【正文】 1 主講 : 譚忠盛 隧道工程設計與施工 北京交大隧道系 2 第四部分 隧道設計方法 3 一、概 述 長期以來 ， 隧道結構的計算僅僅是針對支護結構中的二次襯砌的 ， 在計算中一直采取拱涵力學模式 ， 即把襯砌視為拱形推力結構 ， 承受來自圍巖的主動和被動荷載 。 這種簡化顯然與隧道結構的實際工作狀態(tài)相差很大 。 [例如 ]： 理論上已經證實 ， 在無支護坑道中 , 坑道本身就是承載結構 ， 其工作狀態(tài)更接近于半無限或無限介質中的孔洞那樣工作 。 4 [例如 ]:明挖施工隧道 （ 如淺埋地下鐵道 、 明洞等 ） ， 多采用拱涵力學模式 。 因為這種承受回填材料重量的結構與拱涵的工作狀態(tài)是一致的 。 在其他情況下 ， 則與圓管靜力學模式或與半無限及無限介質中帶加強環(huán)框的孔洞力學模式更為接近 。 5 地下結構的力學模式必須符合下述條件： （ 1）與實際工作狀態(tài)一致，能反映圍巖的實際狀態(tài)以及圍巖與支護結構的接觸狀態(tài)； （ 2）荷載假定應與在修建洞室過程中荷載發(fā)生的情況一致； （ 3）所確定的應力狀態(tài)要與經過長時間使用的結構所發(fā)生的事故和破壞情況一致； （ 4）材料性質和數(shù)學表達要等價。 只要符合上述條件，任何設計和計算方法都會獲得合理的結果。不管采取何種設計方法，都必須清楚地認識隧道結構物與其他工程結構物在本質上的差異，主要表現(xiàn)在以下幾點： 6 （ 1）其他工程結構都是抵抗荷載的， 而隧道結構，按目前的認識水平來說，圍巖同時是工程材料、承載結構和荷載。隧道結構的主體是圍巖，其承載結構是由圍巖和初期支護、襯砌組成的一個整體。該系統(tǒng)的荷載是由支護結構和圍巖之間的相互作用給定的，不是事先能給定的參數(shù)。 （ 2）地面結構有很大自由空間 ，其中每個構件都是事先根據(jù)標準荷載決定的，并用大家公認的方法進行計算、驗證。相反地，隧道全部是開挖出來的，是在初始地應力場作用下的工程材料中開挖出來的，也就是說是在具有一定應力場的圍巖中修筑的。結構很早就逐步地參與工作，其中的初始地應力場是很難準確決定的。 7 （ 3） 在其他建筑中 ， 設計者能夠計算與荷載假定相適應的結構的性質 ， 以及在可能的荷載組合下其中的應力和變形 。在隧道工程中要想計算出材料 （ 既是挖過的圍巖也是支護的主體 ） 中的應力和變形是很困難的 ， 因為它與形成的結構的類型以及時間有很大關系 。 （ 4） 其他建筑根據(jù)力學計算以及構造上 、 經濟上的考慮來選擇工程結構的材料 ， 而隧道工程的重要構件 （ 圍巖 ） ， 本身就是建筑材料 ， 我們既不能選擇 ， 也不能極大地影響它的力學性質 。 （ 5） 在施工中 ， 其荷載 、 變形和安全度與其他結構相比都還遠遠沒有確定 ， 尤其是與最終狀態(tài)的關系密切 。 因此 ， 在隧道結構中最后狀態(tài)的安全度檢算和力學計算是存在問題的 。 8 二、設計方法的選擇和適用條件 隧道支護結構的設計應根據(jù)圍巖條件（圍巖的強度特性、初始應地力場等）和設計條件（隧道斷面形狀、隧道周邊地形條件、環(huán)境條件等）選擇合適的設計方法。 根據(jù)隧道支護結構的特點，在預設計中采用以下方法 : (1) 標準支護模式的設計方法（簡稱標準設計）； (2) 類似條件的設計方法（簡稱類比設計或經驗設計）； (3) 解析的設計方法（簡稱解析設計）。 隧道支護結構設計，在有標準支護模式時以標準設計為主要的設計方法。在沒有標準支護模式時，則要根據(jù)圍巖條件、結構特點等選擇類比設計或解析設計的方法進行設計。 9 目前，我國鐵路隧道主要是采用標準設計方法進行設計的，而公路隧道還處在類比設計的階段，但有的設計單位也逐漸向采用標準設計的方向演變。國外在絕大多數(shù)場合，公路隧道是采用標準設計模式的。 設計方法選擇與圍巖條件和設計條件有關，選擇時可參考下表及下圖。 設計方法 圍巖條件 設計條件 標準設計 一般圍巖 特殊圍巖 一般條件 (標準斷面 ) 類比條件 特殊圍巖 特殊條件 (大斷面、偏壓地形、埋深極小或極大、地表面下沉有限制等） 解析設計 一般圍巖 (符合右欄的特殊條件 ) 特殊圍巖 表 1 設計方法的選擇 10 圖 1 設計方法的選擇流程圖 采用標準設計圍巖等級綜合評價結束需要解析驗證否？需要解析驗證否？NO采用解析方法Yes圍巖等級NO一般采用類比設計圍巖等級特殊 調查 類比設計Yes 有無 合適的 類比 設計開始特殊圍巖一般圍巖設計條件11 標準設計是用于一般圍巖條件下的標準隧道斷面的設計，在圍巖條件特殊或設計條件特殊時，采用已經實施過的、經過工程實際證實是安全和經濟的支護結構模式的設計方法。 不僅研究隧道結構物本身的安全性，而且要保護周邊環(huán)境或接近居民區(qū)的情況也越來越多。在這種情況下，有必要采用解析方法分析地表面下沉等地層的動態(tài)。 在下面所示的特殊條件的情況下，宜根據(jù)解析的計算結果，進行定量的判斷： （ 1）地質條件特別差的情況； （ 2）埋深大、初始地應力大的情況； （ 3）埋深小、地表面下沉有問題的情況； （ 4）采用施工方法、開挖順序與標準的支護模式不同的特殊工法的情況； 12 （ 5）斷面比標準支護模式大得多的情況； （ 6）斷面形狀特殊的情況； （ 7）洞口段、斜坡面下隧道等地形條件可能產生偏壓的情況； （ 8）有接近隧道的結構物的情況； （ 9）預計有與時間有關的流變荷載作用、二次襯砌存在長期荷載的情況。 在解析方法中，有兩種主要的方法，即： 傳統(tǒng)的結構力學方法及近代的巖體力學方法。前者是 把支護結構和周圍圍巖分割開來，把圍巖作為給定荷載，支護結構作為承載結構，即結構－荷載模式。 后者是 把結構和周圍巖體視為一體，作為共同的承載體系，即相互作用模式或圍巖－結構模式，這是我們目前在隧道設計中力求采用的或正在發(fā)展中的方法。 13 數(shù)值解析方法主要有：有限元法、有限差分法、剛體單元法、邊界單元法、離散極限解析法、塊體理論方法等。 有限元數(shù)值解析方法的特征如下： 1） 即使在解析對象區(qū)域的圍巖和隧道幾何形狀復雜的情況，也能夠采用各種單元的組合模式，不僅對初期支護，對二次襯砌都能夠按實際形狀進行解析； 2）即使材料力學性質不同的各種單元也能夠進行解析。為此，可以把具有復雜地質條件的圍巖力學特性和初期支護（混凝土材料、鋼材等）等的力學特性等按實際情況模式化； 3）研究埋深小、對地表面有影響的情況時，能夠推定伴隨開挖的下沉量。因此，也能判斷壓漿等改善圍巖的效果； 4）因基礎方程式的定式化比較容易，所以，可以考慮圍巖的非線性特性。 14 考慮上述性質，采用節(jié)理單元模擬不連續(xù)的裂隙圍巖的方法得到了應用，同時考慮粘彈塑性模式的研究也取得了一定的進展。這樣，使具有復雜支護模式的隧道和特殊圍巖條件下的隧道動態(tài)的解析也成為可能。 為提高有限元解析方法的可靠性，采用數(shù)值解析的前提是仔細的地質調查和如何將其利用在設計中的評價技術。 結構力學解析方法，主要用于研究二次襯砌。把二次襯砌分割模擬成為近似小段的直線構件，取各結點為剛性連接的骨架結構。同時，對襯砌的變形采用地層彈簧支持的彈性體來計算襯砌斷面內力的方法。 地層彈簧因按各節(jié)點設定，故對復雜地質條件的情況也能進行解析，并計算出襯砌斷面的內力。但是，不能計算隨掌子面進展和地表面下沉等情況。 15 三、類比設計 采用類比設計方法，應充分研究其設計條件及設計的妥當性，根據(jù)當?shù)貒鷰r的性質加以修正。 所謂類似條件 ：圍巖條件及斷面形狀等設計條件的類似。 研究 圍巖條件類似 時，最有參考價值的是附近既有工程的實際情況，如在圍巖分類時，應著重在彈性波速度、裂隙系數(shù)、圍巖強度比、相對密度、細顆粒含量等類似性上；其次，也要研究地下水條件的類似性。 設計條件的類似 性主要是支護模式、地形條件、施工方法、輔助工法等的類似性。 類比設計的類似性以及妥當性，一般應按表 1和表 2所列項目進行研究。 16 表 1 研究類似性的項目 項目 注意點 圍巖條件 圍巖級別 特殊圍巖 地形、埋深 埋深、不穩(wěn)定的偏壓地形、其他特殊的圍巖性質（沖積低地等不整合面、斷層等） 地質、土質的構成和性質 地層名稱、地質年代、成層構造、層組、層相、固結程度、滲透性、地下水位等 斷面形狀 單線、雙線、新干線、車站 水壓 防水型、排水型 對周邊影響的限制 限制值 完成后的接近施工 種類、位置關系、規(guī)模等 抗震 研究條件（預定地震動等） 項目 注意點 妥當性研究的量測值 開挖工法 分部尺寸、一次掘進長度 掌子面穩(wěn)定性、地表面下沉、接近結構物位移等 掌子面穩(wěn)定對策 設計方法、設計、影響預測方法等 地下水對策 周邊影響對策 超前支護 初期支護 設計方法、設計、解析方法等 地表面下沉、凈空位移、拱頂下沉、噴混凝土應力、襯砌應力、使用開始后有無變異等 表 2 研究妥當性的項目 17 下面進一步說明圍巖條件和設計條件的類似性。 硬巖 在硬巖中的類似圍巖指：分級表中的地層名、巖石名中屬于硬質圍巖的。例如，地層名、巖石名同屬于一類的，就可以判斷有一定的類似性。因此，在類比設計時，可參考其彈性波速度、裂隙系數(shù)的類似性進行設計。 中硬巖、軟巖 在中硬巖、軟巖中，巖石的物性值因巖石的種類及互層狀態(tài)等而異，因此，即使巖石名相同，還要考慮生成年代、強度、或圍巖強度比類似的圍巖條件。在這種情況時，砂質巖中的砂的固結狀態(tài) (強度 )及是否形成透水層是很重要的。所以，在進行類比設計時，最好參考其彈性波速度、裂隙系數(shù)、圍巖強度比的類似條件。在泥質巖、凝灰質軟巖中，有無膨脹性、斷層等的程度的類似性也十分重要。 18 土砂圍巖 未固結或土砂圍巖，應研究其生成年代、形成過程、緊密程度、透水性、地下水位等的類似性。對粘性土要研究其圍巖強度比，對砂質土要研究相對密度、細顆粒含量、含水比等的類似性。 設計條件 在類似圍巖中應著重收集其設計條件、施工方法、輔助工法的內容、凈空位移值等的量測結果，并加以分析、評價，而后編制經過修正的支護模式。 研究設計條件類似性的注意事項列于表 3。 19 表 3 作為參考的設計注意事項 注意事項 研究內容 圍巖特性 圍巖種類和凈空位移值的關系 開挖工法 分部的方法 開挖方式 一次掘進長度、機械性能等 輔助工法 種類及效果 支護結構 支護模式 支護材料 使用材料的種類，噴混凝土配比、強度、施工 二次襯砌 設計方法、混凝土強度、是否采用鋼纖維等 在大多數(shù)情況下，隧道支護體系設計還是依賴 “ 類比設計 ”的。表 4是錨桿噴混凝土支護技術規(guī)范建議的噴錨支護設計參數(shù)。 20 表 4 隧洞和斜井的噴錨支護類型和參數(shù) 毛洞跨度（ m） B≤5 5B≤10 10B≤15 15B≤20 20B≤25 I 不支護 50mm厚噴射混凝土 (1)80～ 100mm厚噴射混凝土 (2)50mm厚噴射混凝土，設置 2～ 的錨桿 100～ 150mm厚噴射混凝土，設置 ～3m長的錨桿，必要時配置鋼筋網 120～ 150mm厚鋼筋網噴射混凝土，設置 3～ 4m長的錨桿 Ⅱ 50mm厚噴射混凝土 (1)80～ 100mm厚噴射混凝土 (2)50mm厚噴射混凝土，設置 ～ 2m長的錨桿 (1)120～ 150mm厚噴射混凝土，必要時，配置鋼筋網 (2)80～ 120mm厚噴射混凝土，設置 2～ 3m長的錨桿，必要時配置鋼筋網 120～ 150mm厚鋼 筋網噴射混凝土，設置 3～ 4m長的錨桿 150～ 200mm厚鋼筋網噴射混凝土，設置 5～ 6m長的錨桿，必要時設置長度大于 6m的預應力或非預應力錨桿 Ⅲ (1)80～ 100mm厚噴射混凝土 (2)50mm厚噴射混凝土，設置 ～ 2m長的錨桿 (1)120～ 150mm厚噴射混凝土，必要時配置鋼筋網 (2)80～ 100mm 厚噴射混凝土，設置 2～ 錨桿，必要時配置鋼筋網 100～ 150mm厚鋼筋網噴射混凝土，設置3～ 4m長的錨