3）开挖工程是以排水为前提的，对水循环有一定影响。在山岭隧道中，通常是一边排水一边开挖的，使水处于动水状态，可以减轻作用在衬砌上的水压。这是能够修建海底隧道的理由之一。

图2隧道开挖前后岩层中地下水流动概念图97

（4）对地表水、地下水的影响。地表层的渗透能力非常强，降水的大部分向地下渗透以土壤水储存，其后从表层到数米的土壤层和风化层的蒸发和树木根系的吸收、蒸发，并向深部渗透。图2山地表层的水循环图3浅层地下水面和深部地下水的关系模式98

（5）地下水的存在形态。隧道施工的涌水形态与地下水的存在系统关系密切，其形态从空隙的角度看，大体上可分为层状水和脉状水。

图4层状水和脉状水99

（6）山地地下水的流动规律。其规律是：在赋予地下水的山地中，水头一般因上部比下部高(pmu>pmb)，故向下流动；地下水在流出的河流部，则相反，因下部的水头比上部高(pru>prb)故是向上流动的；山侧与河侧及其中间部的水头，是pmb>phb>prb，故地下水是从赋予部（山）向流出部（河流）流动的。图5岩层中地下水的分布100

（7）地质条件与影响范围

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中、古生层：埋深在150m以内几乎都受到影响，出现枯水现象，其范围在埋深50～100m时是最大的，随着埋深的增加有逐渐减小的趋势。在破碎质围岩中，影响范围有的可达1000～2000m的情况。

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深成岩类：发生枯水现象大多在埋深200m以内，也有离开隧道1000m的情况。与中、古生层一样，影响范围在埋深50～100m时最大(一侧可达1500m)，埋深越大，影响范围减少。

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变质岩类：数据比较少，看不出规律，但埋深在50m以内，多发生枯水现象。

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火山岩及火山破碎岩类：枯水现象在埋深250～300m时，几乎都发生，范围在埋深100～200m时最大。101

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砂砾层：数据比较少，看不出规律，但埋深在50m以内，多发生枯水现象。

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泥岩、砂岩类：枯水现象几乎在埋深100m以下、距隧道500m以内发生。埋深在20m～30m时影响最大。

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火山泥流堆积物：埋深越大其范围也越大。2、山岭隧道的水压力问题（1）既有的一些研究成果我国水工建筑物荷载设计规范规定：作用在混凝土衬砌的外水压强标准值，按下式确定。

P=β·γ·H式中：P：水压强标准值；β：外水压力折减系数；γ：水的重度；H：作用水头，按设计采用的地下水位线与隧洞中心线之间的高差确定。102表1外水压力折减系数级别地下水活动状态地下水对围岩稳定的影响β值1洞壁干燥或潮湿无影响0~0.22沿结构面有渗水或滴水风化结构面有充填物质，地下水降低结构面抗剪强度，对软弱岩体有软化作用。0.1~0.43沿裂隙或软弱结构面有大量滴水、线状流水或喷水泥化软弱结构面有充填物质，地下水降低抗剪强度，对中硬岩体有软化作用。0.25~0.64严重滴水、沿软弱结构面有小量涌水地下水冲刷结构面中的充填物质，加速岩体风化，对断层等软弱带软化泥化，并使其膨胀崩解及产生机械管涌，有渗透压力，能够鼓开较薄的软弱层。0.4~0.85严重股状流水、断层等软弱带有大量涌水地下水冲刷带出结构面中的充填物质，分离岩体，有渗透压力，能够鼓开一定厚度的断层等软弱带，并导致围岩坍方。0.65~1.0103表说明：在不同的地质条件下，水压值可以有不同程度的折减，而折减的主要方法是根据开挖后暴露的渗漏水的状况决定的。这实质上，也是目前许多国家采用的办法。因此，利用平导进行超前的地质预报，根据岩面的水的活动状况，或透水试验确定折减系数是可行的。在锚杆喷射混凝土支护技术规范也建议外水压力可采用地下水位以下的水柱高乘以相应的折减系数的方法估算。表2外水应力折减系数地下水活动分级地下水活动情况折减系数1无02微弱0～0.2