【正文】 觸面上不僅有徑向荷載，還有切向荷載存在，切向荷載的存在可以減小荷載分布的不均勻程度，從而大大減小結構中彎矩。 [例如 ] 在用加載板方法研究的荷載下沉曲線中，同時發(fā)生可觀的彈性和塑性下沉。一般以彈簧表示 ,有全周彈簧模式和在圍巖條件差的情況采用在隧道頂部 45186。 作用在地層上的荷載向土中的影響，隨深度因應力分散而減小。在泥質軟巖中 h大于 10m多產(chǎn)生開裂。 圖 1 圍巖的力學模式例 66 線性模式是最單純的力學模式，對大致推斷隧道支護體系的力學動態(tài)，此模式是充分的。=1 （ RREL） R39。 69 圖 3 松弛系數(shù) 當 R ≧ 1， R Rmin時： D=Do μ=μo 當 Rmin ≦ R 1時： )()1()1(02211021??????????????????ffRRRRDD70 式中： α α β β2表示非線性的參數(shù)，由實驗確定； R為松弛系數(shù)， k為彈性極限參數(shù)， 為彈性極限狀態(tài)的 值 。在初始應力解析中，側面的水平方向位移不要固定，而把水平土壓作為荷載作用之。 75 掌子面進展的三維效果可以按二維解析方法處理，這可采用流變函數(shù)方法和應力釋放率方法。 77 （ 1）初始地壓 有以下三個參數(shù)：埋深、初始側壓系數(shù)、單位體積重量。 （ a） 79 圖 9 初始側壓系數(shù)和埋深的關系 （ b） （ c） 80 (c)單位體積重量 原則上采用物性試驗求出，在受到上部有幾種地層構成時，硬按每一層地層設定。因此，強度特性中的黏結力和變形系數(shù)一樣，考慮裂隙的影響，將試件的試驗值適當降低。 遲延系數(shù) β 2在掌子面后方 2D（ D隧道直徑），根據(jù)位移收斂 90%的假定設定的。 根據(jù)試驗結果，充填砂漿的抗剪強度可定為 C=、φ=30 ，計算采用的數(shù)值可采用圍巖抗剪強度和此值中的小者。 (1)掌子面的進展用流變函數(shù)表現(xiàn)的方法 日本鐵道公團采用的方法是把掌子面的進展發(fā)生的三維應變的變化用流變函數(shù)置換進行計算的方法。采用此特性曲線，三維狀態(tài)的位移 u（ z）可表示如下。 92 (2)圍巖的穩(wěn)定性 根據(jù)計算結果評價圍巖的穩(wěn)定性時，其參數(shù)有破壞接近度和隧道周圍發(fā)生的塑性區(qū)的大小。 93 (3)支護構件的應力 噴混凝土、錨桿、鋼支撐等支護構件，應根據(jù)有關標準設定混凝土、鋼材的容許值。 對地下水問題的基本認識 （ 1）水是循環(huán)的。地表層的滲透能力非常強，降水的大部分向地下滲透以土壤水儲存，其后從表層到數(shù)米的土壤層和風化層的蒸發(fā)和樹木根系的吸收、蒸發(fā)，并向深部滲透。 砂礫層：數(shù)據(jù)比較少，看不出規(guī)律，但埋深在 50m以內，多發(fā)生枯水現(xiàn)象。γ 因此，利用平導進行超前的地質預報，根據(jù)巖面的水的活動狀況，或透水試驗確定折減系數(shù)是可行的。 ~ 103 表說明：在不同的地質條件下，水壓值可以有不同程度的折減，而折減的主要方法是根據(jù)開挖后暴露的滲漏水的狀況決定的。 山嶺隧道的水壓力問題 （ 1）既有的一些研究成果 我國水工建筑物荷載設計規(guī)范規(guī)定：作用在混凝土襯砌的外水壓強標準值，按下式確定。 火山巖及火山破碎巖類 ：枯水現(xiàn)象在埋深 250～ 300m時，幾乎都發(fā)生，范圍在埋深 100～ 200m時最大。 中、古生層 ：埋深在 150m以內幾乎都受到影響，出現(xiàn)枯水現(xiàn)象，其范圍在埋深 50～ 100m時是最大的，隨著埋深的增加有逐漸減小的趨勢。這是能夠修建海底隧道的理由之一。 94 表 5 隧道設計的容許值例 設計原則 支護構件作為主體結構的一部分時 支護構件作為臨時結構時 以支護構件強度使用的情況 位移 凈空位移值 ≦ ≦ 圍巖穩(wěn)定性 破壞接近度 ≧ 塑性區(qū) ≦ 支護構件的應力 噴混凝土應力 kgf/cm2 ≦ γcγbγt ≦ γt ≦ 錨桿應力 MPa ≦ 180 ≦ 200 ≦ 295 ≦ 345 主要對象的圍巖 Ⅴ n Ⅳ n Ⅲ n Ⅱ n Ⅰ n Ⅰ L Ⅰ s D：隧道直徑（ mm） fck：噴混凝土設計基準強度（ MPa） γc：噴混凝土的材料系數(shù)（ =） γb：噴混凝土的構件系數(shù)（ =） γt：噴混凝土的結構物系數(shù)（ =） 95 七、 結構計算中的水壓力問題 從防排水角度設計隧道有兩種類型，即防水型隧道和排水型隧道。 此外，從塑性區(qū)來看，壁面應力達到圍巖的單軸抗壓強度時開始塑性化，塑性區(qū)達到隧道直徑的 20%后急劇增大。 接近結構物的情況，要把結構物的位移為主進行評價。 (2)逐步釋放開挖面應力的方法 此方法是把在初始狀態(tài)的隧道預計開挖面的應力，與開挖的同時，配合掌子面的進展逐步釋放的方法。作為簡便的方法，可以改善后的壓漿區(qū)的變形、強度特性的方法進行解析。 86 錨桿的材料特性： 1)普通錨桿 Ec=210GPa σ Y= σ Y= 2)錨桿和圍巖間的滑動 因錨桿與砂漿間的附著強度大，錨桿發(fā)生滑動時，多發(fā)生在充填砂漿和圍巖之間。 (b)掌子面進展的參數(shù) 掌子面進展的參數(shù) α β 2，把掌子面的 3維效果用流變函數(shù)模擬的數(shù)值。 83 （ 3）圍巖的強度特性 圍巖強度特性有基于摩爾 庫倫破壞基準的黏結力、內摩擦角、抗拉強度等。但沒有量測數(shù)據(jù)時，也可根據(jù)類似條件的隧道量測數(shù)據(jù)進行反分析求解?？傊?，最好設在各構件開始發(fā)揮支護功能的時期。因此，如圖 8所示，由于開挖后支護設置的時期，隧道應力和位移是變化的。 72 表 1 一般采用的邊界條件 邊界的種類 水平方向的位移 垂直方向的位移 備注 解析區(qū)域的上面 自由 自由 地表面的上覆荷載或解析區(qū)域上面的圍巖重量，可作為荷載作用在邊界面上。 （ 2）松弛系數(shù)的非線性模式 此法是把圖 3所示的主應力圓和破壞包絡線的距離定義為松弛系數(shù)。 67 圖 2 破壞接近度的非線性模式 a)三軸試驗的應力－應變曲線； b)破壞接近度； c)破壞接近度和變形系數(shù)的關系； d)破壞接近度和泊松比的關系 68 也就是說，破壞接近度在彈性極限 REL以下，則顯示非線性，變形系數(shù) D降低，泊松比則增加。有限元界限中采用的位移的力學模式（圖 1）有：線性模式；非線性模式；彈塑性模式。 日本統(tǒng)計了近 30多座隧道的卸載開挖實例，研究挖土量H和埋深 h的關系后認為：因挖方產(chǎn)生襯砌變異的事例并不多，而襯砌發(fā)生開裂的局限在剩余埋深 h小于 5～ 10m或剩余埋深比 h/H小于 ～ 。為此，影響程度不能一概而論。但在巖質隧道中，彈性抗力的作用是非常顯著的，它能夠充分體現(xiàn)圍巖約束變形的作用。 57 實際上，在荷載作用下地基的變形是一個彈塑性過程，在初始荷載作用下，一般地基向襯砌方向移動，因為圍巖在開挖中會松弛或在襯砌回填中沒有達到密貼的要求，而在卸載條件下，圍巖變形只有一部分復原。實測荷載基本上反映了結構與圍巖全面的相互作用的特征。 如果 施工沒有滿足下述條件 ，隧道結構就只能是個拱 ,而按拱形結構進行設計計算： （ 1）制止松弛和由此產(chǎn)生的松弛壓力； （ 2）結構和圍巖之間有效的、長期的緊密接觸。下半斷面 200mm 250mm 250mm 仰拱 200mm 250mm 250mm 鋼支撐 間距 1m 1m 1m 上 46 城市條件采用礦山法修筑的隧道的標準設計 最近，日本針對城市砂質土和粘性土的地質條件和埋深淺的設計條件，編制了城市采用礦山法修筑地下鐵道區(qū)間隧道或鐵路、道路隧道的設計標準，很有借鑒意義。下面列舉我國及國外的一些標準設計的概況。 29 開始掌握基本條件、圍巖條件 隧道斷面積，斷面形狀 環(huán)境條件 隧道的使用目的，用途決定設計條件決定圍巖級別一般圍巖或 特 殊圍巖是否一般設計條件采用標準支護模式根據(jù)標準支護模式表和圍巖級別選定標準支護模式圍巖分級基準用其他方法設計支護模式、類比設計 解析設計結束NoNoYesYes 圖 1 初步設計中的標準支護模式設計的流程 30 標準設計的實用范圍及注意事項 標準設計在一般的設計條件下，適用于所有圍巖級別。米勒更絕對地指出 “ 通過大量的虛擬的計算，說明我們的無知，這些雖然能夠使發(fā)包者得到安慰，也只是自欺欺人 ” 。因此，不僅初期支護，二次襯砌都要薄些。 噴層厚 20~25cm，正面噴 3~5cm。 二次襯砌厚度約 30~40cm，包括噴層在內約 40cm。 其中某些類別還有些亞類。 4 陡傾斜巖層中的隧洞或斜井易失穩(wěn)的一側邊墻和緩傾斜巖層中的隧洞或斜井頂部，應采用表中第 (2)種支護類型和參數(shù)。 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。 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。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。 特殊圍巖 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。 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 。 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(jīng)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。 這種簡化顯然與隧道結構的實際工作狀態(tài)相差很大 。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。 （ 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 。 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。 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(jīng)實施過的、經(jīng)過工程實際證實是安全和經(jīng)濟的支護結構模式的設計方法。 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。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。 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