【正文】 、 初始應(yīng)力狀態(tài)等 ） 和設(shè)計(jì)條件 （ 隧道周邊的地形條件 、 環(huán)境條件 、 隧道斷面形狀 、 開挖方法等 ） 選擇適宜的方法進(jìn)行 。 初期支護(hù)和二次襯砌的設(shè)計(jì) ， 可采用類比設(shè)計(jì) 、 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和解析設(shè)計(jì)中的方法進(jìn)行 ， 但超前支護(hù)由于類型多 ， 且事例少還沒有確立標(biāo)準(zhǔn)的支護(hù)模式 ， 因此超前支護(hù)的設(shè)計(jì)最好采用類比設(shè)計(jì)或解析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行 。 進(jìn)行超前支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí) ， 應(yīng)根據(jù)以下順序進(jìn)行： 首先明確超前支護(hù)的目的和必要性；其次選定超前支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和超前支護(hù)的規(guī)格 （ 長(zhǎng)度 、 厚度 、 強(qiáng)度 、 剛性等 ） ；最后研究掌子面穩(wěn)定性 、 結(jié)構(gòu)的承載力及下沉量 。 86 掌子面開挖后隧道縱向圍巖的應(yīng)力重新分配 ， 引起掌子面前方的土壓的增加 ， 但采用超前支護(hù)后可以緩和其增加并提高了掌子面的自穩(wěn)性 。 掌子面前方土塊上的荷載受到超前支護(hù)的支持 ， 使掌子面滑動(dòng)的滑動(dòng)力減小 ， 即使沒有正面補(bǔ)強(qiáng)或簡(jiǎn)易的正面補(bǔ)強(qiáng) ， 也能夠確保掌子面的穩(wěn)定性 。 研究時(shí)要適當(dāng)?shù)姆从炒诵Ч?。 掌子面穩(wěn)定性研究的方法有也有兩種方法： （ 1） 研究掌子面前方土塊滑動(dòng)平衡狀態(tài)的方法 假定滑面是直線和對(duì)數(shù)螺旋線 ， 采用極限平衡方法 。 超前支護(hù)的效果用以下方法考慮：計(jì)算作用在掌子面土塊上方的荷載時(shí) ， 反映超前支護(hù)的效果；計(jì)算作用在掌子面土塊上方的荷載時(shí) ， 考慮 3維效果求處松弛荷載；考慮縱向應(yīng)力的再分配 。 87 （ 2） 研究掌子面圍巖自穩(wěn)性的方法 采用彈性或彈塑性有限元法評(píng)價(jià)掌子面前方圍巖的應(yīng)力狀態(tài) （ 塑性區(qū) 、 應(yīng)力集中等 ） 和控制先行下沉的效果 ， 研究掌子面的穩(wěn)定性 。 圖 1 掌子面縱向安全系數(shù)的比較例 （ 3） 超前支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力的研究方法 超前支護(hù)方式因橫向是連續(xù)的 ， 主要研究隧道橫向的承載力 。長(zhǎng)鋼管方式因縱向是連續(xù)的 ， 主要研究隧道縱向的承載力；在前 2者之間 ， 進(jìn)行橫向和縱向的研究 。 88 圖 3 縱向研究模式 適用范圍 最近山嶺隧道的施工領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大 ， 從強(qiáng)度低的軟巖到土砂等未固結(jié)圍巖 ， 采用通常的施工方法很難適應(yīng) 。 因此 ，一般都采用輔助工法來(lái)確保掌子面的穩(wěn)定性 。 過(guò)去是開挖后常常采用正面噴混凝土 、 正面錨桿 、 小導(dǎo)管等施工 ， 也采用留核心土 、 斷面分部等方法 。 但效果差 ， 作業(yè)也繁雜 ， 作業(yè)效率低 。 圖 2 橫向研究模式 89 超前支護(hù)是預(yù)先在圍巖內(nèi)構(gòu)筑一個(gè)殼狀的保護(hù)殼 ， 可以大斷面開挖 ， 或大型機(jī)械施工 ， 且能防止不能預(yù)測(cè)的崩塌 。 下圖是由施工實(shí)際編制的砂質(zhì)地層和粘土地層判定掌子面穩(wěn)定性的判定圖 。 此圖能夠按準(zhǔn)彈性系數(shù)和埋深的比值推定隧道掌子面的穩(wěn)定性 ， 研究 “ 稍穩(wěn)定 ” 、 “ 不穩(wěn)定～崩塌 ”的條件下應(yīng)研究采用超前支護(hù)等任何輔助方法的必要性 。 超前支護(hù)法中 ， 隧道橫斷方向的連續(xù)性是主要的結(jié)構(gòu) ，對(duì)約束相當(dāng)超前長(zhǎng)度的前方圍巖的位移的效果是很大的 。 因此 ， 需提高掌子面穩(wěn)定性的場(chǎng)合 、 極力控制地表下沉的場(chǎng)合 、近接施工的場(chǎng)合都是有效的 。 在隧道縱向連續(xù)性為主的工法中 ， 拱效果很小 ， 會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)下沉 。 但因可能施工的長(zhǎng)度較大 ， 同時(shí)可采用高強(qiáng)度的鋼材 ， 預(yù)計(jì)對(duì)防止掌子面崩塌是有效的 。 90 圖 4 山嶺隧道掌子面穩(wěn)定性的實(shí)態(tài) 91 八、 二次襯砌 概述 設(shè)置襯砌的目的如下： 考慮圍巖的不均勻性、支護(hù)材料質(zhì)量的離散、錨桿的腐蝕等不確定的因素，要增加作為結(jié)構(gòu)物的安全系數(shù)； 考慮使用后的外力的變化和支護(hù)材料的劣化，需要提高作為結(jié)構(gòu)物耐久性； 襯砌施工后，因土壓、水壓、上覆荷載等外力發(fā)生時(shí)，需要加以支持； 在隧道變形沒有收斂時(shí)修筑襯砌的場(chǎng)合，要給予隧道穩(wěn)定必要的約束力。 92 在一般場(chǎng)合，原則上都要設(shè)置襯砌。其中，仰拱原則上在 Ⅳ ~Ⅵ 級(jí)（鐵路隧道）或 Ⅲ ~Ⅰ 類（公路隧道）設(shè)置。必要時(shí)，鐵路隧道在 Ⅲ 級(jí)，公路隧道在 Ⅳ 類圍巖地段也要設(shè)置。仰拱設(shè)置時(shí)期最好在襯砌沒有產(chǎn)生不利的應(yīng)力之前設(shè)置，在地質(zhì)條件差的圍巖中，不管何種場(chǎng)合，都要及早地設(shè)置，使斷面及時(shí)閉合。 在一般的山嶺隧道中，由于圍巖與支護(hù)的相互作用而獲得開挖后的穩(wěn)定，二次襯砌的主要目的是： ? 隧道內(nèi)設(shè)施的保持功能； ? 防水功能防止（凍結(jié)、漏水）； ? 內(nèi)裝功能（確保美觀）； ? 維修管理功能（確保易于檢查）； ? 提高支護(hù)的安全系數(shù)。 93 但在某些條件下，除上述功能外，還應(yīng)具有以下作用： ? 地下水位回復(fù)的水壓的作用（防水型隧道）； ? 接近施工的影響； ? 地震的影響（洞口附近一般是軟弱圍巖、埋深?。?。 二次襯砌原則上應(yīng)在初期支護(hù)的位移收斂后施設(shè)，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)圍巖條件、施工狀況、周邊環(huán)境等，有以下情況時(shí)，應(yīng)另行研究： ? 土砂圍巖等埋深小、不能形成平衡拱的場(chǎng)合； ? 因地下水變動(dòng)，有很大水壓作用的場(chǎng)合； ? 接近其他結(jié)構(gòu)物施工，有荷載作用的場(chǎng)合； ? 地形等有偏壓作用的場(chǎng)合； ? 膨脹性圍巖、塑性變形大初期支護(hù)位移不收斂，不得不用襯砌抵抗土壓的場(chǎng)合； 94 ? 初期支護(hù)位移收斂，可以確保周邊圍巖穩(wěn)定，但初期支護(hù)的承載力接近極限的場(chǎng)合。 二次襯砌的形狀 二次襯砌的形狀，應(yīng)具有確保所定的凈空斷面、使彎矩盡可能地小、而且能有效地傳遞軸力的形狀。 在特殊圍巖等場(chǎng)合，預(yù)計(jì)襯砌中會(huì)產(chǎn)生很大的軸力和彎矩，應(yīng)盡量使這些斷面力小而且能夠圓滑地傳遞應(yīng)力、具有圓形形狀的斷面。為此，二次襯砌的形狀，一般多采用單心圓、三心圓、五心圓或多心圓與直線組合的拱形形狀。同時(shí)，多心圓和直線在接續(xù)點(diǎn)處應(yīng)具有共同的切線。 特別是，在膨脹性圍巖這樣有強(qiáng)大土壓的場(chǎng)合，應(yīng)采用類似圓形或接近圓形的形狀。 重點(diǎn)應(yīng)研究仰拱曲率、邊墻底腳與仰拱的連接部位。 95 襯砌厚度 二次襯砌的力學(xué)特性的研究方法目前還沒有完全確立，一般都按推定的土壓進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前還沒有決定厚度的統(tǒng)一的方法，但在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則。 （ 1） 不需附加力學(xué)功能時(shí) 指隧道襯在力學(xué)上是不需要的，但為確保隧道長(zhǎng)期的安全，還需要設(shè)置襯砌的場(chǎng)合。采用噴混凝土和錨桿等支護(hù)體系，就可以保證隧道的穩(wěn)定。但噴混凝土和錨桿作為永久的結(jié)構(gòu)物的可靠性，還沒有得到確認(rèn)，因此作為保證隧道結(jié)構(gòu)物最終安全的，還要設(shè)襯砌。 此時(shí)，襯砌的厚度，沒有必要采用能夠滿足作為結(jié)構(gòu)物功能的厚度，但隧道拱部和邊墻太薄，在施工作業(yè)上、混凝土的質(zhì)量上都會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因此一般采用 25~30cm。 96 （ 2）需附加力學(xué)功能時(shí) ? 有土壓、水壓作用的場(chǎng)合； ? 有因交通振動(dòng)和以后挖土、填土等環(huán)境變化而產(chǎn)生附加荷載的場(chǎng)合； ? 在膨脹性圍巖等不得不在圍巖變形收斂前修筑襯砌的場(chǎng)合； ? 計(jì)劃有并行隧道和接近施工的場(chǎng)合。 要在設(shè)計(jì)中決定襯砌厚度、強(qiáng)度、鋼筋量等。特別是在大的偏壓、埋深淺的圍巖、大的形變壓力產(chǎn)生的圍巖、膨脹性圍巖、有水壓作用的圍巖等，設(shè)計(jì)厚度要仔細(xì)研究決定。 但厚度過(guò)大，會(huì)增加開挖斷面積，荷載也會(huì)增大，此時(shí)最好采用鋼筋混凝土和纖維混凝土。 其設(shè)計(jì)厚度的分布示下圖。 97 圖 1 二次襯砌設(shè)計(jì)厚度的實(shí)際分布 仰拱和底板 （ 1）仰拱 一般說(shuō)，易產(chǎn)生底鼓和側(cè)壁擠出的或有必要采用翻漿冒泥措施的圍巖都要設(shè)置仰拱。 在特殊圍巖中仰拱與開挖工法形成一體，當(dāng)確認(rèn)位移不能收斂時(shí)，應(yīng)在掌子面附近用噴混凝土施設(shè)臨時(shí)仰拱。 98 在土砂圍巖中的仰拱原則上是采用噴混凝土及早閉合斷面的，因此當(dāng)仰拱是在接近掌子面施工時(shí)，考慮圍巖條件、經(jīng)濟(jì)性等可以省略噴混凝土或減小厚度。 一般圍巖： 需要設(shè)置仰拱時(shí)，沒有必要考慮很大的土壓和底鼓，可以采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)所示的結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)。 特殊圍巖： 仰拱的形狀要與土壓的狀態(tài)相適應(yīng)。但曲率大，雖然能夠增加承載力，可是開挖量也隨之增加，施工性變差。為此，最好在臨時(shí)仰拱后修筑永久仰拱。 仰拱的形狀要考慮水壓、接近施工、地震等的影響，為了使彎矩小而且能夠園順地傳遞軸力，其半徑要小，隅角的半徑要大。仰拱的半徑在山區(qū)隧道是：?jiǎn)尉€采用 10m，雙線采用 20m，在城市多比上述值小一些。隅角的半徑，在山區(qū)多采用 ，在城市要大一些。 99 圖 2 仰拱厚度與開挖斷面積的關(guān)系 圖 3 仰拱構(gòu)造例（雙線、防水型） 100 (2) 仰拱和連接部的半徑的影響 仰拱半徑的影響： 以連接部半徑 ，仰拱半徑 3463m（最大）、1269m、 866m（最小）的各種組合的斷面力圖（軸力圖、彎矩圖）。仰拱形狀偏平（半徑大），仰拱中央的彎矩大。另外，仰拱形狀偏平，軸力變小。 圖 4 解析模式 101 仰拱形狀 彎矩圖（ ） 軸力圖（ kN） 位置： FL＝ 250m 半徑： R3＝ 3463m 位置： FL＝ 550m 半徑： R3＝ 1269m 位置： FL＝ 1500m 半徑： R3＝ 866m 圖 5 仰拱半徑和最大彎矩的關(guān)系 圖 6 仰拱半徑和最大軸力的關(guān)系 表 1 斷面內(nèi)力比較 102 連接部半徑 的影響： 表 2給出以仰拱半徑 1269mm為準(zhǔn)，連接部半徑 1000mm、1500mm、 2023mm變化的斷面力。 仰拱形狀 彎矩圖（ ） 軸力圖（ kN） 半徑： R4＝ 1m 半徑： R4＝ 半徑： R4＝ 2m 表 2 斷面內(nèi)力比較 103 （ 3） 底 板 鐵路隧道中采用整體道床 時(shí) 應(yīng)設(shè)置底 板 。同時(shí)，即使在碎石道床，但有可能翻漿冒泥時(shí)，也應(yīng)設(shè)置底版。 考慮側(cè)壓的情況，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施。底 板 是介于傳遞列車反復(fù)荷載的軌道板或道床之間的構(gòu)件，以均勻傳遞為目的，因此，除強(qiáng)度、耐久性外，還要滿足剛性的要求。日本采用的標(biāo)準(zhǔn)底板 如下圖。 圖 7 連接部半徑和最大彎矩的關(guān)系 圖 8 連接部半徑和最大軸力的關(guān)系 104 圖 9 底板的標(biāo)準(zhǔn)斷面 圖 10 考慮側(cè)壓的底板構(gòu)造 105 九 、 洞口設(shè)計(jì) 一般說(shuō)，洞口部地形和地質(zhì)等圍巖條件都是不穩(wěn)定的，施工時(shí)易引起 滑坡、坡面崩塌、偏壓 等，同時(shí)也易受落石、雪崩、泥石流等自然氣象災(zāi)害的影響，因此，在設(shè)計(jì)中洞口動(dòng)態(tài)與隧道一般地段的動(dòng)態(tài)是不同的，有其特殊的問(wèn)題。洞口設(shè)計(jì)除了基于這些自然條件外，還要考慮洞口一般是淺埋的，洞口附近會(huì)有居民存在。 洞口段的設(shè)計(jì)應(yīng)研究以下問(wèn)題： 洞口的位置；洞口段的施工范圍；洞口的設(shè)置；洞口段的支護(hù)結(jié)構(gòu)和輔助工法；洞口坡面的穩(wěn)定和對(duì)策；氣象災(zāi)害的可能性和對(duì)策；地表下沉等對(duì)洞口周邊結(jié)構(gòu)物的影響。 設(shè)計(jì)時(shí)要充分參考表 1的著眼點(diǎn)和表 2的對(duì)策。 106 表 1 洞口段可能出現(xiàn)的問(wèn)題和設(shè)計(jì)上的著眼點(diǎn) 問(wèn)題 著眼點(diǎn) 坡面崩塌、滑動(dòng) 洞口開挖和伴隨隧道開挖引起的周邊圍巖的松弛是誘發(fā)滑動(dòng)、坡面崩塌的原因。因隧道開挖有可能發(fā)生滑動(dòng)、坡面崩塌時(shí)，應(yīng)在隧道開挖之前，對(duì)坡面進(jìn)行處理，隧道開挖時(shí)也要采用輔助工法。要特別注意防止隧道軸向滑動(dòng)的對(duì)策。 偏壓 因坡面與隧道軸線位置的關(guān)系，會(huì)有偏壓作用，可能產(chǎn)生彎矩和很大的應(yīng)力。應(yīng)在洞口采取不產(chǎn)生偏壓的對(duì)策。 基底承載力不足 洞口段因埋深小，隧道受到全土柱的荷載作用。另外，因洞口的圍巖多為未固結(jié)的堆積物和風(fēng)化帶，同時(shí)有涌水的情況也多，因此，基底的承載力不足會(huì)引起地表下沉和變異。因此，要采用能提高基底承載力的工法和對(duì)策。 掌子面崩塌 洞口段一般圍巖強(qiáng)度低，固結(jié)度低，同時(shí)即使在硬巖也因受到斷層和破碎帶的影響，裂隙發(fā)育，因此，掌子面自穩(wěn)性差。因此，在不能充分期待掌子面自穩(wěn)時(shí)，要采用能防止掌子面崩塌的開挖方法和輔助工法。 地表下沉 洞口段，因埋深小，承載力不足、掌子面自穩(wěn)有問(wèn)題等，易于產(chǎn)生地表下沉。在對(duì)下沉有限制的情況下，要采用相應(yīng)對(duì)策，必要時(shí)，要采取輔助工法和加強(qiáng)措施。 落石、泥石流、雪崩 洞口段處于不受落石、泥石流、雪崩影響的位置是非常重要的，不得已時(shí)，要考慮災(zāi)害的影響，研究采取實(shí)施