隧道与地下工程 课件 第3、4章 隧道总体设计、围岩压力理论与计算

本章提要：本章主要介绍隧道勘察的目的、内容以及方法；围岩的分级方法（着重介绍了公路隧道围岩的分级方法）和围岩分级的影响因素；隧道路线的选址的方法和原则；隧道洞口位置的选择方法以及隧道的几何设计要求（隧道平面的设计、纵断面设计、横断面设计）。隧道围岩分级是本章学习的重点及难点，重点掌握围岩分级、围岩分级的影响因素。第3章隧道总体设计3.1

隧道勘察3.2隧道围岩分级的影响因素和指标3.3公路隧道围岩分级3.4隧道方案比较3.5隧道及洞口位置选择3.6隧道的几何设计第3章隧道总体设计3.1隧道勘察

隧道勘察的目的是查明隧道所处位置的工程地质条件和水文地质条件，以及隧道施工和运营对环境保护的影响。为规划、设计、施工提供所需的勘察资料，并对存在的岩土工程问题、环境问题进行分析评价提出合理的设计方法和施工措施，从而使隧道工程经济合理和安全可靠。为预可行性研究阶段工程地质勘察（简称预可勘察）工程可行性研究阶段工程地质勘察（简称工可勘察）施工图设计阶段工程地质勘察（简称详细勘察）初步设计阶段工程地质勘察（简称初步勘察）3.1.1隧道勘察的阶段划分1.资料收集2.地形与地质调查3.勘探3.1.2隧道勘察主要方法

1.资料收集

应全面收集隧址区下列资料：1）地形地貌资料，以及有关的遥感与观测资料；2）工程地质、水文地质、地表水，特别是自然地质灾害的种类、性质、规模、危害程度等资料；3）气温、降水、风速和风向等气象资料；4）地震历史、地震动参数等资料；5）沿线交通情况、施工条件等；6）沿线矿产资源、周边既有工程等资料。

2.地形与地质调查

隧道各阶段调查的目标、内容及范围见下表。

3.勘探在隧道工程勘察中，当需要查明岩土的性质和分布，从地下采取岩土样供室内试验测定，岩土的物理力学性质可采用挖探、钻探、地球物理勘探等勘探方法进行。工程地质勘探点、测试点和观测点的布置应该目的明确，具有代表性，能判明重要的地质界线和查明工程地质状况，其密度、深度应根据勘察阶段、成图比例、露头情况和工程结构特点确定。工程地质调绘应与路线及沿线工程结构设置相结合，为路线方案比选、工程场地选择以及勘探、测试工作量的拟定等提供依据。3.2

隧道围岩分级的影响因素和指标

●围岩：隧道周围一定范围内，对其稳定性产生影响的岩（土）体。

一定范围：应力变化忽略不计或位移为零，横断面上约为6～10倍洞径。●最关心问题:开挖形成隧道后围岩的稳定性。根据洞室开挖实践，洞室开挖后的稳定性大体上可分为以下几类：4.不稳定1.充分稳定3.2.1

地下洞室稳定性分类2.基本稳定3.暂时稳定地质因素（客观）工程活动中的人为因素（主观）3.2.2影响围岩稳定性的因素岩体结构类型、岩石的力学性质、地下水状况、结构面性质和空间的组合、围岩的初始应力场等。地下洞室尺寸和形状、施工中采用的开挖方法等。国外围岩分级概述：1、日本国铁土石分类，主要根据开挖岩（土）体的难易程度（强度）来划分。

2、前苏联岩石坚固性分类，采用岩石坚固性系数。3、英国和美国太沙基分级法、岩石质量指标（RQD）、稳定时间。3.2.3

围岩分级的因素指标我国围岩分级概述：1）20世纪50年代：铁路隧道围岩分级，岩石抗压强度和岩石天然重度，分为坚石、次坚石、松石及土质四类。2）

以后，借用前苏联的岩石坚固系数。3）1975年，铁路隧道规范，分为六类。4）1990年，公路隧道围岩分级，分为六类。5）2004年，公路隧道围岩分级，分为六级。3.2.3

围岩分级的因素指标●人们对围岩的认识是不断深入的土石方工程分类法(开挖难易程度)岩石的坚固性来分类:如坚固性系数f岩石质量指标（RQD）从围岩稳定性出发分类来代替多年沿用的坚固性为基础的分类从分级指标方面：大多数从定性描述经验判断定量描述●以隧道围岩的稳定性为基础进行分级是隧道围岩分类的总趋势。1、单一的岩性指标：

岩石的抗压、抗拉强度、弹性模量;

单轴饱和极限抗压强度；试验简单，数据可靠。

2、单一的综合性指标以单一的指标，反映岩体的综合因素。3.2.3

围岩分级的因素指标(1)弹性波传播速度弹性波传播速度与岩体的强度和完整性成正比。反映岩石的力学性质和岩体的破碎程度。（2）岩石质量指标（RQD）RQD=单位钻孔长度指钻探时岩心复原率或岩芯采取率，综合反映岩体的强度和岩体的破碎程度的指标。

3.2.3

围岩分级的因素指标（3）围岩的自稳时间从隧道开挖到顶部开始发生可察觉的移动、松弛所经历的时间。

（4）岩体的坚固系数岩体的坚固系数是反映岩石强度和岩体构造特征的综合性指标。单位钻孔长度下10cm以上岩芯累计长度X100%3、复合指标：用两个或两个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合性指标。

（1）国标《工程岩体分级标准》(GB50218-94)采用两个复合指标—岩体基本质量指标BQ和修正的岩体基本质量指标[BQ]，对工程岩体进行分级。

（2）《水工隧洞设计规范(SL279-2002)围岩工程地质分类和国际《描杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)所采用的围岩/岩体强度应力比S综合考虑了岩石强度岩体完整性和地应力的因素。

（3）巴顿等人提出的岩体质量Q指标，Q综合表达了岩体质量的六个地质参数。根据不同的Q值，岩体质量评为九级。3.2.3

围岩分级的因素指标

（4）我国总参谋部工程兵坑道工程围岩分类中采用岩体质量指标Rm和应力比S。1.公路隧道围岩分级的出发点

●

强调岩体的地质特征的完整性和稳定性，避免单一的岩石强度指标分级的方法；●

分级指标应采用定性和定量指标相结合的方式；●

明确工程目的和内容，并提出相应的措施；●

分级应简明，便于使用；●

考虑吸收其它围岩分级优点，并尽量和我国其它工程分级一致。3.3公路隧道围岩分级

2.考虑分级的指标和因素●岩体的结构特征与完整状态岩体的结构特征与完整状态是评价围岩稳定程度最直接、最重要的指标●岩石强度

将岩浆岩、沉积岩、变质岩按岩性、物理力学参数、耐风化能力和作为建筑材料的要求划分为硬质岩石及软质岩石二级，依饱和抗压极限强度Rb与工程的关系分为四种，其标准及代表性岩石见表●地下水在公路隧道围岩的分级中，遇有地下水时，一般的处理采用降级的方法①整体的硬质岩石中，一般的地下水对其稳定性影响不大，不考虑降级；②块状硬质岩和整体软质岩中，地下水将影响其稳定性，产生局部坍塌，或软化软弱结构面，围岩分级时一般可酌情降低1级；③碎石状松散结构的岩体中，裂隙中有泥质充填物，地下水对稳定性影响很大，可根据地下水的性质、水量、渗流条件、动水和静水压力等情况，判断其对围岩的危害程度，可降低1～2级；④强烈的断裂带，或软塑性粘土和潮湿的粉细砂，分类时已考虑了一般含水地质情况的影响，不再降级。对于特殊含水地层如已达到饱和状态或具有较大的承压水时，需另作处理。

隧道围岩分级的综合评判方法采用两步分级，并按以下顺序进行：

1.根据岩石的坚硬程度和岩体的完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体基本质量指标BQ，综合进行初步分级。

2.对围岩进行详细定级时，应在岩体基本质量分级基础上考虑修正因素的影响，修正岩体基本质量指标值。

3.按修正后的岩体质量指标[BQ]，结合岩体的定性特征综合评判、确定围岩的详细分级。3.3

公路隧道围岩分级

3.3.1

岩石的坚硬性围岩分级中岩石坚硬程度、岩体完整程度两个基本因素的定性划分和定量指标及其对应关系应符合下列规定：1.岩石坚硬程度定性划分2.岩石风化程度确定3.岩石坚硬程度定量指标用岩石单轴饱和抗压强度Rc表达4.Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系岩石坚硬程度可按下表定性划分。名称定性鉴定代表性岩石硬质岩坚硬岩锤击声清脆，有回弹，震手，难击碎；浸水后大多无吸水反应未风化-微风化的花岗岩、正长岩、闪长岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩、片麻岩、石英片岩、硅质板岩、石英岩、硅质胶结的砾岩、石英砂岩、硅质石灰岩等较坚硬岩锤击声较清脆，有轻微回弹，稍震手，较难击碎；浸水后大多有轻微吸水反应1、弱风化的坚硬岩2、未风化-微风化的熔结凝灰岩、大理岩、板岩、白云岩、石灰岩、钙质胶结的砂页岩软质岩较软岩锤击声不清脆，无回弹，较易击碎；浸水后指甲可刻出印痕1、弱风化的坚硬岩2、弱风化的较坚硬岩3、未风化-微风化的凝灰岩、千枚岩、砂质泥岩、泥灰岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩等软岩锤击声哑脆，无回弹，有凹痕，易击碎；浸水后手可掰开1、强风化的坚硬岩2、弱风化-强风化的较坚硬岩3、弱风化的较软岩4、未风化的泥岩等极软岩锤击声哑脆，无回弹，有较深凹痕，手可捏碎；浸水后可捏成团1、全风化的各种岩石2、各种半成岩岩石风化程度可按下表确定名称野外特征

风化系数kƒ波速比kv未风化岩质新鲜，偶见风化痕迹0.9～1.00.9～1.0微风化结构构造基本未变，仅节理面有渲染或略微变色，有少量风化裂隙0.8～0.90.8～0.9中等（弱）风化结构构造部分破坏，矿物色泽较明显变化，裂隙面出现风化矿物或存在风化夹层0.6～0.80.6～0.8强风化结构构造大部分破坏，矿物色泽明显变化，长石、云母等多风化成次生矿物0.4～0.60.4～0.6全风化结构构造全部破坏，矿物成分除石英外，大部分风化成土状——0.2～0.4Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系可按下表坚硬程度坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩注：平均间距指主要结构面间距的平均值3.3.2

岩石的完整程度名称结构面发育程度主要结构面的结合程度主要结构面类型相应结构类型组数平均间距（m）完整1～2>1.0好或一般节理、裂隙、层面整体状或巨厚层结构较完整1～2>1.0差节理、裂隙、层面块状或厚层结构2～31.0～4.0好或一般块状结构

较破碎2～31.0～4.0差节理、裂隙、层面、小断层裂隙块状或中厚层结构0.2～0.4好镶嵌碎裂结构一般中、薄层状结构破碎0.2～0.4差各种类型结构面裂隙块状结构一般或差裂隙状结构极破碎无序——很差

——散体状结构岩体完整程度的定性划分岩体完整程度的定量指标用岩体完整性系数Kv表达式中：Vpm—岩体弹性纵波速度（km/s）；

Vpr—岩石弹性纵波速度（km/s）

Jv与Kv对照表Jv(条/m3)<33-1010-2020-35>35Kv>0.750.75-0.550.55-0.350.35-0.15<0.15Kv与定量划分的岩体完整程度的对应关系Kv>0.750.75-0.550.55-0.350.35-0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎

Kv一般用弹性波探测值，若无探测值时，可用岩体体积节理数JV

确定Kv值

岩体基本质量指标BQ应根据分级因素的定量指标Rc值和Kv值按下式计算。

当

时，

当

时，3.3.3

围岩分级综合评判。公路隧道围岩分级注：本表不适用于特殊条件的围岩分级，如膨胀性围岩、多年冻土等。

围岩详细分级时，如遇下列情况之一，应对岩体基本质量指标BQ进行修正：

1有地下水

2围岩稳定性受软弱结构面影响，且由一组起控制作用。

3存在高初始应力

围岩基本质量指标修正值[BQ]可按下式算：

式中：

[BQ]-围岩基本质量指标修正值；

BQ-围岩基本质量指标；

K1-地下水影响修正系数；

K2-主要软弱结构面产状影响修正系数；

K3-初始应力状态影响修正系数

3.3.3

围岩分级综合评判。3.3.3

围岩分级综合评判。

在工程可行性研究和初步勘测阶段，可采用定性划分的方法或工程类比的方法进行围岩级别划分岩质围岩级别土质围岩级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅣⅤⅥⅠⅡⅢ1Ⅲ1Ⅳ1Ⅳ2Ⅳ2Ⅴ1Ⅴ2Ⅳ3Ⅴ1Ⅴ2Ⅵ

亚级划分公路隧道岩质围岩的基本质量分级3.4隧道方案比较

隧道方案与其他方案的比较具体有以下几点

（1）隧道与绕行及深路堑比较（2）短隧道群与长隧道比较（3）两座单线隧道方案和一座双线隧道方案比较（4）分离隧道与小净距隧道及连拱隧道的比较一般说来，隧道造价比明堑要贵一些，施工技术也复杂一些，明堑方案常常是比较省钱、省事、又快速的。但在比较隧道方案与明堑方案时，忽略了安全条件，就会造成错误。例如，为了避免修建工程较难的隧道，有意识地将线路向靠河一侧移动，把本该用隧道穿过的地方，硬以明堑通过。由于明堑劈坡太深开挖后，边坡不稳，施工时坠石掉块，运营后塌坡坍方，给长期的运营带来安全上的威胁和防护上的困难。从长期运营条件来看，隧道方案优于明堑。2.与路堑方案的比较3.4.1隧道与绕行及深路堑比较绕行方案技术要求低、投资省、工期短。但线路延长、弯道增多，尤其是小半径弯道，极不利于以后的运营。此外，沿线可能形成高大边坡，将会留下塌方落石等严重影响交通运营的隐患。1.与绕行方案的比较与路堑方案比较举例经验山体可穿而不宜大挖，大挖必塌！

宝成线秦岭盘山道，本应以隧道通过，但为了赶工期，图省钱，改用明堑方案。深挖边坡为1：0.75和1：0.5，边坡的高度达60m，个别边坡高达90m，岩层为强风化破碎花岗岩。开挖后，岩石风化很快，边坡站立不住。以后多次刷方，但终不能稳定，最后不得不采用明洞，但以造成不应有的损失，并且致使施工非常混乱。无展线余地—隧道穿山方案可展线—反复跨河“避难就易”方案3.4.2短隧道群与长隧道比较短隧道群方案的优点一般说来，短隧道是比较容易施工的。有时可以只用简单的设备就可以进行施工，技术上困难也不多；一群短隧道并不相连，中间以明线相连。这样，它们各自有自己的出口和入口，可以开辟较多的工作面，容纳较多的人同时工作，施工进度较快；建成后，由于隧道短，多半可以只靠自然通风，不必另配机械通风系统；运营成本低，车上旅客长时间处于地下的不舒服感觉可以减轻。短隧道群方案的缺点河谷边坡的地质多是比较复杂的，尤其是地表覆盖层更是风化地带，岩体松散破碎，节理切割严重。短隧道在此通过，坑道多不稳定，围岩压力很大，开挖时易坍方；隧道外侧覆土太薄，形成偏侧压力，使隧道的支护结构处于不利的受力状态中。若是岩体的，层理是向外下倾的，更易发生剪切破坏，对隧道的稳定形成威胁；多个隧道相距不远，有时前一座隧道的出口，隔不了多远就是另一座隧道的进口，施工时互相干扰，洞口场地不利布置；多条隧道要多建多座洞门建筑物，在工程造价上不经济。3.4.2短隧道群与长隧道比较长隧道方案的优点它将位于岩体深处坚固稳定的地层中，围岩压力小，坑道稳定，无偏压受力的情况；支护可以简单，施工比较安全；工程单一，施工不受干扰；洞门建筑物只有两个，比多座短隧道为少。隧道长，技术上要复杂一些，工程造价可能要贵一些。多年实践指出，线路还是倾向于向里靠一些，宁愿隧道长一些，但只是一座为好。长隧道方案的缺点短隧道群：

多、杂、碎、塌长隧道：少、简、整、稳3.4.2短隧道群与长隧道比较3.4.3两座单线隧道方案和双线隧道方案比较一座双线隧道的优点一座双线隧道所需的地位宽度比两座单线隧道的位置宽度要小，选线时易于安排布置；一座双线隧道的开挖面面积比两座单线隧道的开挖总面积为小。也就是工程量要小，而施工的相互干扰也少些；双线隧道的净空较大，坑道宽敞，有条件使用大型机械施工；双线隧道的通风条件好，维修养护都较方便。双线隧道断面跨度大，所受围岩压力也就大。因此需要更为有力的支护结构；隧道施工时，因为压力大，临时支护困难，发生坍方事故的威胁较大；双线隧道的一次工程投资比两座单线隧道先后修建的初期投资大；双线隧道断面积大，不能充分利用列车活塞风。一座双线隧道的缺点3.4.3两座单线隧道方案和双线隧道方案比较断面小，压力小，坑道的稳定性好，施工容易，支护简单而且安全；对于近期尚不准备修第二线的新建隧道来说，可以先修第一线的单线隧道，预留第二线，待需要时才修。如此则初期一次投资较少；若第一线隧道施工时采用了平行导坑，则平导即可作为第二线隧道的前进导坑。两座单线隧道的优点3.4.3两座单线隧道方案和双线隧道方案比较两座单线隧道的缺点两座单线隧道必须横向相隔一定的安全距离，才能保证两隧道间的围岩土柱有足够的支承能力，以避免在修筑第二线隧道的施工中，对第一线隧道有影响；两座单线隧道无论是同时施工还是先后施工，施工时总会有些相互干扰。尤其是在修第二线隧道时，多半是在已成第一线不间断行车的条件下进行的，这就增加了施工的困难。3.4.3两座单线隧道方案和双线隧道方案比较当复线本身相距一定的横向距离时，自然要各自修建单线隧道。但要保证两座隧道之间有足够的安全距离。在实践的基础上，归纳出最小间距的数值，如下表所列，仅供参考。

复线两隧道间的横向最小距离围岩级别最小安全距离(m)Ⅰ(1.5～2.0)BⅡ—Ⅲ(2.0～2.5)BⅣ(2.5～3.0)BⅤ(3.0～5.0)BⅥ>5.0B

注：表中B为隧道开挖断面的宽度(m)3.4.3两座单线隧道方案和双线隧道方案比较公路分离隧道、小净距隧道及连拱隧道的比较如下表3.4.4分离隧道与小净距隧道及连拱隧道的比较比较项目分离隧道小净距隧道连拱隧道双洞边墙间距/m大于153～150结构与受力简单、稳定较简单、较稳定结构复杂、受力不稳定工序、工期和难度少、短、小较少、较短、较小工序多、工期长、难度大围岩受扰动次数少较少多地质条件好差都有较好差、浅埋、偏压隧道长度不限，长隧道更显优越性中、短型为主中、短型，很少有长隧道与线路连接差较好线形较好可容交通量较小较小大，可用多连拱隧道适用范围山区较广城市和山丘占地面积多较少最少地下空间利用差较好最好人文景观与环保不利较有利最有利经济评估每米造价低，连接线高有利每米造价高、总价经济合理高跨比─＞0.5＜0.5隧道选址应考虑以下原则：※逢山穿洞，宁长勿短，早进晚出—避免洞口深挖；※宁里勿外，宁深勿浅，避软就硬—避免不良地质；小结：3.5隧道及洞口位置的选择

隧道具体位置的选择与区域工程地质条件、水文地质条件、地形地貌条件、工程难易程度、投资数额、工期要求，以及现有的施工技术水平和今后运营条件等因素有关

隧道洞口位置的选择是隧道勘测设计的重要环节之一。结合洞口的地形、地质条件、施工、运营条件以及洞口的相关工程（桥涵、通风设施等）综合考虑。

要避免用单纯的经济观点来选定隧道洞口。3.5.1越岭隧道选址

穿越分水岭的隧道称为越岭隧道。分水岭是水系的分界线。越岭地段通常地形陡峻，山峦起伏，地质及水文条件复杂，地形变化较大。什么是垭口？两山间的狭窄地方。地理意义指的是山脊上呈马鞍状的明显下凹处。

垭口的概念：当线路必须跨越分水岭时，分水岭的山脊线上高程较低处，即称垭口。3.5.1越岭隧道位置的选择1.越岭隧道平面位置选择

◆然后进行可能通过的垭口、沟谷的比选。3.5.1越岭隧道位置的选择

选择垭口的方法◆利用小比例尺地形图(如军用地图)、航空照片、卫星照片等；◆根据线路的航空线方向和克服越岭高程的不同要求进行大面积选线，录求可供越岭的几个垭口位置；

◆隧道位置高，隧道长度短，施工工期短，但两端展线长，

线路拔起高度大，通过能力小，运营条件差；

◆隧道位置低，则与前者相反，但施工难度增加。

◆宜采用低位置方案，但必须进行多种因素综合比选。3.5.1越岭隧道位置的选择2.越岭隧道高程选择

越岭隧道立面位置的选择是指隧道越岭标高的选择。

垭口不同，越岭标高，就会出现不同长度的隧道方案。埋藏较浅，地层受风化影响较大，施工中容易破坏山体平衡，造成各种病害。山坡常有滑坡、松散堆积、泥石流现象。洞身里侧厚，外侧薄，易产生偏压。3.5.2傍山隧道的选址

山区铁路（或公路）除越岭地段以外，线路大多是沿河傍山而行，在地势陡峻的峡谷地段，常需修建的隧道即为傍山隧道，也有称之为河谷线隧道。1.傍山隧道的概念(4)河道狭窄，水流湍急冲刷力强，对山坡稳定和隧道安全威胁较大。2.傍山隧道的特点(1)依山傍水修建时，施工中容易破坏山体平衡，造成各种病害；(2)因为是在山体表层范围内修建隧道，常常遇到崩塌、滑坡、错落、松散堆积及泥石流等不良地质现象，地质情况较为复杂；(3)一般埋深较浅，属浅埋隧道和短隧道群，洞身覆盖薄、易产生不对称的偏压情况；

傍山隧道在浅埋地段，要注意洞身覆盖厚度问题。为保持山体稳定和避免冲刷偏压、隧道位置宜往山体内侧靠，一般要求隧道外侧最小覆盖厚度应不小于规范规定的数值。3.傍山隧道的位置选择要点(1)洞身覆盖层厚

河岸存在中冲刷现象或河道窄、水流急，冲刷力强的地段，要考虑河岸受冲刷对山体和洞身稳定的影响，隧道位置宜往山体内侧靠一些，有可能时，最好设在稳定的岩层中。3.傍山隧道的位置选择要点(2)宁里勿外

线路沿山嘴绕行应与直穿山嘴的隧道方案进行比较。如山嘴地段地形陡峻、地质复杂，河岸冲刷严重，以路堑或短隧道通过难以长期保证运营安全时，应尽可能用“裁弯取直”，以较长隧道方案通过。3.傍山隧道的位置选择要点(4)“裁弯取直”

傍山隧道位置应考虑施工便道设置和既有公路的位置，应注意既有公路边坡年可能坍塌和便道施工对洞身稳定的影响。3.傍山隧道的位置选择要点(4)注意周围既有建筑对隧道稳定的影响

不良地质系指滑坡、错落、崩塌、松散堆积、泥石流、岩溶、含盐、含煤、地下水发育等，还有岩堆、危岩、落石、陷穴、流砂、断层及第四纪堆积层等不良地段。如线路难以绕避或绕避而有损于线路的总体性时，在技术经济合理的条件下，亦可因地制宜地采取相应工程措施通过。3.5.3地质条件与隧道位置选择

◆常见的不良地质条件主要是指：

滑坡、崩坍、松散堆积、泥石流、岩溶及含盐、含煤地层、地下水发育等地质现象。3.5.3不良地质地段隧道位置的选择

◆大量工程实践表明：不论是河谷线还是越岭线。在具体选定隧道位置时都必须详细研究地质条件的影响，力求使隧道在较好的地质条件下通过，尽量减少不良地质条件的影响是极力重要的。（2）层状倾斜岩层沿某个软弱面滑动1.滑坡（1）山体可能沿某软弱面滑动3.5.3不良地质地段隧道位置的选择

岩石经风化作用，分解和剥离成为大小不一的块体，从山坡上方滚下，或冲刷夹持而堆积在山坡坡脚处，形成松散堆积体。隧道通过这类地区，开挖时极易发生坍方，给施工带来困难。这时宜把隧道位置放在岩堆以下的稳定岩体之中。2.松散堆积层3.5.3不良地质地段隧道位置的选择3.泥石流当线路通过泥石流地区时，首先应充分预计和判明泥石流的成因、规模、发展趋势和冲、淤变化规律，论证以路基、桥梁通过或者以隧道等方式绕道的合理性，并判定工程安全度，以决定隧道方案的可行性。当隧道(明洞)洞口位置毗邻泥石流沟时，应注意适当延长以避免泥石流可能扩散范围的影响。3.5.3不良地质地段隧道位置的选择4.岩溶地区尽量避免或要有足够的安全距离。力求避免穿越岩溶严重发育的网状洞穴区、巨大空洞区及有利于岩溶发育的构造带。尽量避开洞身置于碳酸盐岩与非碳酸盐岩(可溶岩与非可溶岩)的接触带。当不可能时，应选择在较狭窄地段，以垂直或大角度穿过，使通过岩溶地段为最短。注意足够的岩壁厚度注意突水的可能性3.5.3不良地质地段隧道位置的选择4.岩溶地区侧蚀或下切对隧道的危害溶洞地区隧道位置的选择溶洞的危害3.5.3不良地质地段隧道位置的选择5.瓦斯地区

隧道在通过煤层时会遇到甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)等有害气体，容易引起火灾、爆炸、最好避开，不得已时作好通风稀释措施。火苗气样采集3.5.3不良地质地段隧道位置的选择瓦斯测量值3.5.5隧道洞口位置的选择

隧道洞口位置的选择是隧道勘测设计的重要环节之一。结合洞口的地形、地质条件、施工、运营条件以及洞口的相关工程（桥涵、通风设施等）综合考虑。

要避免用单纯的经济观点来选定隧道洞口。隧道长度是由隧道两端的洞口位置决定的，即隧道长度为其进出口洞门墙外表面与线路中线交点之间的距离。洞口是进出隧道的咽喉，又是隧道施工的主要通道。洞口位置选择是否合理，将对隧道的施工工期、造价、运营安全等产生重大的影响，所以在隧道设计中，洞口位置的选择是一项非常重要工作。隧道的进出口也是隧道唯一暴露的部分，也是隧道最为薄弱的环节、由于隧道洞口处地质条件差，多为严重风化的堆积体；受地表水冲刷，加上隧道开挖山体扰动等容易失稳，产生滑动和坍塌，如果隧道洞口位置选择不对，导致坍塌将无法进洞。1.隧道洞口的作用及特点3.5.5隧道洞口位置的选定2.隧道洞口位置选择误区

要避免单纯经济观点(所谓“等价点”)来选定隧道洞口。

等价点的概念：每米路堑的造价是随着路堑的挖深增大而显著增大的，当路堑挖深达到某一程度时，其每米造价就会与每米隧道的造价相等，甚至超过。因此认为在二者造价相等的点就是路堑转入隧道最经济合理的地方。选定洞口：根据地形、地质、施工、运营及洞口相关工程（如桥涵、通风设施都能够）综合考虑。3.5.5隧道洞口位置的选定

隧道施工中，洞口段围岩一般比较破碎、地质条件较差，应遵循尽量减少对岩体扰动的原则，以提高洞口段岩体和边、仰坡的稳定性。3.隧道洞口应“早进晚出”“早进、晚出”：

《设计规范》及《施工规范》均作了洞口位置规范性要求，强调“早进洞、晚出洞”，即适当延长洞口和隧道的长度,尽量避免对山体的大挖大刷，提倡零开挖洞口.让隧道洞口周围的植被得到妥善保护,维护原有的生态地貌。洞门力求与自然环境、人文景观相协调。在保持边、仰坡稳定的前提下，及时施作洞口，并在进洞之前，结合洞口的实际情况，先作好洞口地表的防排水措施。在大断面、浅埋和地质条件差的情况下通常采用地表预注浆、超前长管棚注浆等预加固措施。3.5.5隧道洞口位置的选定（1）处稳定、避不良：洞口应尽可能地设在山体稳定、地质较好地下水不太丰富的地方。避开不良地质现象。如遇到不良地质，应早进洞或加接明洞，还可以设置柔性钢丝网防护，对大型危石或集中落石区，可根据情况采用清除、支护等措施。（2）不与水争路：洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处，不要与水争路。一般情况下，垭口沟谷是地质构造上最薄弱的一环，常会遇到断层带或者褶皱、古塌方或者冲击土等松散地层；此外沟底也是地表水的汇集场所，所以，洞口最好放在沟谷的一侧，让出沟心，流出泄水的通道。4洞口位置选择原则3.5.5隧道洞口位置的选定（3）尽可能正交入山：洞口应尽可能设在线路与地形等高线相垂直的地方，使隧道正面进入山体，洞门结构物不致受到偏侧压力。傍山隧道，只能斜交进洞时，也应使夹角不要太小，而且要有相应的补救措施，如采用斜洞门或台阶式洞门，切忌隧道中线与地形等高线平行。4.选择洞口位置的原则3.5.5隧道洞口位置的选定（4）洞口高于洪水位：当线路位于有可能被淹没的河滩上或水库回水影响范围以内时，隧道洞口标高应在洪水位以上，并加上波浪的高度，以防洪水倒灌到隧道中去。（5）不宜大开挖边坡及仰坡：为了保证洞口的稳定和安全，边坡及仰坡均不宜开挖过高，不使山体扰动太大，也不使新开出的暴露面太大。一般情况下，设计各类围岩中隧道洞口上方的仰坡和路堑的边坡控制高度和坡度可参考下表：4.选择洞口位置的原则围岩级别Ⅰ～ⅡⅢⅣⅤ～Ⅵ坡率贴壁1:0.31:0.51:0.51:0.751:0.751:11:1.251:1.251:1.5高度(m)<15<2025左右<2025左右<15<1820左右<15<18公路隧道：洞口路肩设计标高=洪水设计标高＋0.5m3.5.5隧道洞口位置的选定（6）洞口外留场地：洞口以外必须留有生产活动的场所。隧道洞口一般都在山谷中，地势狭窄，而施工中的许多工序都是在洞外进行的，需要一定的场地。要有目的的使用洞外的场地，以便于运输、材料堆放、生产设施用地以及生产生活用地等。4、选择洞口位置的原则（7）注重环境保护：洞口施工应减少破坏天然植被、保护和利于自然景观；还要注意爆破噪声、水污染等。3.5.5隧道洞口位置的选定4、选择洞口位置的原则（8）洞口遇陡壁：若洞口前方岩壁陡立，基岩裸露。此时，最好不刷动原生坡面，不挖开山体，保持原有的稳定性。岩壁稳定：贴壁进洞岩壁不稳、有落石：延伸洞口，接长明洞，至塌落影响范围以外3－5m3.5.5隧道洞口位置的选定3.6隧道的几何设计隧道由主体建筑物和附属建筑物两部分组成。

主体建筑物包括洞门和洞身衬砌，以及由于地形地质情况而需要在洞口地段接长的明洞。附属建筑物包括通风、照明、防排水、安全设备、电力、通信设备等。主体设计是从几何和结构两方面进行研究

几何设计：研究范围主要是汽车行驶与隧道各个元素的关系，以保证在设计速度、预计交通量以及满足通风、照明、安全设施等条件下，行驶安全、经济、旅客舒适以及隧道美观等。

在结构方面,对洞门和洞身衬砌这些结构物总的要求是：用最小的投资，尽可能少的外来材料以及合理的养护力量，使它们能在围岩一压力和汽车行驶所产生的各种力的作用下，在设计年限内保持使用质量。

3.6.1隧道平面设计3.6.2隧道纵断面设计曲线上隧道缺点曲线隧道设计要点坡道形式坡度大小坡段长度坡段间的衔接公路隧道平面线形设计要点公路隧道纵断面线形公路隧道引线的平、纵断面线形设计要素3.6隧道的几何设计3.6.1隧道的平面设计

公路隧道的平面线形和普通道路一样，根据公路规范要求进行设计。隧道平面指隧道中心线在水平面上的投影。

隧道平面线形，一般采用直线、避免曲线。如必须设置曲线时，应尽量采用大半径曲线，并确保视距要求。一、平纵断面设计的基本概念隧道长度:

铁路：洞门外表面与内轨顶面的交点

公路：洞门外表面与路线中线的交点隧道平面：中心线在水平面的投影隧道纵断面：中心线展直后在垂直面的投影3.空气阻力大，机车牵引力损失大；1.列车倾斜和平移，建筑限界加宽，坑道尺寸加大，增大开挖量，增加衬砌圬工量；2.不同曲率，建筑限界加宽不同，隧道断面变化，施工时，支护和衬砌尺寸均不一致，技术上复杂；4.产生离心力，洞内空气潮湿，钢轨磨损加速，洞内养护工作量大；二、铁路曲线隧道缺点5.洞壁对气流阻力加大，通风条件变坏；6.增加了运营检查线路平面和水平的作业量和难度；7.洞内施工测量操作复杂，精度降低。1.尽量：短曲线、直线、大半径曲线，或将曲线置洞口附近避免设反向曲线或复曲线，以利于运营曲线：受地形、地质（不良、避开）影响三、铁路隧道线路平面设计要点复曲线：两个或两个以上半径不同，转向相同的圆曲线相连接或插入缓和曲线相连接而成的平面曲线。2.曲线两端设缓曲，缓曲设洞外，缓直点(或直缓点)距洞口一定距离(如公路隧道应保证停车视距)。3.隧道内圆曲线长度不应短于一节车厢长度。4.必须设两条曲线时，其间应有足够长的夹直线，一般是3倍车辆长度以上。直缓点夹直线三、铁路隧道线路平面设计要点四、公路隧道线路平面设计要点3.半径不宜小于不设超高的最小曲线半径，并符合视距要求1.要求与铁路隧道大同小异执行《公路工程技术标准》，并考虑隧道特点2.两个关系：曲线半径与视距的关系

超高与隧道断面关系5.洞口应采用大半径曲线的引线与隧道衔接。6.设置曲线有利于司机的“亮适应”。出隧道由暗到明4.根据停车视距换算不加宽的最小曲线半径。进隧道由明到暗

隧道纵断面是隧道中心线展直后在垂直面上的投影。3.6.2隧道纵断面设计隧道内线可设置单面坡（向隧道一端上坡或下坡）或人字坡（从中间向洞口两端下坡）。1.铁路隧道线路纵断面设计(1)坡度大小铁路隧道线路纵断面设计主要考虑的因素是排水、施工、通风、越岭高程等，对于车辆的行驶，线路的坡度以平坡最好，但为了满足自然排水的需要，最小坡度不宜小于0.3%。对于铁路而言，还应考虑洞内湿度影响和洞内空气阻力影响对限坡作进一步的折减。(2)坡段长度

对于铁路隧道，隧道内的坡段宜设计长些，或不短于列车长度。(3)坡段连接为了列车行车平顺，两个相邻坡段坡度的代数差值不宜太大，当两相邻破段代数差太大时可以在两个坡段之间插入一段缓和坡段或者在变坡点处设置竖曲线来连接两坡段。2.公路隧道线路纵断面设计隧道内纵断面线形应考虑行车安全、运营通风规模、施工作业和排水等要求确定，最小纵坡不应小于0.3%，最大纵坡不应大于3%。考虑到隧道通风问题，纵坡控制在2%为好。当隧道纵坡超过2%时，汽车排出的有害物质随着纵坡的增大而急剧增多。从公路隧道通过车辆尽量少排出有害气体观点出发，一般情况不应大于3%。3.6.3隧道横断面设计（1）公路隧道建筑限界：保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间限界。

公路隧道建筑限界详图（2）隧道净空指隧道衬砌内轮廓线所包围的空间，包括隧道建筑限界、通风及其他所需的断面积。3.6.3隧道横断面设计什么是隧道净空？什么是隧道建筑限界？(3)衬砌断面的轮廓线

①衬砌内轮廓线：是衬砌的完成线，在内轮廓线之内的空间为隧道的净空断面。

②衬砌外轮廓线：指为保持净空断面的形状，衬砌必须有足够的厚度(或称最小衬砌厚度)的外缘线。该线又称为最小开挖线。

隧道内轮廓线拟定3.6.3隧道横断面设计③实际开挖线

为保证衬砌外轮廓，开挖时往往稍大，尤其用钻爆法开挖时，实际开挖线不可避免的成为不规则形状。隧道内轮廓线拟定超挖线，超挖部分的大小叫超挖量，一般不应超过10cm。实际上凸凹不平，这样10cm的限制线只能是平均线，它是设计时进行工程量计算的依据。用钻爆法施工时，很难掌握刚好达到平均线，常常比它大，造成了不必要的工程量，如何控制它，至今仍为一个难题。

所有超挖部分都要用片石回填或喷射同等级的混凝土使其密实。隧道超挖严重（4）、隧道衬砌截面厚度

随所处地质条件和水文地质条件不同而有较大变化，并且与隧道的跨径，荷载大小，衬砌材料以及施工条件等有关。3.6.3隧道横断面设计根据以往经验，拱圈可以采取等截面，也可采取在拱脚部分加厚20%—50％的变截面。仰拱厚度一般略小于拱顶厚度。

3.6.4隧道衬砌内轮廓线的求法1.铁路隧道轮廓线的求法

我国铁路隧道的建筑限界是统一固定的，因此，相同围岩级别情况下，其衬砌结构的断面形状也是固定的，这些衬砌结构均有通用的设计标准图，不需做专门的设计，但当有较大偏压、冻胀力、倾斜的滑动推力或施工中出现大量坍方以及7度以上地震区等情况时，则应根据荷载特点进行个别设计（1）衬砌内轮廓尺寸拟定（1）衬砌内轮廓尺寸拟定

3.6.4隧道衬砌内轮廓线的求法2.公路隧道轮廓线的求法

公路隧道的建筑限界取决于公路等级、地形、车道数等条件，公路隧道的附属设施如通风、照明、消防、报警灯均比铁路隧道多且要求高。目前公路隧道大多采用单心圆或三心圆的拱形断面内轮廓线计算图（1）衬砌内轮廓尺寸拟定（1）衬砌内轮廓尺寸拟定对于长、特长隧道应在行车方向的右侧设置紧急停车带。考虑车辆在隧道内发生事故，有一个应急的抢险、疏导车辆的余地，便于较快地消解阻塞，减少损失。紧急停车带的设置，宽度不小于3.0m，且紧急停车带宽度与右侧侧向宽度之和不小于3.5m；长度不宜小于50m，其中有效长度不应小于40m。紧急停车带的设置间距不宜大于750m，并不应大于1000m。停车带的路面横坡，长隧道可取水平，特长隧道可取0%～1.0%或水平。3.6.5其他线形设计紧急停车带横向通道上下分离式独立双洞的公路隧道之间应设横向通道。人行横向通道的设置间距取250m,并不大于500m。车行横向通道的设置间距取750m,并不大于1000m。建筑限界见图。

复习思考题1.隧道勘察的目的和意义是什么？2.围岩的分级方法和围岩分级的影响因素？3.隧道路线的选址的方法和原则？4.隧道洞口位置的选择方法以及隧道的几何设计要求。第4章围岩压力理论与计算

本章提要：对围岩压力的正确认识是进行隧道结构设计的基础。本章主要介绍围岩初始应力场的概念、变化规律及影响因素，隧道围岩压力的分类及几种常用的围岩压力计算方法，围岩典型的破坏方式。隧道围岩压力的分类及其计算是学习的重点和难点，应着重掌握深浅埋隧道的判定及松动压力的计算。第四章围岩压力4.1初始应力场4.2围岩压力分类4.3松动压力4.4普式理论和太沙基理论4.5弹性分析4.6弹塑性分析4.1初始应力

初始应力场指由于岩体的自重和地质构造作用,在坑道开挖前岩体中就已经存在的地应力场,其形成与岩体构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史等有密切关系。地应力场是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力场。1.自重应力场2.构造应力场3.初始应力场分布规律4.1.1、初始地应力场的变化规律

自重应力场：由上覆岩体自重所产生的应力场。以水平成层、地面平坦的情形为例。岩体是线性变形，在XZ平面是均质的，沿Y轴方向是非均质的。单位体积重量假定沿深度变化。由弹性力学可得：边界条件，h=0，（4-15）（1）自重应力场

当水平方向和垂直方向的弹性模量、泊松比相同时，可得：—侧压力系数

结论

1）泊松比变化在0.15-0.35之间，在自重应力场水平应力通常是小于垂直应力的。

2）垂直应力随深度增大而增大，但围岩本身的强度是有限的。

3）到一定深度，围岩将处于隐塑状态，与静水压力近似。

规律:(1)应力随深度呈线性增加；

(2)水平应力总是小于垂直应力,最多与其相等。

地质学家认为低层各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果。地质力学把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称为构造应力场。构造应力场：地壳处发生的一切构造变形与破裂所形成的地应力，是随时间变化的动态场。（2）构造应力场1、构造应力以各种形式积蓄在岩体内，对隧道工程产生重大影响。2、在较浅地层中普遍存在，最大构造应力的方向近似为水平；水平应力分量常大于重力应力场的水平应力分量，甚至大于重力应力场垂直应力分量。构造应力场特性：3、构造应力场是不均匀的，主应力轴的方向和绝对值的变化很大。4.1.2、初始应力场的影响因素

围岩的初始应力状态受到两类因素的影响。第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质及构造、地形等经常性的因素影响；第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。

目前主要研究由岩体重力形成的应力场,而认为其他因素只是改变了由重力造成的初始应力状态。此外,在众多的因素中,还要特别研究下面几点：4.1.2、初始应力场的影响因素

1.地形和地貌

在靠近山坡部位，最大压应力方向近似平行山坡表面。在山谷底部，最大压应力方向几乎水平。

从主应力量值来看，在接近山谷岸坡表面部分是应力偏低的地带，往里则转变为应力偏高带，再往山体深部逐渐过渡到应力稳定区，在山谷底部则有较大的应力集中。

在实际工程中，还发现有些傍山隧道，虽然临近山谷，按理应力已基本释放完毕，属于应力偏低带，可是仍存在着相当大的应力，这可能是由于地形剥蚀作用所造成的。

2.岩体的力学性质

现阶段围岩中的应力状态是经过历次构造运动的积累和后来剥蚀作用的释放而残存下来的。按照强度理论，岩体中的应力状态不能超出岩体强度，所以岩体强度越高，地应力值越大。

一般可用应力度（垂直应力与岩体单轴抗压强度的比值）来表示岩体在开挖前的状态，应力度越小，说明岩体的潜在能力越大，开挖后就越稳定，引起的位移就越小此外，应力的积累还与岩体的变形特性有关。变形模量较大的近于弹性的岩体对应力的积累比较有利。塑性岩体容易产生变形，不利于应力的积累，故在这类岩体中常以自重应力场为主。3.地温温度变化，尤其是围岩内部温度不相同时，温度应力的一部分会残留下来。此外，地壳内岩浆固结或受高温高压再结晶时，将伴随着体积膨胀或收缩，受到相邻岩块的约束作用而产生残余应力。4.人类活动

人类活动包括大堆渣场的形成，深的露天开采和地下开挖，修建水库、抽水、采油以及高坝建筑等，都可能局部地影响围岩的初始应力场，有时甚至会产生比较大的影响，如因水库蓄水而诱发地震就是比较典型的例子。综上所述，只有详细了解影响围岩初始应力场的各种因素，才能较可靠地确定围岩初始应力状态。4.1.3初始应力场的确定方法1.实地应力量测

实地应力量测是直接在未经扰动的岩体中进行应力量测。

岩体应力量测有两种:

(1)量测围岩的绝对应力值，包括其大小和方向；

(2)量测围岩应力在开挖过程中的相对变化。

前者可用来确定围岩的初始应力场，后者则可评价施工程序的优劣及开挖对相邻地下工程的影响等。2.地质力学分析法

岩体中一切构造形迹，如岩层倾斜、皱曲、破裂和错动等，无一不是岩体在地应力作用下形成的永久变形的形象，是地壳构造运动中力学作用的残迹。因此，根据构造形迹可以宏观地反推出地应力的性质和方向，这就是地质力学分析的基本概念。

应用地质力学方法分析工程地段围岩的初始应力状态，首先应进行区域性的构造形迹的调查和测绘，查明区域构造应力场的方向；其次是根据构造形迹的特征，定性地估计初始应力场的量级；最后再考虑其他地质力学标志，如埋深、风化程度等，评价水平应力和垂直应力的比值。4.2围岩压力的分类1962年，卡斯特奈根据围岩压力成因，把围岩压力分为松散压力、真正的地层压力和膨胀压力三类。自20世纪70年代中期起，在我国一些教科书和文章中也提出了类似的分类方法。分类的依据除考虑围岩压力的成因外，还考虑了围岩压力的特征，应用较广的分法是把围岩压力分成松动压力、变形压力、冲击压力和膨胀压力四类。4.2围岩压力的分类●围岩压力按作用力发生形态分为：

⑴松动压力：

⑵变形压力：

⑶冲击压力：

⑷膨胀压力：

⑴松动压力：常通过下列三种情况发生：

①在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石对支护造成的落石压力；

②在松散软弱的岩体中，洞室顶部和两侧片帮冒落对支护造成的散体压力；

③在节理发育的裂隙裂原岩体中，围岩某些部位的岩体沿弱面发生剪切破坏或拉坏，形成了局部塌落的松动压力。

⑵变形压力

变形压力则是由围岩变形受到支护的抑制产生的，所以变形压力除与围岩应力有关外，还与支护时间和支护刚度等有关，按其成因可进步分为下述几种情况。1）弹性变形压力当采用紧跟开挖面进行支护的施工方法时，由于存在着开挖面的“空间效应”而使支护受到一部分围岩的弹性变形作用，由此而形成的变形压力称为弹性变形压力。2）塑性变形压力由于围岩塑性变形(有时还包括一部分弹性变形)而使支护受到的压力称为塑性变形压力，这是最常见的一种围岩变形压力。3）流变压力围岩产生显著的随时间增长的变形或流动压力是由岩体变形、流动引起的，有显著的时间效应，它能使围岩鼓出、闭合，甚至完全封闭。⑷冲击压力

冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变性能以后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的巨大压力。冲击发生时伴随着巨响、岩石成镜片状或叶片状高速迸发出来。冲击压力又分为岩爆、岩震和突出等现象。由于冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与高地应力和完整硬岩直接相关。弹性模量较大的岩体，在高地应力作用下，易于积累大量的弹性变性能，一旦破坏原始平衡条件，它就会突然猛烈的释放。⑶膨胀压力

当岩体具有吸水、应力解除等膨胀性特征时，由于围岩膨胀所引起的压力称为膨胀压力。膨胀压力与形变压力的基本区别在于它是由于吸水、应力解除等膨胀引起的。从现象上看，它与流变压力有相似之处，但两者的机理完全不同。岩体的膨胀性，既决定于其蒙脱石、伊利石和高岭土士的合量含量，也取决于外界水的渗入和地下水的活动特征，岩层中蒙脱石含最愈高，有水源供给，膨胀性越重大。

确定围岩压力方法

（1）直接量测法直接量测法是一种切合实际的方法，对隧道工程而言，也是研究发展的方向，但由于受测量设备和技术水平的制约，目前还不能普遍使用。

（2）经验法或工程类比法经验法或工程类比法是根据以前工程的实际资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值，作为后建工程确定围岩压力的依据，是目前使用较多的方法

（3）理论估算法理论估算法是实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法

由于地质条件的不确定性，影响围岩压力的因素非常多，这些因素本身及它们之间的组合也带有一定的偶然性，试图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩压力理论及计算方法是困难的。4.3松动压力

开挖隧道所引起的围岩松动和破坏的范围有大有小，有的可达地表，有的则影响较小。

对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅局限在隧道周围一定范围。所以作用在支护结构上的围岩松动压力远远小于其上覆岩层自重所造成的压力。形成过程：

图4-4围岩压力形成过程a）应力重分布b）垂直压力增大c）岩块掉落d）平衡拱形成1）隧道开挖后，在围岩应力重分布的过程中，顶板开始沉陷并出现断裂纹，可视为变形阶段，如图4-4（a）所示。2）顶板中间部位的裂纹，继续发展，并且张开，由于结构面切割等原因，岩石开始掉落，支护所受的垂直压力增大，如图4-4（b）所示。

3）顶板以上掩体继续塌落，岩块与围岩母体脱离，形成近似于拱形的塌落面，垂直压力稳定在一定数值内，但由于原岩应力向隧道两侧转移至时两侧围岩压力增大，如图4-4（c）所示。4）顶板冒落到一定程度后达到相对平衡时，垂直压力和侧向压力趋于稳定，此时塌落面，近似为拱形，如图4-4（d）所示。4.3.1

深埋隧道围岩压力的确定

目前我国公路隧道和铁路隧道推荐的计算围岩竖向均布松动压力的公式是以工程类比为基础，统计分析了我国357座铁路隧道的塌方资料统计而拟定的。

1.塌方形态1）局部塌方局部塌方多数在拱部，有时也出现在侧壁(图4-5(a))，主要在大块状岩体中。（2）拱形塌方拱形塌方一般发生在层状岩体或碎块状岩体中，有2种类型：一类是在坑跨范围内，仅出现在拱部(图4-5(b))，另一类是包括侧壁崩塌在内的扩大的拱形崩塌爆(图4-5(c))。（3）异形塌方异形塌方是由于特殊的地质条件(如溶洞、陷穴)及地形条件(如浅埋）等造成的。图4-5塌方的基本形态a）局部塌方b）拱形塌方c）异形塌方2.岩体的坚固系数与塌方特性的关系如以岩体的坚固系数值作为评价围岩稳定性的指标，则多数塌方发生在2~5的岩体内(图4-6)。这是典型的裂隙岩体的一个基本特征，即易于崩塌。严格地说，1.5并不属于裂隙岩体的范畴。⑴深埋隧道围岩竖向均布压力q按下式计算

q=0.45×2s-1γω(kN/m2)

式中：S—围岩级别，如属IV级，则S＝4；

γ—围岩容重，(kN/m3)；

ω＝1+i(B-5)—宽度影响系数；

B—隧道宽度，(m）；

i—以B＝5m为基准，B每增减1m时的围岩

压力增减率。B<5m，取i＝0.2；

当B>5m，取i＝0.1。●适用条件

①H/B<1.7，式中H为隧道高度；②深埋隧道；③不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道；④采用钻爆法施工的隧道。

围岩的水平匀布压力e的确定，按下表中的经验公式计算围岩级别I、IIIIIIVVVI水平匀布压力0<0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q

在确定了围岩压力数值后，一个重要的问题是考虑压力分布特征。

我国隧道围岩压力的一些量测结果表明：作用在支护结构上的荷载是不均匀的，在V及VI级围岩中，局部塌方是主要的，而其他级别的围岩中，岩体破坏范围的形状和大小受岩体结构、施工方法等因素的控制，极不规则。根据统计资料，围岩竖向压力的分布图大致如4-7所示。用等效荷载即非均布压力的总和与均布压力的总和相等的方法，可确定各种荷载图形的最大压力值。图4-7围岩竖向压力分布特征a)均布分布b)半宽均布分布c)有对称集中的均布分布d)对称三角形分布e)梯形分布f)对称梯形分布

上述压力分布图形只概括一般情况，当地质、地形或其他原因可能产生特殊荷载时，围岩压力的大小和分布应根据实际情况分析确定。

在分析支护结构时，一般以竖向和水平的均布荷载图形为主，并用局部压力、偏压以及非均布的荷载图形进行校核，较好的围岩着重于局部压力校核。如果地质、地形或其他原因可能产生特殊荷载，则围岩压力的大小和分布应根据实际情况分析确定。

在分析支护结构时一般以竖向和水平的均布荷载图形为主，并用局部压力、偏压以及非均布的荷载图形进行校核，较好的围岩分析着重于局部压力校核。另外，还应考虑围岩水平压力分布情况。①深、浅埋隧道的判定原则

Hp＝（2～2.5）hq式中:Hp—深浅埋隧道分界深度;hq—荷载等效高度，按下式计算：

hq＝q/γq—深埋隧道竖向均布压力kN／m2；

γ—围岩容重（kNm2）。

在矿山法施工的条件下I～Ⅲ级围岩取Hp＝2hq

4.3.2浅埋隧道围岩压力的计算Ⅳ～Ⅵ级围岩取

Hp＝2.5hq

当隧道覆盖层厚度H≥Hp时为深埋，

H＜Hp时为浅埋②浅埋隧道围岩压力的确定方法

1）埋深(H)小于或等于等效荷载高度hq时，荷载视为

均布竖向压力

q=γH

式中:q—匀布布竖向压力；

γ—深度上覆围岩容重；

H—隧道埋深，指隧道顶至地面的距离。侧向压力e，按匀布考虑时：

e=γ(H+Hi/2）tan2(450–Φ/2)式中:e—侧向匀布压力；

γ—围岩容重，以kN/m3计；

H—隧道埋深，以m计；

Hi—隧道高度，以m计；

Φ—围岩计算摩擦角，可查有关规范。

三棱体自重为

（4-12）

式中---围岩重度（kN/m3）；---隧道底部到地面的距离（m）；---破裂面与水平置的夹角（°）图4-8浅埋隧道围岩压力

由正弦定律：——侧压力系数2）埋深（H）大于hq、小于等于Hp

极限最大阻力T值可求得。作用在HG面上的总竖向压力Q浅：常改写为：2）埋深（H）大于hq、小于等于Hp

由于GC、HD与EG、FH相比往往较小；压力稍大些偏于安全。由于GC、HD与EG、FH相比较小；压力稍大些偏于安全。用H代替h。则2）埋深（H）大于hq、小于等于Hp侧压力为均布时图4-9浅埋隧道换算均布荷载

换算为作用在支护结构上的均布荷载如图4-9所示。

4.3.3偏压隧道围岩压力

偏压是指作用于衬砌结构上的不对称荷载。由于地面坡度较陡或倾斜节理的切割等地质结构因素的影响，有的隧道将承受偏压（图4-9）。根据实际经验，对于I～III级围岩，依地质构造的影响状况进行计算；对于IV级及其以下的围岩，一般按地形引起的偏压计算。

地形引起的偏压隧道围岩压力的假定、受力分析及公式的推导与地表水平时类似，这里仅给出计算结果。

偏压隧道衬砌荷载的计算假定偏压分布图形与地面坡一致。4.4普式理论和太沙基理论4.4.1普氏理论

普氏认为所有的岩体都不同程度被节理、裂隙所切割，可视为散粒体。但岩体又不同于一般的散粒体，结构面上存在着不同程度的内聚力。基于这种认识，普氏提出了岩体的“坚固性系数”f（又称侧摩擦系数）的概念。岩体的抗剪强度，将岩体视为散粒体，且保证其抗剪强度不变，则有，于是

式中、---岩体的内摩擦角和似摩擦角、---岩体的抗剪强度和剪切破坏时的正应力

c---岩体的黏聚力在确定围岩的松动压力时普氏提出了基于“自然拱”概念的计算方法。他认为在具有一定内聚力的松散介质中开挖坑道后，其上方会形成一个抛物线形的自然拱，作用在支护结构上的围岩压力即为自然拱内松散岩体的重力。而自然拱的形状和高度反映岩体的特征值，与所开挖的隧道宽度有关，其具体表达式为式中hk---自然拱高度；bt---自然拱的半跨度图4-11普氏理论自然拱形成a）坚硬岩体b）松散和破碎岩体

在坚硬的岩体中坑道侧壁比较稳定，自然拱的跨度即为隧道的跨度，如图4-11a所示。在松散和破碎岩体中，坑道侧壁受到干扰而产生滑移，自然平衡拱的跨度相应加大，如图4-11b所示，此时的值为

由此，隧道拱顶处围岩垂直松动压力为

围岩水平松动压力e可按朗肯土压力公式计算

普氏理论的主要优点：是计算围岩松动压力的公式比较简单，使用方便，而且经过修正后的ƒ值也能在一定程度上反映真实情况。按普氏理论计算的软岩隧道围岩松动压力，比实际情况偏小，对坚硬围岩则偏大，一般对松散、破碎围岩计算值中较准确。4.4.2太沙基理论

在太沙基理论中，假定岩体为散体，但是具有一定的内聚力。这种理论适用于一般的土体压力计算。由于岩体中总有一定的原生及次生各种结构面，加之开挖洞室施工的影响，所以其围岩不可能为完整而连续的整体，因此采用太沙基理论计算岩压力(松动围岩压力)收效也较好。

太沙基理论是从应力传递原理出发推导竖向围岩压力的。如4-12图所示，假定洞室顶壁衬砌顶部AB两端出现一直延伸到地表面的竖向破裂面AD及BC，在ABCD所圈出的散体中，切取厚度为dz的薄层单元为分析对象。该薄层单元受力情况如右图所示，共受以下五种力的作用:图4-12太沙基理论计算围岩压力简图①单元体自重力：②作用于单元体上表面的竖直向下的上覆岩体压力：③作用于单元体下表面的竖直向上的下伏岩体托力：④作用于单元体侧面的竖直向上的侧向围岩摩擦力：⑤作用于单元体侧面的水平方向的侧向围岩压力：

(4-33)将式(4-33)代人入式(4-31)得（4-34）薄层单元体在竖向的平衡条件为

（4-35）将式(4-28)、式(4-29)、式(4-30)及式(4-34)代入人式(4-35)得

（4-36）整理式(4-36)得

（4.37）由式(4-37)解得

（4-38）边界条件：当=0时,(地表面荷载)将该边界条件代人代入式(4-38)得

（4-39）将式(4-39)代入人式(4-38)得

（4-40）其中z——薄层单元体埋深（m）将z=H代入人式(4-40）时，可以得到洞室顶项部的竖向围岩压力q为

（4-41）式(4-41)对于深埋洞室及浅埋洞室均适用，将H→∞代入人式(4-41)，可以得到埋深很大的洞室顶项部竖向围岩压力q为

（4-42）由式(4-42)可以看出,对于埋深很大的深埋洞室来说，地表面的荷载对洞室项部竖向围岩压力q已不产生影响。当洞室侧壁围岩因不稳定而从洞室底面起产生与竖向成角的滑裂面时，如图（4-13）所示，洞顶竖向围岩压力q计算法与上述的完全一样，只需将以上各式中的a代以a´即可此时有图4-13侧壁围岩出现滑裂面时是洞顶竖向围岩压力计算简图

（4-43）

将式(4-43)代入式(4-41)，得出现侧向滑裂面后的洞顶坚向竖向围岩压力q计算式

（4-44）太沙基也将岩体视为散粒体，坑道开挖后，其上方岩体因隧道的变形而下沉，产生图4-14所示的错动OAB。其围岩压力计算公式为图4-14太沙基理论围岩压力计算简图

4.5弹性分析4.5.1无支护洞室围岩应力和位移1.洞室开挖后破坏形态

坑道开挖后，在围岩中产生一系列的力学现象，如：坑道周边的应力重分布、坑道周边围岩性质的改变、坑道断面的缩小以及坑道稳定性的丧失。这是一个属于无支护坑道的稳定和强度问题。

无支护地段岩体在要求的时间内不发