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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采用标准设计围岩等级综合评价结束需要解析验证否？需要解析验证否？NO采用解析方法Yes围岩等级NO一般采用类比设计围岩等级特殊调查类比设计Yes有无合适的类比设计开始特殊围岩一般围岩设计条件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≤55B≤1010B≤1515B≤2020B≤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Ⅱ50mm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21Ⅳ80～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